Brevet FR3108984A1 — publié le 20211008

Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin, comportant - une sonde ultrasonore (1) comportant un réseau bidimensionnel de transducteurs capables d’émettre et de recevoir des signaux selon différents angles d’excitation, et - un module de traitement (2) adapté pour contrôler les transducteurs en émission et en réception, traiter les signaux reçus par les transducteurs de manière à exprimer les signaux reçus par la sonde ultrasonore dans deux plans d’ondes planes construits à partir de vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde, et en déduire une information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique. Figure pour l’abrégé : figure 1 Contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin La présente invention concerne de manière générale le contrôle non destructif de pièces mécaniques. Elle s’applique plus particulièrement à des pièces mécaniques constituées en matériau polycristallin. État de l’art antérieur Un certain nombre de pièces critiques utilisées dans des réacteurs de d’aéronefs sont réalisées en alliages de titane. Ces pièces sont forgées à partir de cylindres appelés « billettes ». Elles sont éventuellement pré-usinées ou usinées. Le titane, comme certains alliages, est un matériau polycristallin, c’est-à-dire qu’il est constitué de grains susceptibles de se déformer lors des différentes étapes de forgeage qu’il subit. La mise en forme de la pièce provoque des déformations de sa macrostructure et d’éventuels défauts présents dans la pièce. Un plan de fibrage correspond à la carte des déformations subies par la pièce lors de sa mise en forme. La déformation des grains en tout point de la pièce peut être prévue numériquement par des logiciels, mais les résultats ne sont pas totalement fiables. Parfois, le fibrage réel des pièces ne correspond pas au fibrage théorique, par exemple en raison d’erreurs lors de la fabrication de la billette ou de dérives lors du forgeage de la pièce. Afin d’assurer l’intégrité de ces pièces avant montage dans le réacteur et vérifier qu’elles ne présentent pas de défaut tel que fissure, porosité ou inclusion, ces pièces sont contrôlées de manière non-destructive par ultrasons afin de détecter d’éventuelles indications de défauts. Ces contrôles sont effectués sur les billettes et sur les pièces formées après forgeage. Ils sont effectués à l’aide d’un ou plusieurs transducteurs piézo-électriques. Il est connu d’utiliser une sonde piézo-électrique mono-élément ou une sonde multi-éléments (annulaire ou linéaire). Les contrôles par ultrasons d’une pièce sont conçus en supposant connue le plan de fibrage de la pièce en question. Il est connu que la détection de défaut est optimale lorsque l’onde ultrasonore incidente se propage selon une direction perpendiculaire au fibrage, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction privilégiée d’élongation des grains qui constituent le matériau polycristallin de la pièce. Les directions de tirs acoustiques sont donc déterminées à partir du plan de fibrage supposé : il s’agit d’un élément important entrant en ligne de compte pour la conception du plan de contrôle. La détermination du fibrage de la pièce est ainsi essentielle pour assurer une fiabilité et une sécurité optimales. Or comme on l’a vu, il est possible que le fibrage réel des pièces ne corresponde pas au fibrage théorique utilisé pour la conception du contrôle. Ceci est un problème car le contrôle effectué n’est pas adapté à la pièce, ce qui peut nuire à la détection d’un défaut dans le cas le plus extrême. Par ailleurs, la connaissance du fibrage est également porteuse d’enseignements sur la tenue mécanique de la pièce. WO 2018/138430 présente un contrôle ultrasonore d'une pièce pour déterminer une direction d'allongement d'une microstructure allongée se situant dans une pièce. Pour cela, un transducteur linéaire est déplacé en translation et en rotation par des moyens de déplacement comprenant par exemple un bras robotique ou un support mobile. Un traitement mathématique dans l’espace réel est réalisé sur les résultats de mesure. US 6 387 197 concerne un procédé de traitement du titane pour former des articles en titane qui présentent un bruit ultrasonore généré réduit pendant l'inspection par ultrasons. Les matériaux à gros grains sont souvent difficiles à évaluer par ultrasons. Les difficultés surviennent parce que les ondes sonores, qui sont utilisées pour l'inspection par ultrasons