Nondestructive evaluation of thermal sprayed coating by acoustic microscopy and Eddy current testing

par Xiaodong Deng

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Joël Courbon et de Thomas Monnier.

Soutenue le 25-03-2014

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) (laboratoire) et de Matériaux- ingénierie et sciences / MATEIS (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Despaux.

Le jury était composé de Joël Courbon, Thomas Monnier, Gilles Despaux, Jean-Louis Izbicki, Cécile Baron, Tetsuya Ushimoto.

Les rapporteurs étaient Jean-Louis Izbicki.

  • Titre traduit

    Evaluation non destructive par microscopie acoustique et courants de Foucault d'un revêtement de protection pulvérisé thermiquement


  • Résumé

    La thèse a mis en œuvre deux méthodes inverses pour l’évaluation non destructive d’un milieu multicouche anisotrope : la microscopie acoustique et les courants de Foucault. Pour la microscopie acoustique, nous avons adapté un modèle de propagation de l'onde acoustique dans un milieu multicouche, en calculant les coefficients de réflexion et de transmission d’un revêtement multicouche sur un substrat et en modélisant la réponse acoustique V(z) propre à la microscopie acoustique. Une méthode inverse utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt donne accès à l’épaisseur, au module de Young et à la densité du revêtement. Pour les courants de Foucault, une méthode inverse similaire basée sur le formalisme de Tree a été mise au point, qui donne accès à l’épaisseur, à la conductivité électrique et à la perméabilité magnétique du revêtement. Après des vérifications de l’algorithme sur des matériaux massifs de référence, nous avons appliqué ces méthodes à un métal revêtu pour tuyauteries de centrale thermique : de l’acier inoxydable austénitique type 304 revêtu par pulvérisation thermique de superalliage Hastelloy C22 à base de nickel. La corrosion sèche sous l’effet des gaz chauds (air contenant du gaz SO2) amincit graduellement la paroi des tubes, ce qui peut les rendre dangereux. Il a fallu tenir compte de l’effet du grenaillage préalable à la pulvérisation, qui crée une mince couche de martensite à laquelle les courants de Foucault sont très sensibles : un modèle à trois couches substrat / martensite / revêtement a été utilisé. Nous avons caractérisé des échantillons de métal avant et après exposition à l’air avec ou sans SO2 à 650°C. Les deux méthodes d’évaluation non destructive permettent une détermination très satisfaisante de l’épaisseur de revêtement et se complètent bien. L’évaluation des caractéristiques physiques (acoustiques et électromagnétiques) met en évidence des hétérogénités du revêtement liées à son mode d’élaboration et des évolutions au cours du temps. Des pistes d’amélioration des méthodes sont proposées.


  • Résumé

    In the current work, we investigate the nondestructive evaluation of a thermal sprayed coating (Hastelloy C22 Ni-based alloy) on substrate (type 304 austenitic stainless steel) using acoustic microscopy and ECT method. Two models were built for the evaluation of this kind of material: one is for acoustic V(z) measurement and the other is for swept eddy current measurement. The implementation of these two models is used for the evaluation and properties measurement of the thermal sprayed coatings, such as elastic properties, electromagnetic properties. In particular, the main achievements and results are as follows: 1. Acoustic wave propagation in an anisotropic multilayered medium was investigated. The formula for calculating the reflection and transmission coefficients of the multilayered medium on or without a substrate were derived, which is necessary for the modeling of acoustic V(z) measurement of the thermal sprayed coating on substrate. 2. A model was built for the acoustic V(z) measurement of the thermal sprayed coatings on substrate, which can deal with anisotropic multilayered media. Specifically, we used a model of multilayered coatings with graded properties on substrate to calculate the acoustic reflection coefficient of our sample. Treating the thermal sprayed coating, deposited on a 304 steel substrate, as FGMs, we evaluated the coating thickness and the Young’s modulus evolution along the depth of the coating. 3. A model was built for the swept eddy current measurement of the thermal sprayed coatings. Since before the spraying process, the surface of the substrate is usually shot-peened (SP), the coated material is considered as a three-layer medium. The coating thickness and electromagnetic properties of each of the 3 layers were determined by an effective reverse process. 4. The thermal sprayed coated material after exposure in different conditions, i.e., as-received, heat-treated in air and heat-treated in SO2 environment, and after different exposure time was evaluated by the integrity of acoustic microscopy and ECT method. The coating thickness and the electromagnetic properties of the coated material under different conditions were measured.


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