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Traitements superficiels par faisceauxà haute densité d’énergie

par Dimitris PANTELISIngénieur de l’École Polytechnique d’Athènes Docteur Ingénieur de l’École Centrale de Paris Responsable de l’Équipe Laser du Laboratoire Matériaux de l’École Centrale de Paris

ans l’évolution des matériaux modernes, les multimatériaux tiennent une place privilégiée car ils permettent de concilier des propriétés incompatibles

dans un matériau unique. Ils sont aussi maintes fois la source de substantielles économies. Or, c’est fréquemment par les traitements localisés ou superficiels que l’on peut réaliser des multimatériaux performants.

1. Lasers de puissance ................................................................................ M 1 240 - 21.1 Généralités ................................................................................................... — 2

1.1.1 Principe de fonctionnement............................................................... — 21.1.2 Caractéristiques des faisceaux .......................................................... — 31.1.3 Types de laser utilisés pour les traitements superficiels................. — 3

1.2 Interaction faisceau laser-matière .............................................................. — 4

1.2.1 Interaction thermique......................................................................... — 41.2.2 Interaction photoélectronique........................................................... — 61.2.3 Interaction mécanique........................................................................ — 7

1.3 Traitement et utilisation du faisceau laser................................................. — 71.3.1 Systèmes optiques ............................................................................. — 71.3.2 Moyens d’apport superficiel de matière........................................... — 81.3.3 Atmosphères de traitement ............................................................... — 8

2. Faisceau d’électrons ............................................................................... — 92.1 Production des faisceaux d’électrons ........................................................ — 92.2 Interaction faisceau d’électrons-matière ................................................... — 92.3 Utilisation des faisceaux d’électrons ......................................................... — 9

3. Effets thermiques, métallurgiques et mécaniques ........................ — 103.1 Effets thermiques......................................................................................... — 103.2 Effets métallurgiques et mécaniques......................................................... — 11

4. Applications .............................................................................................. — 114.1 Traitements superficiels en phase solide .................................................. — 11

4.1.1 Sans apport de matière...................................................................... — 124.1.2 Avec apport de matière...................................................................... — 14

4.2 Traitements superficiels en phase liquide ................................................. — 144.2.1 Généralités .......................................................................................... — 144.2.2 Refusion simple (surface melting ).................................................... — 154.2.3 Refusion avec apport de matière (surface cladding and alloying ) — 174.2.4 Amorphisation ou glaçage (surface glazing ) ................................... — 18

4.3 Traitements superficiels en phase vapeur................................................. — 184.3.1 Laser Chemical Vapor Deposition LCVD........................................... — 184.3.2 Durcissement par choc laser (laser shock hardening ) ... ... ... .. .. ... ... . — 20

5. Comparaisons et conclusions .............................................................. — 205.1 Comparaison des différents types de lasers............................................. — 20

5.2 Comparaison des procédés par laser et par faisceau d’électrons........... — 205.3 Applications industrielles des traitements superficiels par laser............ — 21

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 1 240

D

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TRAITEMENTS SUPERFICIELS PAR FAISCEAUX À HAUTE DENSITÉ D’ÉNERGIE ______________________________________________________________________

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Dans l’ensemble des traitements thermiques des aciers, la part des traitements thermiques superficiels ne cesse d’augmenter au fil des années par rapport à celle des traitements dans la masse (40 % prévu en 2000 contre 10 % estimé en 1975).

Les densités de puissance (ou intensités laser) disponibles par les sources

utilisées pour les traitements superficiels des matériaux sont les suivantes : Chalumeau : ..................................................................... 1,5 × 10 3 W/cm 2

Induction : ......................................................................... 2,5 × 10 4 W/cm 2

Fusion à l’arc : ......................................................... 5 × 10 4 à 10 6 W/cm2

Plasma : ................................................................... 5 × 10 4 à 10 8 W/cm2

Faisceau laser et faisceau d’électrons : ....................... 10 8 à 10 10 W/cm2

Parmi les techniques utilisées pour les traitements thermiques superficiels, la plus récente met en œuvre des faisceaux à haute densité d’énergie FHDE (faisceaux laser et faisceau d’électrons).

Les possibilités d’utilisation de ces sources foisonnent car leur utilisation réduit les risques de déformations et permet une bonne productivité et une grande flexibilité, notamment pour le laser, où la conduite du faisceau par des systèmes optiques appropriés rend possible le traitement de zones difficilement accessibles par d’autres procédés.

La brièveté des cycles thermiques, grâce à l’extrême puissance mise en jeu,permet l’obtention de structures originales et nouvelles, difficiles ou impossibles à obtenir par d’autres moyens.

Cependant, si beaucoup de travaux de recherche sont entrepris, les applications industrielles sont plus rares (§ 5.3).

1. Lasers de puissance

Nota : pour plus de renseignements, le lecteur se reportera, dans le traité Sciencesfondamentales, à l’article Laser de puissance . Traitement et utilisation [A 1 095].

1.1 Généralités

1.1.1 Principe de fonctionnement

Le mot LASER a été formé par les initiales de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, c’est-à-dire Amplification dela Lumière par Émission Stimulée du Rayonnement.

Le laser est essentiellement constitué de trois élémentsprincipaux :

— un milieu actif ou milieu amplificateur ;

— une source de pompage ;— un résonateur optique ou cavité optique.

La figure 1 représente le schéma général d’un laser.

1.1.1.1 Milieu actif

Atomes et lumière peuvent interagir mutuellement. Quand unatome est exposé à une radiation électromagnétique, sa distribu-tion de charge électrique est affectée périodiquement par l’énergiedes photons de la radiation. Par conséquent, un transfert d’énergiea lieu entre les photons et l’atome. Trois processus d’interactionpeuvent être envisagés.

Si l’on considère un atome pourvu des états quantifiés 1 et 2 quicorrespondent respectivement aux niveaux d’énergie E 1 et E 2

(E 1 < E 2) et si l’on suppose qu’il reçoit l’énergie d’un rayonnementqui interagit avec lui, alors l’énergie de l’atome passe de E 1 au niveauplus élevé E 2 . Ce processus s’appelle l’absorption ; il est réversibleet s’accompagne alors d’émission de lumière.

On sait que, seul, l’état fondamental est le plus stable. Cela signifiequ’après un certain temps, l’atome excité finit par retomber sponta-nément à l’état fondamental. Il restitue alors l’énergie E 2 – E 1 sousforme d’un photon de fréquence ν telle que hν = E 2 – E 1 . Ce phéno-mène s’appelle l’émission spontanée.

Figure 1 – Schéma des éléments essentiels d’un laser

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_____________________________________________________________________ TRAITEMENTS SUPERFICIELS PAR FAISCEAUX À HAUTE DENSITÉ D’ÉNERGIE


De plus, si l’atome excité est frappé par un photon provenant del’extérieur et ayant exactement la même énergie que celle du photondue à l’émission de E 2 et E 1 , il émet un second photon. Le photonémis et le photon incident ont exactement les mêmes caractéris-tiques (direction, fréquence, phase, polarisation). Ce processuss’appelle émission induite ou stimulée. On réussit l’émission laser

grâce à l’émission stimulée.Le constituant sur lequel on peut réussir l’émission laser est

appelé milieu actif du laser, et il peut être à l’état solide, liquide ougazeux.

1.1.1.2 Source de pompage

Selon la théorie des états d’énergie, l’inversion de population, quiest indispensable pour obtenir l’émission laser, exige l’excitation desatomes au niveau d’énergie supérieur. Elle peut être obtenue parl’intermédiaire d’une source extérieure d’énergie : c’est le pompage.Il y a actuellement de nombreuses méthodes de pompage (optique,électronique, thermique, chimique, par particules lourdes, par rayon-nement ionisant).

1.1.1.3 Résonateur optique

L’amplification de la lumière peut être obtenue non seulementgrâce à la puissance de la source d’excitation extérieure, mais aussien augmentant la longueur du milieu actif. Le milieu actif ayantévidemment une longueur limitée, il faut trouver un procédé quipermette d’exploiter plusieurs traversées du rayonnement stimuléà travers ce milieu amplificateur. Cela se produit en utilisant unecavité résonnante constituée de deux miroirs (figure 1), dont l’unsemi-réfléchissant laisse échapper une partie de l’émission laser touten renvoyant l’autre partie dans le milieu dont les atomes excitésproduisent de nouveau l’émission stimulée. Cette cavité s’appellerésonateur optique, puisque l’on travaille principalement dans ledomaine des fréquences des rayonnements infrarouge, visible ouultra-violet.

1.1.2 Caractéristiques des faisceaux

1.1.2.1 Cohérence

Il s’agit de la caractéristique la plus importante du faisceau laser,qui est elle-même la résultante des autres caractéristiques.

Le rayonnement est dit cohérent dans le temps et dans l’espace,si l’on peut calculer la phase de l’onde et son amplitude, à chaquemoment et à chaque endroit à partir des valeurs connues auparavant.

On distingue la cohérence temporelle et la cohérence spatiale.

1.1.2.2 Divergence

Les sources lumineuses conventionnelles émettent dans toutes lesdirections. Par conséquent, l’intensité décroît avec la racine carréede la distance. Dans le cas des lasers, à cause des propriétés durésonateur, il y a émission de la lumière uniquement très près etparallèlement à l’axe optique de la cavité.

1.1.2.3 Distribution énergétique dans l’espace.Mode de champ

La répartition de l’énergie dans la section d’un faisceau laserdétermine sa distribution d’énergie. La forme de la distribution del’énergie est déterminée par la configuration du résonateur (formedes miroirs, diamètre du tube, ouverture, etc.). Différentes formessont possibles sous le nom Mode Transversal Électromagnétiqueou TEMxy (Transverse Electromagnetic Mode ). Les indices x et y entiers positifs dénombrent les zones d’intensité le long des deuxaxes x et y perpendiculaires à la direction de projection z (ou z axedu faisceau). Ces indices transversaux représentent les modestransversaux du laser.