peuvent être partiellement réfléchies par les grains et représentent un "bruit de structure", ou bruit de grain. Le bruit de structure généré peut masquer les défauts du matériau et n'est donc pas souhaitable. US 5 471 878 concerne un procédé pour supprimer le bruit de grain lors de l'inspection par ultrasons d'un objet, et pour permettre ainsi une forte probabilité de détection de défaut et une faible probabilité de fausses indications de défaut. Il n’existe pas de méthode non-destructive industrielle efficace pour déterminer l’orientation du fibrage des pièces en matériaux polycristallins. L’invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin, comportant - une sonde ultrasonore comportant un réseau bidimensionnel de transducteurs capables d’émettre et de recevoir des signaux selon différents angles d’excitation, et - un module de traitement adapté pour contrôler les transducteurs en émission et en réception, traiter les signaux reçus par les transducteurs de manière à exprimer les signaux reçus par les transducteurs dans deux plans d’ondes planes construits à partir de vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde, et en déduire une information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique. Grâce à l’invention, il est possible de tirer des faisceaux ultrasonores avec des angles différents sans rotation la sonde. Ainsi, en une seule acquisition et sans intervention de l’utilisateur, il est possible d’acquérir un ensemble de signaux ultrasonores suffisant pour le traitement approprié. Ensuite, le traitement permet de construire des vecteurs d’ondes virtuels permettant de déduire une information sur l’orientation locale et tridimensionnelle du fibrage. L’invention permet d’obtenir une plus grande robustesse de la mesure tout en étant compatible avec les systèmes industriels. Selon une caractéristique préférée, le module de traitement est adapté pour construire une matrice de réflexion à trois dimensions. Selon une caractéristique préférée, le module de traitement est adapté pour exprimer les signaux reçus par les transducteurs dans une base d’ondes planes. Selon une caractéristique préférée, le module de traitement est adapté pour construire les deux plans d’ondes planes par sommation et différence des vecteurs d’ondes associés respectivement aux ondes planes émises et reçues par la sonde. Selon une caractéristique préférée, le module de traitement est adapté pour déduire l’information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique en déterminant une direction associée à des maxima d’intensité des signaux reçus exprimés dans les deux plans d’ondes planes construits à partir des vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde. L’invention concerne aussi un procédé de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin, mis en œuvre dans le dispositif précédemment présenté, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de contrôle des transducteurs en émission et en réception, de traitement des signaux reçus par les transducteurs, d’expression des signaux reçus par les transducteurs dans deux plans d’ondes planes construits à partir de vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde, et de déduction d’une information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique. Le procédé présente des avantages analogues à ceux précédemment présentés. Dans un mode particulier de réalisation, les étapes du procédé selon l’invention sont mises en œuvre par des instructions de programme d’ordinateur. En conséquence, l’invention vise aussi un programme d’ordinateur sur un support d’informations, ce programme étant susceptible d’être mis en œuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé tel que décrit ci-dessus. Ce programme peut utiliser n’importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n’importe quelle autre forme souhaitable. L’invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions de programme d'ordinateur adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé tel que décrit ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préféré, donné à titre d’exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles : illustre le dispositif de contrôle non destructif en cours de contrôle de la pièce mécanique, selon un mode de réalisation de l’invention, illustre une vue de dessous de la sonde ultrasonore mise en œuvre dans le dispositif de la figure 1, selon un mode de réalisation de l’invention, illustre le procédé de contrôle non destructif de la pièce mécanique, selon un mode de réalisation de l’invention, est une représentation schématique des vecteurs d'ondes associées aux ondes planes émises et reçues par la sonde ultrasonore, selon un mode de réalisation de l’invention. