L'imagerie avancée rencontre l'IA

Transformer l'analyse des revêtements de barrière thermique avec le ChemiSEM d'Apreo

La caractérisation des matériaux est essentielle à la performance et à la sécurité dans de nombreux secteurs industriels, mais les méthodes conventionnelles font souvent défaut. Le système Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific offre une solution complète et efficace en intégrant l'imagerie avancée à l'analyse pilotée par l'IA, ce qui améliore considérablement la vitesse et la précision de l'évaluation des matériaux.

Appliqués en couche mince sur la surface d'un composant, les revêtements à barrière thermique (TBC) peuvent prolonger la durée de vie des composants en augmentant la résistance aux températures élevées, à la corrosion et aux contraintes mécaniques.1 Pour cette raison, les TBC ont été largement adoptés dans l'industrie aérospatiale. Toutefois, la caractérisation et l'optimisation de ces matériaux restent un défi en raison de la complexité de leurs structures et de leurs exigences en matière de performances. Le système Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific apporte une solution en utilisant une approche de microscopie corrélative intégrant diverses techniques avec une analyse d'image assistée par IA pour rationaliser ce processus de caractérisation.

Problème : les contraintes des méthodes traditionnelles de caractérisation des matériaux

Les industries qui utilisent les TBC exigent généralement que le composant endure des conditions extrêmes tout en supportant la vie humaine et des cargaisons coûteuses. C'est le cas des applications aérospatiales où les aubes de turbine et les pièces de moteur doivent fonctionner à des températures proches de 1 800 °C.

Les méthodes traditionnelles de caractérisation des matériaux, telles que la préparation manuelle des échantillons et l'analyse approfondie des données, peuvent être lentes et sujettes aux erreurs. Cela entraîne des retards dans le développement des matériaux et des inefficacités dans le contrôle de la qualité, ce qui finit par avoir un impact sur les performances et la sécurité.

Les TBC sont généralement constitués d'une couche de finition en céramique, d'une couche de liaison et d'oxydes obtenus par croissance thermique. La morphologie, la composition chimique, les propriétés physiques et mécaniques de ces couches peuvent directement influencer l'efficacité du TBC. C'est la complexité de ces matériaux multicouches qui pose des problèmes aux techniques d'imagerie conventionnelles. Les méthodes traditionnelles de préparation des échantillons, telles que le découpage, le meulage et le polissage, nécessitent des efforts manuels considérables et beaucoup de temps. En outre, le traitement manuel et l'interprétation des images de microscopie électronique à balayage (MEB) et l'analyse de la composition sur de grandes surfaces demandent beaucoup de travail et peuvent introduire des biais, ce qui complique encore le processus.

La solution : L'approche intégrée de l'Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific

Le système Apreo ChemiSEM est conçu pour relever ces défis en combinant l'imagerie à haute résolution, l'analyse chimique intégrée et l'automatisation avancée pour rationaliser le processus de caractérisation des matériaux. Les étapes nécessaires pour relever ces défis sont décrites ci-dessous :

1. Préparation efficace des échantillons

Pour surmonter les méthodes de préparation des échantillons qui prennent du temps et nécessitent beaucoup de main-d'œuvre, le système ChemiSEM d'Apreo est compatible avec le système CleanMill Broad Ion Beam pour réduire considérablement le temps de préparation des échantillons, qui passe de 13 heures à seulement 90 minutes. Cela permet de préparer efficacement des matériaux complexes tels que les TBC sans compromettre la qualité des données.

2. Imagerie haute résolution pour les échantillons complexes et de grande taille

Le système de détection Trinity de l'Apreo ChemiSEM fournit une imagerie à haute résolution, même pour les échantillons complexes, en recueillant simultanément des informations sur la surface, la topographie et la composition, offrant ainsi un ensemble complet d'informations en une seule fois. Un flux de travail tel que celui décrit, optimisé pour une automatisation maximale afin de garantir les résultats les plus fiables, est particulièrement précieux dans les environnements industriels. Dans ces environnements, la capacité d'analyser rapidement et avec précision de grands échantillons peut conduire à des produits plus performants avec une longévité accrue.

3. Analyse chimique et structurelle complète

L'une des principales caractéristiques de l'Apreo ChemiSEM est sa technologie ChemiPhase, qui permet de cartographier automatiquement la distribution et de quantifier les différentes phases d'un matériau. Dans les applications aérospatiales, cette technique permet une analyse détaillée des couches de liaison et des couches de finition TBC, identifiant les transformations de phase causées par l'exposition à des températures élevées. Le détecteur TruePix de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et le logiciel EBSD du système améliorent encore la caractérisation des matériaux en fournissant des informations cristallographiques en plus de la composition chimique, ce qui permet d'approfondir les propriétés des matériaux telles que la structure des grains, qui sont cruciales pour les applications soumises à de fortes contraintes.

