Brevet FR2285611A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne un procédé pour la détection non destructive des endommagements de structure ou de certains types de défauts de fabrications pré par un matériau compact de nature composite, notamment un propergol. L'invention concerne également un dispositif pour appliquer ce procédé. On sait que les matériaux solides peuvent, au cours du telpa, être le siège de tensions internes, sous l'effet notamment de leur propre poids et de variations de température, ces tensions internes peuvant aller jusqu'à provequer des fissures. En particulier, les blocs de propergol, dont la lasse atteint couramment 16 tonnes, qui sont coulés au environs de 50 C, et dont la température de stockage est de l'ordre de 20e C sent spécialement exposés b ces endemmagement@ de structure qui empêchent une aise a feu correete et entraînent la mise au rebut du bloc.Il est donc nécessaire de surveiller périodiquement l'état de la structure des blocs de prepergel par wm procédé non destructif. Il est d'autre pert impev@aut de détecter les manques d'homogéméité des matériaux à la fin de leur fabrication. Repremant l'exemple des @lecs de propergol, même si celui ne sent souris B aucune cemtraints (bloc libre prr exemple), il peut arriver que de petites porosités ou petits défauts soient localisés dans une fraction de la masse fabriquée. Les procédés cennus pour étudier les anomalies de sératture des corps solides utilisent notamment l'auscultation dynamique ultra-sonore. On applique au solide un train d'endes ultra-semeres longitudinales, par exemple au moyen d'un émetteur piezo-électrique. et l'on observe l'éche de ce train d'onde. On peut ainsi mesurer vitesse de propagation des ondes précitées et en déduire les amement lies de structure éventuelles. Toutefois, cette méthede ne donne pas entière satisfactiem dans le cas des propergols, qui sont des corpsites comprenant une charge minérale à un taux imopertant et un liant du type caoutchouc. Dans le cas des propergols, et aussi de tous les corps présentant une structure analogue, on a en effet constaté que les ondes ainsi émises s'amortissaient rapidement, ce qui rend les mesures très difficiles, et également que la vitesse de propagation des ondes était très peu influencée par les contraintes subies par le matériau. Un des buts de la présente invention est de décrire un procédé pour détecter les eudoiiageients de structure qui soit exempt des inconvénients précités. suivant l'intention, le procédé pour la détection non des tractive de l'endoiiageient d'un matériau compact de nature composite, tel qu'un propergol, consiste à appliquer un train d'ondes ultra-sonores en un point de la surface de ce matériau et à observer le comportement de ces ondes, et il est caractérisé en ce que ces ondes sont émises radialement et en ce qu'on mesure, en un autre point de la surface du matériau, l'amplitude des ondes ayant choniné dans le matériau pour en déduire, pour des essais compara tifs échelonnés dans le temps, l'évolution des endommagements subis par le matériau. Cet endommagement se traduit dans les propergols, ou dans les matériaux coîposites, par l'apparition progressive de nombreuses petites vacuoles, porosités ou micodéfauts, dont l'accumulation amènera la rupture du matériau. En détectant ces petites vacuoles ou microdéfauts, on peut prédire que la rupture n'est plus éloignée. La présente méthode de contrôle non-destructif présente donc, sur beaucoup d'autres, l'avantage qu'elle peut prévenir de l'imminence d'une rupture catastrophique avant l'apparition de celle-ci. L'amplitude des ondes varie très fortement avec les contraintes subies par le matériau, et l--sesure de cette amplitude fournit une image précise des contraintes. Suivant une version préférée du procédé, l'émission et la captation des ondes ultra-sonores est obtenue par des céramiques piezo-électriquesdont la fréquence dans l'air est comprise entre 500 kHz et 2 MHz, et de préférence voisine de I MHz. Un autre but de la présente invention est de réaliser un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. Suivant l'invention, le dispositif pour la détection non destructive de l'endommagement d'un matériau compact de nature composite, tel qu'un propergol, destiné notamment à appliquer le procédé précité, comprend un émetteur d'impulsions électriques et un récepteur tel qu'un oscilloscope reliés à un émetteurTcapteur ultra-sonore qui comprend luimeAme un corps, une tête émettrice et une tête réceptrice, et il est caractérisé en ce que ces deux têtes comprennent chacune une pastille de céramique piezo-électrique vibrant radialement. Suivant une disposition préférée de l'invention, le corps de l'émetteur capteur est en deux parties comprenant chacune l'une des têtes précitées et réunies par un joint présentant une haute impédance acoustique, et les têtes sont elles-mêmes isolées acoustiquement du corps. Les ondes recueillies par la tête réceptrice sont donc bien celles qui ont cheminé dans le matériau, sans court-eircwt possible dans le corps de l'émetteur-capteur. