Brevet FR2930034A1 — publié le 20091016

Procédé non destructif de mesure des contraintes résiduelles à différentes profondeurs La présente invention concerne la mesure des contraintes résiduelles, en 5 particulier elle concerne une méthode non-destructive de mesure des contraintes résiduelles à différentes profondeurs dans un matériau isotrope. Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, les pales des compresseurs haute pression (HP) sont fortement sollicitées. Afin d'améliorer leurs performances mécaniques, ces pièces sont traitées en surface par une 10 technique de type grenaillage ou chocs laser. On cherche par cette opération à améliorer la résistance à la fatigue et à la corrosion. L'opération de grenaillage de précontrainte est un traitement mécanique destiné à améliorer les propriétés d'une pièce métallique par durcissement superficiel. Il est fondé sur la transformation structurelle des matériaux. Le 15 procédé consiste à mettre les pièces mécaniques sous compression superficielle, par la projection de petites billes d'acier, de verre ou de céramique. Cette opération de microbillage crée une zone comprimée qui est le siège de contraintes internes de compression par lesquelles la résistance est augmentée. 20 Le traitement par choc laser, est un procédé qui vise à générer des ondes de choc plastifiantes dans un matériau afin d'en améliorer également ses propriétés de surface. Les ondes de choc sont obtenues en focalisant sur la surface du matériau une impulsion laser très intense (GW/cm2) en présence d'un milieu de confinement. Le traitement est susceptible d'induire des 25 contraintes résiduelles de compression sur des épaisseurs atteignant plusieurs millimètres et ce sur une grande variété de matériaux, en particulier pour les applications qui intéressent le domaine : aciers, alliages d'aluminium ou de titane. Le traitement permet l'amélioration des propriétés de surface comme la résistance à la fatigue, à l'usure ou encore à 30 la corrosion. Un des intérêts de cette technique réside dans le fait que les états de surface des pièces sont peu modifiés. Les contraintes résiduelles constituent actuellement un élément très important dans la conception des structures mécaniques. Elles jouent un rôle prépondérant par rapport aux différentes propriétés d'un matériau 35 (fatigue, rupture, corrosion...). L'évaluation et la prise en compte de ces contraintes résiduelles s'avèrent nécessaires en résistance des matériaux moderne pour une meilleure prévision de la durée de vie des pièces mécaniques. Afin d'obtenir le profil des contraintes résiduelles à différentes profondeurs d'un matériau on connaît la méthode du trou incrémental. Cette méthode repose sur le fait qu'en perçant un trou dans une plaque soumise à un champ de contraintes uniformes, l'équilibre des contraintes dans le voisinage du trou est perturbé. Le trou est percé au centre d'une rosette (le jauges d'extensométrie à 3 directions. L'enlèvement de matière, et donc (le contraintes résiduelles, dans la pièce étudiée entraine un nouvel équilibre mécanique qui se traduit par des déformations mesurées dans les jauges. En fonction de l'amplitude et de la direction des déformations relevées, du diamètre du trou, des propriétés du matériau, des dimensions de la pièce, et des coefficients d'influence il est possible de déterminer la répartition en profondeur des contraintes résiduelles principales ainsi que leur direction. Cette méthode présente des inconvénients : Elle demande du temps pour effectuer les prélèvements. 15 - Elle est destructive. On connaît aussi une méthode de détermination de contraintes par diffraction de rayons X. Cette méthode est cependant de mise en oeuvre complexe. Il existe donc un besoin, et c'est l'objectif de l'invention, pour une méthode 20 de mesure de gradients de contraintes résiduelles qui soit à la fois non destructive, rapide et précise. Il serait souhaitable aussi que cette méthode permette d'estimer quantitativement, avec précision les contraintes en profondeur. Enfin, cette méthode devrait permettre d'estimer les contraintes en 25 profondeur sur les bords d'attaque et de fuites des pales de compresseurs hautes pressions (HP) d'un moteur à turbine à gaz. Conformément à l'invention, le procédé non-destructif de mesure des contraintes résiduelles à différentes profondeurs sous la surface d'un matériau isotrope de constante acoustoélastique K, d'une contrainte o 30 ,dans une direction (X 1) sur une distance (D), est caractérisé par les étapes suivantes : On génère un faisceau d'ondes ultrasonores longitudinales