Brevet FR3125126A1 — publié le 20230113

Procédé de contrôle des défauts de surface d’une pièce de fonderie en métal monocristallin et système de mise en œuvre Un aspect de l’invention concerne un procédé de contrôle (100) de l’état de surface d’une pièce de fonderie (20) en métal monocristallin, la surface de la pièce comportant d’éventuels défauts (G1, G2, G3, G4) résultant d’une inhomogénéité d’orientation d’au moins une maille cristalline du métal monocristallin, ledit procédé comportant : l’acquisition (110, 120), par un dispositif d’acquisition d’images (40), d’une série d’images (130) de la pièce de fonderie éclairée au moyen d’un dispositif d’éclairage (30) polarisé et collimaté, puis l’analyse (140-180) de la série d’images (130) au moyen d’un dispositif de traitement d’image (50), chaque image de la série d’images (130) étant réalisée pour un angle de polarisation différent. Un autre aspect de l’invention concerne un système de mise en œuvre du procédé de contrôle, comportant un dispositif d’éclairage (30) polarisé et collimaté, un dispositif d’acquisition d’images (40), et un dispositif de traitement d’images (50). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Procédé de contrôle des défauts de surface d’une pièce de fonderie en métal monocristallin et système de mise en œuvre DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé pour contrôler l’état de surface d’une pièce de fonderie en métal monocristallin, la surface de la pièce étant susceptible de comporter des défauts résultant d’une inhomogénéité d’orientation d’au moins une maille cristalline du métal monocristallin. L’invention concerne également un système de mise en œuvre de ce procédé de contrôle. L’invention trouve des applications dans les domaines de la fonderie de pièces en métal ou alliage monocristallin et, en particulier, dans le domaine de la fabrication de pièces de fonderie en métal ou alliage métallique pour l’aéronautique. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION La fonderie permet la réalisation de pièces métalliques complexes et, en particulier, des pièces aéronautiques comme les aubes de turbines moteurs haute pression. Les pièces de fonderie peuvent être fabriquées dans un métal ou un alliage monocristallin. Ces pièces en métal ou alliage monocristallin doivent alors être constituées de mailles cristallines ayant une orientation homogène. Autrement dit, l’orientation des mailles cristallines doit être identique pour toutes, ou au moins une très grande majorité, des mailles cristallines de la pièce. En aéronautique, l’état de surface de chacune des pièces de fonderie en métal ou alliage monocristallin est contrôlé de sorte à vérifier que l’orientation cristalline est homogène sur toute la surface de la pièce. En effet, lorsque les mailles cristallines d’une pièce présentent des orientations différentes, des fissures ou autres défauts peuvent s’initier notamment à la jointure des mailles cristallines et provoquer de graves dommages sur la pièce. Pour éviter ces dommages, chaque pièce aéronautique est contrôlée et la présence de joints de grains, c'est-à-dire d’une frontière entre deux mailles cristallines d’orientations différentes, est détectée. Le niveau de non-homogénéité de l’orientation cristalline, à savoir le nombre de mailles cristallines d’orientations différentes, est déterminé. Si ce niveau dépasse un seuil d’acceptabilité prédéfini, la pièce est mise au rebus. Une technique de référence en métallurgie pour le contrôle de l’état de surface des pièces en orientation cristalline utilise une méthode de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD pour Electron Backscatter Diffraction ou BKD pour Backscatter Kikuchi Diffraction). Cette méthode met non seulement en œuvre des instruments très couteux, mais en plus elle implique une préparation importante de l’échantillon de mesure qui doit être plan et poli. De plus, la surface à analyser par balayage, ou scanning, est relativement petite (de l’ordre du mm² ou du cm²) et la mesure par scanning du faisceau d’électron est longue et n’est pas compatible avec un tri rapide de pièces de production. D’autres méthodes optiques ont été plus récemment mises en œuvre, comme le contrôle par BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Fonction, en termes anglo-saxons). Ce contrôle par BRDF est une méthode utilisée par extension de la l’expérience empirique des contrôles qui étaient, auparavant, effectués à l’œil nu par des opérateurs. Cette méthode est basée sur le fait qu’après une attaque chimique de la pièce, la présence des différents grains produit visuellement une variation de contraste lumineux sur la surface de la pièce, grâce à une variation de réflectance de ladite pièce. Auparavant, un opérateur recherchait, à l’œil nu, ces variations de contraste lumineux à la surface de la pièce. Pour cela, il inclinait la pièce sous différents angles afin de voir des différences de réflectivité sur la surface de pièce. Même pour un opérateur formé et aguerri, ces opérations de contrôle étaient délicates et demandaient au contrôleur une grande concentration, car toute défaillance de l’opérateur pouvait engendrer une décision critique de sa part avec, soit l’acceptation d’une pièce dont l’état n’atteint pas le seuil