En ce qui concerne le laser à CO2 (§ 1.1.3.1), pour les faiblespuissances, le mode obtenu est en général le TEM00 qui est unerépartition gaussienne de l’énergie. Lorsque la puissance augmente,les répartitions énergétiques sont plus complexes et peuventprésenter des modifications dans le temps.

1.1.2.4 Densité de puissance.Modes de fonctionnement des lasers

L’intensité du faisceau laser peut être très grande car la puissancedélivrée est focalisée sur une très petite surface.

Le laser peut fonctionner en continu ou en impulsionnel. Pour lemode impulsionnel, l’énergie est délivrée par une seule ou par unesérie d’impulsions répétitives. Étant donné que la durée d’uneimpulsion peut être très courte (10–9 s), la puissance crête est trèsgrande (1 MW) même si l’énergie totale délivrée est très faible(10–3 J).

1.1.3 Types de laser utilisés pour les traitementssuperficiels

On donne dans ce paragraphe les caractéristiques principalesdes lasers les plus utilisés dans l’industrie qui sont par ailleursrésumées dans le tableau 1. (0)

1.1.3.1 Laser à CO2

Les longueurs d’onde d’émission des lasers à CO2 sont 10,6 µm(et éventuellement 9,6 µm), c’est-à-dire l’infrarouge lointain.

Le laser à CO2 peut fournir un faisceau laser d’une puissance dequelques watts jusqu’à 25 kW et même plus. C’est le laser le plusutilisé dans l’industrie. De plus, le laser à CO2 a un rendementénergétique plus élevé que celui des autres lasers (15 % en plus),ce qui présente aussi un avantage économique.

Le milieu actif d’un laser à CO2 est un mélange de CO2 (6 % en

volume), de N2 (12 % en volume) et de He (82 % en volume).Néanmoins, le rendement de ce type de laser peut être optimisé enchoisissant convenablement la composition du mélange gazeux.

Comme dans la plupart des lasers à gaz, l’excitation se fait parune décharge électrique. Cette décharge excite les molécules de N2qui vont transférer leur énergie aux atomes de CO2 (figure 2).

Ce type de laser peut aussi fonctionner en mode impulsionnel[impulsions par hachage du faisceau ou impulsions créées pardécharge (mode superpulsé)], en délivrant la puissance disponibleavec une fréquence de l’ordre de 1 kHz.

Tableau 1 – Caractéristiques des principaux lasersde puissance

CaractéristiqueLasers

CO2 YAG-Nd3+ Excimères

longueurd’onde...... (µm)

10,6IR lointain

1,06proche IR

0,193 0,351proche UV

milieu actif . ....... gaz : CO2 solide : Nd-YAG gaz : dimères

mode ................. continu

(impulsionnel)

impulsionnel

(continu)Impulsionnel

puissancemoyenne.... (W) 100 à 25 000 10 à 1 200 30 à 750

IR : infra-rouge UV : ultra-violet

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1.1.3.2 Laser YAG-Nd3+

La longueur d’onde d’émission des lasers YAG-Nd3+ est 1,06 µmc’est-à-dire que ce laser émet dans l’infrarouge proche.

Le néodyme Nd est un lanthanide trivalent. L’ion Nd 3+ est utilisécomme dopant dans un cristal dont le plus connu est un grenat

d’yttrium et d’aluminium (Y3Al5O12), en abrégé YAG (YttriumAluminium Garnet). La concentration atomique de Nd est généra-lement comprise entre 0,6 et 1,2 %. Le rendement énergétique dece laser, qui peut atteindre 3 %, est le plus élevé des lasers àsolides.

Le diagramme approprié des niveaux d’énergie est présenté surla figure 3.

Les lasers YAG-Nd3+ peuvent fonctionner en mode continu et enmode impulsionnel (relaxé ou déclenché).

En fonctionnement continu, les lasers YAG-Nd 3+ délivrent despuissances comprises entre 1 et 20 W en mode fondamental TEM00et 10 à 1 200 W lorsque plusieurs modes transversaux sont présents.

En fonctionnement impulsionnel, les lasers YAG-Nd3+ délivrent :— en régime déclenché (Q-switched ou giant pulse ), des impul-

sions d’une puissance crête très élevée (de l’ordre du GW) et dont

la durée est de 15 à 700 ns ;— en régime relaxé (non-Q-switched ou long pulse ou pulsed laser ), des impulsions de quelques joules à une fréquence variantde 1 à 200 Hz avec des durées comprises entre 0,1 à 20 ms, soitune puissance moyenne de 400 W.

1.1.3.3 Lasers à excimères

Des lasers à vocation purement scientifique, les lasers à excimères,entrent aujourd’hui dans le domaine des applications industrielles.

Le mot excimères est une contraction des mots anglo-saxonsexcited dimer qui s’explique par l’utilisation dans la cavité

résonnante du laser, d’un mélange d’un gaz rare et d’un halogène,excité électroniquement.

De telles molécules, qui dans leur état fondamental électroniquene sont pas liées ou sont faiblement liées, vont réagir ensemble lorsd’une décharge UV haute tension préionisée et pulsée. La cinétiquede la réaction est complexe (figure 4).

La durée de vie de la molécule excitée AB* n’est pas plus longueque 10 ns.

Après relaxation, les molécules excimères se dissocientimmédiatement.

Les longueurs d’onde d’émissions dans l’UV, qui sont déterminéesen fonction de la composition du mélange gazeux, sont :

XeCl : 308 nm XeF : 351 nm KrF : 248 nm ArF : 193 nm

Les lasers à excimères fonctionnent uniquement en modeimpulsionnel.

L’évolution de la puissance moyenne au cours des dernièresannées est très rapide. Les caractéristiques principales d’une sourcecommerciale de ce type de laser sont les suivantes :

— énergie par impulsion : 0,1 à 4 J ;— puissance moyenne : 30 à 750 W ;— fréquence d’impulsions : 20 à 500 Hz ;— durée d’impulsion : 10 à 50 ns.

1.2 Interaction faisceau laser-matière

1.2.1 Interaction thermique

Dans le cas de l’utilisation de lasers émettant dans l’IR (lasers àCO2 et YAG-Nd3+) et dans des gammes de puissances modérées

(< 104 W/cm2), les effets induits par l’interaction sont essentielle-ment thermiques.

Figure 2 – Premiers niveaux vibrationnels d’énergie de CO2 et N2et durée de vie des transitions (d’après A. Orsfag et G. Hepner)

Figure 3 – Niveaux de transition d’énergie de Nd dans le YAG(d’après A.E. Siegman) Figure 4 – Schéma des énergies potentielles d’une molécule excimère

(d’après A. Orsfag et G. Hepner)

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L’absorption joue un rôle très important dans le traitement desurface par laser, car elle détermine, pour une puissance donnéedu faisceau, le flux de chaleur absorbé par la pièce traitée.

L’absorption est fonction des paramètres qui sont liés (figure 5) :— au faisceau laser ;— à l’environnement ;— au matériau.

1.2.1.1 Paramètres liés au faisceau laser

Ce sont :— les facteurs énergétiques avec la répartition énergétique, la

dimension du spot et l’intensité du faisceau ;— la longueur d’onde ;— l’angle d’incidence ;— la vitesse de balayage du faisceau.

Facteurs énergétiques : au-dessous d’une intensité critique, spéci-fique du matériau et de l’atmosphère, le coefficient d’absorption pardes surfaces métalliques polies se situe entre 2 et 20 % (absorptionnormale au faisceau). Par exemple, dans le cas d’un acier deconstruction, la valeur du coefficient à 1 900 K est de 14 % environdans l’air.

Dans des gaz tels que l’azote ou l’argon, la densité de puissancecritique nécessaire à la création d’un plasma (vapeur du matériau+ gaz ionisé) se situe vers 109 W/cm2. Tant que ce plasma est encontact avec la surface, on observe un coefficient d’absorption deprès de 100 % (absorption anormale). Si la densité de puissanceest plus élevée, on constate un décollement du nuage de plasmaet l’absorption diminue à nouveau.

Longueur d’onde du faisceau laser : l’absorption de l’énergied’une onde électromagnétique par un métal est fonction de salongueur d’onde. La figure 6 représente l’évolution de l’absorptionpour un métal (cuivre) et pour un matériau isolant (saphir). L’énergiedu faisceau laser à CO2 est mal absorbée par les métaux, mais elleest par contre bien absorbée par les céramiques (ou le saphir,figure 6). Pour la plupart des matériaux métalliques, l’absorption esttrès grande pour les longueurs d’onde de lasers à excimères, à savoir

de l’ordre de 80 % au lieu de 5 % dans le domaine de l’IR. Angle d’incidence : l’absorption de l’énergie du faisceau laser parune surface métallique polie varie suivant l’angle d’incidence dufaisceau (figure 7). Pour un certain angle (angle de Brewster),l’absorption du rayonnement dans la direction parallèle au pland’incidence R p est maximale et celle dans la direction perpendicu-laire au plan d’incidence R s est nulle (effet Brewster). Dans lestraitements superficiels par laser, il faut tenir compte de cet effet.

Vitesse de balayage du faisceau : différents auteurs ont montréqu’il y a une relation entre les valeurs du coefficient d’absorption etla vitesse de balayage du faisceau (figure 8). La température atteintevarie en sens inverse de la vitesse de balayage.

1.2.1.2 Paramètres liés à l’environnement

Selon les applications, le milieu environnant peut être le vide, ungaz spécifique (par exemple, gaz de protection, § 1.3.3) ou de l’air,de la vapeur d’eau ou de la vapeur du métal, un liquide tel quel’eau ou le métal fondu, ou encore un solide, en particulier undépôt ou un film protecteur ou absorbant. Ce milieu peut intervenirpar sa température, sa pression, son activité chimique, sa natureoptique, sa nature ionique.

1.2.1.3 Paramètres liés au matériau

État de surface (rugosité) : l’absorption dépend de l’état de sur-face, notamment de la rugosité et de la présence des impuretés(créées généralement par les phénomènes d’oxydation). À titred’exemple, dans le tableau 2 sont présentées les valeurs de coeffi-cient d’absorption en fonction de quelques préparations de surfaceutilisées pour les traitements superficiels.

