Comprendre et sélectionner une technologie de vérification des matériaux

Lorsqu'une cargaison de matières premières se présente au quai de réception d'un fabricant, la lecture des documents est-elle suffisante pour identifier le matériau ? Peut-être que oui, et peut-être que non. L'utilisation d'un outil d'identification d'alliage portable est un moyen rapide de vérifier la composition chimique des métaux. Thermo Fisher Scientific

Chaque jour, un atelier de fabrication typique traite une poignée de matériaux : aciers au carbone, aciers inoxydables, alliages d'aluminium, peut-être même du magnésium de temps en temps. Les documents d'accompagnement identifient le matériau, mais comment un fabricant détermine-t-il s'il a vraiment reçu ce qu'il a commandé ? Dans de nombreux cas, il serait avantageux de déterminer si le métal expédié correspond au rapport d'essai des matériaux (MTR). Pour ce faire sans envoyer le matériau à un laboratoire de test, les fabricants peuvent utiliser des appareils d'analyse élémentaire.

La technologie d'analyse élémentaire a parcouru un long chemin depuis l'époque où les fabricants de métaux devaient s'appuyer sur des tests de laboratoire coûteux et chronophages ou sur des tests rudimentaires à l'étincelle ou à l'acide pour la vérification des matériaux. Les avancées technologiques permettent aux instruments portables d'effectuer des processus analytiques, ce qui signifie que l'analyse élémentaire de qualité laboratoire peut désormais être effectuée en quelques secondes directement dans l'atelier. Cette capacité aide à atténuer les risques et améliore considérablement la productivité.

Il peut être difficile de différencier les techniques disponibles - fluorescence X (XRF), spectroscopie de claquage induite par laser (LIBS) et spectroscopie d'émission optique (OES) - et de déterminer laquelle est optimale pour une application donnée.

XRF, un test non destructif, irradie un échantillon de métal avec des rayons X à haute énergie produits par un tube à rayons X miniature dans l'instrument. Cela amène les atomes de l'échantillon à émettre des rayons X secondaires (ou fluorescents) qui sont uniques aux éléments présents dans l'échantillon. Le détecteur de l'instrument mesure et analyse les rayons X secondaires pour déterminer leur identité chimique et leur concentration dans le métal testé. Cette capacité rend XRF utile pour l'analyse qualitative et quantitative de la composition des matériaux.

Les instruments OES envoient une impulsion électrique à haute tension pour exciter les atomes dans un échantillon. L'échantillon libère alors une étincelle d'arc qui peut être mesurée et analysée par un spectromètre dans l'unité OES. À partir de là, le système OES détermine la composition chimique de l'échantillon testé.

Les analyseurs LIBS procèdent à l'ablation de la surface de l'échantillon avec un laser hautement focalisé, qui produit un plasma d'atomes et d'ions excités. Lorsque ces atomes commencent à se désintégrer dans leurs états fondamentaux, ils émettent des longueurs d'onde de lumière uniques à chaque élément, qui sont analysées par un spectromètre dans le dispositif LIBS. Comme avec XRF, l'analyse LIBS peut être utilisée pour des mesures quantitatives et qualitatives.

OES et LIBS sont peu destructeurs. Ils laissent une petite marque de brûlure sur l'échantillon.

Les fabricants de métaux doivent garder à l'esprit plusieurs considérations lors du choix d'une technologie, notamment la portabilité, la vitesse et la facilité d'utilisation.

La portabilité peut avoir un impact substantiel sur la productivité. Heureusement, les analyseurs LIBS et XRF sont légers et portables. Cela signifie que l'analyse peut être effectuée facilement dans presque n'importe quel endroit d'un magasin ou d'un entrepôt, même dans les zones difficiles d'accès. OES est une technologie mobile, mais elle n'est pas portative. Il nécessite un chariot à pousser qui peut être difficile à manœuvrer dans des zones de travail confinées. Les analyseurs LIBS les plus avancés d'aujourd'hui pèsent aussi peu que 6 lb. (2,9 kg), tandis qu'un OES mobile peut peser jusqu'à 80 lb. (36 kg).

En ce qui concerne la vitesse d'utilisation, les principaux facteurs concernent la configuration et la maintenance de l'instrument, la préparation des échantillons et la vitesse d'analyse.

Des trois technologies, XRF est la plus facile à utiliser. Il s'agit d'un appareil point-and-shoot qui ne nécessite pas de configuration ou d'entretien quotidien. La configuration LIBS est relativement minime, nécessitant un processus en deux étapes qui prend environ 10 minutes. La configuration quotidienne d'OES nécessite plusieurs étapes et prend entre 15 et 20 minutes. Les instruments LIBS et OES nécessitent un nettoyage régulier.

La préparation des échantillons est nécessaire lors de l'utilisation d'OES et de LIBS. Des traces de contaminants, tels que la graisse, la peinture ou même l'oxydation, peuvent interférer avec le test et donner des résultats peu fiables. La préparation des échantillons implique le nettoyage et le meulage d'une zone de test sur le métal, normalement de 1 pouce carré. Alternativement, XRF nécessite rarement une préparation d'échantillon.

