Traitement de surface métallique Etude de l'interaction ... · Nanoparticules induites par...

Traitement de surface métalliqueEtude de l'interaction dans le cas

nanoseconde

J.M.JouvardLaboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

UMR 6303 CNRS-UBFC,

Equipe Laser et traitements des matériaux

jean-marie.jouvard@u-bourgogne.fr

I - Paramètres physiques en régime thermique (ms-ns)

II - Quelques procédés classiques de traitement de surface

- Effet thermique : solide / liquide

- Processus avec ablation

III - Processus d'ablation en milieu ambiant: Etude de

l'interaction dans le cas nanoseconde

2

Introduction : Paramètres physiques en régime thermique (ms-ns)

3

paramètres énergétiques

• flux = puissance [W]

• énergie : E [J]

• puissance moyenne :

• puissance crête :

• puissance surfacique: ϕ [W.m-2] ou [W.cm-2]

• fluence : F [J.cm-2]

τ= E

P~

f.EP=

=

tD

zierfc

k

tD

22T-)t,zT( 00 ϕε

τπετ 1

.

2T)(T 0

0Surface

D

Sk

E+=

2)(

tDt =δ

Mur semi-infini soumis à un flux constant en surface

Surface :

Profondeur de pénétration thermique :

πτϕεττ D

k0

0Surface

2T)T(0, )(T +==

pc

kD

.ρ=

profondeur telle que :

2 )T( 0TTSurface+

=δ

II - Quelques procédés classiques de traitement de surface

7

Surface

• Modifier la surface• Transformation structurale: trempe, choc• Refusion• Insertion éléments légers

• Enlever de la matière• Marquage• Texturation• Nettoyage

• Apporter de la matière• Revêtement / Alliage de surface• PLD

• Concevoir• Prototypage: rechargement• SLM

Surface

• En phase solide• Transformation structurale: trempe, choc

• Avec phase liquide• Refusion• Revêtement / Alliage de surface• Prototypage: rechargement• SLM

• Présence vapeur /liquide• Marquage• Texturation

• Vapeur/ Plasma/Onde de choc• Nettoyage• Insertion éléments• Choc laser• PLD

1 - Effet thermique : solide / liquide

10

11

Refusion de prédépôts :- plasma- électrochimique

Transformationsstructurales

Refusion :- affinage de microstructure- homogénéisation

Apport in-situ :- feuillard- fil- poudre

Revêtement, alliage :- modification de lacomposition chimique

Phase solide Phase liquidesans apport de matière

Le laser et les traitements de surface

Phase liquideavec apport de matière

Traitement en phase solide

1 – Transformation structurale

--> importance de la vitesse de refroidissement

12

13

14

15

Traitement en phase Liquide

2 - Refusion

La refusion par laser consiste en la génération d'un bain liquide à la surfaced'un matériau sous l'action du faisceau laser. Après le passage à l'état liquidede la surface, le matériau se refroidit énergiquement par conduction. Cetraitement entraîne un affinement structural de la matière conférant demeilleures caractéristiques de dureté, de résistance à l'usure ou à la

corrosion.

16

Traitement en phase liquide

3 - alliage de surface / revêtement

Méthodes d’apport de la matière

• Poudre : idem procédés "conventionnels"

substrat

revêtement

laser

buse

poudre

bain liquide

substrat

revêtement

bain liquide

laser

substrat

revêtement

laser

poudre

bain liquide

� Fil : idem soudage ou du rechargement MIG

laser

poudre

substrat

Revêtement/dépôt

18

Quelques exemples…

Réparation

4 - Prototypage

19

Un nouveau champs d’applicationLa fabrication rapide permet d’obtenir desformes complexesenapportant la matièreLe concept est de faire« croître » les composants et l'outillageplutôt que d'usiner le matériaux

a – Prototypage laser par projection de poudre= rechargement laser

20

Bronze

Bronze

Gradient Bronze-SS 430L

316L, X3CrNiMo17-12-2

b –Fusion sélective par laser( SLM = Selective Laser melting )

= fusion sur lit de poudre

21

filière d’extrusionInox 904L

Ressort métallique

Architecture

L’énergie est délivréepar un laser à fibre et un four

Four

(900°C sous atmosphère

protégé)

Tête

scanner

Module de

chargement Module de fabrication

Convoyeur

Un lit de poudre est déposé sur une trémie et le produit est fabriqué couche par couche

