ISO 13123:2011

Metallic and other inorganic coatings — Test method of cyclic heating for thermal-barrier coatings under temperature gradient

ISO 13123:2011 applies to the test method of cyclic heating to evaluate the thermal-barrier performance and cyclic heat resistance of the thermal-barrier coatings provided for high-temperature components, such as burners, rotor and stator blades, etc. of power-generation gas turbines used in thermal power plants, aircraft engines and rocket engines.

Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques — Méthode d'essai de cyclage thermique de systèmes barrière thermique sous gradient de température

L'ISO 13123:2011 spécifie la méthode d'essai de cyclage thermique permettant d'évaluer les performances et la résistance au cyclage thermique des systèmes barrière thermique revêtant des composants soumis à des températures élevées, tels que les chambres de combustion, les aubes de rotor et de stator et autres éléments des turbines à gaz utilisées pour la production d'énergie dans les centrales thermiques, les moteurs d'avion et les moteurs de fusée.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 07-Dec-2011
• ICS: 25.220.20 - Surface treatment
• Technical Committee: ISO/TC 107 - Metallic and other inorganic coatings
• Drafting Committee: ISO/TC 107/WG 1 - Thermal spraying
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Completion Date: 23-Dec-2022

Relations

• Consolidates: ISO 16014-2:2003 - Plastics — Determination of average molecular mass and molecular mass distribution of polymers using size-exclusion chromatography — Part 2: Universal calibration method
• Effective Date: 06-Jun-2022

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13123
First edition
2011-12-15

Metallic and other inorganic coatings —
Test method of cyclic heating for
thermal-barrier coatings under
temperature gradient
Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques —
Méthode d'essai de cyclage thermique de systèmes barrière thermique
sous gradient de température




Reference number
ISO 13123:2011(E)
©
ISO 2011

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ISO 13123:2011(E)

COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT


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Published in Switzerland

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ISO 13123:2011(E)
Contents Page
Foreword . iv
Introduction . v
1  Scope . 1
2  Normative references . 1
3  Terms and definitions . 1
4  Principle . 2
5  Test piece . 2
6  Test method . 3
6.1  Test equipment . 3
6.1.1  General . 3
6.1.2  Test block . 5
6.1.3  Heating unit . 6
6.1.4  Cooling unit . 6
6.1.5  Controller . 6
6.1.6  Measuring instruments and sensor . 6
6.1.7  Chamber . 7
6.2  Testing . 7
6.2.1  General . 7
6.2.2  Procedure . 7
6.3  Calculation . 8
6.4  Evaluation . 9
6.4.1  General . 9
6.4.2  Evaluating the thermal-barrier performance . 9
6.4.3  Cyclic heat resistance . 10
7  Test report . 10
Annex A (informative) Calculation of temperature at the bottom side of the top coat . 13

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ISO 13123:2011(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13123 was prepared by Technical Committee ISO/TC 107, Metallic and other inorganic coatings.
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ISO 13123:2011(E)
Introduction
Thermal-barrier coatings (TBCs) are refractory coatings which provide thermal insulation for turbine blades
and vanes, as well as for combustion chamber liners in power generation, aviation gas turbines and rocket
combustors. They allow operation at substantially higher surface temperatures than is possible with bare
metal, and thus TBCs have been used to extend the life of components that suffer from severe heat load
cyclically during operation.
Conventional isothermal test methods are not suitable for evaluating the TBC under high heat load with a
large temperature-gradient condition. Standardization of a cyclic heating test method for determination of their
thermal-barrier performance and cyclic heat resistance under a temperature gradient field is required.