(0)

Figure 5 – Schéma de l’interaction thermique faisceau laser-matière(d’après J.P. et C. Girardeau-Montaut)

Figure 6 – Coefficient d’absorptionen fonction de la longueur d’onde des faisceaux lasers(d’après R. Dekumbis)

Figure 7 – Coefficient d’absorption en fonction de l’angle d’incidencedu faisceau laser pour une surface métallique polie (d’après R. Dekumbis)

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Couches absorbantes : le rôle des couches absorbantes estd’améliorer le pouvoir absorbant de la surface d’une part, etd’assurer la stabilité du couplage faisceau laser-matière, d’autre part.Ces dépôts sont choisis de manière à présenter une excellenteabsorption vis-à-vis de la longueur d’onde du laser et ils sont engénéral de couleur noire ou grise. De nombreux revêtementsabsorbants ont été utilisés : peinture noire, poudre d’oxydes métal-liques, graphite colloïdal, phosphate de zinc et de manganèse, etc...Le sablage de la surface à traiter est aussi une méthode très efficace

Propriétés thermiques : une fois le couplage faisceau-matièreassuré, la transmission volumique de l’énergie absorbée dépend descaractéristiques intrinsèques (conductivité thermique, capacitéthermique, etc.) du matériau considéré.

Structure et composition chimique : dans un solide, il y a denombreuses discontinuités (lacunes, dislocations, joints de grains)qui font diminuer la réflexion du matériau et influencent donc leprocessus d’absorption par leur présence et leur évolution au coursdes traitements par laser. De même, la composition chimique déter-mine le nombre d’électrons de valence et les réactions chimiquespossibles en surface.

Température : le coefficient d’absorption d’un métal peur varierconsidérablement avec la température ; il passe d’un facteur 2 à 5dans l’intervalle de température usuel pour des traitements de sur-face par laser (figure 9). Néanmoins, l’influence de la températureest variable suivant le matériau, la nature de la couche absorbante

et le type de laser utilisé.

1.2.2 Interaction photoélectronique

L’énergie d’un photon à 248 nm (laser à KrF) est 40 fois plus élevéeque celle d’un photon du laser CO2 (10 600 nm) et 4 fois plus élevéeque celle d’un photon du laser YAG-Nd3+ (1 064 nm). Ce fait favoriseun mécanisme d’interaction matière-irradiation UV plus direct que

celui de l’irradiation IR.Les lasers émettant dans l’IR se caractérisent par une interaction

principalement thermique avec le matériau, d’où un échauffementdu matériau en profondeur mais aussi latéralement, ce qui provoqueune transformation du matériau avec déformation (figure 10a ).

Par contre, les photons fortement énergétiques émis par leslasers à excimères interagissent avec les niveaux d’excitation élec-tronique de la couche adsorbée de tous les types de matériau, cequi peut provoquer une ionisation directe du matériau, une rupturedes liaisons ou une excitation électronique, en même temps qu’unéchauffement ultra-rapide du matériau et une transformation sansdéformation (figure 10b ).

Tableau 2 – Coefficient d’absorption pour différents étatsde surface

Préparation de surface Coefficient d’absorption

usinage fin : Ra = 1 µm 0,085

usinage grossier : Ra = 25 µm 0,18

sablage 0,35

Ra : rugosité arithmétique

Figure 8 – Coefficient d’absorption en fonction de la vitessede balayage du faisceau laser pour un acier à moyen carbone

(d’après J.H.P.C. Megaw et A.S. Kaye) (§ 1.2.1.3)

Figure 9 – Coefficient d’absorption en fonction de la températurepour un acier inoxydable (d’après J.P. et C. Girardeau-Montaut)

Figure 10 – Interaction photoélectronique faisceau-surfacemétallique (d’après H.W. Bergmann et E. Schubert)

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1.2.3 Interaction mécanique

Dans le cas de l’utilisation de lasers impulsionnels (lasers à CO2et YAG-Nd3+) et dans des gammes de densité de puissance élevées(> 108 W/cm2) et de temps d’interaction très courts (< 1 µs), leseffets prédominants induits par l’interaction sont mécaniques.

Dans ce type d’interaction, le principal intervenant est le plasmaqui se forme par vaporisation d’une partie de la surface du matériauirradié et qui, lors de sa détente, engendre un faisceau d’ondes decompression à l’intérieur du matériau, ondes qui se transformentrapidement en une onde de choc pouvant modifier la microstructureet susceptible de générer des contraintes résiduelles dans lematériau (§ 4.3.2).

1.3 Traitement et utilisationdu faisceau laser

1.3.1 Systèmes optiques

1.3.1.1 Nature des constituants du guidage du faisceau

en fonction de la sourceLa nature des constituants du guidage du faisceau est fonction

de la source utilisée (longueur d’onde).

Dans le cas des lasers à CO2 , le guidage du faisceau se fait parsystèmes optiques qui sont constitués par des miroirs et des lentilles.Les miroirs sont soit métalliques (Mo, Cu traité, NiCu), soit en siliciumtraité ou en séléniure de zinc (ZnSe). Les matériaux les plus utiliséspour les lentilles sont le ZnSe (le plus courant), Si, Ge, GaAs ou NaCl.

Dans le cas des lasers à excimères, les constituants optiques(lentilles, miroirs) sont en quartz.

Enfin, dans le cas des lasers YAG-Nd3+, le guidage du faisceau sefait habituellement par des fibres optiques (par exemple silice,oxyde de germanium ou de phosphore).

1.3.1.2 Systèmes optiques permettant l’obtention

d’une répartition énergétique homogènedans le faisceau

Afin de réussir les traitements par laser, le faisceau doit évidem-ment être guidé jusqu’à l’endroit précis à traiter et il faut si néces-saire modifier sa répartition énergétique initiale. Pour obtenir untraitement parfaitement régulier sur toute la zone traitée, il faut unedensité d’énergie régulière dans toute la largeur de la zone traitée.Divers systèmes optiques, plus ou moins sophistiqués, sont mis enœuvre pour traiter et guider le faisceau laser.

La figure 11 représente un système de miroirs qui permetl’obtention d’un faisceau de distribution énergétique de formerectangulaire, par décomposition et recomposition du faisceau derépartition énergétique initiale gaussienne (§ 1.1.2.3).

Des profils d’énergie rectangulaires selon les deux directions dela surface du matériau peuvent être réalisés à l’aide d’autres typesde montages. La figure 12a représente un système qui possèdedeux miroirs oscillants à une fréquence élevée dans deux direc-tions orthogonales, ce qui permet un traitement par balayage de lasurface à traiter. Grâce à ce système, on peut réaliser un traitement

uniforme sur une large surface. La figure 12b montre un miroirpossédant un grand nombre de facettes, dit miroir à facettes, quidécompose le faisceau en un certain nombre de faisceaux partielsqui, par recomposition sur la surface à traiter, fournissent un profild’énergie plus ou moins homogène.

D’autres systèmes optiques spécifiques ont également été déve-loppés pour traiter des surfaces complexes. Deux exemples sontreprésentés sur la figure 13 dans le cas du traitement des surfacescylindriques intérieure et extérieure en utilisant des miroirs toriques.

D’autres techniques permettent d’obtenir plus efficacement deséclairements homogènes, notamment l’utilisation d’un kaléïdoscopequi est fondée sur le principe d’homogénéisation par segmentation-recomposition.

Figure 11 – Faisceau modulé pour avoir une répartition énergétiquerectangulaire (d’après M. Inagaki, R. Jimbou et S. Shiono)

Figure 12 – Faisceau modulé pour avoir une répartition énergétiquerectangulaire dans deux directions(d’après D.N.H. Trafford, T. Bell, J.H.P.C. Megaw et A.S. Bransden)

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1.3.2 Moyens d’apport superficiel de matière

Dans le cas de traitement de surface avec apport de matière (§ 4.1.2et 4.2.3), la matière à déposer peut être apportée sous différentesformes.

Apport par dépôts préalables : les éléments à apporter sontdéposés sur la surface par voie électrolytique (cas du chrome, nickel,fer, molybdène, aluminium, etc.), par métallisation thermique (casdes alliages complexes), par spray (cas du nitrure de bore et dugraphite colloïdal), par projection plasma (cas des poudres métal-liques ou poudres d’alliages complexes) ou par application directesur la surface de feuilles, de pâtes ou de poudres. Le faisceau laserva permettre la réalisation de différents types de traitement (§ 4.2.2,4.2.3 et 4.2.4).

Apport par fil ou baguette : les éléments d’alliage à introduire ensurface peuvent être aussi déposés par fil ou par baguette. Lefaisceau laser et focalisé sur la baguette et par conséquent, le tauxde dissolution du matériau d’apport dans le matériau à traiter estfaible. L’intérêt de cette technique est de pouvoir réaliser des dépôtstrès localisés avec un rendement très élevé.

Apport par injection sous forme pulvérulente : le rechargement

consiste à injecter une poudre de particules dures dans le bain demétal préalablement fondu en surface, à l’aide d’un faisceau laser depuissance. La poudre est acheminée dans la buse par un gaz porteuravec un débit constant, grâce à un distributeur de poudre classique-ment utilisé en général en projection plasma (article Revêtements par projection thermique [M 1 645] dans le présent traité). Cet appareildoit être calibré avant les essais de rechargement, pour chaque typede poudre utilisée. Il existe deux systèmes principaux de recharge-ment par laser avec injection de poudres, comportant plusieurs solu-tions technologiques. Ceux deux systèmes sont schématisés sur lafigure 14. Les techniques pour lesquelles la poudre est délivréecoaxialement au faisceau laser présentent deux avantages : latendance des particules de la poudre à s’éloigner de la zone de traite-ment est réduite et les particules sont préalablement chauffées parle faisceau.

1.3.3 Atmosphères de traitement

Pendant les traitements de surface par laser, la zone superficiellede traitement est couverte par un flux gazeux qui est utilisé dansdeux buts :

— pour protéger la surface contre l’oxydation et en même tempsaméliorer la qualité du traitement (aspect de surface, profondeurde traitement, étendue du champ thermique) ;

— pour réaliser les traitements réactifs (carburation, nitruration),comme on le verra plus loin (§ 4.1.2).