4. Microscopie corrélative et analyse d'images assistée par l'IA

Le ChemiSEM d'Apreo intègre plusieurs modalités d'imagerie pour fournir une vue complète des microstructures des matériaux. Le MEB est utilisé en conjonction avec la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) pour identifier les différents matériaux présents dans les différentes couches du TBC, tandis que l'analyse d'image assistée par l'IA automatise la détection de phase sur l'ensemble de la surface du matériau. Cela permet de visualiser simultanément la morphologie et la composition chimique sur une grande surface, ce qui réduit la saisie manuelle et accélère l'obtention des résultats. En automatisant l'analyse des images grâce à l'apprentissage automatique, le système peut identifier et segmenter les phases avec une précision de plus de 95 % pour les mesures de segmentation des phases. Cette approche fondée sur l'IA garantit une caractérisation plus rapide et plus précise des matériaux complexes.

Impacts sur l'industrie : Implications pour l'aérospatiale, l'automobile et la fabrication de batteries

Les capacités du système Apreo ChemiSEM sont particulièrement bénéfiques pour les industries à haute performance telles que l'aérospatiale, l'automobile et la fabrication de batteries, comme indiqué ci-dessous :

> Aérospatiale : comme nous l'avons expliqué plus haut, les TBC utilisés dans les moteurs d'avion peuvent être caractérisés en termes de diffusion d'éléments, de transformation de phase et d'intégrité structurelle après un service prolongé à des températures extrêmes. L'analyse rapide fournie par l'Apreo ChemiSEM permet de garantir la fiabilité des composants et de réduire les coûts de maintenance. En outre, la caractérisation automatisée et complète des matériaux permet une inspection approfondie des divers matériaux utilisés dans l'aérospatiale, ce qui permet de mieux comprendre cette industrie en constante évolution.

> Automobile : Le système Apreo ChemiSEM permet l'examen détaillé et l'optimisation des revêtements et des matériaux utilisés dans l'industrie automobile. Les revêtements améliorés renforcent la durabilité des véhicules en offrant une meilleure protection contre la corrosion, les dommages causés par les UV et l'usure, tout en améliorant le rendement énergétique grâce à des propriétés aérodynamiques ou de faible frottement. En outre, les revêtements durables et les finitions supérieures offrent un meilleur attrait esthétique et des coûts d'entretien réduits...

> Fabrication de batteries : Les composants des batteries lithium-ion nécessitent un contrôle précis de la composition et de la microstructure des matériaux. L'Apreo ChemiSEM pourrait permettre l'imagerie et l'analyse chimique d'électrolytes multicouches complexes à l'état solide pour les batteries au lithium, ce qui permettrait de mieux comprendre et d'optimiser les interfaces des électrolytes. Les performances des batteries, la densité énergétique et la sécurité des batteries au lithium à l'état solide pourraient s'en trouver améliorées, ce qui rendrait le système extrêmement précieux pour faire progresser les technologies des batteries de la prochaine génération.

Conclusion : De meilleures performances industrielles avec l'Apreo ChemiSEM

Le système Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific offre une solution efficace et automatisée pour la caractérisation des matériaux dans les industries où la performance et la fiabilité sont essentielles. En intégrant la microscopie corrélative à l'analyse assistée par ordinateur, le système réduit considérablement le temps et la complexité de l'analyse des matériaux multicouches tels que les TBC, les revêtements automobiles et les composants de batteries. Pour les fabricants de l'aérospatiale, de l'automobile et des batteries, l'Apreo ChemiSEM est un outil puissant qui promet d'accélérer le développement des produits, de renforcer le contrôle de la qualité et d'assurer la durabilité à long terme des composants critiques. Sa capacité à s'intégrer à d'autres appareils, ce qui permet d'améliorer la préparation des échantillons, l'imagerie automatisée et l'analyse des phases, en fait un atout essentiel pour tout laboratoire industriel confronté aux défis de la caractérisation moderne des matériaux.

Références et lectures complémentaires

1. NASA. (2010). [En ligne] Les revêtements prolongent la durée de vie des moteurs et de l'infrastructure. Disponible à l'adresse : https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2010/t_7.html (consulté le 18 septembre 2024).

2. Thermo Scientific. (2024). [RESOURCE FOURNIE EN BREF] App Note, Datasheet, Case Study, White Paper, Technical Note.

3. ThermoFisher Scientific. [Fiche technique] Apreo ChemiSEM System. Disponible à l'adresse : https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/Datasheets/apreo-chemisem-system-ds0508-en.pdf

4. Hu, Y, et al (2023). Electrolytes multicouches pour les batteries au lithium à l'état solide. Next Energy. doi.org/10.1016/j.nxener.2023.100042

5. Clerici, D. (2024). Diffusion-induced stress amplification in phase-transition materials for electrodes of lithium-ion batteries. International Journal of Mechanical Sciences. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109541

6. Bogdan, M., et al. (2024). Une compréhension globale des revêtements à barrière thermique (TBC) : Applications, matériaux, conception des revêtements et mécanismes de défaillance. Metals. doi.org/10.3390/met14050575