d’acceptabilité, soit la mise au rebus d’une pièce acceptable. Par rapport à la méthode empirique, le contrôle par BRDF permet de faciliter le travail des opérateurs en mettant en œuvre un banc de contrôle optique afin de mesurer la fonction de réflectance de la pièce et d’en déduire la géométrie de son orientation cristalline. Un déplacement angulaire contrôlé de l’instrument d’éclairage et de mesure est nécessaire comme décrit dans les articles «Measuring crystal orientation from etched surfaces via directional reflectance microscopy » de Wang Xiaogang, dans J Mater Sci (2020) 55 :11669–11678 et «Optical characterization of grain orientation in crystalline materials » de Bernard Gaskey, dans Acta Materialia 194 (2020) 558-564). Les techniques de contrôle de l’état de surface des pièces basées sur la méthode de diffraction des électrons rétrodiffusés (comme l’EBSD) sont difficilement intégrables sur une chaine de production et dans le cadre de pièces mécaniques complexes. Les techniques optiques ont l’avantage de proposer plus de versatilité pour les mesures dans un environnement complexe et en contrôle non destructif mais elles sont peu adaptées au cadre industriel Il existe donc un besoin d’un procédé et d’un dispositif de contrôle automatisé amélioré, permettant d’aider les opérateurs dans leur tâche de contrôle de l’état de surface des pièces en métal ou alliage monocristallin. Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus et aider les opérateurs au contrôle de l’état de surface des pièces issue de fonderie, le demandeur propose un procédé et un système pour contrôler l’état de surface des pièces en métal ou alliage monocristallin, basés sur une analyse d’une série d’images réalisées pour différentes orientations de la polarisation de la lumière réfléchie par la surface de la pièce. Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de contrôle de l’état de surface d’une pièce de fonderie en métal monocristallin, la surface de la pièce comportant d’éventuels défauts résultant d’une inhomogénéité d’orientation d’au moins une maille cristalline du métal monocristallin, ledit procédé comportant : l’acquisition, par un dispositif d’acquisition d’images, d’une série d’images de la pièce de fonderie éclairée au moyen d’un dispositif d’éclairage polarisé et collimaté, puis l’analyse de la série d’images au moyen d’un dispositif de traitement d’image, chaque image de la série d’images étant réalisée pour un angle de polarisation différent. L’éclairage polarisé utilisé dans ce procédé permet de rehausser le contraste de réflectance à la surface de la pièce. En outre, l’analyse de la série d’images réalisées avec des angles de polarisation différents permet de générer une image de la pièce mettant en exergue les différents grains. Ce procédé présente en outre l’avantage d’être facilement automatisable. On comprendra que l’expression « métal monocristallin » employée dans la description et les revendications inclut tous les métaux et alliages de type monocristallin. Les pièces de fonderie à contrôler avec le procédé et/ou le système selon l’invention sont des pièces en métal monocristallin ou en alliage monocristallin dont les mailles cristallines doivent présenter une orientation homogène. Les termes « grains » ou « mailles cristallines désorientées » ou « mailles cristallines d’orientations différentes », employés dans la description et les revendications ont une signification identique, un grain étant une maille cristalline dont l’orientation n’est pas conforme à l’orientation attendue. Un joint de grain est donc un frontière entre deux mailles cristallines d’orientations différentes. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de contrôle selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : l’angle de polarisation est modifié par rotation d’un axe de polarisation du dispositif d’acquisition d’images. l’analyse de la série d’images comporte les opérations suivantes : détermination, pour chaque pixel du dispositif d’acquisition d’images, d’un vecteur d’intensité correspondant à une variation d’intensité du même pixel sur chaque image de la série d’images, détermination d’une intensité moyenne de l’ensemble des pixels de chaque image de la série d’images et extraction d’une loi de variation générale de l’intensité pour la série d’images, détermination d’une loi de variation individuelle de l’intensité, propre à chaque maille cristalline, et détermination des pixels appartenant à une même maille cristalline. l’opération de détermination des pixels appartenant à une même maille cristalline est obtenue par appariement des pixels ayant des variations d’intensité proches. l’opération de détermination d’une loi de variation individuelle de l’intensité est obtenue par normalisation de l’intensité de chaque pixel en fonction de la loi de variation générale de l’intensité. le dispositif d’éclairage génère un faisceau d’une lumière incohérente, polarisée linéairement. le procédé comporte une opération préalable d’attaque chimique de la pièce de fonderie faisant ressortir les cristaux à la surface de la pièce de fonderie. Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de mise en œuvre du procédé de contrôle défini précédemment, ce système comportant : un dispositif d’éclairage polarisé et collimaté, un dispositif d’acquisition d’images, et un dispositif de traitement d’images. L’association d’un dispositif d’éclairage fixe et d’une caméra fixe permet de mettre en évidence les différences de réflectance sur la surface de la pièce par simple rotation d’un polariseur devant la caméra, sans mouvement relatif de la pièce et de l’éclairage et sans problème d’ombrage ou de profondeur de champ pour les pièces courbées. Ce système de contrôle selon un deuxième aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le dispositif d’éclairage comporte une source lumineuse incohérente, couplée à un premier polariseur linéaire et à une optique de collimation. le dispositif d’acquisition d’images comporte une caméra fixe, couplée à un second polariseur mobile en rotation, chaque image de la série d’images correspondant à un réglage différent d’un axe de polarisation du second polariseur. le dispositif de traitement d’image comporte un dispositif d’affichage d’images affichant au moins une image de la pièce de fonderie avec un repérage des mailles cristallines désorientées. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles : La représente schématiquement un exemple de système de contrôle de l’état de surface d’une pièce selon l’invention ; La représente, sous forme fonctionnelle, un exemple des opérations du procédé de contrôle de l’état de surface d’une pièce, selon l’invention ; La représente des exemples de trois images d’une série d’images réalisée pour plusieurs angles de polarisation différents ; La représente un exemple de la moyenne d’intensité des pixels d’une image de la série d’images, déterminée dans le procédé de la ; et La représente un exemple de la variation d’intensité individuelle correspondant à trois grains différents, après analyse par le procédé de la . Procédé de contrôle (100) de l’état de surface d’une pièce de fonderie (20) en métal monocristallin, la surface de la pièce comportant d’éventuels défauts (G1, G2, G3, G4) résultant d’une inhomogénéité d’orientation d’au moins une maille cristalline du métal monocristallin, ledit procédé comportant : l’acquisition (110, 120), par un dispositif d’acquisition d’images (40), d’une série d’images (130) de la pièce de fonderie éclairée au moyen d’un dispositif d’éclairage (30) polarisé et collimaté, puis l’analyse (140-180) de la série d’images (130) au moyen d’un dispositif de traitement d’image (50), chaque image de la série d’images (130) étant réalisée pour un angle de polarisation différent. Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’angle de polarisation est modifié par rotation d’un axe de polarisation du dispositif d’acquisition d’images (40). Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’analyse de la série d’images comporte les opérations suivantes : Détermination (140), pour chaque pixel du dispositif d’acquisition d’images, d’un vecteur d’intensité correspondant à une variation d’intensité du même pixel sur chaque image de la série d’images, détermination (150) d’une intensité moyenne de l’ensemble des pixels de chaque image de la série d’images et extraction (160) d’une loi de variation générale de l’intensité pour la série d’images, détermination (170) d’une loi de variation individuelle de l’intensité, propre à chaque maille cristalline, et détermination (180) des pixels appartenant à une même maille cristalline. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’opération (180) de détermination des pixels appartenant à une même maille cristalline est obtenue par appariement des pixels ayant des variations d’intensité proches. Procédé de contrôle selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l’opération (170) de détermination d’une loi de variation individuelle de l’intensité est obtenue par normalisation de l’intensité de chaque pixel en fonction de la loi de variation générale de l’intensité. Procédé de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d’éclairage (30) génère un faisceau d’une lumière incohérente, polarisée linéairement. Procédé de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte une opération préalable d’attaque chimique de la pièce de fonderie faisant ressortir les cristaux à la surface de la pièce de fonderie. Système de mise en œuvre du procédé de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte : un dispositif d’éclairage (30) polarisé et collimaté, un dispositif d’acquisition d’images (40), et un dispositif de traitement d’images (50). Système de contrôle selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d’éclairage (30) comporte une source lumineuse incohérente (31), couplée à un premier polariseur linéaire (33) et à une optique de collimation (32). Système de contrôle selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif d’acquisition d’images (40) comporte une caméra fixe (41, 42), couplée à un second polariseur (43) mobile en rotation, chaque image de la série d’images (130) correspondant à un réglage différent d’un axe de polarisation du second polariseur (43). Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le dispositif de traitement d’image (50) comporte un dispositif d’affichage d’images affichant au moins une image de la pièce de fonderie (20) avec un repérage des mailles cristallines désorientées.