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. E xposé d étaillé d e m odes d e r éalisation p articuliers A la figure 1 est représentée une pièce mécanique P en matériau polycristallin, par exemple du titane. La pièce P est forgée et éventuellement pré-usinée et/ou usinée. La pièce P comporte un fibrage interne, schématisé par des cylindres. La pièce P doit être contrôlée de manière non-destructive pour vérifier qu’elle ne présente pas de défaut, tel que par exemple fissure, porosité ou inclusion. Ce contrôle peut être réalisé grâce aux techniques ultrasonores. Pour cela, l’utilisateur a besoin de connaître la direction du fibrage de la pièce, c’est-à-dire la direction locale préférentielle d’élongation des grains du matériau. En effet, il est connu que la détection de défaut est optimale lorsque l’onde ultrasonore incidente se propage selon une direction perpendiculaire au fibrage. Le dispositif de contrôle non destructif qui va être décrit permet de déterminer direction du fibrage de la pièce P. Selon un mode de réalisation préféré représenté à la figure 1 , le dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin comporte une sonde ultrasonore 1 qui comporte un réseau bidimensionnel de transducteurs capables d’émettre et de recevoir des signaux selon différents angles de propagation. La figure 2 représente une vue de dessous de la sonde ultrasonore 1. Les transducteurs sont rectangulaires, de tailles a x et a y selon deux dimensions définies par deux axes orthogonaux X et Y et sont répartis suivant les axes X et Y. Les transducteurs sont indépendants les uns des autres et sont contrôlable en émission et en réception. Il est à noter que d’autres géométries de transducteurs sont possibles et que leur disposition peut être régulière ou aléatoire. Le dispositif de contrôle non destructif comporte aussi un module de traitement 2 relié à la sonde ultrasonore 1. Le module de traitement 2 est adapté pour contrôler les transducteurs en émission et en réception et pour traiter les signaux reçus par les transducteurs comme décrit dans la suite. Le module de traitement 2 est implémenté sous la forme d’un ordinateur. L’ordinateur 5 comporte notamment un processeur 100, une mémoire 101, une interface d’entrée 102 et une interface de sortie 103. Ces différents éléments sont classiquement reliés par un bus 105. Le processeur 100 exécute un programme d’ordinateur mettant en œuvre le procédé selon l’invention. Ces traitements sont réalisés sous la forme d’instructions de code du programme d’ordinateur qui sont mémorisées par la mémoire 101 avant d’être exécutées par le processeur 100. L’interface de sortie 103 est reliée à la sonde 1 et délivre les données qui représentent des instructions de commandes des transducteurs de la sonde 1. L’interface d’entrée 102 est reliée à la sonde 1 et est destinée à recevoir les données représentant les signaux reçus par les transducteurs. Deux configurations de contrôle de la pièce sont possibles : - dans la première, la sonde est positionnée directement sur la pièce à inspecter (configuration dite « au contact »), la transmission ultrasonore étant alors assurée par un gel couplant ou de l’eau ; - dans la seconde, la pièce inspectée et la sonde sont immergée dans de l’eau, la sonde est positionnée face à la pièce, la bonne transmission ultrasonore étant alors assurée par l’eau. Le procédé de contrôle non destructif de la figure 3 représente un mode de réalisation du fonctionnement du dispositif de contrôle non destructif de la figure 1. Le procédé comporte des étapes E1 à E8. On suppose que la pièce P a été disposée de manière à être contrôlée. L’étape E1 est une commande d’émission de signal ultrasonore par la sonde 1. Pour cela, tout ou partie de la sonde est utilisée afin d’émettre une série de signaux dans l’espace réel lié au plan de la sonde. L’émission est par exemple effectuée transducteur par transducteur. Chaque tir élémentaire d’un transducteur émet une onde circulaire. Il faut l’ensemble des tirs élémentaires, c’est-à-dire un par transducteur, pour acquérir une matrice dite « dans l’espace réel ». L’émission de signal ultrasonore peut aussi être effectuée dans d’autres espaces si le rapport signal sur bruit est insuffisant, par