La caractérisation des matériaux et des assemblages utilisés dans ces travaux s’est appuyée sur l’utili- sation de diagnostics permettant d’évaluer l’état résiduel des cibles, suite au choc laser. Les moyens mis en oeuvre pour ces analyses ont été dédiés à la recherche d’endommagements ou de décollements au sein des cibles. Ils permettent donc de confirmer les analyses issues des diagnostics in-situ ou d’acquérir des informations complémentaires.
2.2.1 Ultrasons
Le contrôle par ultrasons est la technique la plus répandue dans le secteur aéronautique pour l’ins- pection des pièces en composite. Cette technique est basée sur la propagation d’ondes acoustiques dans les pièces et leur interaction avec des objets (interface, défaut) induisant des changements d’impédance acoustique. La propagation des ondes peut être libre ou guidée par la géométrie de la pièce. On s’intéresse ici à l’application des techniques utilisant des ondes de volume générées par des émetteurs piézoélectriques.
On distingue deux méthodes pour l’inspection par ultrasons : — Le contrôle en transmission :
L’émission du signal ultrasonore est effectuée par un émetteur placé d’un côté de la pièce à inspec- ter et reçu par un récepteur de l’autre côté. L’apparition d’un défaut sur le chemin de propagation entre les deux capteurs est détecté par une atténuation du signal. Ce type de configuration pré- sente l’avantage de limiter l’atténuation des ondes ultrasonores dans le matériau puisqu’elles ne parcourent qu’une seule fois l’épaisseur de la pièce, ce qui permet la mise en évidence d’endom- magements légers et de petite taille. Le contrôle en transmission permet également de faciliter la compréhension des résultats dans le cas d’empilements mulitcouches présentants des désadaptation d’impédance marquées. La mise en place d’une telle configuration n’est possible que sur des géo- métries relativement planes et exige d’avoir accès aux deux faces, ce qui limite son utilisation dans un cadre industriel.
— Le contrôle par réflexion :
Une autre approche consiste à effectuer l’émission et la réception du signal par le même capteur. Dans cette approche, le signal reçu correspond à une succession d’échos induits par les réflexions du signal émis sur les interfaces où des désadaptations d’impédance sont mises en jeu. L’analyse d’une cible monomatériau par cette technique génère un signal d’entrée dans la cible et un signal de sortie de la cible, séparés par un intervalle de temps, appelé temps de vol (Time of flight - TOF ). Le temps de vol correspond au temps d’aller-retour des ondes ultrasonores au sein du matériau. L’apparition d’un petit défaut dans la pièce diminue la transmission des ondes jusqu’en sortie de la cible, ce qui atténue le signal de sortie. Si le défaut est plus conséquent, la désadaptation d’impédance générée par le défaut provoque l’apparition d’un signal réflechi. L’atout majeur de la méthode par réflexion est de pouvoir localiser les endommagements en connaissant la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans la direction longitudinale Cl et identifiant le temps de vol correspondant à la
réflexion du défaut. Cette configuration permet aussi de procéder à des inspections nécessitant peu de réglages et applicables sur une seule face. C’est la méthode que nous avons le plus souvent em- ployée dans le cadre de ce travail et les différents modes d’analyse exposés ci-dessous correspondent à ce type d’inspection.
On distingue plusieurs modes d’analyse ultrasonore :
— A-scan : On procède à l’analyse de la pièce dans la direction de propagation des ondes ultrasonores (z). La restitution de l’analyse est un diagramme représentant l’amplitude des réflexions en fonction du temps de vol ou de la position en z. C’est le mode d’utilisation le plus simple qui peut être réalisé avec un simple capteur mono-élément. Il permet d’accéder à la position des défauts et d’évaluer le mode d’endommagement. Dans le cas d’un composite on peut ainsi distinguer un délaminage d’une fissuration matricielle.
