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Qualité des revêtements : apport des méthodes de contrôle non destructives et autres moyens de contrôle

| 1 août 2011 | Traitement et matériaux n° 0411

Les méthodes de contrôle permettent de suivre la qualité des composants mécaniques. Elles sont largement utilisées pour contrôler les produits dans leur volume et peuvent également s'appliquer au contrôle de revêtements. Trois familles d'application se distinguent, à savoir le contrôle de caractéristique mécanique, le contrôle de compacité, et la mesure d'épaisseur.

Les revêtements projetés font l'objet de différents contrôles, dans le but de garantir la qualité des composants à la surface desquels ils sont intégrés. Différents types de méthode sont à disposition des industriels. Ces méthodes permettent de répondre aux besoins suivants :

- Contrôle de compacité de substrat et de revêtement.

- Mesure d'épaisseur de revêtement.

- Contrôle de continuité de l'interface revêtement-substrat.

- Contrôle d'adhérence du revêtement.

- Contrôle de dureté.

- Contrôle de contrainte dans le substrat et le revêtement.

 

Des méthodes « traditionnelles » de type métrologique sont souvent utilisées pour le contrôle des revêtements. Les contrôles dimensionnels visent à mesurer l'épaisseur du revêtement, et peuvent être réalisés par méthode destructive sur échantillon témoin ou pièce suiveuse. Ces méthodes consistent par exemple dans une mesure métrologique sur revêtement ou sur micrographie, ou une méthode de dissolution anodique appelée « Coulométrie ». Les méthodes non destructives sont des méthodes indirectes de mesure, qui ne sont pas sensibles directement au paramètre mesuré. Elles nécessitent donc une phase de calibration pour donner des résultats quantitatifs. Elles se répartissent en méthodes de contrôle surface, de volume, et de méthodes globales, qui permettent de contrôler la compacité des revêtements et substrats, ou les épaisseurs des revêtements.

Ainsi, on distingue pour les méthodes non destructives de surface, le ressuage, et la magnétoscopie. Les courants de Foucault et les méthodes magnétiques représentent également des méthodes de contrôle de surface. Pour les méthodes de volume, on distingue les ultrasons, la radiographie, et son évolution tomographique. La thermographie permet d'inspecter le matériau à faible profondeur. L'émission acoustique peut de son côté, donner une information sur la santé globale du composant inspecté.

Les caractéristiques mécaniques des revêtements peuvent être évaluées par l'aspect dureté, et du point de vue des contraintes résiduelles, via des méthodes semi-destructives et non destructives. Des méthodes mécaniques, extensométriques, ou de diffraction des rayons x sont utilisées à cette fin. Des développements récents permettent maintenant d'envisager le contrôle du module d'Young par méthode ultrasonore, y compris sur revêtement fin.

Les ruptures de continuité revêtement-substrat peuvent être investiguées par ultrasons ou émission acoustique. L'adhérence du revêtement sur le substrat est traditionnellement contrôlée par test de traction normalisé, ou par la méthode du « plot collé », appliqué sur éprouvette témoin, ou pliage-poinçonnage d'un échantillon.

On observera enfin que les méthodes acoustiques ultrasonores font l'objet de travaux de recherche dans des domaines mécaniques connexes pour le contrôle de l'adhérence.

On peut établir la relation du besoin de contrôle avec les procédés disponibles de la manière suivante :

 

Voir tableau "Les besoins et les méthodes de contrôle"


Mesure des contraintes

Méthodes semi-destructives : la méthode « du trou »

Cette méthode semi-destructive permet de connaître la contrainte siégeant dans un substrat ou un revêtement. Elle exploite la mesure de déformation observée sur des jauges extensométriques suite au perçage d'un trou qui a pour effet de relaxer les contraintes résiduelles. La méthode nécessite le collage de jauges à la surface du produit.

 

La diffraction X

Cette méthode non destructive permet de mesurer la déformation du réseau cristallin provoquée par les contraintes. Pour ceci, on éclaire la zone à mesurer avec un faisceau de rayons X et on observe les raies de diffraction provoquées par le réseau. La méthode intègre les contraintes sur dix micromètres environ.

 

La méthode du bruit ferromagnétique

Le niveau de contrainte influence le bruit ferromagnétique, ou bruit Barkhausen, qui apparaît lorsque l'on soumet un produit ferromagnétique à un cycle d'hystérésis. Cette méthode non destructive permet donc d'évaluer les contraintes dans le composant investigué.