Le flux gazeux peut être amené à la surface à traiter suivantplusieurs méthodes :

— par un ou plusieurs tuyaux (figure 15) qui sont reliés à la busedu laser et par conséquent au mouvement du faisceau laser ou quisont découplés de la buse mais montés sur dispositif expérimentalde façon que la surface irradiée soit toujours couverte par un flux

gazeux ;— par une enceinte de traitement (par exemple en graphite) qui

porte à sa surface supérieure une fente étroite, mais d’une largeursuffisante pour que le faisceau puisse pénétrer à l’intérieur ; lesparois latérales sont munies de deux trous permettant le passagedes tuyaux d’amenée du gaz de protection qui est introduit à l’inté-rieur de l’enceinte avec un débit suffisant pour créer une atmosphèreinerte.

Figure 13 – Exemples de traitements de surfaces cylindriques

(d’après O.A. Sandven, A.B. Vannes et Y. Guan)

Figure 14 – Dispositifs expérimentaux pour le rechargement par laser(d’après l’Établissement Technique Central de l’Armement)

Figure 15 – Différentes techniques d’apport gazeux(d’après W.M. Steen)

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Les gaz employés sont principalement : N2 , Ar et He. Néanmoins,suivant le matériau, le type de traitement et le résultat exigé, onutilise d’autres gaz comme par exemple : Ar ou N2 hydrogéné, CO2 ,etc.

Enfin, des traitements superficiels par laser peuvent être réaliséssous vide (partiel ou complet), ou dans des enceintes fermées, mais

pour des applications très spéciales (LCVD, § 4.3.1, ou ablation parlaser à excimères) et limitées (traitements à l’échelle de laboratoireuniquement).

2. Faisceau d’électrons

Le traitement superficiel par faisceau d’électrons est une techno-logie parmi les plus avancées pour l’amélioration des propriétéssuperficielles des matériaux métalliques.

À l’aide de cette technique, on peut réaliser presque toute lagamme des traitements superficiels, c’est-à-dire aussi bien les traite-ments en phase solide (durcissement, revenu, trempe, traitementsréactifs) qu’en phase liquide (refusion, densification des matériauxporeux, revêtements et alliages de surface, glaçage, traitementsréactifs).

Les résultats positifs des recherches de base et des applicationsindustrielles ont considérablement contribué au développementultérieur de cette technique, déjà confirmée par le nombre trèsimportant des travaux s’y rapportant.

Ces travaux concernent :— le développement du procédé ;— l’élaboration des méthodes spécifiques pour la manipulation

du faisceau ;— l’optimisation des paramètres du procédé du point de vue

technique et économique, en relation avec des applicationsnouvelles ;

— l’utilisation des différents traitements physiques et chimiqueset leurs effets sur les matériaux traités.

2.1 Production des faisceaux d’électrons

Les canons à électrons habituellement utilisés peuvent délivrerune puissance maximale de plusieurs kilowatts (50 kW ou plus), entravaillant sous un voltage d’accélération de plusieurs dizaines dekilovolts (jusqu’à 150 kV).

L’énergie des électrons est de l’ordre de 30 keV et la densité depuissance délivrée est supérieure à 107 W/cm2.

La technique du faisceau d’électrons a besoin nécessairement d’unvide, habituellement de 10– 4 torr (10–2 Pa), parce que les électronspeuvent être ralentis et absorbés par l’air.

Les caractéristiques typiques d’une installation à faisceau

d’électrons sont :— la modulation et le contrôle très précis de la puissance et del’intensité du faisceau ;

— la faible inertie et les faibles pertes lors de la déviation et dela modification de la forme du faisceau, à l’aide de moyensélectriques et de fréquences supérieures à 100 Hz ;

— la stabilité temporaire et la reproductibilité élevée de la distri-bution énergétique dans le faisceau ;

— l’absorption énergétique indépendante des propriétés optiquesde la surface à traiter ;

— l’utilisation du vide (secondaire ou élevé) ;— l’unique consommation d’électricité et d’eau de refroidisse-

ment.

Le volume des enceintes de traitements est très variable et dépenddes dimensions des pièces à traiter. Néanmoins, la technique nepermet pas de traiter des pièces très volumineuses.

Enfin, le rendement énergétique de l’installation peut atteindre90 %.

2.2 Interaction faisceau d’électrons-matière

Les électrons du faisceau transmettent leur énergie cinétique à lasurface du matériau métallique à traiter, d’où une ionisation desatomes et une projection de particules de la matière.

Il y a un meilleur couplage faisceau-matière dans le cas du traite-ment par faisceau d’électrons que dans celui par faisceau laser. Lafigure 16 montre le profil d’absorption de l’énergie par les deuxtypes de faisceaux à travers le matériau traité.

En effet, d’après cette figure, on constate que l’énergie desélectrons est absorbée par une couche d’une épaisseur beaucoupplus grande que pour l’énergie photonique. Une surface métallique(acier) absorbe 75 % environ de l’énergie incidente du faisceau

d’électrons, les pertes dues principalement à la rétrodiffusion desélectrons.

Un dépôt n’est donc pas nécessaire pour améliorer le coefficientd’absorption et assurer la réalisation du traitement par faisceaud’électrons, ce qui est le cas pour les traitements par laser et surtoutpour les traitements à l’état solide.

Néanmoins, par la suite, le transfert d’énergie s’effectue sousforme thermique et les conséquences métallurgiques, et doncmécaniques, sont presque identiques à celles du laser. Cependant,dans le cas du traitement par laser, la morphologie de la surfaceainsi que sa composition sont beaucoup plus importantes quedans le cas du traitement par faisceau d’électrons.

2.3 Utilisation des faisceaux d’électrons

Le faisceau, piloté automatiquement par un mini-calculateur,balaie la surface à traiter soit de manière continue en courbes deLissajous, soit de manière ponctuelle par impulsions d’énergie. Cettedernière méthode est préférée à cause de la souplesse donnée autraitement.

Figure 16 – Allure du profil d’absorption d’énergiefournie par faisceau laser et faisceau d’électrons

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Ainsi, on peut programmer des formes compliquées et fairevarier la profondeur de traitement sur une même pièce en jouantsur la densité d’énergie. Pour un canon à électrons type, on peuttraiter en une fois une surface de 10 à 20 cm2 et plus, si l’ondéplace la pièce par rapport au canon. L’épaisseur traitée peutatteindre 0,1 à 2,5 mm.

Le fait que le traitement se réalise sous vide conduit à l’obtentionde surfaces traitées exemptes d’oxydation. De plus, malgré l’exis-tence du vide, le procédé se prête à un chargement automatisé despièces à traiter.

La focalisation du faisceau, son déplacement et sa puissance sontcontinuellement contrôlés à l’aide d’une commande numérique, cequi permet, par conséquent, de vérifier les cycles thermiquesdéveloppés et les modifications produites.

Le canon à électrons permet la programmation de la déviationdu faisceau en deux directions avec :

— un balayage ponctuel (figure 17a ) de fréquence moyenne ;— un balayage linéaire (figure 17b ) de fréquence élevée, de

l’ordre de 1 à 100 kHz, technique la plus courante appelée high speed scan technique HSS ;

— un balayage surfacique de fréquence très élevée, techniqueappelée high speed scan field technique HSSF.

L’obtention d’un balayage surfacique (jusqu’à 50 × 50 mm2) deforme rectangulaire, ou d’autres figures de dimensions variées, estfacile grâce à la fréquence de balayage très élevée du faisceausuivant les deux axes X et Y . On peut également ajouter un pré oupost-chauffage de la surface traitée.

Les paramètres du traitement sont donc : la densité énergétique,la fréquence du faisceau et la vitesse de déplacement de la pièceà traiter.

Enfin, il faut noter que les traitements par injection de poudre sontimpossibles pour le procédé des faisceaux d’électrons, parce queles particules de la poudre injectée sont électrisées par le faisceaud’électrons et se repoussent mutuellement.

3. Effets thermiques,métallurgiqueset mécaniques

La figure 18 présente le diagramme couplé des effets induits lorsdes traitements superficiels par faisceaux à haute densitéd’énergie FHDE (faisceau laser ou faisceau d’électrons). Cette figureillustre l’interaction, sous forme de triangle, entre l’état thermique(température), l’état métallurgique (transformations métallurgiquesou changements de phases) et l’état mécanique (contraintes etdéformations).

Dans la plupart des travaux existant dans la littérature, on s’occupeà modéliser uniquement le changement de phase par effet detempérature et les contraintes induites par ce changement de phase,les autres étant à la fois négligeables et difficiles à prendre encompte.

3.1 Effets thermiquesIl s’agit d’établir un modèle permettant de calculer les tempéra-

tures, d’en déduire les transformations métallurgiques et de validerce modèle par des mesures expérimentales. La prédiction des cyclesthermiques dans une pièce pendant le traitement par faisceau laserou faisceau d’électrons peut aider à prévoir la microstructure et ladistribution de la microdureté dans celle-ci, par la connaissance descourbes T T T (Température-Temps-Taux de transformation),TTA (Température-Temps-Austénisation) et TRCS (Transformationen Refroidissement Continu lors du Soudage) (article Transforma- tions dans les aciers [M 1 115] de ce traité).

Après irradiation par FHDE, le transfert thermique se fait parconduction de la chaleur vers l’intérieur du matériau et parconvection et rayonnement aux surfaces limites extérieures. Eneffet, le refroidissement qui suit le chauffage est imposé par le

volume du métal non affecté par la chaleur, qui joue le rôle de puitsd’évacuation de calories (phénomène d’autotrempe de la couchetraitée).

Figure 17 – Principes de traitement superficielpar faisceau d’électrons (d’après P.R. Strutt)

Figure 18 – Effet de température – changement de phase – contraintelors d’un traitement superficiel par FHDE

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Certains modèles ont été élaborés dans le but de déterminer lescinétiques de chauffage et de refroidissement et donc les profon-deurs susceptibles d’être durcies en fonction des conditions du traite-ment par FHDE. Il existe des modèles analytiques et numériques enune, deux et trois dimensions. Les gradients thermiques à l’intérieurde la pièce traitée provenant uniquement de la conduction, tout

modèle doit avoir pour base une solution appropriée de l’équationde conduction de la chaleur.

