La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat.

Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui du contrôle des opérations d'usinage après dépôt sur des pièces mécaniques.

Il est connu, dans différents secteurs industriels, de recouvrir les matériaux métalliques d'un revêtement dur pour pouvoir augmenter, à tout le moins localement, leurs caractéristiques mécaniques. Aussi, on cherche à déterminer l'épaisseur de ce revêtement de manière fiable au moyen de méthodes non destructives.

Pour ce faire, différentes techniques existent et sont sélectionnées en fonction des épaisseurs à contrôler, des types de revêtement ou encore des types de substrat à revêtir. Il en est ainsi des méthodes magnétiques qui permettent de mesurer l'épaisseur des revêtements métalliques. Toutefois, ces méthodes magnétiques sont également sensibles aux propriétés électriques et magnétiques intrinsèques des matériaux du revêtement et du substrat. Aussi, la fiabilité de la mesure d'épaisseur est relative aux matériaux en présence.

Pour s'affranchir de cette interférence entre la méthode de contrôle et le matériau lui-même, il a été imaginé de mettre en œuvre des ondes ultrasonores et d'enregistrer leur temps de parcours dans le revêtement afin d'en déterminer l'épaisseur. Ainsi, en connaissant la vitesse de propagation des ondes ultrasonores à travers le revêtement et en enregistrant le décalage temporel entre l'onde incidente et l'onde réfléchie, on obtient une mesure de l'épaisseur du revêtement. Cette méthode est bien adaptée à la mesure d'épaisseur de pièces métalliques, car la discontinuité du milieu entre la pièce et l'air permet d'obtenir des signaux moins bruités. En revanche, la discontinuité entre un revêtement métallique et son substrat est moins franche et le signal réfléchi est plus complexe à analyser. De surcroît, les épaisseurs de revêtement sont généralement faibles, ce qui rend malaisée la résolution des échos car on obtient des intervalles de temps faibles entre les réflexions multiples. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé, et un dispositif, de mesure d'épaisseur de revêtement métallique d'un substrat qui soit à la fois fiable et empreint de précision.

Dans ce but, et selon un premier objet, il est proposé un procédé de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : on fournit un substrat revêtu d'un revêtement métallique, ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement ; on émet des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement et on enregistre un signal réfléchi pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement ; et on transforme ledit signal réfléchi en signal fréquentiel pour pouvoir déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.

Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'une opération visant à transformer le signal réfléchi, dont la représentation est temporelle, en un signal fréquentiel. Par exemple, le signal temporel est transformé, grâce a une transformée de Fourier, ou FFT, acronyme de l'anglais « Fast Fourier Transform », en un signal fréquentiel. De la sorte, il est mis en évidence sur le spectre du signal alors obtenu, et dans des intervalles de fréquences donnés, des « creux », ou encore des minimums pour lesquels la dérivée de la courbe correspondante s'annule, dont l'espacement révèle une fréquence représentative de l'épaisseur du revêtement, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description. Une telle méthode est relativement aisée à mettre en œuvre au moyen de dispositifs simples et robustes et s'avère relativement précise. Par ailleurs, en transformant le signal temporel en un signal fréquentiel, on met plus aisément en évidence les éléments périodiques du signal, et on s'affranchit alors de la résolution des échos, pour des revêtements de faible épaisseur. On observera que le procédé de mesures est adapté aux surfaces de revêtement, qu'elles soient brutes ou rectifiées. En outre, on observera que l'on vient analyser des signaux réfléchis au niveau de l'entrée dans la pièce et de son voisinage immédiat, c'est-à-dire du revêtement. On s'affranchit alors des signaux de fond de pièce.

De plus, et de façon avantageuse, on part du signal réfléchi que l'on transforme aisément en un signal fréquentiel. Partant, les algorithmes de traitement ultérieur sont relativement simples comparés aux méthodes de l'art antérieur, où on analyse les données fréquence par fréquence en générant des trains d'ondes successifs.

Aussi, le revêtement métallique n'est, avantageusement, pas ferromagnétique, autrement dit, il a la capacité de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique et de perdre cette aimantation lorsque le champ magnétique disparaît. Au surplus, le substrat est, de préférence, un substrat métallique. Il est également, de préférence, non- ferromagnétique.

En outre, le substrat est avantageusement rugueux pour permettre une meilleure adhérence du revêtement métallique. Ce dernier est préférentiellement obtenu par projection thermique. En revanche, le revêtement est, lui, avantageusement rectifié en surface. Aussi, une couche de revêtement ne peut être confondue avec une couche laminée sur un substrat. Car en effet, l'interface entre une couche laminée et un substrat est régulière contrairement à celle entre un revêtement métallique et un substrat du type précité.

