Quantification de la corrosion par utilisation des ondes de Lamb – COQTEL

Pour surveiller un dommage de corrosion, COQTEL s’appuie sur des ondes ultrasonores (US) générées et reçues par des éléments piézoélectriques. Cet effet étant réversible, ces éléments se comportent comme capteurs et comme actionneurs. Les ondes US permettent de surveiller les dommages de corrosion soit via une interrogation active (des ondes sont émises par certains éléments et les échos générés par les dommages sont enregistrés par d’autres) ou bien passive (les dommages de corrosion génèrent des évènements acoustiques au cours de leur développement). Une électronique spécifique combinant ces deux modes a été développée et validée sur des dommages hémisphériques artificiels de 100 µm de rayon.

Une méthodologie de corrosion électrochimique basée sur l’apport local de solution corrosive via un capillaire très fin et un pilotage en charge électrique a été mise en œuvre sur de l’acier 316L et sur de l'aluminium. Cette méthodologie permet de produire des piqures unitaires de corrosion de taille corrélée à la charge électrique injectée à un endroit prédéterminé. Des essais visant à caractériser le comportement en fatigue de l’acier 316L ont également été réalisés.

Un banc d’essai spécifique permettant d’étudier le couplage entre corrosion et fatigue et de générer des dommages de CC&F de façon contrôlée est en train d’être mis en place en combinant ces deux approches. Des moyens optiques et électrochimiques sont également mis en œuvre pour suivre in situ l’évolution de ce dommage.

La corrosion est une menace majeure pour l'industrie aéronautique, tant en termes de sécurité que de coûts. Il faut donc des solutions efficaces, polyvalentes et abordables pour la surveiller. Le projet COQTEL a ainsi démontré que les ondes de Lamb ultrasonores sont efficaces pour la surveillance de piqures de corrosion lorsqu'elles sont émises et reçues par un réseau clairsemé d'éléments piézoélectriques (PZT). Une solution s'appuyant sur un réseau PZT clairsemé et permettant de surveiller la croissance de piqures de corrosion de quelque µm sur une plaque d'acier inoxydable de qualité 316L et sur une plaque d'aluminium aéronautique a été développé au cours du projet. Expérimentalement, la taille de la piqure de corrosion est contrôlée électrochimiquement à la fois par le potentiel électrique imposé et par l'injection d'une solution de NaCl corrosif à travers un capillaire situé à l'endroit désiré de la piqure. En parallèle, la croissance de la piqure de corrosion est surveillée in situ toutes les 10 secondes en envoyant et en mesurant des ondes de Lamb à l'aide d'un réseau clairsemé de 4 PZT collés à l'arrière de la plaque pour résister à la corrosion. Comme référence, le volume de la piqure de corrosion est estimé comme le volume dissous équilibrant les charges électroniques échangées pendant la réaction chimique de corrosion. Le rayon de la piqure de corrosion est en outre contrôlé a posteriori avec précision par une mesure optique. Les signaux d'ondes de Lamb mesurés expérimentalement sont ensuite post-traités afin de calculer un ensemble d'indices synthétiques de dommages (ISD). Après des étapes de réduction de dimension, les valeurs d'ISD obtenues s'avèrent extrêmement bien corrélées avec le rayon de la piqure de corrosion. En utilisant un modèle linéaire reliant ces valeurs d'ISD au rayon de la piqure de corrosion, il est démontré qu'une piqure de corrosion de 30 µm à 150 µm peut être détectée de façon fiable, localisée avec une précision de 5 mm, et sa taille à venir extrapolée. Deux expériences indépendantes sur de l'acier, deux expériences indépendantes sur de l'aluminium et une expérience sur un démonstrateur ont ainsi été réalisées afin d'assurer la répétabilité de l'approche proposée. Les ondes de Lamb générée par un réseau PZT clairsemé constituent donc une approche fiable et efficace permettant de surveiller la croissance des piqures de corrosion de taille micrométrique sur des plaques aéronautiques. Si elle était intégrée à des structures aéronautiques, une telle approche pourrait constituer une solution de alternative polyvalente et rentable aux procédures de maintenance non destructives actuelles qui demandent du temps et de la main-d’œuvre.

