Contrôle non destructif par ultrasons appliqué aux pièces métalliques issues de la fabrication additive et conventionnelle

Ce projet porte sur le contrôle non destructif (CND) par ultrasons des pièces d'alliages d'aluminium et de titane produites par fabrication additive métallique (FAM) destinées à l'industrie aéronautique. La FAM permet de produire rapidement des pièces de formes complexes, qui réduisent les coûts et l'empreinte environnementale. Cependant, le développement des méthodes de CND doit accompagner celui de la FAM. Tout d'abord, les discontinuités de la FAM sont recensées pour les deux méthodes étudiées dans ce projet, qui sont le dépôt sous énergie concentrée (DED), et la fusion sur lit de poudre (PBF). Trois types de discontinuités sont constatées dans la FAM, des pores gazeux sphéroïdaux de petite taille, des manques de fusion de plus grande taille et de forme ramifiée, ainsi que des fissures dues aux contraintes résiduelles. Les discontinuités qui s'avèrent être les plus critiques en termes de fatigue sont les manques de fusion situés en sous-surface. Une méthode de CND possédant une fine limite de détection et couramment utilisée, est le contrôle par rayons X, et notamment la tomodensitométrie, qui produit une image en trois dimensions de la pièce. Cependant, ce sont des analyses très coûteuses, longues, et la résolution est dépendante du volume inspecté. En moyenne, la résolution sera de 1% de l'épaisseur de la pièce pour une analyse par tomodensitométrie et de 2% pour une analyse par radiographie conventionnelle. Au contraire, les méthodes ultrasonores qui se basent sur la réflexion de l'onde sur les discontinuités, sont rapides et bon marché et la limite de détection s'affine à mesure que la fréquence utilisée augmente. Néanmoins, augmenter la fréquence conduit à augmenter l'atténuation de l'onde, et réduire la profondeur d'inspection et la lisibilité des résultats. Il existe pourtant une autre méthode permettant d'affiner la résolution, il s'agit de mettre en évidence le comportement non linéaire de certaines discontinuités en comparant la réponse obtenue à deux niveaux d'énergie différents. Ces constatations mises en évidence par la revue de littérature ont permis d'orienter le projet vers une méthodologie basée sur l'exploration des ultrasons non linéaires. Le coefficient d'atténuation à 5 MHz a d'abord été mesuré dans les six échantillons intacts, dont deux issus de la FAM et quatre de procédés de mise en forme conventionnels afin de vérifier que la microstructure de FAM ne gênait pas le CND par ultrasons. Les échantillons ont par la suite été usinés afin de contenir des discontinuités artificielles sphériques de diamètre allant de 1,3 mm à 0,25 mm, et une discontinuité plane de 0,12 mm d'épaisseur.

Abstract

This project focuses on ultrasonic non-destructive testing of metallic additive manufactured material made of titanium and aluminium alloys for the aerospace industry. The metallic additive manufacturing makes possible the production of complex shaped parts, therefore reduces economic costs and environmental footprint. However, development of metallic additive manufacturing must go together with development of non-destructive testing methods. In a first instance, metallic additive manufacturing discontinuities are listed for the two methods under this project scope, direct energy deposition and power bed fusion. Three types of discontinuities are founded in metallic additive manufacturing, small, rounded gas pores, big branched lacks of fusion as well as cracks due to residual stresses. Most dangerous discontinuities for fatigue strength are subsurface lack of fusion. Among non-destructive methods, X-rays are a commonly used because of their high resolution as well as computed tomography analysis which produce a 3D image of the part. Nevertheless, these analyses are very expensive, take a long time and resolution achievable is dependent of the inspected volume. On average, resolution is about 1 % of the part's width for computed tomography analysis and 2 % for conventional radiography. On the contrary, ultrasonic methods, based on the reflection of the wave on discontinuities, are quick, inexpensive and the resolution increases with the frequency. Nonetheless, increase frequency also increase attenuation and thus reduce the depth of inspection and readability of results. Another method exists to overcome this issue, it is a matter of highlighting nonlinear behaviours of small discontinuities by comparing their responses at two levels of energy. These findings from the literature review oriented the project toward nonlinear ultrasonic exploration. Firstly, attenuation coefficient at 5 MHz was measured in six samples, two of it produces by metallic additive manufacturing and four from conventional shaping methods. The aim was to verify that metallic additive manufacturing does not impede ultrasonic non-destructive testing. Samples were then machined to create artificial rounded discontinuities from 1.3 mm diameter to 0.25 mm, and a plane discontinuity of 0.12 mm width. They were inspected at 5 MHz by a 64 elements ultrasonic probe, in contact and in immersion, at high and low energy. The total focusing method was applied to produce images. A – 6 dB segmentation and a detection method based on round pattern recognition were used to define a detection limit. Moreover, high, and low images were subtracted in an attempt to highlight nonlinear behaviour of discontinuities.