Brevet FR2514140A1 — publié le 19830408

,4140 La présente invention concerne un dispositif et un procédé de détermination de l'orientation d'un cristal Ce procédé et ce dispositif présentent une utilité particulière pour la détermination de l'orientation d'un objet monocristallin tel que, par exemple, une aube de moteur à turbine à gaz monocristalline obtenue par coulée en moule, mais ils peu- vent s'appliquer également à d'autres objets monocristal- lins ainsi qu'à un monocristal entrant dans la constitution d'un objet composite Les propriétés physiques des monocristaux sont très aniso- tropiques et les propriétés des objets tels que ceux men- tionnés ci-dessus, comportant un monocristal ou constitués par un monocristal, peuvent donc dépendre, dans une grande mesure, de l'orientation du cristal Il est donc souhai- table de pouvoir mesurer de façon précise l'orientation du cristal et, pour être utilisable dans une fabrication en série, la technique de mesuredoit pouvoir opérer en temps réel et être simple à appliquer Le procédé de laboratoire le plus répandu pour déterminer l'orientation d'un cristal utilise l'interprétation des diagrammes de diffraction de Laue, bien connus Ces dia- grammes se forment lorsqu'un faisceau de rayons X est dif- fracté par le cristal en question La géométrie des atomes contenus dans ce cristal produit une diffraction du fais- ceau, laquelle engendre des zones de renforcement du fais- ceau diffusé, et ce sont ces zones qui fournissent le dia- gramme de Laue précité Il existe deux procédés usuels de production de ce dia- gramme Dans le procédé par transmission, le faisceau traverse une section mince du cristal, et l'obligation de réaliser cette section mince limite l'utilité du procédé Dans l'autre procédé, dit par rétro-diffusion, le faisceau est rediffu- sé vers l'arrière par une surface du-cristal Le diagramme de Laue ainsi obtenu est en général enregistré sur cliché photographique ou éventuellement sur un détecteur en temps réel entourant le faisceau entrant de rayons X La principale difficulté qui se présente lorsqu'on cherche à adapter le procédé par rétro-diffusion à un système en temps réel est la nécessité de disposer le détecteur autour du faisceau d'entrée Avec certains détecteurs, par exem- ple, il-est impossible de ménager un couloir central cor- rectement isolé pour le passage du faisceau à Même si ce couloir existe, il tend à masquer une plus grande surface de la zone centrale du diagramme que ce n'est le cas dans les procédés photographiques Or, c'est malheureusement cette zone centrale du diagramme qui est susceptible de renfermer la plus grande densité d'information lia présente invention a pour objet de réaliser un disposi- tif et un procédé permettant de détecter en temps réel cet- te zone centrale du diagramme, bien qu'au prix d'une cer- taine distorsion du diagramme Le dispositif de détermination de l'orientation d'un cris- tal selon la présente invention comporte * un générateur de rayons X approprié à produire un faisceau collimé de rayons X; un support d'échantillon approprié à maintenir le cris- tal de façon à en exposer une surface au faisceau incident de rayons X; et un détecteur de rayons X approprié à dé- tecter les rayons X rétro-diffusés par les couches super- ficielles du cristal; le générateur de rayons X, le sup- port d'échantillon, et le détecteur de rayons X étant dis- posés et orientés de façon que le faisceau incident collimé - 251 4 1 40 de rayons X, la normale à la surface du cristal au point d'impact du faisceau de rayons X, et l'axe du détecteur, soient-tous situés dans le m 8 me plan, et que le faisceau incident de rayons X et l'axe du détecteur fassent le même angle avec ladite normale Selon un mode-préféré de réalisation de l'invention, cet angle est d'environ 450 pour permettre d'utiliser un détec- teur dont l'ouverture n'est pas restreinte par l'interfé- rence avec le faisceau de rayons X ou avec le générateur de rayons X Le générateur de rayons-X pourra comporter un écran fluor- escent ou un scintillateur, un dispositif intensificateur d'image et un dispositif explorateur d'image Les signaux de sortie du dispositif explorateur d'image seront alors convertis en une forme appropriée à reproduire une image du diagramme sur un moniteur video et à transmet- tre