exemple une série d’ondes planes de vecteurs d’ondes k in définis, destinés à sonder différents angles. Dans ce cas, tous les transducteurs étant utilisés, l’énergie totale rayonnée est donc supérieure. Un tir d’ondes planes met à contribution tous les transducteurs et envoie une onde plane selon un angle précis et défini. Il faudra un ensemble de séquences de tirs correspondant à chacun des angles d’une matrice de réflexion pour acquérir cette dernière, directement dans l’espace des ondes planes. L’étape suivante E2 est la réception de signal ultrasonore par la sonde 1. Comme pour l’émission, différentes possibilités existent en réception. Une première possibilité est d’appliquer des lois de retards aux signaux ultrasonores reçus afin de les exprimer dans une base d’ondes planes. Dans ce cas, la réception des signaux ultrasonores est effectuée dans une base d’ondes planes. Une autre possibilité est d’effectuer la réception dans l’espace réel. Dans ce cas, comme exposé dans la suite, une double transformée de Fourier spatiale sera appliquée aux signaux ultrasonores reçus afin d’effectuer un changement de base pour se ramener dans une base d’ondes planes. A l’étape suivante E3, l’ensemble des signaux reçus par la sonde 1 sont réarrangés en une matrice de réflexion K afin de pouvoir effectuer un traitement de signal avancé sur ces signaux. L’étape E3 est la construction de la matrice de réflexion K, comportant les signaux reçus par la sonde 1, exprimés dans une base parmi les suivantes : a. Base canonique ou base élémentaire : les éléments de la sonde tirent ou reçoivent le signal rétrodiffusé un par un, de manière indépendante. b. Base d’ondes planes : les éléments de la sonde tirent ou reçoivent le signal rétrodiffusé avec un certain délai afin de créer une onde plane de direction de propagation choisie k in . c. Une combinaison de ces deux bases en émission et en réception. La matrice de réflexion K est composée de 3 dimensions : la base choisie en émission, la base choisie en réception et le temps. La base choisie en émission est la base canonique u in ou la base d’ondes planes k in . La base choisie en réception est la base canonique u out ou la base d’ondes planes k out . La sonde 1 étant matricielle (2D), chaque dimension u in , u out , k in , k out est un vecteur de deux composantes d’indices x et y. La figure 4 illustre les vecteurs d’ondes k in et k out associés respectivement aux ondes planes émises et reçues par la sonde 1. L’étape suivante E4 est l’application d’une transformée de Fourier temporelle à chacun des signaux élémentaires acquis, afin de les exprimer dans l’espace des fréquences selon la dernière dimension de la matrice de réflexion K. On rappelle que la matrice de réflexion K comporte deux dimensions spatiales et une dimension temporelle. Le résultat de l’étape E4 est une matrice de réflexion Kf, dont la troisième dimension est fréquentielle. Il est possible de se placer à une seule fréquence, la fréquence nominale des transducteurs par exemple. Cela permet de limiter le temps de calcul. Il est aussi possible de considérer une bande passante, par exemple la bande passante des transducteurs, puis de moyenner le signal sur la bande passante considérée afin d’améliorer le rapport signal / bruit. Dans tous les cas, le calcul est réalisé fréquence par fréquence. L’étape suivante E5 est la détermination si l’émission ou la réception de signal ultrasonore a été réalisée dans la base canonique ou si l’émission et la réception de signal ultrasonore ont été réalisées dans la base canonique. Lorsque c’est le cas, une transformée de Fourier spatiale est appliquée aux signaux reçus, sur la ou les dimension(s) concernée(s) de la matrice de réflexion afin d’exprimer les signaux reçus dans une base d’ondes planes. La matrice de passage de la base canonique à la base d’ondes planes est la suivante : P(u,k)=exp(±i k.u), le signe dépendant de la convention choisie pour la transformée de Fourier, u représentant la base canonique, k représentant la base d’onde planes et « . » représentant le produit scalaire. Si l’émission et la réception ont été réalisées dans une base d’ondes planes, la matrice de réflexion est inchangée par cette étape. La matrice de réflexion possède alors 3 dimensions : la base d’ondes planes en émission k in = (k x,in , k y,in ), la base d’ondes planes en réception k out = (k x,out , k y,out ) et la ou les fréquences considérées f. A l’étape suivante E6, deux matrices virtuelles sont construites