Processus avec ablation

23

Processus d'ablation

24Échelle de temps

Cible

Laser

t0

Irradiation Absorption

Panache

Ablation

Zone affectée

Onde acoustique

• Phénomène de décomposition spontanée de la matière sous l’effet d’un rayonnement laser intense

• Seuil: intensité minimum donnant lieu à l’ablation

• Le processus d’ablation dépend du rayonnement, du matériau et de l’environnement

ProcessusPhotochimique

Laser YAG 3/4w UV ns

Laser Excimer UV ns

Laser CO2 IR µs-ms

Laser YAG/fibre IR ns-ms

Laser YAG 2w Vis ns-ms

Processusthermique

Taux d’ablation élevé – Effets collatéraux - ZAT

Faible taux d’ablation – Précision – Faible ZAT

Les différents processus d’ablation laser

Processusultrabref

Laser Pico/Femto IR ps-fs

25

27

Traitement en phase vapeur

6 - marquage

28

Technique de marquage en surface

4 mm20 mm

Texture réalisée par un balayage croisé

Balayage à 90°

Balayage à 0°

Interligne: it = 30µm

29

Exemples de marquage

SmartcardsTournevis

composant

Boucles

Disjoncteur

Relais

Clavier

Forets

Implants médicaux

Pied à coulisse

Mesureur

Source : Rofin Sinar

30

Texturation de surface par laser nanoseconde

Détente plasma

Brulure ou décomposition

Ablation (micro-usinage)

Décapage laser

32

Décapage laser

Choc

33

Plasma Laser Deposition

34 Moderate intensities (108 – 1013 W/cm2)

III - Processus d'ablation en milieu ambiant

Etude de l'interaction dans le cas nanoseconde

35

Processus lors de l'interaction

--> thermique :

solide, liquide

changements de phase

--> déplacement du liquide

--> ablation

--> plasma :

composition (densité,Tloc) => absorption

surpression (onde de compression)

insertion éléments de atmosphère réactive

LASER

O2 , N2 , ...

Importance des différents phénomènes

Semak, J.Phys.D:Appl.Phys. 30 (1997) 2541-2552)

Processus d'insertion d'élément chimique de l'air dans la proche surface

38

( )kHzp cmJF

51 ²/

2Incolore

6Violette

4Jaune

0Ti

7-15bleue

15Blanche

Ti3Ohc

Tiαααα

TiOcfc

TiNcfc Ti2O3rh

TiO2-x

Ti3O5r

h

Tiαααα Tiαααα Tiαααα

TinO2n-

1-1

Tiαααα Tiαααα

Structure des couches colorées avec la fluence laser (Titane)

L. Lavisse, G. Pillon, C. Langlade, A. Soveja, Matériaux 2006 CD, Dijon,

De la moins oxydée à la plus oxydée

40

OBSERVATIO

NS

ANALYSES DE PHASES

Microscopie optique

MEB

METSpectroscopie Raman

Profilomètreinterférentiel

+

-+

La problématique origine de la coloration

5

10

15

20

25

30

35

40

400 450 500 550 600 650 700Lambda (nm)

Laser ττττ = 5 nsR(%)

Violet

Jaune Bleue

DRX

Analyse de surface

Colorimétrie

41

Analyse de surface : Sonde nucléaire (Saclay)

- Les couches coloréescontiennent de l’azote, del’oxygène et un peu decarbone

- Compétition entre ces O et N

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=> coloration / amélioration de tenue au frottement

• Analyse surface:

- insertion oxygène et azote présent dans l’air

- compétition de ces deux éléments

- NRA -> mécanismes d’insertion:

diffusion dans couche liquide + insertion due surpression induite par la plume

• Analyse particules: taille (µm + nm) / composition (TiO2 Anatase/Rutile)

Traitement du titane dans l'air

Cinétique d’insertion del'oxygène (NRA)

Spectrométrie Raman (équipe SIOM)

Formation de poudre nanométrique (MET)

Etude du plasma rayonnant

43

ANALYSE DE LA LUMIERE PAR SPECTROSCOPIE : EVOLUTION TEMPORELLE

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LaserNd:YAG

TiDéplacement de

l’échantillon

x

z

y

L1

L2L3

Miroir

Spectromètre Czerny-Turner(Mc Pherson – Modèle 209) Focale: 1,33 mRéseau: 2400 traits/mmGamme spectrale: 150 à 650 nmRésolution: 0,005 nm