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Alix dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif la figure I est un diagramme extensométrique d'une première catégorie de propergol, la figure 2 est un diagramme extensométrique d'une seconde catégorie de propergol, la figure 3 est un relevé des mesures effectuées lors de l'application du procédé conforme à l'invention, la figure 4 est une vue en coupe longitudinale de l'émetteurcapteur conforme à l'invention, suivant IV-IV de la figure 5, la figure 5 est une vue en coupe suivant V-V de la figure 4. On a fait des essais de traction sur une éprouvette de propergol à laquelle on appliquait simultanément un train d'ondes ultra-sonores longitudinales à l'une de ses extrémités. On a porté sur la figure 1 l'amplitude des ondes reçues à l'autre extrémité en fonction de la traction opérée ; plus précisément on a porté en ordonnées le rapport de l'amplitude A à l'amplitude initiale Ai reçue lors de la traction nulle initiale. Les tractions sont exprimées en 105 Pa. L'examen de la courbe 1, obtenue à partir de relevés expérimentaux portant sur une éprouvette d'"isolane 24-34", montre que l'amplitude des ondes reçues varie fortement en fonction de la contrainte subie par le matériau. On sait par ailleurs que cette contrainte provoque l'apparition de petits défauts qu'on détecte avant l'apparition d'une véritable rupture. Des essais analogues ont été opérés sur une éprouvette de butalane 70-3008 et ont permis de relever quatre courbes 2A à 2D (figure 2) correspondant respectivement à des vitesses de traction de 10 mm/mn, 5 mm/mn, 0,25 mm/mn et 0,05 mm/mn. Ces courbes montrent également une étroite dépendance entre l'amplitude des ondes reçues et l'intensité des contraintes subies par le matériau. Si l'on rapporte pour chaque essai les valeurs des contraintes à la contrainte maximum, toutes les courbes entrent dans un fuseau assez étroit, ce qui permet d'éliminer l'influence de la vitesse de traction. Dans ces expériences, comme dans celles qui seront décrites ci-après, on a trouvé que les meilleurs résultats étaient obtenus pour une fréquence ultra-sonore voisine de 1 MHz, mais que l'on obtenait encore des résultats acceptables si cette fréquence était comprise entre 500 kHz et 2 MHz. 1 onitudinales On réalise ces trains d'ondes/ au moyen d'une pastille en céramique piezo-électrioue appliquée à lune des extrémités de radicalement et l'éprouvette et vibrant/longitudinalement. Une pastille analogue est disposée à l'autre extrémité de l'éprouvette. L'excitation des céramiques consiste dans des impulsions électriques de l'ordre de 400 V et d'une durée dé quelques nanosecondes qui peuvent être obtenues, par exemple, par le générateur décrit dans le brevet français 1 600 344. La propriété de l'amplitude ainsi mise en évidence a été utilisée pour explorer la structure d'un bloc de propergol. Pour cala, on a procédé de la façon suivante : On appliqué à la surface du matériau à étudier un émetteur- capteur équipé de deux céramiques piezo-électriques susceptibles de vibrer radialement. L'une est émettrice et est attaquée par un générateur d'impulsions électriques; l'autre ert réceptrice, et l'on mesure l'amplitude des ondes de tension qu'elle engendre. La distance entre les deux pastilles est, de préférence, voisine de 30 mm, mais on obtient encore des résultats convenahles tant qu'elle reste compris entre 20 et 40 mm.Les fréquences ultra-sonores utilisées sont telles que décrites plus haut. Le corps à étudier étant un bloc cylindrique de propergol d'un mètre de hauteur et de 30 on de diamètre, percé d'un canal axial de mise à feu d'un diamètre de 45,5 mm, on a divisé idémlement ce bloc en aix secteurs de 60 d'ouverture, définissant ainsi six génératrices sur le canal axial précité. On a placé l'émetteur-capteur à diverses profondeurs dans le canal axial, respectivement suivant les aix secteurs précité. Le résultat des essais a été reporté suivant les courhes 3A, 3B, 3C (figure 3) relatives à trois secteurs adjacents A. B. C. On a porté en abscisses la profondeur (en centimètres) et en ordonnées l'amplitude des ondes reçues (en millivolts reçus sur le récepteur). Les courbes montrant essentiellement une décroissance rapide à partir de l'entrée du canal, et un passage par un minimum. Puis on observe une décroissance régulière suivie, sur les courbes 3A et 3B, d'une remontée. On peut tenter d'expliquer ces résultats par les considérations suivantes, sans que la validité de l'explication proposée puisse affecter la portée de l'invention. Le bloc