Préférentiellement, on émet des ondes ultrasonores à une haute fréquence, par exemple 50 MHz. Ainsi les traducteurs émettant des hautes fréquences, sont bien plus simples et moins coûteux que les traducteurs émettant des ondes ultrasonores au-delà des hautes fréquences dans des gammes de l'ordre du gigahertz, de symbole GHz. Grâce à de telles fréquences, on mesure aisément des épaisseurs de revêtement de l'ordre de la dizaine de micromètres, voire de la centaine de micromètres comme on l'expliquera ci-après.

Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, et notamment lorsque les « creux » n'apparaissent pas, on fournit en outre le substrat non revêtu présentant une surface de substrat ; on émet en outre des ondes ultrasonores à ladite surface de substrat et on enregistre un autre signal réfléchi ; on transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel ; et, on établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement.

De la sorte, le rapport des spectres du signal réfléchi et de l'autre signal réfléchi correspondant au substrat non revêtu, lequel correspond à une fonction de transfert, permet d'obtenir un signal périodique sur lequel apparaissent clairement les différences de fréquences représentatives de l'épaisseur du revêtement.

Toutefois, pour certains revêtements et/ou certains substrats, malgré la mise en œuvre du substrat non revêtu pour établir un spectre du signal de référence, et en faire le rapport avec le signal fréquentiel réfléchi du substrat revêtu, aucun signal périodique identifiable n'apparaît. C'est notamment le cas lorsque le revêtement est brut et n'a pas été rectifié. Aussi, dans ces circonstances, de façon avantageuse, on réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences. Ainsi, grâce à cette opération, on vient épouser plus finement la forme du signal et en révéler ainsi la périodicité. Partant, on détermine plus aisément la différence de fréquences représentative de l'épaisseur du revêtement.

Préférentiellement, on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par sous- échantillonnage. De la sorte, on obtient un signal plus régulier. De surcroît, selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, mais non limitative, on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par moyenne glissante. La détermination des différences de fréquences est alors plus aisée et est reproductible.

En outre, on fournit avantageusement une pluralité de substrats revêtus d'un même revêtement métallique de différentes épaisseurs connues, et on émet des ondes ultrasonores à la surface des revêtements de chacun des substrats revêtus et on enregistre une pluralité de signaux qu'on transforme en une pluralité de signaux fréquentiels de manière à pouvoir déterminer une pluralité de différences de fréquences correspondant auxdites épaisseurs connues.

Préférentiellement, on détermine, en fonction desdites différences de fréquences et desdites épaisseurs connues, une fonction reliant l'épaisseur d'un revêtement et la différence de fréquence. Ainsi, on procède à un étalonnage pour pouvoir déterminer les différences de fréquences en fonction de l'épaisseur du revêtement. On observera que l'épaisseur est une fonction inverse des différences de fréquences et quelle est également fonction de la vitesse des ondes ultrasonores à travers le revêtement. Aussi, on détermine les paramètres d'une fonction Y = A/X de façon à pouvoir fournir une valeur de l'épaisseur pour chaque valeur de différence de fréquences.

Selon un autre objet, il est proposé un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement, ledit dispositif de mesure comprenant : un traducteur pour émettre des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement ; un organe mémoire pour enregistrer un signal réfléchi et un organe de calcul relié audit organe mémoire pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement à partir dudit signal réfléchi mémorisé ; et ledit organe de calcul transforme en outre ledit signal réfléchi en signal fréquentiel pour pouvoir déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.

Ainsi, le dispositif de mesure met en œuvre le procédé décrit ci-dessus et en présente par conséquent tous les avantages. Le traducteur émet des ondes longitudinales à haute fréquence, par exemple 50 MHz, et sous une incidence normale à la surface du revêtement. En outre, le traducteur est à large bande et il est muni d'un relais acoustique en silice.

Selon un mode préféré de mise en œuvre, ledit traducteur émet en outre des ondes ultrasonores à la surface du substrat non revêtu, tandis que ledit organe mémoire enregistre un autre signal réfléchi ; et ledit organe de calcul transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel et établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement. Le dispositif met ainsi en œuvre une caractéristique de la méthode décrite ci-dessus et en adopte ainsi tous les attributs.

De surcroît, ledit organe de calcul réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences.