Ordinateur

Ligne à retard DG 535

ICCD

Réseau

Fibre optique(Φ = 230 µm)

Plasma

Laser Brillant B – Quantel:λ = 1064 nmf = 10 HzΦ = 1 mmτ = 5 nsIrradiance : 7 à 30 GW/cm²

Dispositif expérimental de spectroscopie d’émission

Collecte du signalL2 = 10 cmL3 = 5 cm soit un grandissement de 0,5

1 - Analyse locale de la plume: Spectroscopie d’émission

Analyse globale

Suivi dynamique du plasma

- Dimensions du plasma- Vitesse moyenne d’expansion- Distribution spatio-temporelle

des espèces

Analyse sélective

Caractérisation physique du plasma

- Nature des espèces- Etat d’ionisation- Gradients de température

Imagerie spectrale

Spectroscopie d’émission

46

II. CARACTÉRISATION PHYSIQUE DU PLASMA

Choix des techniques expérimentales

Que voit-on ?

47

Analyse globale de la plume: Imagerie rapide + filtres

Nd:Yag (ns)

Nd:Yag (ms)Nd:Yag (continu)

= soudage

Nd:Yag (ns)

Analyse locale de la plume: Spectrométrie d'émission atomique

Caractérisationphysique du plasma

Influence de la pression du milieu ambiant

10 mTorr 150 mTorr

10 Torr 100 Torr

Thèse Xueshi Bai, Lyon I (2014)

Ya. B. Zel’dovich and Yu. P. Raizer, Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena, (Dover Publications, Mineola NY, 2002).

Onde de Combustion (LSC)

- absorption faisceau laser dans plasma àl'arrière de la couche d'air choquée- gaz ambiant choqué est transparent au

laser⇒ Plasma chauffé à haute T et P

⇒ Gaz ambiant choqué à faible T,comprimé mécaniquement parvapeur/plasma

⇒ Transfert radiatif et thermique duplasma chaud vers gaz ambiant

⇒ Gaz choqué absorbe UV du plasma

⇒ Onde d’absorption se propage dans legaz chauffé et ionisé

Onde de Détonation (LSD)

Seuil lorsque irradiance augmente,

- Gaz ambiant absorbe rayonnement laser ets'ionise

- La zone d'absorption se trouve justederrière le choc précurseur

- Pas de séparation abrupte entre le gazchoqué et le plasma de vapeur

- P, T, ρ varient de façon continue entre la

vapeur et le gaz choqué.- La propagation de l'onde LSD est entraîné

par l'absorption de l'énergie laser par le gazchoqué

⇒ Vitesse + élevée % LSC

⇒ Couche de gaz à P, T, ρ + élevé % LSC

⇒ Vapeur à P,T + petit que pour LSC

Nanoparticules

57

58

BUT: COMPRENDRE LES MÉCANISMES DE FORMATIONS DES NANOPARTICULES ?

AIR

Interaction laser-matière = Un effet poudreux sur les surfaces et récupération ex-situ des poudres

PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE Nanoparticules induites par traitement de surface de cibles en

titane dans l’air avec une source laser industrielle

Nanoparticules hors de la zone de traitement*

Nanoparticules sur le substrat

*Stage post-doctoral Y. Shupyk, 2007, Université de Bourgogne

TixOy et/ou TixNy

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Comparaison de Régimes de traitement

Source laser ττττ f Φ Irradiance Fluence

Luce 1064 5 ns 2 à 100 kHz 110 µm 0,08 – 1 GW/cm² 0,4 – 5 J/cm²

Brilliant b 5,1 ns 10 Hz 1 mm 1,5 – 6,5 GW/cm² 7,5 – 32,5 J/cm²

Laser Luce 1064 Laser Brilliant b

Poudre fine sur plaque de verre Poudre fine autour de la zone traitée

5 nm

60Spectre Raman sur des petites (a) et des grosses particules (b)

20 nm 50 nm

METHR des particules obtenues après irradiation laser d'une cible de Ti à 1,16 GW/cm²

A

A A A

R R

� Taille = Deux types de particules : - sphère (< 10 nm)- chaîne (> 10 nm)

� Phase = TiO2Pas de métalPas de nitrurePas d’oxynitrure

Morphologie

Cas du titane dans l’air : modèle

61

Taille

Comment caractériser les nanoparticules au début de la condensation ?