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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13123:2011(E)

Metallic and other inorganic coatings — Test method of cyclic
heating for thermal-barrier coatings under temperature gradient
1 Scope
This International Standard applies to the test method of cyclic heating to evaluate the thermal-barrier
performance and cyclic heat resistance of the thermal-barrier coatings provided for high-temperature
components, such as burners, rotor and stator blades, etc. of power-generation gas turbines used in thermal
power plants, aircraft engines and rocket engines.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 1463, Metallic and oxide coatings — Measurement of coating thickness — Microscopical method
ISO 2063, Thermal spraying — Metallic and other inorganic coatings — Zinc, aluminium and their alloys
ISO 2178, Non-magnetic coatings on magnetic substrates — Measurement of coating thickness — Magnetic
method
ISO 14917, Thermal spraying — Terminology, classification
ISO 80000-1, Qualities and units — Part 1: General
IEC 60584-1:1995, Thermocouples — Part 1: Reference tables
IEC 60584-2:1982, Thermocouples — Part 2: Tolerances
IEC 60584-3:2007, Thermocouples — Part 3: Extension and compensating cables —Tolerances and
identification system
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2063, ISO 14917 and the following
apply.
3.1
temperature gradient
temperature gradient caused by heating and cooling of both material surfaces of a test piece with
thermal-barrier coatings
3.2
cyclic-heating testing
testing in which a temperature gradient is applied cyclically to the test piece with a thermal-barrier coating
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ISO 13123:2011(E)
3.3
number of thermal cycles
number of times the cyclic heating test is applied to the test piece with thermal-barrier coatings
3.4
acoustic emission
AE
phenomenon of a test piece provided with a thermal-barrier coating to emit an elastic wave by releasing the
energy previously accumulated during damage generation like spalling, cracking, etc.
3.5
spalling area ratio
ratio of the total spalling area of a thermal-barrier coating to the effective area to which the thermal-barrier
coating has been applied
4 Principle
The test piece provided with a thermal-barrier coating is subject cyclically to the cyclic heating test, in which
the variation in equivalent effective thermal conductivity or acoustic emission occurrence frequency is
measured, for the purpose of evaluating the thermal-barrier performance of the thermal-barrier coatings.
The test is also used to evaluate the cyclic heat resistance of thermal-barrier coatings by visually observing
spalling and cracking in the test piece, and by determining the number of heating cycles needed to reach the
damage tolerance limit.
5 Test piece
The typical shape and dimensions of the test piece are shown in Figure 1.
The shape and dimensions of a typical test piece shall be a disk having a diameter of 15 mm to 30 mm.
The effect of substrate thickness on the performance should be determined based on the agreement between
the parties involved prior to the test. Its thickness should be measured according to ISO 1463 and ISO 2178.
It is recommended that the edge of the heating side of the substrate be rounded to a curvature of about
0,5 mm to 2 mm, or chamfered, in order to prevent cracking at the test-piece edge.
The thermal-barrier coating shall cover the entire heating surface of the substrate. The coating thickness shall
be measured at multiple points in the middle and peripheral portions and shall be within 10 % of the average
value.
To measure the temperature in the central portion of the substrate, a hole may be provided for the
thermocouple, running from the side of the substrate to the central portion (see 6.1.2.2). The position of the
hole shall be such that no adverse effect is exerted on the stress field occurring in the coating layer and on the
temperature measurement accuracy. The maximum diameter of the hole for the thermocouple should be close
to the outside diameter of the thermocouple isolation. The position and diameter of the hole can be measured
and described in the report, if necessary.
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ISO 13123:2011(E)
Dimensions in millimetres

Key
1 top coat
2 bond coat
3 substrate
4 thermocouple hole
d top coat thickness (mm)

t
Figure 1 — Typical shape and dimensions of test piece
6 Test method
6.1 Test equipment
6.1.1 General
The test equipment shall consist of a heating unit, cooling unit, test block, controller, and
detector/measurement instruments. Figure 2 shows a typical test equipment arrangement.
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ISO 13123:2011(E)

Key
1 heat shield 8 pyrometer
2 heat flux meter 9 camera
3 test-piece holder 10 shutter
4 heating unit 11 computer
5 test piece 12 AE sensor
6 cooling unit 13 control and detector unit
7 coolant
a)  Test equipment with heat flux meter