un signal d'entrée à un ordinateur qui calculera l'ori- entation du oristal d'après le diagramme de Laue détecté L'invention couvre également un procédé de détermination de l'orientation d'un cristal consistant: à projeter le faisceau collimé de rayons X sous un angle oblique sur une surface préparée du cristal; à détecter les rayons X rétro -diffusés depuis cette surface autour d'un axe faisant le oblique même angle / avec ladite surface et situé dans le même plan que le faisceau de rayons X et que la normale à cette surface au point d'impact du faisceau sur celle-ci; et à utiliser le diagramme de rayons X rétro- diffusés détecté pour calculer l'orientation du cristal L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation repré- senté sur le dessin annexé dont la figure unique est un schéma de l'agencement du dispositif selon l'invention Sur ce dessin, un générateur de rayons X 10 produit un faisceau de rayons X qui traverse un collimateur 11 d'o il sort sous forme de faisceau collimé 12 Dans l'exemple représenté, le générateur 10 produit un faisceau polychro- matique d'une puissance de 40 k W collimé en un faisceau d'une section droite de 1 mm Le faisceau 12 vient frapper la surface de référence 13 d'un échantillon 14 maintenu dans un support dtéchantillon Dans l'exemple représenté, l'échantillon 14 est cons- titué par une aube de turbine de moteur à turbine à gaz, faite d'uneseule pièce monocristalline coulée en moule Il est souhaitable que ce cristal soit orienté de façon qu'un de ses axes principaux concide avec l'axe longitu- dinal de l'aube le procédé et-le dispositif de la pré- sente invention servent & vérifier cette orientation Ia forme même de l'échantillon facilite sa mise en place dans le support 15 qui est constitué de façon à serrer for- tement le pied de l'aube Le support 15 comporte un micro- mètre 16 permettant de faire tourner ledit support 15 et l'aube 14 autour d'un axe perpendiculaire-au plan du dessin de façon à pouvoir ajuster avec précision la position angu- laire de la surface 13 Avant le montage de l'échantillon 14 dans le support 15, la surface 13 subit une rectification destinée à la rendre parfaitement plane et en concordance prédéterminée parfaite avec les plans de fixation prévus dans le support 15 pour déterminer la position de l'échantillon Une fois ce der- nier monté dans le support 15, on actionne le micromètre 16 pour f E-ire tourner la surface 13 jusqu'à ce que l'angle c 5 plus loin, cet angle aura une valeur de 452 (On devra no- ter que, du fait que le faisceau 12 a une section droite définie, il n'y aura pas d'impact véritablement ponctuel mais que le centre du faisceau pourra servir à définir ce point d'impact) Le diagramme de Laue, formé par les rayons X rétro-diffusés par les couches superficielles de la surface 13, est détec- té par un détecteur en temps réel 18 On comprendra que, du fait que le faisceau 12 frappe obliquement la surface 13, les rayons X diffusés ne seront pas strictement rétro- diffusés, c'est à dire dirigés en sens inverse de celui du faisceau 12, mais cette expression est utilisée pour dis- tinguer le dispositif de celui du type "à transmission" qui n'est pas utilisé dans la présente invention Le détecteur 18 est un appareil complexe comportant un é- cran fluorescent ou un scintillateur 19, un intensificateur d'image 20, et un explorateur d'image ayant la forme d'un appareil à couplage de charge 21 Le principe du fonction- nement du détecteur est simple et consiste en ce que l'é- cran 19 devient luminescent sous l'impact des rayons X, l'intensificateur d'image 20 intensifie la lumière ainsi produite, et l'explorateur d'image 21 convertit cette i- mage intensifiée en un signal électrique de sortie On remarquera que, dans le dispositif selon l'invention, le détecteur 18 est monté de façon que son axe 22, perpen- diculaire à l'écran 19 et passant par le centre de ce der- nier, passe par le point d'impact du faisceau 12 sur la surface 13 et fait, avec la normale 17, un angle égal à ce- lui que fait le faisceau 12 avec cette normale De plus, ces trois droites, celle du faisceau 12, celle de la nor- male 17 et celle de l'axe 22, sont également situées dans le même plan On voit qu'avec une telle géométrie une ré- flexion conceptuelle du faisceau 12 viendra frapper