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la Figure 1 est un synoptique du dispositif permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'invention pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement ;

- la Figure 2 est une vue schématique d'un élément de l'invention représenté sur la Figure 1 dans une phase préparatoire ;

- la Figure 3 est un graphe du module d'un premier signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 1 , selon un exemple de réalisation ;

- la Figure 4 est un graphe du module du spectre en fréquence du premier signal réfléchi représenté sur la Figure 3 ;

- la Figure 5 est un graphe du module d'un deuxième signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 2 ;

- la Figure 6 est un graphe du module du spectre en fréquence du deuxième signal réfléchi représenté sur la Figure 5 ;

- la Figure 7 est un graphe résultant du rapport des spectres représenté sur les Figures 4 et 6 ;

- la Figure 8 est un graphe montrant les valeurs mesurées selon l'invention en fonction de l'épaisseur du revêtement ;

- la Figure 9 est un graphe du module d'un troisième signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 1 , selon un deuxième exemple de réalisation ;

- la Figure 10 est un graphe du module du spectre en fréquence du troisième signal réfléchi représenté sur la Figure 9 ; - la Figure 1 1 est un graphe résultant du rapport du spectre en fréquence représenté sur la Figure 10 et du spectre en fréquence d'un quatrième signal obtenu grâce au dispositif illustré sur la Figure 2 ;

- la Figure 12 est un graphe résultant d'un premier traitement du rapport des spectres illustré sur la Figure 1 1 ; et,

- la Figure 13 est un graphe résultant d'un second traitement du graphe illustré sur la Figure 12.

La Figure 1 illustre un substrat métallique 10 et un revêtement métallique 12. En l'espèce il s'agit d'un substrat métallique en alliage de titane comportant 6% d'aluminium et 4% de vanadium. Quant au revêtement métallique, il s'agit de carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι. Bien évidemment, d'autres types de substrat et de revêtement métallique peuvent être mis en œuvre.

La Figure 1 illustre également un traducteur haute fréquence 14 permettant d'émettre des ondes ultrasonores, ici de 50 MHz, de manière longitudinale et à large bande. Le traducteur 14 est équipé d'un relais acoustique en silice. Le traducteur 14 est ajusté par rapport à la surface du revêtement métallique 12 de manière à pouvoir émettre les ondes ultrasonores sous une incidence normale. En outre, le traducteur 14 est relié à une carte électronique 16 qui le commande et recueille également les signaux réfléchis par le revêtement métallique 12 et le substrat métallique 10. Pour ce faire, la carte électronique 16 inclut un composant de commande 18 et un composant de mémorisation 20 ainsi qu'un composant de calcul 22 et un terminal d'affichage 24.

Ainsi, le traducteur 14 est destiné à émettre des ondes ultrasonores à la surface du revêtement 12 selon une incidence normale, sous la commande du composant de commande 18, et à recevoir en retour un signal en écho, lequel signal est alors enregistré dans le composant de mémorisation 20 pour pouvoir ensuite être traité dans le composant de calcul 22.

La Figure 2 illustre le même traducteur haute fréquence 14 en applique directement sur le substrat métallique 10 dépourvu de revêtement. La carte électronique 16 n'est ici pas représentée par souci de clarté. On expliquera ci- après l'intérêt de mettre en œuvre directement le traducteur haute fréquence 14 sur le substrat 1 0.

Ainsi, selon un premier exemple de mise en œuvre, le substrat est en alliage de titane et le revêtement 1 2 est en carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι. Ce dernier a été rectifié pour rendre sa surface plus uniforme. Grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel tel que représenté sur la Figure 3. On obtient ainsi le module de la réponse en ordonnée en fonction du temps en microsecondes selon les abscisses. Pour être exploité, ce signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22. On obtient alors le graphique illustré sur la Figure 4.

Ainsi, le graphique de la Figure 4 montre une courbe 24 du module du spectre en fréquence du signal représenté sur la Figure 3. Cette courbe présente deux « creux » 26, 28, soit deux valeurs de fréquence correspondant à un minimum. Ces deux points caractéristiques sont séparés l'un de l'autre d'environ AF=1 1 .25 MHz. On observera que la détection des deux points correspondant aux deux « creux » 26, 28, peut aisément être réalisée de manière automatique par le composant de calcul 22 en calculant la dérivée première de la courbe correspondante et en identifiant les points où elle s'annule.

En outre, on sait que l'épaisseur e du revêtement est non seulement fonction de l'écart de fréquence AF, mais aussi de la vitesse de propagation V des ondes ultrasonores dans le revêtement selon la formule e = V/2AF. La vitesse de propagation V étant en l'espèce de 4500 m/s, on retrouve bien les valeurs d'écart de fréquences AF et d'épaisseur e.