subsurfaciques, On mesure la vitesse (V 1) de propagation des dites ondes dans la 35 direction (X1) sur la distance D, la valeur de la contrainte o étant le rapport entre (V1 û V1°), V1° et K.V10, où V1° est la vitesse de propagation des dites ondes longitudinales pour un état non contraint du matériau dans la direction X l . Selon l'invention, le faisceau d'ondes ultrasonores longitudinales 5 subsurfaciques est émis à différentes fréquences comprises entre 20 MHz et 2,5 MHz, permettant ainsi de faire varier la profondeur d'investigation. L'invention présente un intérêt pour mesurer les contraintes résiduelles induites dans une pièce métallique par un traitement de surface mécanique, tel que le grenaillage, le galetage, le martelage ou le choc laser. 10 L'invention résulte de l'observation selon laquelle l'énergie des ondes ultrasonores subsurfaciques se propage quasi parallèlement à la surface d'une pièce, sur une épaisseur qu'il est possible de contrôler en variant la fréquence. Ainsi, à 2,25 MHz, l'épaisseur investie est de l'ordre de 6 mm. La vitesse de propagation de ces ondes varie proportionnellement à la 15 contrainte. Il s'ensuit que toute mesure de vitesse est une mesure de l'état de contrainte. On connaît des techniques non destructives faisant intervenir des ondes ultrasonores. Par exemple, le brevet US 4730494 décrit une méthode dans laquelle l'épaisseur d'une couche de surface endommagée peut être 20 mesurée d'une façon non destructive en mesurant la vitesse de propagation de l'onde acoustique, tout en faisant varier la fréquence des ultrasons utilisés. Dans cette méthode, les fréquences varient entre 300 MHZ et 450 MHZ. La demanderesse a déposé une demande de brevet sur une technique de 25 mesure d'épaisseur d'un revêtement appliquée sur une pièce métallique en mesurant la variation de vitesse d'une onde de Rayleigh en fonction de la longueur d'onde. Avec les méthodes ci-dessus on mesure l'épaisseur d'une couche et non la valeur de la contrainte résiduelles se situant à ces épaisseurs. 30 Le but de l'invention est de proposer une méthode de mesure des contraintes résiduelles se situant à différentes profondeurs. L'idée développée ici est d'émettre différentes fréquences comprises entre 20 MHz et 2,25 MHz et de réaliser des mesures de vitesse à ces différentes fréquences sur des pièces grenaillées par choc laser. La contrainte 35 résiduelle déduite est moyennée, de ce fait, par l'onde sur des épaisseurs comprises entre 0,3 mm et 6 mm, suivant les fréquences. La constante acoustoélastique déterminée préalablement avec un essai de traction permet de relier ces vitesses à une contrainte. Ainsi il est possible de représenter l'évolution de la contrainte en profondeur à l'endroit de la mesure ultrasonore. Dans le cas de l'alliage de titane Ti17, l'effet de la microstructure sur la vitesse de l'onde ultrasonore n'est pas négligeable. Par conséquent, la vitesse de référence V°, à l'état non contraint doit être mesurée à la même profondeur. Ensuite, pour explorer différentes profondeurs, on fait varier la fréquence, ayant déterminé préalablement, expérimentalement, les corrélations entre vitesse et contrainte. La méthode présente des avantages certains par rapport à l'art antérieur : - Elle est rapide, de l'ordre de quelques minutes, elle est sensible et non destructive. - Elle renseigne à 100 MPa près sur la valeur des contraintes résiduelles. - Elle permet de disposer de valeurs moyennes de contraintes sur différentes épaisseurs du matériau, ceci en relation avec la fréquence de l'onde utilisée. - Les ondes ultrasonores subsurfaciques se propagent dans un plan parallèle à la surface de la pièce, or, cette direction est celle permettant une plus grande sensibilité à la contrainte pour une onde ultrasonore. Le cas échéant on mesure au préalable la constante acoustoélastique K expérimentalement en soumettant une éprouvette dudit matériau à des contraintes déterminées et en mesurant la vitesse de propagation des ondes subsurfaciques pour chacune desdites contraintes. La contrainte appliquée doit cependant rester clans le domaine élastique de déformation dudit matériau. On décrit maintenant l'invention plus en détail, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 est la schématisation de l'émission et de la réception des ondes ultrasonores subsurfaciques. La figure 2a montre la propagation de l'onde ultrasonore subsurfacique. La figure 2b montre la simulation de l'onde ultrasonore subsurfacique avec un logiciel de modélisation. La figure 3 montre l'évolution de la profondeur investie par l'onde suivant la fréquence. La figure 4 montre le dispositif de mesure pour l'évaluation des contraintes La figure 5 montre la courbe d'étalonnage effectué sur l'éprouvette de 5 traction en Ti 17. La figure 6 montre la comparaison des profils de contraintes résiduelles réalisés par les méthodes ultrasonore et celle de � Slitting method � Le principe de cette technique ultrasonore repose sur le calcul de l'état de contrainte à partir de la détermination de l'état de déformation. 