De nombreuses méthodes pour quantifier le taux de porosité sur pièces (double pesée air/eau, analyse d'images sur coupe, radiographie, tomographie, ....) avec pour chacune leurs avantages et limitations.
Quantifier des porosités dans une pièce n’est pas si trivial que cela en a l’air ! S’agit-il de mesurer juste le taux de porosité ou une taille de défaut moyen, s’intéresse-t-on seulement à leur localisation dans la pièce ou également à leur identification (porosité gazeuse, micro-retassure, …). Plusieurs méthodes directes (radiographie, micrographie sur coupe de pièces, tomographie) ou indirectes (mesure de densité, pesée, mesure de fuite, …) peuvent être effectuées avec, pour chacune leurs avantages et inconvénients.
Mesure de densité par double pesée
Cette mesure se fait en pratique à l’aide d’une balance de précision, par double pesée (air et eau) et sur pièce entière ou zones des échantillons de pièces à température stabilisée. La gamme opératoire est importante pour la précision de la mesure et en particulier le dégraissage de la pièce et l’absence de bulle d’air lors de la mesure en immersion. Le taux de porosité est calculé à partir de la densité théorique de l’alliage. C’est une mesure non destructive sur pièce entière, mais qui ne permet pas de préciser les zones saines ou affectées. On pourra, si nécessaire et pour plus de précision, découper la pièce en de multiples zones qui seront analysées alors séparément et permettront d’évaluer un taux de porosité local et son évolution dans la pièce. Cette méthode peu coûteuse, mais non automatisable, a également l’inconvénient de ne pas distinguer le type de défauts et n’est pas applicable sur des défauts débouchants.
Pesée de pièce
L’analyse d’images sur micrographie (coupe polie) permet de quantifier les défauts internes (nombre de pores, taux de porosité…).
Cette mesure, très simple et non destructive, consiste à peser la pièce (en considérant que son volume est constant). Cette méthode, qui peut s’automatiser, ne peut s’appliquer que pour de petites pièces (quelques centaines de grammes) et permet d’éliminer en première approche des pièces non conformes très dégradées directement sur site de production. C’est cependant une méthode peu fiable sur le long terme car, en pratique, on constate souvent des variations de volume (usure d’outillage, …) dans le temps. De plus, elle ne permet pas de repérer les zones à défauts. Or, dans la majorité des cas, la non-qualité est localisée dans une partie de la pièce seulement.
Analyse des porosités sur coupes
Cette méthode destructive consiste à couper la pièce en un certain nombre de tranches dans les zones de contrôle désignées qui seront ensuite examinées en observation microscopique. Les porosités sont alors analysées quantitativement (taux de porosité, diamètre moyen des pores, taille de pore maxi, …) par un logiciel de traitement d’images spécifique. C’est une mesure très précise (résolution de quelques microns) qui permet en outre de diagnostiquer la nature du défaut (par analyse de forme) et de mettre éventuellement en évidence d’autres imperfections (microstructure anormale, composés exogènes, inclusions, …). Cette méthode est relativement longue si le nombre de coupes est important et nécessite une préparation importante des échantillons avant analyse. Utilisée dans le cadre d’expertise de laboratoire (analyse d’avaries), de mise au point de process ou de projets de R&D, l’analyse de porosités sur coupe est une méthode de référence.
Mesure des fuites (étanchéité air/air ou air/eau)
Cette mesure, indirecte, consiste à mesurer sur pièce usinée un débit de fuite d’air sur un montage d’étanchéité spécifique (pression appliquée à l’intérieur de la pièce). Le contrôle d’étanchéité air/air est très souvent pratiqué en ligne de production sur des pièces aluminium de type carter en grande série automobile. Les pièces fuyardes peuvent, dans certains cas, être récupérées via une opération ultérieure d’imprégnation. C’est une méthode non destructive qui a l’avantage d’être pratiquée à sec, mais ne permet pas de repérer facilement les zones de fuite. La machine de contrôle d’étanchéité et le montage de contrôle induisent des investissements non négligeables.
Le contrôle d’étanchéité air/eau se pratique, quant à lui, en immergeant la pièce dans une cuve d’eau et en repérant les bulles d’air qui remontent en surface et signalent alors les zones de fuite. Ce contrôle, beaucoup plus complexe à automatiser (temps de cycle long, pièce humide en sortie de contrôle, …) se pratique très rarement sur 100 % des pièces mais plutôt ponctuellement sur des batch réduits et en complément du contrôle air/air. Il présente cependant l’avantage de permettre la localisation des zones de fuites (liées à des porosités internes).
Mesure par radioscopie numérique
La radioscopie (argentique ou numérique) permet de visualiser des défauts internes et de repérer la taille et la position des porosités dans les pièces. Les pièces sont contrôlées individuellement ou par groupe pour les petites pièces. C’est une méthode non destructible très fiable largement utilisée en production (aéronautique, automobile, …) et en contrôle de laboratoire. Sur des pièces de géométrie complexe à forte valeur ajoutée, le contrôle radiographique nécessite un grand nombre de tirs radios pour pouvoir positionner les défauts dans l’espace et juger de leur acceptabilité, ce qui implique un coût de contrôle pouvant devenir relativement important.