Key
1 heat shield 7 shutter
2 test piece 8 AE sensor
3 heating unit 9 coolant
4 cooling unit 10 computer
5 pyrometer 11 control and detector unit
6 camera
b)  Test equipment without heat flux meter
Figure 2 — Schematic diagram of test equipment
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ISO 13123:2011(E)
6.1.2 Test block
6.1.2.1 General
The test block shall consist of a test piece, heat flux meter and test-piece holder.
6.1.2.2 Heat flux meter
Typical examples of a heat flux meter with a test piece are shown in Figure 3.
The heat flux meter shall be brazed to the test piece as shown in Figure 3 a).
A thermal-barrier coating may be directly coated on the top of a heat flux meter as shown in Figure 3 b), in
order to avoid the incomplete bonding or interdiffusion. The effect on the performance of the substrate
thickness in the case of direct bonding should be considered and agreed upon between the parties involved.
The outside diameter of the heat flux meter shall be the same as that of the test-piece substrate.
The material of the heat flux meter should have a high thermal conductivity and a small temperature
dependence, normally such as copper, nickel, etc.
In order to determine the heat flux, multiple-thermocouple holes shall be provided, at regular intervals, running
from the heat flux meter's outer surface through to its central axis. The number of holes and the intervals
separating them shall be chosen based on the material and dimensions of the heat flux meter, test conditions,
etc.
The heat flux meter need not be used when the test is intended only for evaluation of the cyclic heat
resistanc
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 13123
Première édition
2011-12-15


Revêtements métalliques et autres
revêtements inorganiques — Méthode
d'essai de cyclage thermique de
systèmes barrière thermique sous
gradient de température
Metallic and other inorganic coatings — Test method of cyclic heating
for thermal-barrier coatings under temperature gradient




Numéro de référence
ISO 13123:2011(F)
©
ISO 2011

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ISO 13123:2011(F)

DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT


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Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous
quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
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ISO copyright office
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Publié en Suisse

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ISO 13123:2011(F)
Sommaire Page
Avant-propos . iv
Introduction . v
1  Domaine d'application . 1
2  Références normatives . 1
3  Termes et définitions . 1
4  Principe . 2
5  Éprouvette . 2
6  Méthode d'essai . 3
6.1  Équipement d'essai . 3
6.1.1  Généralités . 3
6.1.2  Bloc d'essai . 5
6.1.3  Appareil de chauffage . 6
6.1.4  Appareil de refroidissement . 6
6.1.5  Organe de commande . 6
6.1.6  Instruments de mesure et capteur . 6
6.1.7  Enceinte . 7
6.2  Essais . 7
6.2.1  Généralités . 7
6.2.2  Mode opératoire . 7
6.3  Calcul . 8
6.4  Évaluation . 9
6.4.1  Généralités . 9
6.4.2  Évaluation des performances de la barrière thermique . 10
6.4.3  Résistance au cyclage thermique . 10
7  Rapport d'essai . 10
Annexe A (informative) Calcul de la température de la face inférieure de la couche supérieure
déposée . 13

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ISO 13123:2011(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 13123 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 107, Revêtements métalliques et autres
revêtements inorganiques.
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ISO 13123:2011(F)
Introduction
Les systèmes barrière thermique (SBT) sont des revêtements réfractaires qui permettent d'isoler
thermiquement les aubes de turbine ainsi que les parois des chambres de combustion de moteur de fusée et
des turbines à gaz utilisées en production d'énergie et en aviation. Ces revêtements permettent une utilisation
à des températures de surface beaucoup plus élevées que ne le permet le métal nu. On utilise ainsi les SBT
afin de prolonger la durée de vie de composants exposés lors de leur utilisation à de fortes charges
thermiques cycliques.
Les méthodes d'essai classiques en conditions isothermes ne conviennent pas à l'évaluation des SBT
exposés à une charge thermique élevée et à un fort gradient de température. Il s'avère donc nécessaire de
normaliser une méthode d'essai de cyclage thermique permettant de déterminer les performances et la
résistance au cyclage thermique de ces barrières thermiques lorsqu'elles sont soumises à un gradient de
température.