10 L'évaluation de ces contraintes nécessite la connaissance des constantes acoustoélastiques qui sont déterminées notamment au moyen de tests de traction sur des échantillons représentatifs. On détermine les contraintes résiduelles pour un solide isotrope, ici 15 l'alliage de titane Ti17., dans une direction X1, à partir de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores qui est fonction de celles-ci. Ainsi pour un solide isotrope défini dans une direction X1, la vitesse de propagation Vil d'une onde longitudinale dans la direction de X 1 20 s'exprime en fonction des contraintes radiales et tangentielles par la relation : (V11-V°11)/V°11 = K1a11-f K20-22 25 où V°11 est la vitesse de propagation de l'onde longitudinale dans la direction X1 pour un état non contraint du matériau et a11 et 0-22 sont des contraintes radiales et tangentielles. K1 et K2 sont les constantes acoustoélastiques pour les directions X 1 et X2 du matériau considéré. La constante K2 est négligeable par rapport à l'autre constante Kl. Cela 30 permet de considérer que l'onde ultrasonore longitudinale se propageant dans la direction Xl n'est sensible qu'à la seule contrainte u11. La relation précédente s'écrit plus simplement : (V11-V°11)/V°11 = K10-11 Ainsi cette relation montre que la connaissance de la vitesse de propagation d'une onde longitudinale dans le matériau non contraint (V°11), puis dans le matériau contraint (V11) donne une indication sur l'état de contrainte du matériau. 35 Selon l'invention on met en oeuvre une méthode de détermination de l'état de contrainte du matériau avec application de cette relation. En référence aux figures 1 à 3, on a représenté le schéma de l'installation sur la pièce à analyser. Un transducteur émetteur 2 est placé sur la pièce 1 en position pour émettre un faisceau d'ondes ultrasonores à travers un sabot en plexiglas 5 avec un angle d'incidence a déterminé. L'angle est choisi de façon que l'onde réfractée dans le matériau de la pièce se propage parallèlement à la surface de celle-ci, et forme une onde dite subsurfacique. Pour l'alliage Ti 17 par exemple l'angle a est de 32°. Un premier transducteur récepteur 3 est disposé sur la pièce à une distance déterminée D de l'émetteur et capte l'onde subsurfacique par réfraction à travers un sabot 6. Un second transducteur récepteur 4 est également placé sur la pièce, dans la même direction à une distance n du premier récepteur. I1 capte l'onde réfractée à travers un prisme 7. La mesure de la vitesse peut être effectuée entre l'émetteur et le premier récepteur mais l'emploi d'un second récepteur apporte une plus grande précision aux mesures. Ainsi cet agencement permet de mesurer des contraintes résiduelles dans la pièce sur une bande de largeur (6mm par exemple) égale à celle du faisceau d'ondes ultrasonores et de longueur égale à la distance n entre récepteurs (12 mm par exemple) et de hauteur égale à la profondeur à laquelle l'onde pénètre dans le matériau. La profondeur est fonction de la fréquence de l'onde incidente, comme on l'a illustré sur la figure 3, cette relation est déterminée expérimentalement. Pour fl = 2,25 MHz la profondeur pl = 5,9 mm, fl = 5, 0 MHz la profondeur pl = 1,0 mm, fl = 10 MHz la profondeur pl = 0,6 mm, fl = 20 MHz la profondeur pl = 0,3 mm. La contrainte mesurée épar cette méthode est une valeur moyenne sur l'épaisseur de matériau parcourue par le faisceau d'ondes ultrasonores. La figure 4 montre un dispositif de mesure auquel l'installation ci-dessus est reliée. Il comprend un générateur d'impulsion 9 qui délivre à l'émetteur 2 un signal électrique de fréquence correspondant à la fréquence des ondes ultrasonores à émettre. En réception les transducteurs récepteurs 3 et 4 sont reliés à un oscilloscope numérique 10 qui reçoit les signaux électriques correspondants. Sur l'oscilloscope on peut mesurer le temps de parcours de l'onde ultrasonore sur la distance n. pour améliorer le rapport signal sur bruit, le signal peut être élaboré par une moyenne d'un certain nombre d'acquisitions. Un ordinateur 11, tel qu'un PC, relié à l'oscilloscope permet de visualiser les signaux provenant d'une même source émettrice et de calculer le temps de parcours de ces signaux à l'aide d'un programme dans un langage graphique G, par exemple le logiciel LabView. Ce programme permet d'améliorer la rapidité d'acquisition des signaux et de diminuer l'erreur sur les mesures du temps de parcours. Connaissant K et les vitesses de propagation des ondes, on obtient simplement la valeur des contraintes résiduelles dans le volume parcouru 15 par le faisceau d'ondes ultrasonores. On décrit maintenant une méthode permettant de connaître K pour un matériau déterminé. 