Comment la XRF portable a révolutionné l'analyse des métaux et des alliages

Source : Thermo Fisher Scientific

Le contrôle de la qualité est crucial lors de la production de métaux et d'alliages destinés à être utilisés dans des environnements difficiles, car même de petits écarts par rapport à la composition prévue peuvent entraîner des problèmes majeurs et mettre des vies en danger. Heureusement, il existe une gamme de méthodes qui peuvent être utilisées pour analyser les matériaux, en laboratoire ou sur site. Les tests sur site ont le grand avantage de donner les résultats rapidement, et un choix populaire est la fluorescence X portable (HH-XRF). Cet article décrit comment HH-XRF peut aider les fabricants à rationaliser leurs processus de contrôle qualité et à garantir que les matériaux répondent aux exigences des applications exigeantes.

La fabrication de composants pour les industries de l'aérospatiale, de l'automobile, du pétrole et du gaz ou de la production d'électricité nécessite l'utilisation d'une grande variété de métaux - y compris des métaux exotiques - et d'alliages, tels que des superalliages à base d'acier inoxydable, de nickel et de cobalt, et des alliages de cuivre, d'aluminium et de titane. Ces matériaux doivent fonctionner dans des conditions difficiles tout en résistant à une quantité importante de contraintes mécaniques. Un bon exemple est celui des aubes utilisées dans les turbines à gaz, qui fonctionnent en continu à grande vitesse et sous des températures extrêmes. Il est donc crucial que les fabricants de ces composants vérifient que la composition des matériaux utilisés répond aux spécifications nécessaires. Les programmes de contrôle de la qualité font donc partie intégrante du processus de fabrication et, dans certains cas, impliquent l'envoi d'échantillons à un laboratoire pour analyse. Malheureusement, cette approche est non seulement destructrice, mais aussi très chronophage, car cela peut prendre plusieurs jours pour recevoir les résultats. Ces délais d'exécution lents ont conduit au développement de nouvelles technologies - y compris HH-XRF - qui peuvent être utilisées sur site pour fournir des réponses immédiates.

Bien que le HH-XRF soit sur le marché depuis plus de 50 ans, son utilisation à grande échelle n'est devenue possible qu'après le remplacement des sources radioactives par des tubes miniaturisés. D'autres améliorations ont été apportées au cours des années suivantes et l'introduction du détecteur de dérive au silicium a considérablement amélioré la sensibilité globale des instruments, étendant la plage de détection des numéros atomiques 22-83 (titane au bismuth) à 12 (magnésium). Des mises à niveau plus récentes - y compris le développement de tubes à haute puissance et de détecteurs avec des fenêtres en graphène - ont augmenté la vitesse de détection des éléments légers et ont rendu possible la détection à des niveaux de trace. Les systèmes HH-XRF d'aujourd'hui sont également capables d'identifier les nuances d'alliage en comparant les compositions mesurées avec les valeurs tabulées dans plusieurs bibliothèques conformes à diverses normes internationales telles que AISI, ASTM, DIN, etc.

La vérification des matériaux entrants et sortants est une étape importante dans la production de composants pour ces applications à fortes contraintes et est souvent effectuée à plusieurs reprises tout au long des processus de fabrication et d'assemblage. HH-XRF peut être utilisé pour mesurer rapidement et facilement la composition de divers métaux et alliages. Cela inclut l'identification d'alliages exotiques, tels que le CSMX-4 (voir Figure 1), et de matériaux exclusifs qui contiennent à la fois des éléments d'alliage typiques - par exemple du nickel - et des éléments très rares comme le rhénium et le tantale, qui améliorent la résistance au fluage du matériau et sa résistance à la corrosion à haute température.