La profondeur durcie est un paramètre très important pour letraitement superficiel par laser, car elle est liée à la microdureté,aux contraintes résiduelles induites, à la tenue à la fatigue et à larésistance à l’usure. L’estimation de cette profondeur passe parl’utilisation des formules empiriques. Néanmoins, il est très difficilede trouver un modèle général.

Pour le traitement superficiel par laser de l’acier, différentschercheurs ont proposé la relation suivante :

avec A, B constantes définies expérimentalement et dépendantdes propriétés thermiques du matériau traité,

P puissance laser,

e profondeur durcie,

v b vitesse de balayage.

Cette fonction s’accorde très bien avec les résultatsexpérimentaux.

Par contre, dans le cas du traitement superficiel par laser de lafonte, la profondeur durcie varie linéairement avec la vitesse dedéplacement du laser.

3.2 Effets métallurgiques et mécaniques

La très grande densité d’énergie que procurent le faisceau laseret le faisceau d’électrons engendre des vitesses de chauffage trèsimportantes et, par conséquent, les temps d’interaction faisceau-

matière sont très courts. L’hétérogénéité des phases métallurgiquesaprès transformation associée au gradient de température crée unchamp de contraintes résiduelles.

Par rapport à d’autres traitements thermiques, le traitement super-ficiel par FHDE concerne des plages des diagrammes de trans-formation au chauffage comme au refroidissement, peu exploitées.On sait que l’influence des transformations métallurgiques sur lecomportement mécanique est primordiale dans un tel problème, enraison notamment des phénomènes de plasticité.

L’existence d’un champ de contraintes résiduelles convenables,induites par le traitement superficiel par FHDE, peut améliorer larésistance à la fatigue, à la corrosion et à l’usure-frottement de lasurface traitée. Les contraintes résiduelles s’ajoutent aux contraintesappliquées de l’extérieur et font varier le comportement mécaniquedu matériau.

4. ApplicationsDès que le laser a été créé, la perspective de son impact industriel

est apparue rapidement. Après presque 30 ans de développement,le laser a trouvé beaucoup d’applications industrielles, comme ledécoupage, le perçage, le soudage et les traitements superficiels.Actuellement, le laser est la seule source de chaleur disponible, per-mettant d’obtenir des densités de puissance dans l’air très élevées(de l’ordre de 108 W/cm2). Par conséquent, les procédés par faisceaulaser et ceux par faisceau d’électrons, qui sont moins récents, sontsouvent meilleurs que toutes les autres méthodes lorsque l’onrecherche des gradients importants de température.

Puisqu’on peut focaliser un faisceau à haute densité d’énergieFHDE par des éléments optiques selon une tache d’un diamètrevariable, on peut obtenir des densités de puissance différentes. Unautre paramètre important est le temps d’interaction faisceau-matériau. En faisant varier ces deux paramètres, on peut aboutir àdes applications différentes. La figure 19 donne le domaine des

différentes applications industrielles des lasers en fonction de ladensité de puissance et du temps d’interaction utilisés.

Dans le tableau 3 sont représentés les différents types de traite-ments superficiels par FHDE, suivant le faisceau préférentiellementutilisé et les profondeurs affectées par le traitement. Les principauxtypes de traitements seront détaillés dans ce paragraphe.

4.1 Traitements superficielsen phase solide

Dans ce cas, il s’agit de chauffer par un faisceau à haute densitéd’énergie une couche superficielle du matériau à traiter, sansatteindre la fusion en surface. Ce chauffage et le refroidissementrapide qui le suit conduisent à créer des transformations telles que

la transformation martensitique dans le cas des alliages ferreux etdes alliages de titane, le durcissement structural superficiel (suivid’un revenu) dans le cas des alliages légers, la restauration et lerecuit. La diffusion des éléments constituant le matériau, pendantla phase de chauffage est responsable de ces traitements.

Le traitement en phase solide est utilisé principalement dans lecas des alliages ferreux (aciers et fontes) qui subissent la trans-formation martensitique permettant d’obtenir une dureté très élevéeen surface. Dans ce cas de traitement, il s’agit d’une trempe super-ficielle. Avec l’apport et la diffusion d’un élément extérieur (carboneou azote), ce traitement est appliqué aux aciers et surtout aux alliagesde titane.

Par contre, dans le cas des alliages légers, la diffusion des élémentsconstituants étant plus lente que celle du carbone des alliages ferreux(transformations diffusionnelles très limitées), les traitements parFHDE à l’état solide sont peu intéressants.

Le durcissement par transformation de phases peut être effectuéavec les trois types de laser et le faisceau d’électrons. La différencedes profondeurs traitées que l’on observe est due aux différentsordres de grandeurs du temps d’interaction faisceau-matière et dela densité d’énergie utilisés.

(0)

e AP / v b1/2

B +=

Figure 19 – Applications industrielles des faisceaux lasers(d’après R. Streiff)

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Les avantages de ce type de traitement par rapport aux autrestraitements employés sont la faible distorsion, les faibles contraintesthermiques induites dans le substrat, la définition exacte de la zoneà traiter, une grande flexibilité et une bonne reproductibilité.

Les inconvénients de ce traitement sont la préparation de la sur-face à traiter et la chute de la dureté dans les zones de recouvrementde passes successives du faisceau.

4.1.1 Sans apport de matière

4.1.1.1 Alliages ferreuxLe durcissement superficiel par FHDE est largement étudié pour

différentes familles d’aciers (non alliés, alliés, inoxydables, à outils)et des fontes (à graphite lamellaire ou à graphite sphéroïdal GS).Les couches superficielles traitées peuvent atteindre 0,2 à 3 mmd’épaisseur et présentent une dureté considérablement augmentée.Leur comportement en corrosion, fatigue et usure peut être nette-ment amélioré.

4.1.1.1.1 Mécanismes des transformations produites

Lorsque le faisceau énergétique interagit avec la surface dumatériau, une partie de son énergie est absorbée par celle-ci. Alors,pour un cas, d’école, la température au voisinage de la surfaceaugmente rapidement et porte une fine couche de la matière à l’étatausténitique, sans affecter le reste de la masse du matériau. Puis,une fois le faisceau passé, la surface se refroidit rapidement parconduction de la chaleur dans le volume de la pièce traitée. Et lacouche mince en surface devient de la martensite, qui est dure.

Dans la zone superficielle traitée par FHDE, on obtient desmartensites claire et sombre , dont la microdureté varie comme surla figure 20. L’augmentation de la dureté de la martensite claire estdue à l’accroissement de la richesse en carbone provenant de ladiffusion limitée du carbone à partir de l’ancienne perlite vers lecentre des plages de ferrite pauvre en carbone. On peut expliquerd’une manière analogue la décroissance régulière de la dureté dela martensite sombre qui s’appauvrit en carbone quand on s’éloignede la surface. La chute de dureté de la martensite claire provient deson hétérogénéité et de régions localement à forte teneur encarbone, ce qui peut provoquer la présence d’austénite résiduelleaprès refroidissement.

Comme pour les traitements thermiques classiques, la trempabi-lité par laser d’un métal est en particulier fonction de sa teneur encarbone.

Les matériaux ferreux pouvant subir une trempe par des traite-ments classiques sont de bons candidats pour subir une trans-formation superficielle par FHDE. Ainsi donc, si l’on veut utiliser unefonte pour effectuer un traitement de durcissement superficiel parFHDE, ce doit être une fonte à matrice perlitique. En effet, la fonteà matrice ferritique ne peut pas être durcie après traitement de trans-formation par laser, car la teneur en carbone de la matrice de cette

Tableau 3 – Traitements de surface par FHDE

Type de procédé

FHDE préférentiellement utiliséProfondeur

traitéeLaser

à CO2

Laser

YAG-Nd3+

Laser

à excimères

Faisceau

d’électronsEn phase solideSans apport de matière

— Restauration. Adoucissement............. × × 0,1 à 2 mm— Recuit .................................................... × × × 0,1 à 3 mm— Durcissement........................................ × × 0,2 à 3 mm

Avec apport de matière— Traitements réactifs ............................. × × 1 à 30 µm

En phase liquideRefusion sans apport de la matière

— Refusion simple.................................... × × × × 0,1 à 3 mmRefusion avec apport de la matière

— Refusion de revêtements..................... × × 1 à 7 mm— Alliages de surface............................... × × × × 0,1 µm à 2 mm

Amorphisation............................................... × × × 1 à 50 µm

En phase gazeuseLaser Chemical Vapor Deposition ................ × × × 0,1 à 20 µmDurcissement par choc laser ........................ × × 0,1 à 3 µm

Figure 20 – Évolution de la microdureté des martensites claireet sombre (d’après A. Mulot et J.P. Badeau)

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fonte étant très faible, il faut un temps d’interaction très long pourque la diffusion du carbone provenant du graphite libre puisse avoirlieu, ce qui est impossible en raison du temps de maintien très bref dans le domaine austénitique.

Comme dans le cas de la refusion superficielle des fontes par FHDE(§ 4.2.2.2), après un traitement par transformation sans fusion super-

ficielle, la surface traitée est fortement durcie. La microdureté de lacouche traitée peut atteindre 900 à 1 000 HV. La profondeur durcieest fonction des paramètres du traitement.

4.1.1.1.2 Contraintes résiduelles

Le plus souvent, la résistance à la fatigue est améliorée grâce àdes contraintes résiduelles de compression dans la couche traitée.

Dans le cas du traitement par FHDE de l’acier de teneur moyenneen carbone, des contraintes de compression existent dans la couchetraitée et conduisent à une amélioration de la résistance à la fatigue.Il semble qu’une densité de puissance moins importante et un tempsd’interaction plus long soient nécessaires pour produire descontraintes résiduelles de compression dans l’acier XC 45 de plusforte teneur en carbone.