Caractériser la taille des particules en vol par granulométrie

→ Les nanoparticules se condensent dans le plasma ou au contactde la plaque

TitaneTitane

Pla

que

de v

erre

Pla

que

de v

erre

Flux d’air propre

Schéma du principe de fonctionnement de l’EEPS (TSI

3090)

62

Analyses SAXS (diffusion X aux petits angles)

Comment caractériser les nanoparticules au début de la condensation ?

TitaneTitane

Rayons Xincidents

Sonder le plasma pour caractériser les particules «in-situ »

→→→→ Se rapprocher le plus possible de la première goutte de liquide formée

Rayons Xnon-diffusés

Rayons Xdiffusés

500 µm

63

Cas d’autres métaux dans l’air ambiant ?

Analyses ex-situ : Ti���� Fe

Analyses S.A.X.S. : Ti���� Al

→→→→ Rôle de l’environnement : réactivité ?

Substrat Titane Fer Aluminium

Rayon de giration

Rg18 4 6

Indice de Porod p 4 = sphère

Rayon de giration

Rg266 > 100 75

Indice de Porod p 2 = chaîne

PhasesTiO 2

Anatase et rutile

γ – Fe2O3

Fe3O4

Al 2.86O3.56N0.44

AlN et Al

Analyse SAXS sur Swing à Synchrotron SOLEIL

64

→ Influence du taux d’oxygène sur la taille

des nanoparticules

Rôle de l’atmosphère réactive (Juin 2014)

Faisceau laser

Vers

le

déte

cteu

r

Sortie du faisceau

synchrotron

Entrée des mélanges de gaz (O2, N2, Ar)

Sortie des mélanges de gaz

+ purge

Observations des petites particules (Rg <<<< 16 nm)

Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive

Phys.Rev.Lett., vol.115, p. 246101, 2015

65

variation du rayon des particules avec le taux d’O2

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 5 10 15 20 25

Ray

on d

es p

artic

ules

R (

nm)

Pourcentage d'oxygène

Rayon (Ti)

Rayon (Al)

Diminution du rayon des particules avec augmentation du % d’oxygène

→→→→ L’oxydation modifie la taille des particules

Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive

66

Cas de l’aluminium

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Indi

ce d

e P

orod

des

par

ticul

es d

'Al

Pourcentage d'oxygène

Sphères

Surface rugueuse

Chaîne

Changement de p avec augmentation du taux de O2

→→→→ Réactivité chimique agit sur la croissance et la structure des particules

Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive

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Composition des particules

→ Nuclear Reaction AnalysisNRA

Target

Detectionangle

Milarsheet

Deuterons beamE = 0,9 – 1,9 MeV

Annular detector of particles

l'énergie des pics dépend de

l'élément (O/N), de la profondeur

de pénétration et de la quantité

d'élément

J.M. Jouvard - 9th International Conference on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy -LIBS2016 - Chamonix - September 12-16

J.M. Jouvard - 9th International Conference on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy -LIBS2016 - Chamonix - September 12-16

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Composition des particules

→ Resultats : Proportion de phases dans un même volume de particule

- Maximum insertion of nitrogen for the gas mixtures 95% N2 - 5%O2

- Maximum insertion of oxygen for the gas mixtures 95% N2 - 5%O2

→ Competition entre insertion azote et d'oxygène interagit dansle mécanisme de formation de nanoparticules

Phases

Gas mixturesAl2,81O3,56N0,44 AlN Al

80% N2 – 20% O2 0,06 0,11 0,83

90% N2 – 10% O2 0,10 0,27 0,63

95% N2 – 5% O2 0,22 0,60 0,18

100% N2 0,22 0,38 0,40

Processus complexe

Deux aspects à prendre en compte pour unemodélisation:

Couplage physique - chimie

→ Chemin thermodynamique du plasma : condensation

70

Processus complexe

Deux aspects à prendre en compte pour unemodélisation:

Couplage physique - chimie

→ Chemin thermodynamique du plasma : condensation

→ Dynamique Moléculaire* : réactivité / effets électrostatiques

* Simulations réalisées par D. Foster (ILM - Lyon) et F. Calvo (LIP)

Taux d’oxygène- +

Des processus complexes et multiphysiques / multi échelles

--> thermique :

solide, liquide

changements de phase

--> déplacement du liquide

--> ablation

--> plasma/nano-particules/milieu ambiant

composition (densité,Tloc) => absorption

surpression (onde de compression)

insertion éléments de atmosphère réactive

LASER

O2 , N2 , ...