— B-scan : Un B-scan est une succession de A-scans dans une direction perpendiculaire (x) à la di- rection de propagation des ondes. Le résultat d’un tel scan est une cartographie de l’amplitude du signal dans le plan (x, z). L’intérêt de ce type d’analyse est de pouvoir estimer la taille du défaut en (x) en plus de sa localisation en z. Un B-scan peut être réalisé en utilisant une sonde mono-éléments et en effectuant un balayage en (x) ou en travaillant directement avec un capteur multi-éléments. — C-scan : Le C-scan est une cartographie en temps de vol ou en amplitude définie par une sucession
de A-scan dans le plan correspondant à la surface de la pièce (x, y). Ce mode d’analyse permet de localiser l’endommagement en z avec l’information en temps de vol et d’en définir les dimensions en x et y. Afin de réaliser cette cartographie il est nécessaire d’effectuer un balayage avec une sonde mono ou multiéléments et un système d’encodage pour l’enregistrement des positions dans le plan (x, y).
La résolution de cette méthode de détection est liée à la taille des éléments, à la fréquence ultrasonore utilisée, à la nature du décollement et à la nature et l’épaisseur du matériau inspecté. En diminuant la taille d’éléments et en augmentant la fréquence d’excitation utilisée, on augmente la capacité de détection d’endommagements de petite taille. Cependant, l’utilisation d’éléments de petite taille limite l’amplitude du signal qui peut être injectée en entrée. De plus, l’atténuation est plus importante à haute fréquence. Ces deux points sont à prendre en compte pour l’inspection de structures épaisses dans des matériaux fortement atténuants comme les composites tissés. Les décollements ou délaminages sont des défauts qui peuvent être détectés plus facilement que les phénomènes de micro-fissuration et leur taille critique de détection est donc plus faible. Il faut noter aussi que la détection de défauts dans des échantillons d’épaisseur fine est limitée par la largeur temporelle du signal, qui dépend directement de la fréquence d’excitation utilisée. L’utilisation d’une console portable Gekko de la société M2M avec des sondes multiéléments de 5 MHz et 10 MHz et des tailles d’éléments respectivement de 0, 5 mm et 0, 25 mm permet une analyse rapide et la réalisation de A-scan et B-scan immédiatement après les essais. Des cartographies C-scan par réflexion sont réalisées chez Airbus Group Innovations et des C-scan en transmission à Safran Composites pour affiner les premières analyses. Dans les deux derniers cas, les pièces ont été contrôlées en immersion. En utilisant les différents moyens d’analyse présentés ici, nous avons pu procéder à l’inspection d’assemblages multimatériaux de 1 mm d’épaisseur et détecter des endommagements ou décollements de l’ordre de 2 mm de diamètre. L’analyse par ultrasons présente également l’atout d’être non-intrusive et de pouvoir analyser les échantillons sans avoir à les usiner. C’est donc le diagnostic post-choc de référence pour la détection des décollements.
2.2.2 Tomographie X
La tomographie par rayonnement X est une technique de CND permettant d’obtenir une image en 3D de l’objet étudié et d’en révéler les défauts en profondeur. Comme mentionné dans le premier chapitre, cette technique s’est considérablement développée et répandue pour des contrôles de production dans dif- férents secteurs industriels. Cette méthode est basée sur le principe de la radiographie X appliquée en rotation. Un rayonnement X est émis par une source et pénètre à travers la pièce à inspecter (Figure
2.16). Une partie est absorbée et l’autre partie pavient jusqu’à un détecteur numérique. L’absorption du rayonnement dépend de la nature et de l’épaisseur des matériaux traversés et donc l’image en niveau de gris qui est obtenue permet donc de détecter des défauts et d’identifier les différentes couches de maté- riaux traversés. La tomographie consiste à générer un grand nombre d’images par rotation de la pièce ou du couple source-détecteur, chaque image correspondante retranscrivant l’absorption de la pièce selon un angle donné. L’utilisation d’un algorithme numérique permet ensuite de reconstruire le volume de la pièce inspectée. Cette technique permet de quantifier dans les trois directions de l’espace la taille et la forme de défauts apparaissant dans les pièces.