par sommation et différence des vecteurs d’ondes k out et k in de la sonde : K1 (k x,in +k x,out ; k y,in +k y,out ; k x,in ; k y,in ; f), et K2 (k x, out -k x, in ; k y, out -k y, in ; k x,in ; k y,in ; f). D’un point de vue physique, ces deux matrices contiennent l’information sur la direction locale du fibrage. A l’étape suivante E7, les matrices K1 et K2 sont moyennées selon les troisième, quatrième et cinquième dimensions k x,in , k y,in , et fréquence. Cette opération consiste à calculer une moyenne des éléments de la matrice, en faisant varier leurs indices des troisième, quatrième et cinquième dimensions, les indices des autres dimensions restant constants. Il est à noter que pour la dimension fréquentielle, le calcul de moyenne n’est effectué que si une bande passante est considérée. Dans ce cas, l’information est moyennée sur la bande passante. Si une seule fréquence est considérée, il n’y a pas de calcul de moyenne selon la dimension fréquentielle. Cette étape a pour résultat deux matrices à deux dimensions : K1 m (k x,in +k x,out ; k y,in +k y,out ) et K2 m (k x,out -k x,in ; k y,out -k y,in ). Le signal rétrodiffusé par la pièce P est exprimé dans les plans d’ondes planes « k out +k in » et « k out -k in » construits à partir des vecteurs d’ondes k in et k out de la sonde. Ces plans d’ondes planes « k out +k in » et « k out -k in » sont porteurs d’une information exploitable pour déterminer la direction du fibrage. A l’étape suivante E8, Les matrices K1 m et K2 m sont analysées pour déduire les directions de fibrage en 3D. L’étape E8 est la détermination de l’orientation du fibrage en chaque point considéré en fonction de la direction associée aux maxima d’intensité du signal contenu dans les matrices K1 m et K2 m . Les points de maximum d’intensité sont les points de plus grandes valeurs dans les matrices K1 m et K2 m . Lorsque la pièce possède un fibrage anisotrope, les points de maximum d’intensité suivent des directions privilégiées qui renseignent sur la direction du fibrage. Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin, comportant une sonde ultrasonore (1) comportant un réseau bidimensionnel de transducteurs capables d’émettre et de recevoir des signaux selon différents angles d’excitation, et un module de traitement (2) adapté pour contrôler les transducteurs en émission et en réception, traiter les signaux reçus par les transducteurs de manière à exprimer les signaux reçus par les transducteurs dans deux plans d’ondes planes construits à partir de vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde, et en déduire une information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique. Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin selon la revendication 1, dans lequel le module de traitement (2) est adapté pour construire une matrice de réflexion (K) à trois dimensions. Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le module de traitement (2) est adapté pour exprimer les signaux reçus par les transducteurs dans une base d’ondes planes. Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le module de traitement (2) est adapté pour construire les deux plans d’ondes planes par sommation et différence des vecteurs d’ondes associés respectivement aux ondes planes émises et reçues par la sonde. Dispositif de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le module de traitement (2) est adapté pour déduire l’information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique en déterminant une direction associée à des maxima d’intensité des signaux reçus exprimés dans les deux plans d’ondes planes construits à partir des vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde. Procédé de contrôle non destructif d’une pièce mécanique en un matériau polycristallin, mis en œuvre dans le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de contrôle (E1, E2) des transducteurs en émission et en réception, de traitement des signaux reçus par les transducteurs, d’expression (E7) des signaux reçus par les transducteurs dans deux plans d’ondes planes construits à partir de vecteurs d’ondes d’émission et de réception de la sonde, et de déduction (E8) d’une information représentative de l’orientation tridimensionnelle du fibrage de la pièce mécanique. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé selon la revendication 6 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur. Support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé selon la revendication 6.