Etude de la corrélation entre microstructure et ultrasons dans les métaux : Application au contrôle non destructif de l'alliage de titane TA6V

Study of the correlation between microstructure and ultrasounds in metal alloys : application to the non destructive testing of the TA6V-alloy

• Auteur / Autrice : Déborah Faucon
• Direction : Didier Laux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 06/04/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bernacki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Laux, Bing Tie, Mounsif Ech-Cherif El Kettani, Michel Saby, Nicole Fréty, Gilles Despaux, Eric Rosenkrantz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bing Tie, Mounsif Ech-Cherif El Kettani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermique

Traitement thermomécanique

Alliages

Ultrasons

Mots clés libres

Alliage TA6V

Contrôle non destructif

Ultrasons

TA6V alloy

Non destructive testing

Ultrasound

Résumé

L’état microstructural d’un alliage métallique est conditionné par le traitement thermomécanique subi au cours de son procédé de fabrication. Dans le cas de pièces en alliage Ti-6Al-4V (TA6V), la mise en forme est généralement réalisée dans le domaine alpha(α)+béta(β) par forgeage, puis matriçage et suivie d’un traitement thermique dans le domaine β. Dans l’aéronautique, cette succession de traitements thermomécaniques permet d’obtenir des pièces de structure avec des propriétés mécaniques particulières (ténacité élevée, résistance à la corrosion et à la fatigue). C’est dans ces conditions que les cadres de portes de fuselage en TA6V sont fabriqués. Pour garantir la tenue mécanique de ces pièces, il est important de respecter des exigences aéronautiques. L’une d’entre elles est d’obtenir une microstructure homogène, dont la taille de grain n’excède pas 2 mm à l’issue du traitement thermique β. Or à la fin ce dernier traitement, des hétérogénéités de microstructures avec des tailles de grains dépassant la limite autorisée ont parfois été observées sur certaines pièces forgées. Ces observations ont été réalisées par des examens destructifs. Elles constituent un défaut qui doit impérativement être détecté pour délivrer une pièce conforme, respectant les spécifications aéronautiques. A ce jour, aucun moyen de contrôle non destructif n’existe en industrie pour identifier ce type de défaut. Pour contrôler ces zones d’hétérogénéités, la technique d’inspection ultrasonore (US) dite de spectroscopie a été déployée pour mettre au point une méthode de détection non-destructive de défauts. La spectroscopie US consiste à mesurer l’évolution de l’atténuation et de la vitesse des ondes US dans le TA6V en fonction de la fréquence. Ces deux grandeurs, corrélées à l’état structural évoluent en fonction de la taille des grains. Une étude approfondie visant à optimiser cette approche a été réalisée sur une gamme d’échantillons observés selon différents axes de la billette (demi-produit de l’industrie métallurgique). Les résultats expérimentaux obtenus ont mis en évidence la sensibilité de l’atténuation et de la vitesse des ultrasons à la microstructure selon différents sens d’inspections. Les cartographies (C-scan) de l’atténuation et de la vitesse permettent de visualiser le défaut à l’état forgé et traité β. Ainsi, l’atténuation en fonction de la fréquence se distingue d’un échantillon à l’autre. Cela permet de distinguer des zones de différentes tailles de grains. Un autre paramètre susceptible d’être un critère potentiel complémentaire a également été étudié : il s’agit du bruit rétrodiffusé. Au cours de la propagation dans l’échantillon, le signal US est rétrodiffusé aléatoirement par les grains. Le bruit dépend donc de la profondeur sondée et son analyse peut permettre de déterminer, entre autres, la taille des grains. Des résultats préliminaires entrepris sur ce critère, ont montré que l’analyse du bruit rétrodiffusé paraît sensible à la microstructure du TA6V traité β.

The microstructural state of a metal alloy results from thermal-mechanical processes done under its fabrication. In case of Ti-6Al-4V (TA6V) alloys, forming is commonly realized in α+β domain by open-die and closed-die forging then followed by a thermal treatment in β. In aeronautic, this succession of thermal-mechanical processes leads to structural fittings with specific mechanical properties (high toughness, resistance to corrosion and fatigue). Door frames in TA6V alloy are manufactured under these conditions. To guarantee their strength, it is important to respect the aeronautical requirements. One of they is to obtain an homogeneous microstructure with a grain size which not exceed 2 mm after the β treatment. However, during this last treatment, microstructural heterogeneities with grain sizes exceeding the allowed limit may appear on few forged parts. These observations were done by destructive examinations. They constitute a defect which must be detected in order to deliver parts that are compliant to aeronautical specifications. Today, there is no non-destructive testing available in industry to identify this type of defect. To control these areas of heterogeneity, the ultrasonic (US) technique known as spectroscopy was deployed to set a non destructive testing method of flaw’s detection. US spectroscopy consists of measuring the evolution of attenuation and velocity of US waves in TA6V as a function of frequency. These two parameters, correlated to the microstructure are function of grain size. An in-depth study to optimize the ultrasonic spectroscopy method was performed on several samples and analyzed along different axes of the billet (half product of the metal industry). The experimental results obtained highlighted the sensitivity of the attenuation and velocity of ultrasound to the microstructure according to different directions of inspection. Cartographies (C-scan) of attenuation and velocity allowed to visualize the defect at the forged and β-treated state. Thus, attenuation as a function of frequency differs from a sample to another. This leads to observe a high contrast on the cartographies to distinguish areas of different grain size. One more parameter that could be a potential complementary criterion was studied : the backscattering noise. During the wave propagation in the sample, the US signal is randomly backscattered at the grain boundaries. Hence, ultrasonic noise depends on the sample depth tested which can permit to determine the grain size. Preliminary results on this criterion shown that the analysis of the backscattered noise appears sensitive to the microstructure of the TA6V β treated.