Etude et développement d'une méthode de caractérisation in-situ et à distance de dépôts en couches minces par pyrométrie active laser

Study and development of a method of remote in-situ characterisation of thin layers by active laser pyrometry.

• Auteur / Autrice : Dmitry Melyukov
• Direction : Igor Smurov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, Ecole nationale d'ingénieurs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiographie industrielle

Contrôle non destructif

Dépôts physiques

Revêtement de surface

Métaux -- Surfaces

Surfaces (technologie)

Lasers -- Matériaux

Résumé

Les matériaux revêtus sont utilisés partout dans l’industrie actuelle. L’objectif principal pour assurer la qualité pendant la fabrication comme pendant l’exploitation est un contrôle des propriétés de ces couches essentiellement son épaisseur mais aussi son homogénéité et son adhésion au substrat. Idéalement, la technique permettant ce contrôle ne doit pas changer l’état de notre couche, c'est-à-dire être non-destructive. Il existe plusieurs méthodes du contrôle non-destructif (CND) comme les ultrasons, les courants Foucault, la radiographie… Dans le cadre de cette thèse on a concentré nos efforts sur la méthode de thermographie active (TA) qui présente, par rapport aux autres technique de CND l’avantage de pouvoir être effectuée à distance, sans contact, rapidement et avec une haute résolution spatiale. On a étudié le cas du chauffage de la surface par un faisceau laser couplé avec les mesures du rayonnement thermique par détecteur infrarouge au centre de la tache laser. Tout d’abord nous avons accompli l’analyse théorique pour mieux comprendre quelles propriétés des couches pouvaient être déterminée par la méthode de TA et sous quelles conditions. Le résultat de cette étude théorique est le développement de méthodes de caractérisation complète de notre couche et particulièrement une méthode de mesure de l’épaisseur indépendamment de toutes autres propriétés (optique, thermique). La partie expérimentale de ce travail a montré le bon fonctionnement de la méthode de mesure de l’épaisseur d’une feuille des matériaux différents (INOX, titane, tungstène et al. ). On a ainsi vérifié la faisabilité de la méthode de mesure de l’épaisseur sans contact (et à distance) et sans calibration (et sans connaître les propriétés du matériau).

Layered materials are used throughout the industry today. The main objective to ensure quality during manufacturing as well as during operation is the control of the properties of these layers mainly its thickness but also its homogeneity and adhesion to the substrate. The most desirable technique is a technique that does not change the state of our film, i. E. Non-destructive. There are several methods of non-destructive testing (NDT) such as ultrasound, eddy current, radiography etc. As part of this thesis we focused our efforts on the active thermography method (TA) which has some advantages over other NDT techniques such as the possibility to put some distance between the test piece and the device, the absence of contact, the speed of the measurements and the high spatial resolution. We studied the case of heating of the surface by a laser beam coupled with measurements of thermal radiation by infrared detectors in the center of the laser spot. First of all we have done theoretical analysis to understand what properties of the layers can be determined by the method of TA under what conditions. As the result of this theoretical study we developed a number of methods for complete characterization of the layer and especially the methods for measuring the thickness independently of all other properties (optical, thermal). The experimental part of this work has shown the proper functioning of the method for measuring the thickness of a sheet of different materials (stainless steel, titanium, tungsten et al. ). By this way it was verified the feasibility of the method for measuring the layer thickness without contact (and at a distance) and without calibration (and without knowing the material).