En ce qui concerne le traitement superficiel par FHDE des fontes,

un modèle intéressant pour analyser l’apparition des contraintesrésiduelles dans la couche traitée est proposé (figure 21a , b et c ).Dans ce modèle, la section de la pièce traitée par laser est diviséeen trois parties (figure 21a ) : la zone durcie par laser (zone A), lazone non durcie (zone B) et la zone non affectée (zone C). Le cycledu traitement est divisé en cinq domaines (figure 21b ). Lafigure 21c décrit l’origine des contraintes correspondant à chaquedomaine. La figure 21d représente les contraintes résiduelles dansla couche traitée par laser d’une fonte GS qui confirme la descriptiondu modèle mentionné.

4.1.1.1.3 Comportement en fatigue

Dans l’industrie automobile, on utilise le traitement superficiel parlaser des fontes perlitiques afin de traiter des arbres à cames, desvilebrequins, des engrenages et d’autres pièces qui demandent unehaute résistance à la fatigue. Malheureusement, il y a peu de publi-

cations en ce domaine. Selon des études concernant la résistanceà la fatigue des fontes GS et des fontes grises traitées par laser depuissance, bien que des contraintes résiduelles de compression sedéveloppent dans la couche traitée par laser, ces fontes ne présententpas d’amélioration de leur résistance à la fatigue. La figure 22 repré-sente les résultats de la limite d’endurance pour la fonte GS traitéepar laser et pour celle non traitée. Il a été trouvé que la profondeurdurcie influe très peu sur les propriétés en fatigue. Il a été constatéaussi que la diminution de la limite d’endurance, suite au traitementlaser de la fonte GS, est inférieure à celle de la fonte grise ; ceci estdû à la différence de la concentration des contraintes dans les deuxfontes (la fonte GS est ductile alors que la fonte grise à graphitelamellaire ne l’est pas).

Dans l’essai de fatigue, si la contrainte imposée est assez impor-tante, la fonte traitée par laser a la même endurance que celle nontraitée.

Le traitement de la trempe superficielle par laser des aciers alliés(35 CD 4, 35 CDV 13, 35 NCD 16) crée des couches traitées mises encompression (jusqu’à 400 MPa) et dont le comportement en fatigue(flexion rotative) est amélioré d’environ 15 %. En outre, le mêmetraitement appliqué aux aciers XC 42 et 42 CD 4 conduit à uncomportement en fatigue tout à fait comparable à celui de la carbo-nitruration des mêmes aciers.

4.1.1.1.4 Comportement en usure-frottement

De nombreux travaux montrent que l’amélioration de la tenue enusure des aciers et des fontes, après trempe superficielle par FHDE,est remarquable (figure 23). En effet, elle est bien supérieure àcelle obtenue après traitement classique de trempe et deux foisplus grande que celle obtenue après traitement de durcissementpar induction.

4.1.1.2 Alliages de titane

L’alliage de titane le plus étudié est le TA 6 V, de structure α + β.Cet alliage après trempe superficielle par laser donne une structuremartensitique aciculaire du type α’.

Après traitement par laser, la résistance en usure-érosion estsupérieure à celle du matériau non traité (effets combinés de lacouche et du substrat) bien que, contrairement aux aciers, sa tenueen fatigue ne se soit pas améliorée.

Figure 21 – Étude de contraintes résiduelles après traitementpar laser (d’après P.A. Molian)

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4.1.2 Avec apport de matière

L’intérêt d’un traitement superficiel par laser de l’alliage detitane TA 6 V consiste au traitement avec apport d’un gaz (méthane,azote) ou d’un élément (C, N, B) sous forme de spray préalablementdéposé sur la surface à traiter, afin de former des carbures, des

nitrures et borures de titane en surface, par diffusion des élémentsd’addition dans la microstructure du substrat (carburation, nitrura-tion et boronitruration).

En utilisant la technique de l’apport par voie gazeuse, pour desdensités de puissance relativement faibles (5 × 103 W/cm2) et pourdes temps d’interaction assez longs (quelques secondes), descouches superficielles traitées ont été obtenues d’une épaisseur de1 à 2 µm. Pour augmenter l’épaisseur de la couche traitée, plusieurspassages du faisceau peuvent être effectués au même endroit et onobtient des couches traitées d’une dureté très élevée, de l’ordrede 2 000 HV.

En utilisant la technique de l’apport par spray, les couchesobtenues peuvent atteindre plusieurs micromètres d’épaisseur (10à 30 µm), avec un seul passage du faisceau, mais leur dureté estmoins élevée (1 400 HV).

Des essais d’érosion pas trop sévères, réalisés sur les couchesnitrurées et boronitrurées par laser, montrent que ce type de traite-ment est intéressant.

4.2 Traitements superficiels en phase liquide

4.2.1 Généralités

Du fait de leur nature, les faisceaux à haute densité énergétiquesont plus appropriés à une fusion rapide qu’à un durcissement partrempe superficielle (§ 4.1). C’est pourquoi, dès les années soixante,on a commencé à étudier l’effet d’un traitement de refusion super-ficielle avec ces sources, sur différents matériaux.

Les alliages métalliques fondus et rapidement solidifiés s’écartentcomplètement de l’état d’équilibre du point de vue constitution et

morphologie et sont très finement cristallisés ou amorphes (verresmétalliques).

L’obtention de couches superficielles dures et résistantes à l’usure,liées au substrat par fusion, relativement épaisses et exemptes depores et de fissures, présentant des résistances dynamiquesconsidérablement améliorées, est possible.

Les mécanismes intervenant dans les procédés du traitementsuperficiel en phase liquide sont liés principalement à trois phéno-mènes : la diffusion des éléments, les mouvements de convectiondans le bain fondu et le principe de la solidification rapide de la zonerefondue.

4.2.1.1 Mouvements de convection dans le bain fondu

Dans le bain superficiel fondu par FHDE, un gradient de tempé-rature existe entre la zone axiale et la périphérie de celui-ci. À causede ce gradient thermique, des forces de tension superficielle, deviscosité et de gravité se développent (figure 24), ce qui conduit àl’apparition des mouvements de convection dans ce bain fondu.

Remarque : nous traiterons plus loin (§ 4.2.2.4) de la trempeen phase solide des alliages frittés car pour ces alliages, ce trai-tement présente les mêmes caractéristiques que la refusion sim-ple en phase liquide.

Figure 22 – Courbes de Wöhler pour une fonte GS (d’après P.A. Molian)

Figure 23 – Taux d’usure et coefficient de frottementen fonction du temps (d’après L.N. Obishchenko et al )

Figure 24 – Forces dans le bain fondu par FHDE

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Dans le cas général, lors du traitement de fusion superficielle, lesforces de tension superficielle tirent le liquide vers la périphérie dela tache d’impact alors que les forces de gravité le ramène vers lecentre par les couches profondes du bain. Le mouvement résultantest contrecarré par les forces de viscosité. Les forces de tensionsuperficielle sont responsables de la rugosité de la surface

resolidifiée obtenue (par exemple, la présence des rides, qui cor-respondent au matériau gelé en surface lors du traitement).

À cause des phénomènes décrits ci-avant, la forme du bain fondupeut changer en fonction des paramètres opératoires du traitement(densité de puissance, temps d’interaction), de l’efficacité du bras-sage dans le bain liquide et des courants de convection pour l’homo-généisation de l’alliage formé.

Pour des vitesses de balayage v b faibles, le bain a une formehémisphérique. Pour des vitesses élevées, le bain prend la formed’une larme (figure 25).

4.2.1.2 Principe de la solidification rapide de la zone refondue

Lors du passage à l’état liquide, la viscosité du métal fondudevient très faible et des phénomènes de tensions superficiellesapparaissent, ce qui pourrait conduire à des phénomènes défavo-

rables, comme par exemple une dégradation de l’état de surface.Le processus de la solidification est caractérisé par trois para-mètres importants :

— la vitesse de refroidissement v r = dT /dt (T température ett temps) ;

— la vitesse de solidification v s = dx /dt (x déplacement du frontde solidification) ;

— le gradient de température G = dT /dx à l’interfaceliquide/solide.

La relation entre ces trois paramètres est représentée par laformule suivante :

v r = v s G

En fonction des valeurs prises par ces paramètres, on obtient desmicrostructures différentes lors de la solidification. La figure 26représente la relation entre les morphologies de solidification, le

gradient de température G et la vitesse de refroidissement v r .La vitesse de refroidissement v r est importante pour déterminerl’échelle microstructurale (finesse) de la structure d’une mêmemorphologie. Par contre, c’est le rapport du gradient detempérature G avec la vitesse de solidification v s qui détermine letype de la morphologie de la structure de solidification (avec ou sansségrégation des éléments extérieurs et des impuretés). L’accroisse-ment de ce rapport cause un changement progressif du type de soli-dification, dans l’ordre suivant : plane, dendritique, cellulaire. Ledomaine de la stabilité absolue correspond au cas où v s est tropimportante pour que la diffusion de différents éléments de l’alliagedans le métal fondu ait le temps d’avoir lieu.

Par ailleurs, pour calculer la vitesse de refroidissement, plusieurschercheurs ont proposé des formules empiriques appliquées à larefusion par FHDE des différents matériaux, pratiquement équiva-lentes, donnant des valeurs : v r = 104 à 106 oC/s pour : d = 0,1 à 4 µm

(d étant l’espace interdendritique ou le diamètre des cellules,figure 26).

4.2.2 Refusion simple (surface melting )

4.2.2.1 Généralités

L’énergie absorbée par la surface du matériau à traiter entraînela fusion de la couche superficielle dont le refroidissement rapideconduit à des structures de solidification diverses (solutionssursaturées, phases métastables, structures à cristaux extrêmementfins ou amorphes, dispersion homogène de fins précipités

Figure 25 – Forme du bain fondu pendant la fusion superficiellepar FHDE pour des vitesses de balayage v b élevées (d’après B.L. Mordike)

Figure 26 – Relation entre les morphologies de solidification,la vitesse de solidification v s , le gradient de température G

et la vitesse de refroidissement v r

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et des composés intermétalliques, raffinement d’une structuredendritique, etc.). La formation de phases métastables conduit àl’amélioration des propriétés tribologiques de la surface et limite enmême temps le problème classique de leur adhérence. En outre, laporosité en surface des pièces moulées peut être éliminée à l’aidede ce traitement.