Toutefois, il est des circonstances ou l'identification des points caractéristiques est moins aisée et partant, on procède à une mesure d'un signal réfléchi sans revêtement, comme illustré la Figure 2.

Partant, grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel que l'on trouve illustré sur la Figure 5. De la même façon que précédemment, le signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22 et on obtient alors le graphique illustré sur la Figure 6.

Grâce à son composant de calcul 22, on procède alors au calcul des rapports des modules du spectre illustré sur la Figure 4 et de ceux obtenus sur le dernier graphique de la Figure 6. Et on obtient alors la courbe périodique 30 représentée sur la Figure 7, après avoir réalisé d'une part, un premier lissage par sous-échantillonnage et d'autre part, un lissage complémentaire par la technique dite « des moyennes glissantes ». Ainsi, en effectuant le rapport des spectres, du signal réfléchi en présence du revêtement 1 2 et en l'absence de revêtement, on obtient une meilleure définition du signal. On identifie ainsi plus clairement l'écart de fréquences AF entre les extremums 32, 34, 36, lequel est représentatif de l'épaisseur du revêtement.

Par définition de l'épaisseur e en fonction de l'écart de fréquences AF, la courbe représentative des écarts de fréquences en fonction de l'épaisseur est une hyperbole. Ainsi, en mettant en œuvre une pluralité de revêtement d'épaisseur différente, par exemple comprise entre 1 00 μιτι et 300 μιτι, on détermine alors les paramètres d'une courbe hyperbolique représentative de l'épaisseur d'un revêtement donné sur un substrat donné par rapport aux écarts de fréquences obtenus selon l'invention. La Figure 8 illustre un graphique montrant une telle courbe 38.

Bien entendu, il est envisagé de mettre en œuvre des revêtements dont l'épaisseur est inférieure à 1 00 μιτι pour pouvoir les mesurer selon la méthode objet de l'invention.

Ainsi, dans un processus de contrôle continu de pièces rectifiées, dont les natures de substrat et de revêtement sont déterminées, on peut alors déterminer l'épaisseur du revêtement par simple mise en œuvre du traducteur

14 par l'intermédiaire de la carte électronique 1 6.

Selon un deuxième exemple de mise en œuvre, on fournit un substrat en alliage de titane identique à celui du premier exemple, et on y dépose un revêtement en carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι sans rectification. Partant, la surface du revêtement est moins uniforme que celle du revêtement rectifié. On procède alors de façon identique au premier exemple de mise en œuvre, et grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel représenté sur la Figure 9. Ensuite, ce signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22. On obtient alors le graphique illustré sur la Figure 4 montrant une courbe 40. Or, contrairement à la courbe 24 illustrée sur la Figure 4, cette courbe 40 ne présente pas de points singuliers remarquables. Aussi, comme indiqué ci-dessus, on procède à une mesure d'un signal réfléchi sans revêtement et on procède alors au rapport des deux spectres avec revêtement et sans revêtement. On obtient alors la courbe 42 illustrée sur le graphique de la Figure 1 1 . Certains points singuliers 44, 46 semblent se dessiner sans toutefois apparaître clairement.

Aussi, dans de telles circonstances, on réalise un traitement du signal par l'algorithme de Savitzky-Golay. Ainsi, on réalise une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant de la courbe 42, soit du rapport des signaux fréquentiels avec revêtement et sans revêtement. Et on obtient alors la courbe périodique 48 représentée sur le graphe de la Figure 12. Elle révèle alors les extremums 50, 52, 54 espacés les uns des autres d'une valeur de fréquence sensiblement égale à 9 MHz. De la sorte, on en déduit l'épaisseur grâce à la formule e = V/2AF, comme indiqué ci-dessus, après avoir réalisé un étalonnage avec différentes épaisseurs connues de revêtement sur le substrat considéré. En l'espèce, la vitesse de propagation V à travers le revêtement est sensiblement de 3600 m. s ^"1 , et partant, l'épaisseur e du revêtement est elle- même de sensiblement 200 μιτι.

Il est également possible, pour une meilleure identification de l'intervalle de fréquences, d'appliquer à la courbe 48 un traitement complémentaire soit une dérivation d'ordre deux. On obtient alors la courbe 56 représentée sur le graphique de la Figure 13. La nature périodique de la courbe 56 apparaît ainsi encore plus clairement et l'intervalle de fréquences il y est plus directement lisible.