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1 Pour insérer une image : Menu « Insertion / Image » ou Cliquer sur licône de la zone image Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout MODELING ULTRASONIC STRUCTURAL NOISE BASED ON THE MICROSTRUCTURAL PROPERTIES OF METALS IN THE CONTEXT OF NON DESTRUCTIVE EVALUATION NDCM 2013 V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson

2 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson APPLICATION CASES FOCUS ON COMPLEX NUCLEAR COMPONENTS 20 mm1 mm O. D. I. D. Thickness of large bands: 5 to 8 mm Pressurizer Steam generator Pump Reactor Nuclear power plant Cast Stainless Steel (CASS) components

3 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson APPLICATION CASES FOCUS ON COMPLEX AERONAUTIC COMPONENTS Superalloys turbine blades

4 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson NON DESTRUCTIVE TESTING OF COMPLEX MATERIALS Homogeneous medium Scattering medium t x Structural noise and attenuation These phenomena can cause significant loss in ultrasonic non destructive evaluation of highly scattering materials. A part of the energy is scattered in all direction by the microstructure STRUCTURAL NOISE

5 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson EXAMPLE: UT NOISE IN TITANIUM ALLOY BILLETS Focused transducer Focal length F = mm Diameter = 25.4 mm Center frequency f 0 = 10 MHz 70 mm Immersion Normal incidence The waterpath was chosen such that the beam was focused in the half depth of the block LONGITUDINAL WAVES IN TI ALLOY Measurement setup

6 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson » Envelopes of the signal are measured for each probe position » Envelopes are averaged over probe positions » Expressed in dBs compared to the amplitude of the echo of a reference FBH echo Cscan 1- Cscan2- Bscan 3- Mean noise level UT NOISE IN TITANIUM ALLOY BILLETS LONGITUDINAL WAVES IN TI ALLOY

7 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson UT NOISE IN TITANIUM ALLOY BILLETS Time (µs) Z205 Face Z1 Face Z1 Time (µs) Mean noise level (dB) Face Z1 Face R1 MacrographMicrograph Ti alloy 70 mm Biphasic structure with equiaxed macrograins Biphasic structure with elongated macrograins Biphasic structure with elongated macrograins Z205 Face R1 Noise level anisotropy depends strongly on the metallurgical structure LONGITUDINAL WAVES IN TI ALLOY

8 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson ORIGIN OF THE PHENOMENON In case of a monophasic medium, scattering is due to acoustic impedance fluctuations of grains Mono-phasic medium, random, homogeneous and isotropic (statistically) Single scattering (Born approximation) Plane wave(far field) with Spatial correlation function: Shape and size of grains Elastic constants variation In case of LL and θ = 180° STRUCTURAL NOISE SIMULATION

9 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson In case of biphasic medium, scattering is due to acoustic impedance fluctuations of grains and contrast between phases - Random crystallographic orientation of macrograins - Crystallographic orientation relationships between phases: each variant occurs with equal probability - Individual crystallites are too small to make a significant contribution to the grain noise In case of LL and θ = 180° Averaged over all macrograins orientation Averaged over all colonies orientation ORIGIN OF THE PHENOMENON STRUCTURAL NOISE SIMULATION

10 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson Higher scattering coefficients are obtained for transverse waves than for longitudinal waves. In both cases, the backscattering coefficient for two phases case has a frequency dependency similar to the macrograin coefficient for low frequencies and to the colonies coefficient for the higher frequencies. It confirms that it is necessary to take into account both scales of the material structure in order to be able to properly model the scattering at all frequencies. BACKSCATTERING COEFFICIENT STRUCTURAL NOISE SIMULATION

11 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson For both L and T waves, the attenuation coefficient for the two-phases structure is somewhere inbetween the attenuation for macrograins and that for colonies. For the case of L waves, it is very close to the attenuation due to colonies, but this is not a general behavior, as it is strongly dependent on the material properties. L T ATTENUATION COEFFICIENT STRUCTURAL NOISE SIMULATION

12 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson SUMMARY OF THE COMPUTATION METHOD Properties of the microstructure Properties of the probe and the part Input parameters Determination of a sufficient number of scatterers Scattering coefficient Computation of the emission and the reception by the probe Distribution of scatterers Simulated B-Scan Time Position STRUCTURAL NOISE SIMULATION Objective: To predict the influence of the metallic alloys microstructure on the inspection performances (see presentation LUT-10 Session D5 – Laser ultrasound – Thursday at 5:40 PM)

13 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson Experimental result CIVA result Face Z1 - Biphasic structure - Equiaxed Macrograin = 100 µm -Colony = 2 µm -Elastic constants (bibliography) Experimental result CIVA result Face R1 - Biphasic structure - Ellipsoidal macrograin = 100 µm with L/l = 5.5 -Colony = 25 µm -Elastic constants (bibliography) Very good agreement between experimental and CIVA results COMPARISONS BETWEEN EXPERIMENTAL AND NUMERICAL RESULTS LONGITUDINAL WAVES IN TI ALLOY Face R1 Face Z1 TI ALLOY

14 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson LONGITUDINAL WAVES IN STEEL ALLOY Input data in CIVA software Elastic constants of biphasic medium Percentage of colony 85 % Macrograin size 4 mm Colony size 1 mm Macrograin shape Equiaxe Colony shape Equiaxe (?) COMPARISONS BETWEEN EXPERIMENTAL AND NUMERICAL RESULTS STEEL ALLOY

15 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout SHEAR WAVES IN SMALL GRAIN AUSTENITIC STEEL 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson Simulated B-ScanMeasured B-Scan Time Position Constructive interferences near the backwall of the part are correctly simulated Comparison of noise levels by plotting the average envelope as a function of time Evolution of the noise correctly simulated, but underestimation by 5 dBs Inspection with shear wave at 45° at 2.25MHz on a sample of austenitic steel with 120μm grains SHEAR WAVES IN STEEL ALLOY

16 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout CONCLUSION 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson Structural noise can be simulated using a random distribution of scatterers with properties that are related to properties of the microstructure Correct prediction of the evolution of the noise level in several cases (Titanium and steel alloys) Limitations of the method: Multiple scattering not taken into account Underestimation of the noise for austenitic steel inspected with shear waves PERSPECTIVES Simulation of multiple scattering (presentation concerning the work of T. Bedetti) Amelioration of the accuracy of the simulation: Possible explanation for the underestimation for austenitic steel with shear waves: inaccuracy of the Born approximation due to the important variations of elastic properties in this material with shear waves Development of a more accurate scattering model in the SIMPOSIUM European project with IZFP (S. Hirsekorn) Experimental Determination of elastic properties in collaboration with LAUM (Session D5 at 5:40 PM)

17 Pour personnaliser « nom événement et auteur » : « Insertion / En-tête et pied de page » Personnaliser la zone de de pied de page Cliquer sur appliquer partout 2013 International Congress on Ultrasonics | V. Dorval, L. Ducousso-Ganjehi, S. Chatillon, F. Jenson Thank you for your attention


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