FR3101950A1 - Procédé de contrôle non destructif d’une pièce - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de de contrôle d’une pièce composite par ultrasons comprenant les étapes suivantes :- Fournir une pièce comprenant une âme en matériau composite,- Réaliser une composition comprenant des nanoparticules métalliques,- Appliquer ladite composition sur une face extérieure de ladite pièce de manière à former une couche réflective aux ultrasons- Emettre un faisceau d’ondes ultrasonores au travers de la pièce jusqu’à ladite couche réflective ou bien directement vers ladite couche réflective. Figure à publier avec l’abrégé : figure 2

Description

Procédé de contrôle non destructif d’une pièce
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un procédé de contrôle d’une pièce en composite par ultrasons et plus particulièrement une pièce de turbomachine.
Etat de la technique antérieure
L’industrie aéronautique utilise de plus en plus les pièces en matériaux composites du fait de leurs propriétés mécaniques et de leur masse inférieure aux pièces en matériau métalliques. Ces pièces en composites doivent, de manière identique aux pièces métalliques, subir des opérations de contrôle non destructifs afin de vérifier leur intégrité.
A cette fin, plusieurs solutions existent. La plus couramment utilisée en production est le contrôle par ultrasons, qui s’avère rapide et peu onéreuse. Cependant, cette technique ne permet pas de visualiser des défauts inférieurs à cinq millimètres et ne permet pas non plus de faire la différence entre des zones poreuses ou délaminées dans le composite. Bien évidemment, d’autres solutions techniques plus précises existent comme le contrôle par rayons X ou par tomographie mais ces techniques sont plus couteuses, plus longues à mettre à place ce qui les rend incompatibles avec des cadences et des coûts de production.
Hors, il s’avère que les défauts recherchés en production présentent des tailles inférieures à 5 mm. Ces défauts peuvent être des porosités ou des zones délaminées ou encore la présence de corps étrangers. Ces derniers ont un impact non négligeable sur la tenue mécanique des pièces.
En pratique, on observe que le signal reçu en mode émission/réception est faible, c’est-à-dire que le rapport signal/bruit est petit ce qui ne permet pas de distinguer précisément les défauts dans le composite. Du point de vue physique, cette perte de signal est due à l’absorption des ultrasons dans la matière mais aussi à la diffusion des ultrasons ou bien encore à la réfraction et la diffraction.
Le présent document concerne un procédé de contrôle d’une pièce composite par ultrasons comprenant les étapes suivantes :
- Fournir une pièce comprenant une âme en matériau composite,
- Réaliser une composition comprenant des nanoparticules métalliques,
- Appliquer ladite composition sur une face extérieure de ladite pièce de manière à former une couche réflective aux ultrasons,
- Emettre un faisceau d’ondes ultrasonores au travers de la pièce jusqu’à ladite couche réflective ou bien directement vers ladite couche réflective.
Le procédé consiste donc à ajouter une couche apte à réfléchir les ultrasons à une interface de la pièce afin de rehausser le niveau du signal réfléchi sur cette interface. Ainsi, il est possible de mieux identifier la présence d’un défaut. Les nanoparticules utilisées peuvent être orientées dans la couche par application d’un champ magnétique, lorsque lesdites particules présentes une forme différentes d’une sphère, telle que par exemple une forme allongée.
Selon une autre caractéristique, ladite couche réflective peut présenter une épaisseur comprise entre 200 et 500 µm.
Le faisceau d’ondes ultrasonores peut présenter une fréquence centrale de l’ordre de 5 MHz et une largeur de bande à -3dB comprise entre 100KHz et 20 MHz.
La couche réflective peut former un primaire d’accroche d’une couche adhésive.
La couche réflective peut être recouverte d’une couche adhésive et une pièce additionnelle peut être appliquée au contact de la couche adhésive. Cette pièce additionnelle peut être une pièce ayant une âme en matériau composite. Elle peut être une pièce métallique telle qu’un renfort métallique d’un bord d’attaque d’une aube. Dans ce dernier cas, la couche réflective permet de réaliser un meilleur contrôle non destructif de la couche adhésive en augmentant le rapport signal/bruit par rapport à la technique antérieure.
Les nanoparticules peuvent comprendre au moins l’un des éléments de la liste suivante : l’aluminium, magnésium, fer, l’acier et inox.
La part en volume des nanoparticules est inférieure à 50%, de préférence comprise entre 10 et 30 %.
Brève description des figures
représente une vue schématique en coupe d’un bord d’attaque d’une aube en matériau composite, selon la technique connue ;
représente une vue schématique en coupe d’un bord d’attaque d’une aube en matériau composite, selon une première réalisation du présent document ;
représente une vue schématique en coupe d’un bord d’attaque d’une aube en matériau composite, selon une seconde réalisation du présent document ;
représente une vue schématique en coupe d’une autre réalisation du présent document.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 illustre une coupe d’une pièce 10 comprenant une âme 12 en matériau composite, qui est ici une matrice de fibres de carbone imprégnée d’une résine époxy. On notera que la présente divulgation s’applique à tous les matériaux composites en général et le plus fréquemment avec des composite époxy/carbone. La pièce 10 comprend une première interface 14 et une seconde interface 16. Comme évoqué précédemment, le contrôle non destructif par ultrasons de ce type de matériau s’avère difficile du fait d’une forte hétérogénéité de la structure interne conduisant à réduire l’énergie ultrasonore retournée au transducteur 18 émetteur/récepteur. Sur la figure 1 ainsi que sur les figures suivantes, on observe la présence d’un transducteur 18 configuré en mode émission/réception, c’est-à-dire que le transducteur 18 émet des ondes ultrasonores vers la pièce et reçoit des ondes ultrasonores en provenance de la pièce. Un faisceau d’ondes ultrasonores 20 est émis en direction de la seconde interface, traverse la pièce jusqu’à la première interface sur laquelle le faisceau est réfléchi puis revient (flèche 22) jusqu’au transducteur 18.
Afin de permettre un contrôle ultrasonore des pièces en composite, le procédé proposé consiste à réaliser une composition comprenant des nanoparticules métalliques. Les nanoparticules peuvent présenter une dimension maximale comprise entre 1 et 100 nanomètres. Un tamisage peut être réalisé pour obtenir une telle gamme de valeurs de particules.
La couche comprend un liant réalisé en époxy si la pièce de base est en époxy, ou bien tout autre matériau compatible du matériau de base (polyester, BMI, PEI) [préciser] dans lequel sont intégrées les nanoparticules. La composition ainsi obtenue est appliquée sur la première interface de la pièce (figure 2). Cette couche 24 forme ainsi une couche réflective.
Dans les différents exemples illustrés, la couche réflective 24 peut avoir une épaisseur comprise entre 200 et 500 µm.
Pour réaliser une opération de contrôle non destructif, on opère de la même manière qu’en référence à la technique antérieure. Ainsi, on émet des ondes ultrasonores en direction de la seconde interface. Les ondes ultrasonores se réfléchissent sur la couche réflective, le niveau d’énergie réfléchie est supérieur à la technique antérieure du fait de la présence de la couche réflective 24 comprenant des nanoparticules métalliques.
Dans une autre réalisation représentée en figure 3, la pièce 26 en matériau composite est destinée à être recouverte d’un renfort métallique 28, ce qui est le cas du bord d’attaque d’une aube. Selon le présent document, on applique une couche réflective 30 continue sur bord d’attaque de la pièce, à savoir sur le côté intrados et sur le côté extrados de l’aube. Dans un second temps, on applique une couche adhésive 32 sur la couche réflective et le renfort métallique vient recouvrir la couche réflective 30. Dans cette configuration, la couche adhésive 30 présente une composition lui conférant des propriétés de primaire d’accrochage de la couche adhésive 30, afin de faciliter le dépôt de la couche adhésive sur le bord d’attaque du composite.
A la différence de la figure 2, dans cette réalisation, l’opération de contrôle par ultrasons est réalisée en émettant le faisceau d’ondes ultrasonores directement vers la couche réflective 30, sans traverser au préalable l’âme composite. L’adjonction d’une couche réflective permet de rehausser le niveau du signal ultrasonore à l’interface entre le composite et le renfort métallique 28, ce qui permet de réaliser un contrôle de la couche d’adhésif et notamment de s’assurer de l’absence d’air. Cette manière de procéder permet de réaliser un contrôle de la couche d’adhésif du côté intrados, du côté extrados mais aussi au niveau du bord d’attaque. Ainsi, à la différence de la technique antérieure, où le signal réfléchit était faible du fait de la structure interne en composite mais aussi du fait de la présence du renfort métallique 28, la couche réflective 30 permet d’augmenter le rapport signal/bruit.
Dans une dernière réalisation représentée en figure 4, le procédé permet de réaliser une contrôle non destructif d’une pièce 34 en matériau composite lorsque celle-ci est accolée à une seconde pièce 36. Le transducteur 18 peut émettre une faisceau d’ondes ultrasonores 20 au travers de la première pièce 34 pour réaliser une opération de contrôle non destructif similaire à ce qui a été décrit en référence à la figure 2. Il est également possible de placer le transducteur de l’autre côté, de façon à ce que le faisceau d’ondes 20 traverse la seconde pièce 36 et vienne se réfléchir sur la couche réflective 30. De cette manière, on peut contrôler la couche adhésive 32.
Les nanoparticules peuvent comprendre au moins l’un des éléments de la liste suivante : l’aluminium, magnésium, fer, l’acier et inox.
La part en volume des nanoparticules peut être inférieure à 50%, de préférence comprise entre 10 et 30%.