20 On place une éprouvette plate du matériau entre les mors d'une machine de traction. Il s'agit par exemple d'une machine utilisée pour effectuer les essais de fatigue des matériaux. Une telle machine comprend deux mors qui sont mobiles axialement l'un par rapport à l'autre et dont on peut régler la charge de traction à appliquer sur l'éprouvette. 25 On dispose les transducteurs sur l'éprouvette comme dans l'installation décrite ci-dessus, on les relie à un générateur d'ondes comme précédemment et on mesure les temps de parcours des ondes ultrasonores en faisant varier les charges de traction sur l'éprouvette. 30 On reporte les valeurs obtenues sur un graphique comme celui représenté sur la figure 5. Le temps de parcours représentatif de la vitesse est reporté en ordonnée. Il s'agit de l'écart entre le temps t de parcours sous contrainte et le temps t° sans contrainte rapporté au temps t°. La charge en MPa de 35 traction appliquée sur l'éprouvette est reportée en abscisse. On vérifie que l'on obtient une droite. La pente de la droite obtenue correspond au coefficient acoustoélastique K. On a comparé la méthode de l'invention avec celle du trou incrémenta] 40 mentionné plus haut. Les mesures ont été effectuées dans un premier temps sur des éprouvettes parallélépipédiques en alliage de titane Ti 17 traitées par choc laser sur une face, à une puissance de 9 GW/cm2, une largeur d'impulsion de 18ns, avec deux passages du faisceau laser. Ensuite les contraintes sur les éprouvettes ont été mesurées par une méthode du type du trou incrémentai. On a reporté sur un graphique en ordonnée la valeur de la contrainte mesurée et en abscisse la valeur de l'épaisseur de matière concernée. La figure 6 montre que les résultats sont proches. On estime ainsi la précision de la méthode de l'invention us à 100MPa par rapport à la méthode destructive du trou incrémentai s. Revendications1) Procédé non-destructif de mesure d'une contrainte uj résiduelle sous la surface d'un matériau isotrope de constante acoustoélastique K, dans une direction (X 1) sur une distance (D), caractérisé par le fait qu'on génère un faisceau d'ondes ultrasonores longitudinales subsurfaciques, on mesure la vitesse (V 1) de propagation desdites ondes dans la direction (X 1) sur la distance D, on mesure également V1° la vitesse de propagation desdites ondes longitudinales pour un l 0 état non contraint du matériau dans la direction X1, la valeur de la contrainte a1 étant le rapport entre (V1 û V1°) / V1° et K,. 2) Procédé selon la revendication 1 selon lequel, le faisceau d'ondes ultrasonores longitudinales subsurfaciques est émis à différentes fréquences comprises entre 20 MHz et 2,5 MHz, permettant ainsi de 15 faire varier la profondeur d'investigation. 3) Procédé selon la revendication 1 selon lequel, la contrainte mesurée par des ondes ultrasonores subsurfaciques est la contrainte moyenne sur l'épaisseur investie par le faisceau d'ondes. 4) Procédé selon la revendication 1 selon lequel, on mesure la vitesse 20 de propagation des ondes entre un premier transducteur émetteur (2) disposé à la surface de la pièce et au moins un transducteur récepteur (3) placés à une distance déterminée, de transducteur émetteur (2). 5) Procédé selon la revendication 4 selon lequel, on mesure la vitesse de propagation des ondes entre un premier transducteur émetteur (2) 25 et deux transducteurs récepteur (3 et 4) placés chacun à une distance déterminée du transducteur émetteur (2). 6) Procédé selon la revendication 1, selon lequel on mesure les contraintes résiduelles induites par le traitement de surface mécanique, tel que le grenaillage, le galetage, le martelage et le choc 30 laser. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel on mesure au préalable la constante acoustoélastique K expérimentalement en soumettant une éprouvette dudit matériau à des contraintes déterminées et en mesurant la vitesse de propagation 35 des ondes subsurfaciques pour chacune desdites contraintes.