La technique du contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF) est une solution envisageable pour caractériser l’état de contraintes dans un matériau magnétique. En effet, les propriétés magnétiques d’un matériau magnétique dépendent sensiblement de l’état de contraintes et, par ailleurs, les CF dépendent de la perméabilité magnétique. La technique des CF est potentiellement intéressante comparée à d’autres méthodes de CND, telles que la diffraction des rayons X, car elle est simple à mettre en œuvre, automatisable et peu coûteuse. Dans l'objectif de permettre in fine l’identification inverse de l’état de contraintes, un modèle prédisant l'évolution du signal fourni par un capteur à CF en fonction de l’état de contraintes du matériau ferromagnétique contrôlé a été élaboré dans cette thèse. Ceci implique la mise en place d’une double modélisation. D’une part, l’effet des contraintes sur la perméabilité magnétique a été modélisé par un modèle de comportement magnéto-élastique simplifié dérivé d'une approche multi-échelle. Cette approche permet de décrire la perméabilité magnétique d’un matériau soumis à un chargement multiaxial, en incluant notamment les effets d'anisotropie induite. D’autre part, un modèle reposant sur la méthode des éléments finis a été développé afin de prédire le signal fourni par un capteur à CF en fonction de la perméabilité anisotrope du matériau inspecté. Afin de valider la démarche de modélisation, un protocole expérimental de caractérisation magnétique et par CF a été mis en place. Les résultats de mesure obtenus présentent un bon accord qualitatif avec la modélisation, en l’absence de tout étalonnage. Une procédure d’étalonnage s'appuyant sur une mesure sous contraintes est nécessaire pour atteindre un accord quantitatif. Le modèle développé pourrait être utilisé pour concevoir des sondes à CF idoines et identifier les conditions opératoires optimales pour l'estimation de contraintes dans les matériaux magnétiques. Les procédures d'inversion à mettre en œuvre restent cependant un défi à relever / The non-destructive evaluation (NDE) technique by eddy current (EC) is a conceivable solution to characterize the stress state in magnetic materials. The approach relies on the high sensitivity of eddy current (EC) signals to the magnetic permeability, itself highly dependent on stress. The EC technique is potentially attractive compared to other NDE methods such as X-ray diffraction, due to its simple practical implementation, easiness of automation and low cost. In order to allow eventually the inverse identification of stress states in magnetic materials, a predictive model for the evolution of an EC probe signal as a function of stress has been developed during this thesis. The modelling is done in two steps. First, the effect of stress on the magnetic permeability is described using a simplified version of a multiscale model for magneto-elastic behaviour. This approach allows describing the effect of multiaxial mechanical loadings on the magnetic behaviour of materials including induced anisotropy effects. Then, the EC probe signal is determined as a function of the anisotropic permeability of the stressed material using the finite element method (FEM). In order to validate the modelling approach, an experimental setup for magnetic characterisation and EC measurements was developed. The measurements show a good qualitative accordance with the modelling results, in absence of any calibration. A calibration procedure based on a measurement under stress is necessary to obtain a quantitative agreement. The proposed model can be used to design efficient EC probes and to define optimal operating conditions to evaluate stress in magnetic materials. The development of inversion procedures, however, remains a challenge.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français. / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer et de tester quelques méthodes de l'optimisation de forme afin d'identifier et de reconstruire des dépôts qui couvrent la paroi extérieure d'un tube conducteur dans un générateur de vapeurs en utilisant des signaux courant de Foucault. Ce problème est motivé par des applications industrielles en contrôle non-destructive dans le secteur de l'énergie nucléaire. En fait, des dépôts peuvent obstruer le passage de circuit de refroidissement entre les tubes et les plaques entretoises qui les soutiennent, ce qui entraînerait une baisse de productivité et mettrait la structure en danger. On considère dans un premier temps un cas axisymétrique dans le cadre duquel on construit un modèle 2-D par des équations aux dérivées partielles pour le courant de Foucault, ce qui nous permet ensuite de reproduire des mesures d'impédances qui correspondent en réalité les signaux courants de Foucault. Pour réduire le coût de calculs de la simulation numérique, on tronque le domaine du problème en posant des conditions aux bords artificielles basées sur des études sur le comportement de la solution, notamment sur un calcul semi-analytique de l'opérateur Dirichlet-to-Neumann dans la direction axiale. Pour la partie identification et reconstruction, on distingue deux sortes de dépôts et établit pour chacun une méthode d'inversion spécifique. Le premier cas concernent des dépôts dont la conductivité est relativement faible (d'environs 1.e4 S/m). On utilise la méthode d'optimisation de forme qui consiste à exprimer explicitement la dérivée des mesures d'impédance par rapport au domaine du dépôt en fonction d'une déformation et à représenter le gradient d'un fonctionnel de coût à minimiser par l'intermédiaire d'un état adjoint proprement défini. Motivée par la présence des dépôts et des plaques de maintient non-axisymétriques, on fait aussi une extension en 3-D des méthodes précédentes. Pour le deuxième cas, des dépôts sont fortement conducteurs et sous forme de couche mince d'une épaisseur de l'ordre de micron. La méthode adaptée à la première sorte de dépôts devient ici trop coûteuse à cause du degré de liberté très élevé des éléments finis sur un maillage extrêmement raffiné à l'échelle de la couche mince. Pour relever cette difficulté, les études sont portées sur plusieurs modèles asymptotiques qui remplace la couche mince par des conditions d'interface sur la surface du tube portante du dépôt. Le nom de modèle asymptotique vient du fait que les conditions d'interface effectives sont obtenues par le développement asymptotique de la solution en fonction d'un paramètre caractérisant la conductivité et l'épaisseur de la couche mince. La validation numérique a permis de retenir un modèle asymptotique qui est à la fois suffisamment précis et simple à inverser. L'inversion (recherche de l'épaisseur du dépôt) consiste alors à rechercher des paramètres dans les conditions d'interface (non standard). Pour les deux cas, la validation et des exemples numériques sont proposés pour le modèle direct et l'inversion.