perpen- diculairement le centre de l'écran 19 Ce n'est pas tout à fait le cas avec ce dispositif, du fait que le faisceau 12 est diffracté et non réfléchi, mais on voit que le cen- tre du diagramme de Laue co Tncidera avec le centre de l'é- cran 19 et que, du fait que le détecteur 18 est angulaire- ment déplacé par rapport au générateur 10, il est inutile de prévoir un arrangement faisant passer le faisceau 12 par le détecteur 18 On notera également qu'avec un-angle que le 'rayon" du générateur 10 soit inférieur à la distan- ce séparant le point d'impact du faisceau 12 de l'écran 19, les dimensions du détecteur 18 ne sont pas limitées par une interférence possible entre le détecteur et le générateur Ceci est vrai, évidemment, pour tout angle o spots individuels constituant ce diagramme, augmentent éga- donc lement Il est/préférable de limiter cet angle à 452 ou à une valeur voisine Le signial de sortie du détecteur 18 est donc un signal é- lectrique représentatif du diagramme de Laue distordu formé sur l'écran du détecteur Ce signal est alors traité dans un analyseur 23 pour lui donner la forme appropriée à un signal d'entrée pour un moniteur video 24 et pour un ordi- nateur 25 Le moniteur 24 permet à l'opérateur de consta- ter que le dispositif produit un diagramme satisfaisant et, si besoin est, de calculer l'orientation mais, en général, ce calcul sera effectué dans l'ordinateur 25 qui émet un signal de sortie de lecture de l'angle caractéristique dé- finissant l'orientation du cristal dans l'échantillon 14 Il ressort de la description qui précède que le dispositif et le procédé selon la présente invention permettent de dé- terminer, rapidement et avec un appareil utilisable par un opérateur peu entralné, l'orientation d'un objet monocris- tallin Il doit être, en outre, entendu que-ce même dis- positif pourra être utilisé pour tout échantillon compor- tant un monocristal, même si ce dernier ne-constitue qu'une partie de l'échantillon REVENDICATIONS 1 Dispositif de détermination de l'orientation d'un cris- tal comportant: un générateur de rayons X approprié à produire un faisceau collimé incident de rayons X; un support d'échantillon approprié à maintenir le cristal de façon à en exposer une surface au faisceau incident de rayons X; et un détecteur de rayons X approprié à détecter les rayons X rétro-diffusés par les couches superficielles du cristal,; caractérisé en ce que le générateur de rayons X ( 10, 11), le support d'échantil- lon ( 15), et le détecteur de rayons X ( 18) sont disposés et orientés de façon que le faisceau incident collimé de rayons X ( 12), la normale ( 17) '-A la surface ( 13) du cris -tal au point d'impact du faisceau incident de rayons X, et l'axe du détecteur ( 18) s'interseçtent au point d'im- pact et soient tous situés dans le même plan, et en ce que le faisceau incident de rayons X et l'axe du détec- teur font le même angle ( O() avec la normale 2 Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ledit angle ( c) entre la normale-( 17) et-le fais- ceau de rayons X, et entre ladite normale et l'axe ( 22) du détecteur, est de 452 3 Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur ( 18) comprend un écran fluorescent ( 19), un- intensificateur d'image ( 20) et un explorateur d'image ( 21) 4 Dispositif selon la Revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un analyseur ( 23) approprié à ràamformer le signal de sortie de l'explorateur d'image ( 21) en un signal d'entrée pour un moniteur video ( 24) ou un ordi- nateur ( 25) Dispositif selon la Rever-ication 4, caractérise en ce au'il comporte un ordinateur ( 25) approprié à déterminer l'orientation du cristal d'après le signal de sortie de l'analyseur 6 Procédé de détermination de l'orientation d'un cristal, caractérisé en ce qu'il consiste: à projeter un fais- ceau collimé de rayons X ( 12) sous un angle oblioue sur une úurface prérarée ( 13) du cristal; à détecter les rayons X rétro-diffusés de-uis cette surface autour d'un axe ( 22) faisant avec cette surface le même angle obli- que et situé dans le même plan que le faisceau de rayons X et que la normale ( 17) à ladite surface au point d'im- pact dudit faisceau sur ladite surface; et à utiliser le diagramme détecté de rayons X rétro-diffusés pour calculer l'orientation du cristal