Figure 1: Analyse HH-XRF du CSMX-4, une qualité de superalliage exclusive utilisée dans les turbines à gaz. | Source : Thermo Fisher Scientific

Dans certains cas, la composition de deux matériaux différents provenant d'un même fournisseur peut être très similaire, comme des tiges en acier inoxydable de nuance 303 et 304. Alors que le 304 est la nuance d'acier inoxydable la plus courante - présentant une bonne résistance à la corrosion et adaptée à de multiples applications industrielles et domestiques - le 303 est préféré pour les pièces telles que les bagues, les roulements, les écrous et les boulons qui nécessitent une usinabilité élevée. Le 303 contient plus de soufre que le 304, ce qui augmente son usinabilité mais réduit la résistance à la corrosion et la soudabilité du matériau. Il est donc important que les deux grades ne soient pas mélangés et que le bon matériau soit utilisé pour chaque application, ce qui peut être vérifié facilement à l'aide d'un instrument HH-XRF (voir Figure 2).

Source : Thermo Fisher Scientific

Figure 2 (A & B) : Analyse HH-XRF de deux barres en acier inoxydable 303 (à gauche) et 304 (à droite). | Source : Thermo Fisher Scientific

De nombreuses raffineries, pipelines et centrales électriques ont été construites il y a plus de 40 ans, avant qu'il ne devienne courant d'effectuer des analyses de matériaux lors de la mise en service. Les fabricants s'appuyaient donc sur les «rapports d'essais de matériaux» fournis par les aciéries, les transmettant aux utilisateurs finaux sans autre enquête. Malheureusement, certains des matériaux n'étaient pas aussi durables et résistants à la corrosion que l'application l'exigeait, ce qui a entraîné des incidents catastrophiques entraînant la libération de liquides et de vapeurs toxiques ou dangereux. Afin d'éviter de tels échecs, des programmes de test rétroactifs comme l'API RP 578 ont été mis en place. HH-XRF peut être utilisé pour récupérer la traçabilité des matériaux, donnant aux opérateurs d'installations de production de pétrole et de gaz ou d'électricité une chance de remplacer les composants avant qu'ils ne fonctionnent mal.

Les réglementations, telles que la « Restriction des substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques » (ROHS) et les « Déchets d'équipements électriques ou électroniques » (DEEE), limitent la présence de métaux lourds et d'autres matières dangereuses dans les équipements électroniques et électriques. Bien que ces réglementations soient originaires d'Europe, une législation similaire a ensuite été adoptée dans d'autres pays, dont le Japon, la Chine, la Corée et certaines parties des États-Unis. HH-XRF peut aider à assurer la conformité aux réglementations et à suivre les normes CEI 62321-3-1:2013 ou ASTM F2617-15 en détectant le plomb, le mercure, le cadmium, le chrome ou le brome. Vérifier les produits de cette manière avant qu'ils n'atteignent les rayons préserve la confiance entre le fabricant et l'utilisateur final et évite aux entreprises les coûts élevés associés aux rappels de produits.

Il est crucial que la composition des métaux et des alliages soit vérifiée, car un écart par rapport aux spécifications peut causer beaucoup de dommages, en particulier lorsque le produit final est utilisé dans des environnements exigeants. Au cours des 20 dernières années, HH-XRF a révolutionné les programmes de contrôle de la qualité dans une variété d'industries où les métaux et les alliages sont essentiels, apportant des capacités de laboratoire aux entrepôts, aux lignes de production et aux installations industrielles. De plus, les instruments HH-XRF sont faciles à utiliser et à entretenir sans une connaissance approfondie de la chimie, et les résultats fiables en temps réel permettent aux entreprises de prendre des décisions rapides et éclairées. Bien que ce domaine ait déjà connu des améliorations significatives, d'autres innovations se profilent à l'horizon : comme le matériel s'améliore constamment, les métaux et alliages peuvent être identifiés plus rapidement et en moindre quantité. De plus, il est possible que les données HH-XRF soient traitées à l'aide de l'intelligence artificielle et introduites dans des processus de fabrication automatisés et semi-automatisés.

Mathieu Bauer , scientifique d'application senior - chef de produit associé, Thermo Scientific Field and Safety Instruments. Pour plus d'informations, appelez le +49 89 36 81 38-55, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez thermofisher.com/industrial.