Les couches superficielles ainsi traitées peuvent présenter unetrès grande dureté et une excellente résistance à la corrosion et àl’usure.

Contrairement au cas de la trempe superficielle (§ 4.1), l’absorp-tion est suffisamment élevée en raison des températures moyennesatteintes (parfois, en surface, proches de la température d’évapo-ration), ce qui fait que l’application d’une couche d’absorption à lasurface à traiter dans le cas du faisceau laser n’est pas forcémentnécessaire. En outre, étant donné les températures atteintes lors dece traitement, il faut bien choisir la préparation de surface à réaliser,pour ne pas introduire dans la structure du substrat des élémentsqui joueront un rôle néfaste à la tenue mécanique du matériau ainsitraité (par exemple, bore sur la fonte).

L’atmosphère environnante est importante, car des réactionschimiques peuvent se produire. Les paramètres du traitement(§ 1.2.1) imposent la géométrie et l’homogénéité du bain de fusion.

Ce traitement n’occasionne pratiquement ni déformation ni chauf-fage du matériau de base. Enfin, il ne nécessite presque pas dereprises d’usinage des surfaces traitées.

Les métaux qui présentent une réflectivité élevée, comme lemolybdène, le cuivre et le tungstène, ainsi que les métaux nobles,comme l’argent et l’or, sont des substrats critiques vis-à-vis del’irradiation infrarouge. Avec le laser à excimères, qui émet dans l’UVet est caractérisé par des valeurs d’énergie par impulsion suffisam-ment élevées, et le faisceau d’électrons, on peut refondre pratique-ment tous les substrats métalliques.

On donne, par la suite, quelques exemples concrets de traite-ments par FHDE, tirés de la littérature disponible actuellementdans ce domaine.

4.2.2.2 Fontes

La fonte est un matériau qui peut subir une refusion superficiellepar FHDE. Il est alors possible de produire économiquement despièces en fonte avec une surface dure et présentant une bonnerésistance à l’usure ou au frottement.

En général, après refusion des fontes par FHDE, on trouve deuxzones de microstructures différentes dans la couche superficielletraitée : la zone complètement fondue (ZF) et la zone affectée ther-miquement (ZAT). Entre ces deux zones, il se trouve une zone trèsmince où coexistent des microstructures provenant des deux zonesadjacentes.

La densité d’énergie du faisceau énergétique influe sur la sensi-bilité de la surface à la fissuration. Enfin, l’utilisation d’un préchauf-fage (400-450 oC) peut diminuer la probabilité de fissuration. Quantà la porosité, elle est influencée par la dimension du bain defusion, le temps d’interaction, la forme du graphite, etc.

Microdureté de la zone traitée : la refusion des fontes par laserproduit une couche durcie. La figure 27 représente la distribution dela microdureté d’une fonte GS refondue par laser avec différents gazde protection. La profondeur de la couche durcie est fonction desparamètres du traitement (§ 1.2.1). La vitesse de déplacement dufaisceau laser influe fortement sur la microdureté. Par ailleurs, il a étédémontré que la teneur en carbone de la fonte joue aussi un rôleimportant sur la trempabilité après fusion superficielle par laser depuissance.

Contraintes résiduelles et comportement en fatigue : pourla fonte à graphite lamellaire de matrice perlitique, il y a descontraintes de compression dans la couche superficielle traitée parlaser. Mais ces contraintes sont équilibrées par des contraintes detraction à une certaine profondeur. Selon l’épaisseur durcie, le signe

des contraintes change soit dans la couche superficielle traitée, soitau-dessous. Pour la fonte GS, on trouve également des contraintesde compression dans la couche refondue par laser.

Malgré les contraintes de compression qui existent dans la coucherefondue par laser, les fontes ainsi traitées présentent une résistanceà la fatigue plus faible que les fontes non traitées. De plus, les pro-priétés en fatigue dépendent du gaz de protection : l’hélium est legaz de protection qui permet d’obtenir les meilleures propriétés de

résistance à la fatigue. Néanmoins, il n’a pas été donné d’explicationsconcernant l’existence des contraintes de compression, ni dumauvais comportement en fatigue.

Comportement en usure : l’excellente résistance à l’usure de lafonte GS et de la fonte grise, après refusion par laser, a été démontréepar plusieurs chercheurs. Par ailleurs, le résultat est meilleur si letraitement par laser s’effectue sous protection gazeuse d’hélium.

4.2.2.3 Aciers

La refusion de différents types d’aciers a été étudiée avec lesmêmes objectifs que les fontes (§ 4.2.2.2). Néanmoins, le tableau 4donne quelques exemples de traitements de refusion des acierspar lasers à excimères impulsionnels, qui présentent un intérêtnouveau. (0)

4.2.2.4 Alliages frittés

Nota : dans ce paragraphe, nous traitons également de la trempe (traitements en phasesolide, § 4.1), difficilement dissociable de la refusion simple en phase liquide pour cesalliages.

Figure 27 – Microdureté de la zone superficielled’une fonte refondue par laser avec différents gaz de protection(d’après I. Hawkes, L. Lundberg, A.M. Walker, W.M. Steen et D.R.F. West)

Tableau 4 – Refusion superficielle des acierspar laser à excimères

Type d’acierétudié 105 C 4 Z5 CND 17 Z6 CNM Ti 17 25 CN 20

Propriétéaméliorée

DuretéUsure

Corrosionpar piqûres

Corrosionpar piqûres Corrosion

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Le traitement superficiel par laser est particulièrement intéressantlorsque la géométrie de la pièce à traiter est complexe, ce qui sepasse pour la plupart des pièces métalliques produites par la métal-lurgie des poudres.

D’après une synthèse des études portant sur le traitement super-ficiel par laser des alliages frittés, nous pouvons aboutir aux

conclusions suivantes.— L’hétérogénéité de la microstructure et de la composition

chimique d’un acier fritté influe sur son aptitude au durcissementsuperficiel en phase solide et donc sur sa trempabilité par laser. Letaux d’accroissement de la microdureté dans la zone traitée dépenddonc de la composition du matériau fritté mais également des para-mètres du traitement (§ 1.2.1). Les résultats expérimentaux montrentque le traitement superficiel par laser des alliages frittés augmentela dureté de la surface affectée.

— Les alliages les plus aptes aux traitements superficiels parlaser sont ceux qui contiennent une quantité suffisante de carbonesous la forme de carbures ou de graphite (fontes, aciers, hyper-eutectoïdes). L’acier fritté doit avoir une teneur en carbone supé-rieure à celle du matériau massif afin d’obtenir les mêmes résultatsaprès traitement.

— Les aciers frittés ont une conductivité thermique plus faible quecelle des aciers massifs de même composition chimique à cause dela porosité interne, mais la même trempabilité après traitementsuperficiel par laser. Leur résilience et leur résistance à la corrosionaugmentent avec la diminution de la porosité après traitement.

— Le durcissement superficiel en phase liquide et en phasesolide par laser des aciers frittés semble améliorer leur résistanceà l’usure.

— Leur tenue en fatigue dépend du traitement superficiel (trempeou refusion simple) dans la mesure où elle dépend de la rugositéde la surface. Néanmoins, les aciers frittés après trempe superficiellepar laser présentent des caractéristiques assez contradictoires.

— Le traitement de refusion superficielle par laser améliore nette-ment (20 %) la durée de vie en fatigue des aciers frittés, du fait dela baisse de leur porosité superficielle.

4.2.2.5 Alliages d’aluminiumLa refusion par FHDE des alliages d’aluminium permet une amé-

lioration considérable des propriétés superficielles, grâce à l’affine-ment de la microstructure, l’homogénéité microstructurale et ledurcissement sans fragilisation pour de nombreux alliages.

La refusion superficielle a été étudiée surtout à partir des alliagesAl-Si (le plus étudié), Al-In et Al-Si-Cu.

4.2.2.6 Alliages de cuivre

Parmi le nombre très restreint des travaux concernant le traitementde ces matériaux, on rappelle l’étude de la refusion superficielle parfaisceau d’électrons de l’alliage Cu-Al 12 % (12 % en masse d’Al),qui conduit à une résistance à l’usure légèrement supérieure à celledu matériau après traitement thermique normalisé.

Les traitements de ce genre de matériau (très réfléchissantvis-a-vis du rayonnement IR) devraient se développer grâce à l’essordes lasers à excimères.

4.2.3 Refusion avec apport de matière(surface cladding and alloying )

4.2.3.1 Revêtements de surface (surface cladding )

Ce procédé consiste à fondre au FHDE une couche prédéposée,le matériau de base n’étant fondu que jusqu’à l’apparition d’uneliaison métallurgique avec la couche prédéposée. La dilution durevêtement avec le substrat doit être donc très limitée (entre 5 et10 %), voire presque nulle dans le cas des traitements multipasses.

L’utilisation ultérieure d’un traitement par FHDE peut améliorer laqualité du revêtement obtenu uniquement par des techniques de pré-déposition (principalement par projection plasma), en diminuant lesdéfauts structuraux, en modifiant les microstructures et en réalisantune liaison saine entre le revêtement et le substrat. Cela est obtenupar la refusion complète de la couche projetée par plasma et du

substrat adjacent sur une faible épaisseur, et par sa solidificationrapide lors du refroidissement. La profondeur de pénétration de lafusion dans le dépôt et la dilution du substrat dans la couche fonduesont contrôlées par la maîtrise des paramètres du traitement(§ 1.2.1). De même, un taux de recouvrement optimal de la surfacepar le faisceau lors de ses différentes passes permet d’obtenir unerefusion complète de la couche projetée par plasma, sur toute lasurface de la pièce à traiter indépendamment de sa géométrie.

Une autre possibilité consiste, au moyen d’une installation detransport, à amener l’alliage sous forme de poudre directement surla surface du composant à traiter et à fondre par laser. La mouilla-bilité du matériau de base par l’alliage de revêtement joue alors unrôle important.