étudié était, comme d'usage, recouvert d'une gaine protectrice. Au voisinage de L'entrée du canal, le matériau, non solidarisé avec sa gaine, vibre assez librement et l'amplitude reçue est relativement grande, mais décroît rapidement à mesure qu'on s'enfonce pour passer par un minimum dans la zone de transition qui précède la zone où le matériau est solidarisé avec sa gaine. Dans cette sone de transition, le matériau est très sollicité par lee contraintes, ce qui peut expliquer la pr4- sence d'un minimniL. Ensuite, la décroissance régulière de l'amplitude correspond à des contraintes croissantes. La partie croissante vers l'extrémité droite des courbes 3A et 3B peut s'expliquer par la présence d'une fissure qui existait entre ces deux secteurs, effectivement dans le bloc, à pattir d'une profondeur de 30 cm envi ron. Cette figure a provoqué une libération des contraintes dans les zones adjacentes, d'où une augmentation de l'amplitude reçue. On peut penser, sans qu'il faille voir là une limitation quelconque de de la portée de l'invention, que les vibrations radiales de la pastille émettrice donnent lieu à des ondes se propageant longitudinalement dans le matériau suivant un parcours complexe pour Outre finalement recueillies sur la pastille réceptrice. Il serait théoriquement possible de déduire d'une courbe - - -- .,. - - surface telle que 3A, 3B ou 3C l'état des contraintes à la/du matériau, mais il est préférable d'utiliser le présent pro cédé de manière comparative en effectuant des mesures échelonnées dans le temps et en comparant les divers résultats obtenus. On va maintenant décrire un dispositif permettant d'appliquer le procédé qui vient d'être expliqué. Ce dispositif comprend essentiellement un émetteur-capteur 4 (figures 4 et 5) muni de deux bornes de raccordement électrique 5 et 6. La borne 5 est relise à un générateur d'impulsions électriques (non représenté), qui peutêtre par exemple celui décrit dans le brevet français n 1 600 344. La borne 6 est reliée à un étage récepteur d'un type connu (non représenté) qui peut être par exemple un oscilloscope. L'émetteur-capteur comprend un corps 7 en deux parties 79} 7b métalliques réunies par un joint 8 enadiprène, ou en une autre matière procurant une bonne isolation acoustique. 'assemblage est réalisé au moyen d'une colle convenable,/qu'une résine époxy. Dans ce qui suit, on ne va décrire, sauf indication contraire, que ce qui est relatif à la partie 7a et à ses annexes, la partie 7b et ses annexes étant sensiblement identiques. La partie 7a du corps présente une cavité ouverte comprenant un premier alésage 9 et un second alésage 11 de plus grand diamètre, séparés par un épaulement 12. Une tette émettrice 1 > présente une partie cylindrique 14 complémentaire de l'alésage 9 dans lequel elle est engagée et une partie cylindrique 15 de diamètre supérieur séparée de la partie 14 par un épaulement 16 qui vient en butée sur l'épaulement 9. Lé diamètre de la partie cylindrique 15 est nettement inférieur au diamètre de l'alésage 11, de manière à laisser subsister entre ces deux surfaces une gorge circulaire 17 qui contribue à l'isolement acoustique entre la tete 13a et la partie 7a du corps 7. Un écrou 18 vissé sur une partie filetée de la partie cylindrique 14 maintien la tête 13a solidaire de la partie 7a. L'ensemble formé par le corps 7 et les têtes 13a et 13b montées dessus présente un profil hémicylindrique tel que représenté sur la figure 5. Ce profil est destiné à coopérer avec le profil complémentaire du bloc de matériau étudié, et il est évident qu'il n'est donné qu'à titre d'exemple. Dans la tête 13a est forée une cavité borgne 19 au fond de laquelle est logée une pastille 21 de céramique piézo-électrique vibrant radialement. Lc pastille 21 est maintenue appliquée au fond de la cavité 19 par une entretoise 22 conductrice, elle-meme pressée par l'extrémité interne 23 de la borne de raccordement électrique 5 vissée dans un taraudage de la tête 13a. Un manchon 24 en matière isolante isole électriquement l'entretoise 22 de la tette 13a. Comme indiqué plus haut, tout ce qui vient d'être dit au sujet de la tette émettrice 13a et de ses annexes vaut également pour la têtue réceptrice l3b montée sur la partie 7b du corps 7. Un canal 25 foré dans le corps 7 met les gorges telles que 17 en communication entre elles et avec un raccord de tuyauterie 26. Enfin-, une pièce de fixation 27 est fixée à la partie 7a du corps 7 par des moyens connus. En fonctionnement, on applique la partie profilée cylindrique de l'émetteur-capteur 4 sur la surface du matériau à étudier, ces deux surfaces s'épousant mutuellement. On parfait le contact par enduction d'une graisse et par la mise en relation du raccord de tuyauterie 26 avec une pompe à vide. Slémetteur-capUeur 4 s'applique alors sur le matériau par effet