Claims (9)

  1. Procédé de contrôle d’une pièce composite par ultrasons comprenant les étapes suivantes :
    - Fournir une pièce comprenant une âme en matériau composite,
    - Réaliser une composition comprenant des nanoparticules métalliques,
    - Appliquer ladite composition sur une face extérieure de ladite pièce de manière à former une couche réflective aux ultrasons,
    - Emettre un faisceau d’ondes ultrasonores au travers de la pièce jusqu’à ladite couche réflective ou bien directement vers ladite couche réflective.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite couche réflective présente une épaisseur comprise entre 200 et 500 µm.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le faisceau d’ondes ultrasonores présente une fréquence centrale de l’ordre de 5 MHz et une largeur de bande à -3dB comprise entre 100 KHz et 20 MHz.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche réflective forme un primaire d’accroche d’une couche adhésive.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite couche réflective est recouverte d’une couche adhésive.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel une pièce additionnelle est appliquée au contact de la couche adhésive.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pièce additionnelle est une pièce en composite ou une pièce métallique.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les nanoparticules comprennent au moins l’un des éléments de la liste suivante : l’aluminium, magnésium, fer, l’acier et inox.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la part en volume des nanoparticules est inférieure à 50%, de préférence comprise entre 10 et 30%.
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US20180356215A1 (en) * 2017-06-13 2018-12-13 The Boeing Company Composite parts that facilitate ultrasonic imaging of layer boundaries

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DAVID G MOORE ET AL: "Bondline Boundary Assessment of Cohesive Bonded Solid Woven Carbon Fiber Composites Using Advanced Diagnostic Methods", 19TH WORLD CONFERENCE ON NON-DESTRUCTIVE TESTING 2016, 1 May 2016 (2016-05-01), United States, XP055696277 *

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