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NORME INTERNATIONALE ISO 13123:2011(F)

Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques —
Méthode d'essai de cyclage thermique de systèmes barrière
thermique sous gradient de température
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie la méthode d'essai de cyclage thermique permettant d'évaluer les
performances et la résistance au cyclage thermique des systèmes barrière thermique revêtant des
composants soumis à des températures élevées, tels que les chambres de combustion, les aubes de rotor et
de stator et autres éléments des turbines à gaz utilisées pour la production d'énergie dans les centrales
thermiques, les moteurs d'avion et les moteurs de fusée.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 1463, Revêtements métalliques et couches d'oxyde — Mesurage de l'épaisseur de revêtement —
Méthode par coupe micrographique
ISO 2063, Projection thermique — Revêtements métalliques et autres revêtements inorganiques — Zinc,
aluminium et alliages de ces métaux
ISO 2178, Revêtements métalliques non magnétiques sur métal de base magnétique — Mesurage de
l'épaisseur du revêtement — Méthode magnétique
ISO 14917, Projection thermique — Terminologie, classification
ISO 80000-1, Grandeurs et unités — Partie 1: Généralités
CEI 60584-1:1995, Couples thermoélectriques — Partie 1: Tables de référence
CEI 60584-2:1982, Couples thermoélectriques — Partie 2: Tolérances
CEI 60584-3:2007, Couples thermoélectriques — Partie 3: Câbles d’extension et de compensation —
Tolérances et système d’identification
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2063 et l'ISO 14917 ainsi
que les suivants s'appliquent.
3.1
gradient de température
gradient de température induit par le chauffage et le refroidissement des deux surfaces d'une éprouvette
revêtue d'une barrière thermique
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ISO 13123:2011(F)
3.2
essai de cyclage thermique
essai consistant à exposer l'éprouvette revêtue d'une barrière thermique à un gradient de température de
façon cyclique
3.3
nombre de cycles thermiques
nombre de fois que l'éprouvette revêtue d'une barrière thermique est soumise à l'essai de cyclage thermique
3.4
émission acoustique
EA
émission d'une onde élastique par l'éprouvette revêtue d'une barrière thermique lorsqu'elle libère l'énergie
accumulée lors de son endommagement par écaillage, fissuration, etc.
3.5
proportion de surface écaillée
rapport égal à la surface totale écaillée du système barrière thermique divisée par la surface réelle sur
laquelle le revêtement a été appliqué
4 Principe
L'éprouvette revêtue d'une barrière thermique est soumise de façon cyclique à l'essai de cyclage thermique,
lors duquel on mesure la variation de la conductivité thermique effective équivalente ou la variation de la
fréquence des émissions acoustiques, dans le but d'évaluer les performances de la barrière thermique des
systèmes barrière thermique.
L'essai permet également d'évaluer la résistance au cyclage thermique des systèmes barrière thermique par
inspection visuelle de l'écaillage ou de la fissuration de l'éprouvette et par la détermination du nombre de
cycles thermiques nécessaires pour atteindre la limite de tolérance à l'endommagement.
5 Éprouvette
La forme et les dimensions types de l'éprouvette sont présentées à la Figure 1.
La forme et les dimensions doivent être telles que l'éprouvette type soit un disque de diamètre compris entre
15 mm et 30 mm.
Il convient de déterminer l'effet de l'épaisseur du substrat sur les performances en fonction de l'accord conclu
avant essai entre les parties concernées. Il convient de mesurer cette épaisseur conformément à l'ISO 1463
et à l'ISO 2178.
Il est recommandé que le bord de la face chauffée du substrat soit arrondi suivant une courbure de 0,5 mm à
2 mm environ ou chanfreiné, afin d'empêcher toute fissuration du bord de l'éprouvette.
Le système barrière thermique doit recouvrir toute la surface chauffée du substrat. L'épaisseur du revêtement
doit être mesurée en plusieurs points situés au milieu et sur la partie périphérique et doit se situer dans la
plage d'erreur de 10 % de la valeur moyenne.
Il est possible de percer un trou dans la face latérale du substrat jusqu'à la partie centrale afin d'y loger un
couple thermoélectrique permettant de mesurer la température régnant dans cette partie du substrat
(voir 6.1.2.2). Le trou doit être positionné de façon qu'il n'y ait pas d'effet indésirable sur le champ de
contraintes présent dans la couche du revêtement et sur l'exactitude du mesurage de la température. Il est
recommandé que le diamètre maximal du logement pour le couple thermoélectrique soit proche du diamètre
extérieur de l'isolation du couple thermoélectrique. Si nécessaire, l'emplacement du trou et de son diamètre
peuvent être mesurés et décrits dans le rapport d'essai.
2 © ISO 2011 – Tous droits réservés