de ventouse. Les impulsions électriques issues du générateur sont appliquées à la pastille 21 de la tête émettrice 13a par l'intermédiaire de la borne 5 et de l'entretoise conductrice 22. Chaque impulsion est convertie par la pastille 21 en un train d'ondes ultra-sonores qui, -après cheminement dans le matériau, viennent exciter la pastille 21 de la tête réceptrice 13b. Cette tête 13b convertit les trains Mondes ultra-sonores en trains d'ondes électriques acheminés par la borne 6 à un récepteur qui peut être du genre os il loscope pour les visualiser. On peut alors mesurer l'amplitude des ondes reçues et, en déplaçant llémetteur-capteur 4 en différentes positions, dresser des courbes telles que 3A, 3B, 3C. La présence des gorges 17 et du joint 8 permet d'obtenir une excellente isolation acoustique entre les têtes 13a et 13b et d'éviter ainsi les courts-circuits acoustiques susceptibles de fausser la mesure. D'autre part, la transmission des ondes ultra-sonores au matériau s'effectue avec des pertes minimales grâce aux moyens décrits plus haut mis en oeuvre pour assurer un bon contact mécanique entre l'émetteur-capteur et le matériau à étudier. Le profil représenté figure 5 est celui d'un émetteur-capteur destiné à explorer le fonddes branches d'un canal de mise à feu de section en étoile. Il est évident que ce profil peut être adapté b la iorme du bloc à e@udier et présenter, par exemple, une courbure elliptique. On a aussi réalisé un dmetteur-capteur s'inscrivant entièrement dans le cercle défini par le profil curviligne du corps 7 et du matériau, pour explorer des canaux cylindriques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et l'on peut concevoir de nombreuses variantes constructives sans sortir de son cadre. ainsi, par exemple, le joint isolant 8 pourrait être supprimé et le corpe 7 réalisé entièrement en matériau acoustiquement isolant. REVENDICATIONS. 1. Procédé pour la détection non destructive de l'endommage- ment d'un matériau de nature composite, tel qu'un propergol, consistant à appliquer un train d'ondes ultra-sonores en un point de la surface de ce matériau et à recevoir ce train d'ondes en un autre point de cette surface après trajet dans le matériau, caractérisé en ce que ces ondes sont émises radialement de manière à cheminer principaleient au voisinage de la surface du matériau suivant un trajet direct du point d'émission au point de réception, en ce qu'on mesure, au point de réception, la valeur de l'amplitude des ondes reçues, et en ce qu'on répète l'opération précitée à des intervalles de temps échelonnés pour déduire de ces essais comparatios l'évolution de l'endommagement du matériau. 2. Procédé conforte à la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre les deux points précités est comprise entre 20 mm et 40 mm et de préférence voisine de 30 mm. 3. Procédé conforme à l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel on émet et on capte les ondes ultra-sonores précitées par des céramiques piéso-électriques, caractérisé en ce que la fréquence dans l'air de ces céramiques est comprise entre 500 kHz et 2 Miz, et de préférence voisine de 1 MHz. 4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'on attaque la céramique émettrice par une impulsion de tension de tordre de 400 V et d'une durée de quelques nanosecondes. 5. Dispositif pou la détection non destructive de l'endosia- gemment d'un matériau compact de nature composite, tel qu'un propergol, destiné not o DS à appliquer un procédé conforme B l'une des revendications I à 4, comprenant un émetteur d'impulsions électri- ques et un récepteur tel qu'un oscilloscope reliés à un émetteurcapteur ultra-sonore qui comprend lui-mêse un corps, une tette émettrice et une tête réceptrice comprenant chacune une pastille de céramique piézo-électrique, caractérisé en ce que ces pastilles sont agencées pour vibrer radialement. 6. Dispositif conforte à la revtndication 5 dans lequel le corps de l'émetteur-capteur est en deux parties comprenant chacune l'une des têtes précitées et réunies par un joint présentant une haute impédance acoustique, pour isoler acoustiquement la t8te émettrice de la tête réceptrice, caractérisé en ce que ce joint est en adiprène. 7. Dispositif conforme à la revendicstion 6, caractérisé en ce qutil comprend d'autres moyens d'isolement, ces moyens comprenant eux-mêmes des gorges séparant les têtes d'avec le corps de l'émetteur- capteur. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, comprenant des moyens pour procurer un bon contact mécanique entre l'émetteurcapteur et le matériau à étudier, dans lequel le corps et les têtes de ltémetteur-capteur sont profilés de manière à épouser la forme du corps étudié, caractérisé en ce que ces moyens comprennent des moyens pour mettre les gorges précitées en relation avec une pompe à vide.