La résolution de cette technique est définie par la taille d’un voxel de l’image, qui dépend notamment de la taille de la pièce inspectée, de la source X utilisée et des dimensions des pixels du détecteur. L’utili- sation de sources adaptées pour analyser des volumes restreints permet d’améliorer la résolution spatiale. Dans le cadre de cette étude, des analyses tomographiques ont été effectuées sur les sites du groupe Safran à Itteville et Villaroche. L’accès à un microtomographe est un atout indéniable pour la caractérisation des matériaux puisque des défauts de l’ordre de 8 µm ont pu être détectés sur des cibles de dimensions millimétriques. Contrairement aux ultrasons, l’analyse ne peut être effectuée sur le site des essais de choc par laser. Elle présente également quelques limitations pour l’analyse d’assemblages impliquants des ma- tériaux à forte densité car ces derniers diminuent le contraste des images et gènent donc la détection des décollements. Toutefois, cette technique est véritablement complémentaire des ultrasons puisqu’elle permet d’analyser des pièces de très petite taille et de faible épaisseur (< 1 mm), là où le contrôle par
Figure 2.16 – Principe de fonctionnement de la tomographie X appliquée à la détection de défauts dans les empilements multimatériaux
ultrason fait défaut. De plus, la tomographie présente un avantage majeur dans l’interprétation des phé- nomènes d’endommagement puisqu’elle permet de définir très précisément la localisation, la taille et la forme des défauts rencontrés. La Figure 2.17 présente les résultats d’analyse réalisées par tomographie sur des cibles utilisées pour la caractérisation. On remarque que l’épaisseur des écailles générées par choc laser sur ces échantillons peut être définie avec précision avec cette méthode, et ce de façon non-destructive.
(a) (b) (c)
Figure 2.17 – Tomographie suite à des essais de choc laser ayant généré des endommagements (a) Alu- minium pur - Epaisseur 500 µm - Coupe transverse - Résolution 8 µm, (b) Composite stratifié-croisé - Epaisseur 1 mm - Vue intégrée sur l’épaisseur - Résolution 20 µm (c) Composite stratifié-croisé - Epaisseur 1 mm - Coupe transverse - Résolution 20 µm
2.2.3 Coupe micrographique
L’observation au microscope de coupes transverses est le moyen le plus répandu pour la caractérisation matériaux. Cette méthode nécessite peu d’équipements et permet d’acquérir des informations quantitatives et qualitatives sur l’état de la matière. Le principe de la coupe micrographique est de réaliser une découpe selon la section droite, dans l’épaisseur de l’échantillon. La découpe initiale doit être effectuée en utilisant des outils d’usinage adaptés. Comme indiqué dans le premier chapitre, l’usinage des pièces en composite
d’utiliser des disques de découpe à revêtement diamant et une vitesse de découpe lente (< 0, 3 mm/min). L’épaisseur de l’outil de découpe doit être pris en compte afin que la section droite initiale soit proche du plan d’observation recherché. Dans notre cas, la zone d’observation correspond à la section droite passant par le centre de la tache focale. A la suite de cette étape, il est nécessaire de polir la section droite initiale jusqu’à atteindre un état de surface suffisament fin. L’utilisation de solutions chargées en silicone et dia- mant doit permettre d’obtenir un état de surface suffisant sur la coupe correspondant au plan d’observation. Dans le cas d’un état de surface quasi-miroir, la résolution spatiale des coupes micrographiques dépend essentiellement du grossissement du microscope utilisé pour l’analyse et de la résolution graphique (pixels) de l’interface numérique utilisée par l’opérateur. On estime que lors des analyses effectuées, la résolution spatiale atteinte a été de l’ordre de 1 µm. Cela signifique que des défauts dont la dimension dans l’épaisseur de la cible est très réduite ne peuvent être détectés que par coupe micrographique. L’intérêt principal de cete méthode réside donc dans sa capacité de détection qui, malgré les progrès évidents des techniques CND, reste la référence dans la détection des endommagements fins. Dans le cadre de cette étude, des coupes micrographiques ont été effectuées sur certaines cibles et assemblages afin de confirmer le diagnos- tic établi par les techniques CND présentées précédemment, notamment dans les cas d’endommagements légers.
L’utilisation de la coupe micrographique permet aussi de discriminer un décollement d’un endomma- gement multiple. La forme et la disposition de ces endommagements, comme les ruptures intraplis en "T" ou la rupture intra-plis à 45 ° permettent de mettre en valeur des effets bidimensionnels et d’identifier le mode de rupture associé (Figure 2.18).
(a) (b)
Figure 2.18 – Coupes micrographiques effectuées sur des échantillons après impact laser - Composite stratifié-croisé - 6 mm - (a) Cas de multiples délaminages et de rupture à 45 ° intra pli (b) Cas de rupture intrapli en T