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ISO 13123:2011(F)
Dimensions en millimètres

Légende
1 couche supérieure
2 couche de liaison
3 substrat
4 logement pour couple thermoélectrique
d épaisseur de la couche supérieure déposée (mm)

t
Figure 1 — Forme et dimensions types de l'éprouvette
6 Méthode d'essai
6.1 Équipement d'essai
6.1.1 Généralités
L'équipement d'essai doit comprendre un appareil de chauffage, un appareil de refroidissement, un bloc
d'essai, un organe de commande et des instruments de mesure et/ou de détection. Une disposition type d'un
équipement d'essai est présentée à la Figure 2.
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ISO 13123:2011(F)

Légende
1 écran thermique 8 pyromètre
2 fluxmètre thermique 9 caméra
10 volet
3 support d'éprouvette
4 appareil de chauffage 11 ordinateur
5 éprouvette 12 capteur EA
6 appareil de refroidissement
13 appareil de commande et de détection
7 fluide réfrigérant
a)  Équipement d'essai avec fluxmètre thermique

Légende
1 écran thermique 7 volet
2 éprouvette 8 capteur EA
3 appareil de chauffage 9 fluide réfrigérant
4 appareil de refroidissement 10 ordinateur
5 pyromètre 11 appareil de commande et de détection
6 caméra
b)  Équipement d'essai sans fluxmètre thermique
Figure 2 — Représentation schématique de l'équipement d'essai
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ISO 13123:2011(F)
6.1.2 Bloc d'essai
6.1.2.1 Généralités
Le bloc d'essai doit comporter une éprouvette, un fluxmètre thermique et un support d'éprouvette.
6.1.2.2 Fluxmètre thermique
Des exemples types de montage d'une éprouvette sur un fluxmètre thermique sont représentés à la Figure 3.
Le fluxmètre thermique doit être brasé sur l'éprouvette, comme indiqué à la Figure 3 a).
Un système barrière thermique peut être directement appliqué sur l'extrémité d'un fluxmètre thermique,
comme indiqué à la Figure 3 b), pour éviter toute discontinuité de liaison ou interdiffusion. Il convient que
l'effet sur la performance de l'épaisseur du substrat dans le cas de liaison directe soit envisagé et fasse l'objet
d'un accord entre les parties concernées.
Le diamètre extérieur du fluxmètre thermique doit être égal à celui du substrat de l'éprouvette.
Il convient que le matériau constitutif du fluxmètre thermique soit un très bon conducteur thermique et que
cette propriété varie peu avec la température, comme dans le cas du cuivre ou du nickel.
Pour permettre la détermination du flux thermique, des logements doivent être percés pour plusieurs couples
thermoélectriques, à intervalles réguliers dans la surface extérieure du fluxmètre thermique et allant jusqu'à
l'axe central. Le nombre de logements et l'intervalle qui les sépare doivent être bien choisis en fonction du
matériau et des dimensions du fluxmètre thermique, des conditions d'essai, etc.
Il n'est pas nécessaire d'utiliser le fluxmètre thermique lorsque l'essai est prévu uniquement pour évaluer la
résistance au cyclage thermique.
Dimensions en millimètres

a)  Méthode de brasage b)  Méthode par application directe du revêtement
Légende
1 éprouvette
2 couche de brasage
3 logements pour couple thermoélectrique
4 fluxmètre thermique

d épaisseur de la couche supérieure déposée (mm)
t
Figure 3 — Forme et dimensions du fluxmètre thermique
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ISO 13123:2011(F)
6.1.2.3 Support d'éprouvette
Un exemple type de support d'éprouvette est représenté à la Figure 2.
Le support d'éprouvette
...