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. / 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.

Les objectifs de la thèse sont d'élaborer des systèmes d'instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l'état d'intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l'aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l'effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d'une part de suivre le vieillissement, mais aussi d'autre part afin de comprendre l'effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d'instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l'estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d'évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s'est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l'analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de " transformateur analogique " modélisant capteurs à CF ou bien d'inversion de modèle semi-analytique dans le cas l'estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d'une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi " in situ " de l'intégrité des composants.

Les objectifs de la thèse sont d’élaborer des systèmes d’instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l’état d’intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l’aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l’effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d’une part de suivre le vieillissement, mais aussi d’autre part afin de comprendre l’effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d’instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l’estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d’évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s’est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l’analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de « transformateur analogique » modélisant capteurs à CF ou bien d’inversion de modèle semi-analytique dans le cas l’estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d’une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi « in situ » de l’intégrité des composants. / This thesis is dedicated to develop electronic instrumentation systems that allow to analyse the ageing process and to make a diagnosis the failure mechanisms of power semiconductor device. The research objectives were to evaluate the electrical conductivity variation of metallization layer using the eddy current technique but also to estimate the ageing effect of the semiconductor dies and their module packaging on the current distribution in the die, to better understand the mechanism failures. The specimens simplified and the power semiconductor modules were aged by thermal cycles. The various sensors have been used (eddy current sensor, Hall sensor), to follow the ageing process, and to understand the ageing effect on the power semiconductor die. The experimental instrumentation system has been developed and used, to realize the non destructive evaluation by the eddy current technique on the metallization layer and to measure the map of magnetic field induced above the die by the magnetic sensor, the potential distribution. In the first time, this system allowed to evaluate the relevance and the performance of different type sensors used for the local measure on the electrical conductivity by eddy current sensors and on the currents distribution by Hall sensors or the potential distribution of the source metallization layer. This work was also supported by the signal processing techniques. To estimate quantitatively the electrical conductivity of metallization layer by the eddy current sensors, a model using the two-winding transformer analogy simulate the electromagnetic interaction between the sensor and the conducting plate. And, the current distribution from the measured data is given by inverting a mesh-free modeling of the induced magnetic field. The results obtained from these models can allow us to firstly understand certain failure mechanisms, but also to propose the integrated circuit with the sensors for monitoring "in situ" the state ageing of power semiconductor device.