Selon le matériau testé, les analyseurs LIBS et OES avancés peuvent tester la plupart des échantillons en 10 secondes environ. Cela inclut les matériaux dans lesquels la teneur en carbone est intéressante.

Un analyseur XRF, pour la plupart des matériaux, peut donner une identification et une composition chimique valide pour de nombreux types d'alliages en trois à cinq secondes. Cependant, cela n'inclut pas l'analyse du carbone, et le temps d'analyse pourrait augmenter légèrement pour d'autres éléments légers présents dans l'alliage. La différence entre plusieurs secondes s'additionne lorsque le fabricant considère que plusieurs lectures ou plusieurs échantillons (ou plusieurs lectures de plusieurs échantillons) peuvent être nécessaires, démontrant ainsi pourquoi le choix de la bonne technologie est essentiel pour l'application spécifique de l'opérateur.

Les fabricants de métaux doivent penser à plus que la simple productivité lorsqu'ils choisissent un analyseur élémentaire. Une considération clé est de faire correspondre les capacités analytiques de la technologie avec l'application.

Métaux à faible teneur en carbone. Le LIBS est extrêmement utile pour différencier les divers alliages et quantifier les concentrations de carbone dans les aciers au carbone, les aciers faiblement alliés et les aciers inoxydables, y compris les aciers inoxydables de qualité L (qui indiquent une faible teneur en carbone). LIBS peut également détecter l'aluminium, le chrome, le cuivre, le fer, le manganèse, le molybdène, le nickel, le silicium, le titane, le vanadium, le tungstène, l'équivalence carbone et les pseudo-éléments.

Nouveaux alliages d'aluminium et de magnésium. De nouvelles qualités légères d'alliages d'aluminium et de magnésium sont maintenant utilisées dans la construction automobile pour rendre les voitures plus économes en carburant. Les cadres et composants automobiles sont fabriqués à partir de qualités d'alliage spécifiques qui ont des spécifications étroitement contrôlées pour les éléments d'alliage. Les propriétés des matériaux sont si spécifiques que même de légères variations par rapport aux spécifications peuvent rendre les pièces défectueuses. Les analyseurs élémentaires sont donc essentiels pour la vérification des matériaux de ces composants finis.

L'introduction de la technologie du détecteur de dérive au silicium (SDD) dans les instruments XRF portables a produit des améliorations significatives des performances par rapport aux capacités XRF traditionnelles, leur permettant d'identifier positivement ces types d'alliages. Il convient de noter que certains appareils LIBS actuellement sur le marché sont également capables d'analyser des éléments légers comme l'aluminium, tandis que les unités les plus avancées sont plutôt dédiées à l'analyse de la teneur en carbone. Hormis OES, LIBS est la seule technique analytique capable de détecter le carbone, même à de faibles niveaux.

Lorsque l'on considère à la fois LIBS et XRF dans cette application, il est important de se rappeler que bien que LIBS soit le plus rapide des deux pour analyser les alliages d'aluminium, XRF a la capacité d'analyser une large gamme de types d'alliages de manière non destructive.

Applications aérospatiales. XRF et LIBS sont des techniques complémentaires qui peuvent fournir l'analyse et la vérification nécessaires pour la gamme complète d'alliages aérospatiaux. Dans la fabrication aérospatiale, les pièces doivent être fabriquées avec l'alliage précis selon les spécifications d'ingénierie. Cela est nécessaire pour s'assurer qu'ils présentent une résistance élevée et une résistance élevée à la corrosion aux températures plus élevées où ils sont utilisés.

Chimie, qualité et épaisseur du revêtement. XRF fournit non seulement une vérification rapide de la chimie et de la qualité des matières premières et des produits finis entrants, mais il peut également être utilisé pour l'analyse de la composition et les mesures d'épaisseur des revêtements en alliage.

Dans la fabrication aérospatiale, par exemple, cette technologie peut analyser les revêtements des pièces de moteur et d'autres composants, ce qui est nécessaire pour aider à protéger contre les dommages à court et à long terme causés par une utilisation exigeante à des températures élevées. Cette capacité peut être utilisée pour assurer le contrôle de la qualité et éviter que le matériau de revêtement coûteux ne soit gaspillé ou sous-appliqué.

Alors que l'industrie continue de se mondialiser, de nombreux fabricants achètent de plus en plus de matériel à l'étranger et auprès de nouveaux fournisseurs avec lesquels ils n'ont pas travaillé auparavant. Les fournisseurs inexpérimentés ou peu fiables tentent parfois de réduire les coûts en n'effectuant pas d'identification positive des matériaux ou en faisant appel à un laboratoire d'essai extérieur pour vérifier les matériaux qu'ils expédient. Malheureusement, les MTR ne sont pas toujours précis, donc une approche « faire confiance mais vérifier » est nécessaire pour confirmer la composition chimique de l'alliage.

Dans de telles situations, la technologie analytique entre en jeu. En exécutant une diligence raisonnable, les fabricants peuvent être sûrs de protéger leur réputation et leur entreprise en effectuant eux-mêmes ces tests sur site.

James Stachowiak est directeur des ventes techniques pour Thermo Fisher Scientific, 168 Third Ave., Waltham, MA 02451, 800-678-5599, corporate.thermofisher.com.