Contrôle de compacité, contrôle d'épaisseur

L'échographie ultrasonore

La méthode, cousine du sonar sous-marin, permet de mesurer les épaisseurs de revêtement, pourvu qu'ils soient acoustiquement transparents, et que leur état de surface le permette. Ils permettent également de détecter les ruptures de continuité de la matière, telles que les inclusions, fissures, et délaminage. La méthode permet de sonder la compacité du volume des pièces contrôlées, pourvu que l'état de surface, la forme du produit, et la transparence acoustique du produit soient compatible. La méthode permet également de contrôler l'épaisseur des revêtements.

 

La magnétoscopie permet de détecter les fissures et défauts de surface sur produit ferromagnétique. Cette méthode est bon marché et largement utilisée dans la mécanique

 

Le ressuage permet de détecter les fissures et porosités sur tout produit. Un bon état de surface et un nettoyage soigné sont indispensables pour réaliser un contrôle fiable. Cette méthode est utilisée pour caractériser la porosité des revêtements projetés. La méthode est également bon marché et largement utilisée dans la mécanique

Les méthodes magnétiques permettent en général de contrôler l'épaisseur des revêtements non magnétiques sur substrats magnétiques.

 

Les méthodes des courants de Foucault permettent en général de contrôler l'épaisseur des revêtements isolants électriquement sur substrat conducteur.


Méthodes émergentes, méthodes en développement.

La tomographie à rayons X consiste dans la transposition dans le domaine industriel du scanner médical. La tomographie consiste à enregistrer sous différents angles des images numériques de la réponse en transparence de l'objet inspecté. Par calcul de reconstruction, on peut créer des images de synthèse de la pièce suivant différents coupes, et représenter la pièce en trois dimensions. On pourrait ainsi visualiser des coupes du revêtement représentant ses variations de densité. Les limitations de la technique consiste dans les épaisseurs contrôlées, limitées à un total de 40 mm d'acier environ, et dont la dimension extérieure, inférieure à un mètre.

 

La thermographie à excitation contrôlée permet, grâce au traitement des images représentant l'évolution de la température de la surface du produit, permet de contrôler la compacité du produit, et l'épaisseur du revêtement.

 

L'émission acoustique consiste à contraindre l'interface revêtement-substrat et à écouter le bruit ultrasonore produit pendant cette sollicitation. L'évolution du bruit permet de suivre l'endommagement précoce de l'interface en fonction de la sollicitation.

 

Les ultrasons pour le contrôle de l'adhérence

On peut citer des travaux de recherche qui ont montré une relation entre les réponses échographiques des revêtements et leur adhérence. Une tendance de la R&D actuelle consiste à exploiter la piste de la possible non-linéarité de la réponse ultrasonore de l'interface revêtement-substrat pour en déduire l'adhérence.

 

Le choc acoustique pour le contrôle de l'adhérence

La méthode consiste à générer par laser impulsionnel un choc mécanique de spectre fréquentiel ultrasonore à l'arrière du substrat. Cette onde de choc se propage dans le substrat, puis atteint l'interface substrat-revêtement. Un calcul permet de connaître la valeur de l'effort créé à l'interface. Une résistance insuffisante provoque un décollement du revêtement. On peut ainsi évaluer la résistance de l'interface à l'arrachement. Ce principe est exploité par le système expérimental « LASAT ».

 

Les ultrasons de surface pour le contrôle du module d'Young

Les ultrasons de surface peuvent être exploités pour mesurer le module d'Young. L'utilisation de hautes fréquences, générées par exemple par laser, permet de déterminer le module d'Young de manière non destructive indépendamment des caractéristiques du substrat. Cette méthodologie innovante a fait l'objet de normalisation.



Conclusion

La qualité des revêtements projetés peut être contrôlée par des méthodes très diverses, des plus traditionnelles, avec un pied à coulisse, aux plus avancées, avec des techniques laser. Alors que jusqu'à récemment, les contrôles portaient surtout sur la géométrie, la compacité, ou l'adhérence via des tests destructifs des travaux de recherche laissent entrevoir la possibilité de contrôler des paramètres mécaniques essentiels tels que l'adhérence et le module d'Young. Tout ceci concourt à une meilleure maîtrise des procédés industriels, et au maintien de la compétitivité des industries mécaniques.

Bibliographie

M. Ducos, B. Bossuat, H. Walaszek, Non destructive testing of the coating-substrate interface of thermally-sprayed industrial parts, ITSC, 2005 Basel.

C. Borolis, L. Berthe, M. Boustie, M. Arrigoni, M. Jeandin, S. Barradas, Développements du test d'adhésion par choc laser, 2002.



Consulter l'intégralité du dossier " La qualité des processus de traitement thermique et de traitement de surface "

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