L’importance des porosités dans les pièces est quantifiée par rapport à des images types ASTM (par famille d’alliage et de process de transformation) et spécifiée dans la spécification d’approvisionnement du client. La radiographie argentique permet encore à ce jour d’avoir une meilleure résolution que la radiographie numérique, en particulier pour les défauts de petite taille. La radiographie numérique est cependant en forte croissance. Le contrôle par radioscopie numérique peut être réalisé soit sur 100 % des pièces, soit statistiquement (5 pièces/équipe) selon les enjeux client.
Mesure par tomographie
L’analyse par tomographie ou micro-tomographie est une mesure non destructive qui consiste à réaliser un scan de la pièce (ou de l’éprouvette) et donne accès (via une reconstruction) à un très grand nombre d’informations sur les défauts internes (taille des pores, localisation des pores, distance des pores par rapport à la peau de pièce, taux de porosités dans une zone critique ou dans l’ensemble de la pièce). Les informations peuvent ensuite être récupérées si besoin pour être injectés dans un logiciel de calcul de structure et évaluer l’impact des défauts rencontrés sur les caractéristiques mécaniques. La tomographie reste encore relativement coûteuse par rapport à d’autres moyens de contrôle plus rapides (radiographie).
Un mixte de différentes méthodes d’analyse
La mesure du taux de porosité n’est souvent que l’un des résultats attendus dans l’expertise de pièce, parmi de nombreuses autres caractérisations (analyse de la composition chimique, conformité de la microstructure, …). Ainsi, en pratique et selon les enjeux de l’expertise, on combine souvent plusieurs types de mesures ; la radioscopie numérique par exemple pour avoir une cartographie des défauts dans une pièce et un examen micrographique sur coupe pour diagnostiquer finement le type de défauts et contrôler la conformité de la microstructure.
Comprendre le besoin client, expertiser ses pièces par les moyens de laboratoires les plus pertinents… Tout un programme !
Les contrôles ultrasons sont pas mal non plus en ce qui concerne la taille des porosités.
Bonjour Frédéric, et merci pour ce complément d’information. Effectivement, le contrôle US est également efficace.
Bonjour metalblog,
Peux-on classer ces méthodes en terme de précision dan sl à détection des tailles de porosité? Les ultrasons permettent de détecter des porosité jusqu’à 500 microns mais la radiographie et la tomographie peuvent elles être plus précise et plus fine pour détecter des porosité d e l’ordre de la dizaine de micron ?
Merci
Bonjour Dorothée et merci de votre question. Nous avons discuté avec notre Expert CND niveau 3 du CTIF et il ressort qu’en radiographie, nous sommes à l’échelle 1, donc au mieux, on peut voir si le contraste est bon 0,05 mm. Le contraste va en outre dépendre de l’épaisseur traversée et au mieux, on voit 2 % de l’épaisseur (jusqu’à 5 mm) et 1% (à partir de 10 mm). Donc pour 2 mm, on peut détecter 0,05 mm et pour 5 mm : 0,1 mm. En tomographie, la détection dépend en partie de la résolution spatiale de l’image. On pourra détecter une indication correspondant à 2 à 3 voxels. Si la taille de voxels fait 10 µm, on pourra détecter, au mieux, des porosités de l’ordre de 20 à 30 µm. si la taille de voxels est de 100 µm, on pourra détecter à partir d’une taille de 0,2 mm. Si le matériau est plus dense que l’aluminium ou le titane (exemple cuivre, acier ou base Nickel) et en cas d’épaisseur élevée, il sera nécessaire d’utiliser de hautes énergies qui vont dégrader le contraste et la détection sera encore moins bonne.
Bonjour,
Pour une pièce type carrure de la montre, d’ép 6 – 12 mm en pt950 ou or750 issue de fonte statique, la matière coulée en lingotière, la bande matière brute est laminée en méplat puis découpé sur presse, repassé, usinée et polie.
La pore ou lacune matière n’est souvent visible (détection dès 5 um) qu’une fois la pièce polie, quel serai le moyen de detection le plus approprié en amont sur la matière brute ?
Bonjour Théo et merci de votre question. Difficile de répondre avec précision sans connaitre la taille et l’épaisseur de la lingotière mais on ne saura pas faire du contrôle par radiographie ou micro-tomographie avec une forte résolution (5 µm). Seule méthode possible : une découpe statistique des lingotières et un contrôle par tomographie ou micrographie.
Merci pour cet article très intéressant.
Le problème des porosités internes, non visibles, est un sujet qui préoccupe beaucoup les industriels, notamment ce qui concerne les problèmes d’étanchéité en grande série.
Paul. Merci de votre intérêt pour cet article de MetalBlog sur la mesure des porosités. Vous avez tout à fait raison, c’est un sujet d’intérêt pour les fondeurs. En particulier, savoir si les porosités vont déboucher à l’usinage (ou pas).