La corrosion est l'un des phénomène d'endommagement des structures aéronautique. Mais la corrosion est généralement couplée à des phénomènes de fatigue qui influencent beaucoup la durée de vie de la pièce considérée. Une première perspective du projet COQTEL est ainsi de mieux comprendre les couplages et les synergies existant entre la fatigue et la corrosion et d'arriver à différencier et à suivre ces phénomènes couplés de fatigue-corrosion dans les structures aéronautiques grâce à un suivi ultrasonore.

De plus, les signaux ultrasonores collectés au cours du projet COQTEL sont extrêmement complexes. D'un côté, la physique de la propagation des ondes de Lamb est connue depuis le début du XXième siecle et d'un autre côté, les outils actuels de l'intelligence artificielles sont capables d'appréhender des phénomènes physiques complexes. Une autre perspective du projet COQTEL est ainsi d'arriver à définir des architectures d'intelligence artificielle guidées par la physique pour l'étude des ondes dans les structures minces.

“In-situ monitoring of µm-sized electrochemically generated corrosion pits using Lamb waves managed by a sparse array of piezoelectric transducers” Ultrasonics, Volume 147, March 2025.

“COQTEL dataset: Corrosion Quantification Through Extended use of Lamb waves”, Zenodo, November 2024.

“COQTEL project dataset : Corrosion quantification trough extended use of Lamb waves” Data In Brief, , Volume 59, April 2025.

Dans le contexte de la transition vers la maintenance prédictive, les objets connectés révolutionnent les processus actuels de surveillance. Cela s’avère particulièrement pertinent en ce qui concerne la corrosion qui représente un problème de taille pour l’industrie aéronautique. En 2016, le cout annuel de la corrosion pour les flottes d’avions commerciaux opérées par des compagnies européennes a été estimé à 2.2 M$. Anticiper la corrosion pourrait permettre de réduire ces couts entre 15% et 35%. Des revêtements spécifiques sont actuellement utilisés pour limiter la corrosion mais leur capacité à éviter complètement la corrosion reste limitée, spécialement dans des conditions opérationnelles difficiles. Pour détecter ce type de dommages, des méthodologies de contrôle non-destructif de la corrosion consistent à réaliser au sol des inspections visuelles régulières qui ne permettent pas de détecter les prémices de l’endommagement, d’estimer précisément sa taille, ou encore de prédire la durée de vie restante de la pièce contrôlée. L’ajout d’une connectivité embarquée aux pèces aéronautiques métalliques apparait comme la clé permettant de résoudre de façon fiable ce problème tout en minimisant les couts et l’impact environnemental associés. Cela nécessite d’embarquer des capteurs ultrasoniques dans ces pièces aéronautiques et de leur associer des algorithmes de contrôle de santé et des jumeaux numériques leur permettant d’améliorer la disponibilité de ces équipements sans compromettre la sécurité. COQTEL est le fruit d’un élan multidisciplinaire généré par des experts français en contrôle de la santé des structures (laboratoire PIMM), conception d’équipements ultrasonores (PME CTEC), revêtement de pièces aéronautiques (PME RESCOLL) et modélisation de la corrosion et de la fatigue (laboratoire I2M) pour surmonter ce défi. COQTEL propose de passer d’un contrôle non-destructif au sol classique à une maintenance conditionnelle en embarquant des éléments ultrasonores dans des pièces aéronautiques métalliques et en développant et en validant des équipements spécifiques, des jumeaux numériques, et des algorithmes fournissant à ces pièces des capacités d’autosurveillance de la corrosion. L’ambition de COQTEL est de comprendre et de détecter les prémisses de la corrosion, de quantifier in situ la taille de dommages liés à la corrosion, et d’estimer la durée de vie restante des pièces surveillées dans le but de participer au renouveau de l’industrie aéronautique et des PMEs associées en fournissant une preuve de concept de l’utilisation de structures aéronautiques intelligentes pour la maintenance prédictive.