Par ces procédés, on peut revêtir tous les corps ne se sublimantpas, ou combiner dans le revêtement des corps chimiquementdifférents. De plus, on peut revêtir des matériaux de température

de fusion élevée avec d’autres matériaux présentant une bassetempérature de fusion. Les vitesses de solidification atteintes sontmoyennes à élevées et donc conduisent à de faibles retraits desolidification, le matériau de base étant peu affecté.

La réalisation de couches successives de revêtements, avecplusieurs passages du faisceau, offre la possibilité de changer lastructure en surface de façon continue du substrat vers la dernièrecouche de revêtement, en utilisant des dépôts de compositiondifférente pour chaque couche. Ainsi, on réduit les contraintesrésiduelles dans l’ensemble du dépôt.

Le traitement peut être localisé et ne nécessite pas de reprises.Il n’est pas limité en épaisseur. On peut atteindre des épaisseurs dedépôt de l’ordre de 7 mm, en fonction des matériaux utilisés et dela puissance des sources.

Le revêtement présente une liaison métallurgique avec le substrat.

Dans certains cas, afin d’éviter l’apparition des fissures lors dutraitement, un préchauffage des pièces à traiter est exigé.

Le nombre des travaux existant dans la littérature internationaleétant très important, on donne dans le tableau 5 les différentescombinaisons des matériaux étudiés pendant ces cinq dernièresannées (liste non exhaustive). (0)

4.2.3.2 Alliages de surface (surface alloying )

L’alliage de surface est en principe identique au revêtement desurface. La seule différence réside dans le fait que l’on souhaite unmélange entre les éléments d’alliage d’apport et le matériau de base.Il en résulte une couche dure qui laisse présager d’excellentespropriétés de surface. Dans ce cas, la conduction thermique joue unrôle important (qualité du mélange).

Les éléments d’alliage à introduire en surface sont apportés soitpréalablement au traitement par FHDE par dépôts obtenus par gal-vanisation, métallisation thermique, application de feuilles, de pâtes,de peintures ou de poudres, soit par injection sous forme pulvéru-lente, par fil ou par baguette, soit par apport d’un gaz réactif (carburation, nitruration, oxydation, etc.).

Le concept de la formation d’un alliage de surface par FHDE estschématisé moyennant des coupes transversales séquentiellescomme représentées sur la figure 28.

Le substrat B, recouvert d’une couche mince de métal A, reçoitle rayonnement FHDE (figure 28a ). Une fraction de l’énergieincidente est absorbée par la surface irradiée instantanément (duréede 10–12 s) et transférée au réseau cristallin. La région avoisinanteatteint très rapidement la température de fusion et l’interfaceliquide/solide commence à se déplacer (flèches pleines) à l’intérieurde la couche (figure 28b ). L’interface liquide/solide passe à travers

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l’interface initiale dépôt/substrat. L’interdiffusion (flèches vides) deséléments du dépôt (cercles pleins) et du substrat (cercles vides)commence (figure 28c ). L’irradiation laser est presque terminée etla température en surface reste au-dessous de celle d’évaporation.La profondeur maximale de fusion est atteinte (figure 28d ). L’inter-diffusion continue. La vitesse de l’interface de la resolidification est

momentanément nulle et augmente après rapidement. L’interface dela resolidification s’est déplacée (figure 28e ) de la moitié de la pro-fondeur maximale du bain fondu à la surface. L’interdiffusion dansle liquide continue mais le métal resolidifié derrière l’interfaceliquide/solide se refroidit tellement vite que la diffusion à l’état solidepeut être négligeable. Sur la figure 28f , le matériau est complète-ment resolidifié et un alliage de surface de A dans le B est obtenu.

La diffusion des éléments d’addition a lieu uniquement dans lazone fondue. La composition de l’alliage détermine la microstructureobtenue, et les paramètres du traitement (§ 1.2.1) gouvernent leraffinement de la microstructure et les dimensions de la zone alliée.

La reproductibilité des résultats dépend énormément de latechnique de l’apport de la matière, qui doit être au maximumautomatisée.

Le traitement par laser à excimères avec apport d’élémentsconduit à l’amélioration de la résistance à la corrosion, en usure-

érosion et en usure-frottement et à l’oxydation à haute tempéra-ture du matériau traité. Les densités d’énergie nécessaires sontassez élevées (figure 19).

Les compilations bibliographiques de 1964 à 1984 montrentl’intérêt de la méthode mais en même temps, la difficulté de l’indus-trialisation du procédé, à cause de problèmes de fiabilité et de repro-ductibilité des surfaces traitées. Depuis, d’autres travaux sontapparus, que l’on présente dans le tableau 6.

4.2.4 Amorphisation ou glaçage (surface glazing )

La possibilité de la réalisation de ces traitements résulte des pro-priétés spécifiques du traitement thermique en mode impulsionnel.

L’existence d’une couche amorphe en surface a pour effet l’amé-lioration de ses propriétés tribologiques, ainsi que de sa résistanceà la corrosion et en usure-érosion. Ce comportement est attribué àl’homogénéisation chimique qui en résulte, ainsi qu’à l’éliminationdes joints de grains et des défauts structuraux.

À cause des grandes densités d’énergie offertes par FHDE, pourcertains matériaux, on peut obtenir une fusion superficielle en untemps tel que la conduction thermique de la surface vers le substratest négligeable. La vitesse de solidification étant extrêmement rapide(108 K/s), on aboutit à des microstructures nouvelles ultrafines(couches vitreuses ou amorphes). C’est l’amorphisation superficielleou le glaçage (surface glazing ).

L’amorphisation se produit à partir des alliages métalliquescontenant jusqu’à 85 % en masse d’un métal de transition (Fe, Ni,Co, Pd, etc.) et un métalloïde (Si, B, P, C, etc.) qui peut être soit présentdans la composition chimique initiale de l’alliage à traiter, soitapporté par des techniques comme celles du paragraphe 4.3. Cetteteneur élevée en métal fait que l’on parle le plus souvent, à leur sujet,de verres métalliques (tableau 7).

4.3 Traitements superficiels en phase vapeur

4.3.1 Laser Chemical Vapor Deposition LCVD

Avec cette technique, la surface est placée dans une atmosphèregazeuse. L’irradiation par laser (d’habitude, laser à excimères)permet la dissociation du gaz qui facilite son absorption par la surfaceirradiée. La densité d’énergie transmise à la pièce est facilementcontrôlable par la distance de focalisation du faisceau et le tempsd’interaction. Cette technique s’applique surtout dans le domaine dela micro-électronique (semi-conducteurs et supraconducteurs). (0)(0)

Tableau 5 – Quelques combinaisons substrat-revêtementdernièrement étudiées pour le traitement superficiel

par laser

Substrat Revêtement

acier douxacier inoxydable 316

acier inoxydable 316acier doux

acier inoxydable aluminium

acier à 0,7 % C stellite + WC

acier Z10 CDV 12-2(acier à 0,4 % C et 0,6 % Mn) alliage base cobalt

acier Z10 CDV 12-2(acier à 0,4 % C et 0,6 % Mn) alliage base nickel

acier ASTM A387(acier allié non inoxydable)

alliage base cobalt (Tribaloy )stellite

acier AISI 1018(acier spécial pour traitement

thermique)WC + Fe

alliage d’aluminium AS alliage base feralliage d’aluminium Cr, Mn, Fe, Ni, Ti, Zr, Si

alliage d’aluminium AA 390 silicium

alliage d’aluminium 2219 alumine

bronze acier doux

nickel acier doux

alliage de nickel WC

alliage de cobalt WC

chrome titane

stellite SF6 laiton

stellite SF6 acier douxacier X12 CrNiMo 12

Les pourcentages indiqués sont des pourcentages massiques.

Figure 28 – Étapes introduites lors de la formation d’un alliagede surface par laser (d’après C.W. Draper et J.M. Poate)

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Tableau 6 – Quelques combinaisons substrat-matériau d’apport étudiées pour la formation d’alliagesde surface par laser

Substrat Matériaux d’apportPropriétéconcernée

Alliages ferreux

fer pur B, N, C usurecorrosion

aciers douxCr3C2 , Cr3C2 + NiCr, WC + Co, Mo, B, Ni, Cr, Ni + P,stellite + SiC

usurecorrosion

aciers à outilsTiC, Si3N4 , Al2O3 , ZrO2 , Si, B, SiC, WC, TiB2 ,diamant artificiel

usurecorrosion

aciers rapides WC + Co, SiC usurecorrosion

aciers inoxydables W, Cr, Cr + C, stellite, Cr + C + Mn, Cr + C + Mn + Al,alliage base Fe, alliage base Ni

usurecorrosion

fontes Si, C, Cr usurecorrosion

Alliages d’aluminiumalliages AS Ni, Fe, Si, Cu, SiC, stellite usure

Al, alliages AS et alliage 5086 Cu usure

Al, alliages AS, 2024, 5052 et 6061 Si, C, N, TiC, WC + VC, TiN, B4C, SiC usure

Alliages de titane

alliage TA 6 V TiC + Ni fatigue

titane Fe, Co, Mo, C + B, C + Si fatigue

Ti et alliage TA 6 V CH4 ou graphite (carburation), N2 (nitruration) fatigue

Autres alliages

alliages de cuivre Fe, Ni, Cr corrosionmarine

alliage Ni70Cr30 C, Cr usure

alliage base nickel Nimonic 80A Cr7C3 , Cr23C6 , stellite, B4C usure

Le terme usure caractérise l’usure au frottement et à l’érosion.

Tableau 7 – Quelques matériaux étudiés pour l’amorphisation superficielle par FHDE

Substrat Type de source utilisée Substrat Type de source utilisée

alliage Fe80P13C7 faisceau d’électrons alliage Pd-Si-Cu laser à CO2

alliage Fe83(Bx Cy )17 laser à CO2 alliage base nickel laser à excimères

alliage Fe-40Ni-14P-6B laser à CO2 alliage nickel-bronze d’aluminium laser à CO2

alliage Fe80B16Si4 laser à CO2 alliages Fe-B et Fe-Zr laser à excimères

alliage Fe-Cr-P-C-Si laser à CO2

acier + dépôt de tellure laser à excimères

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Elle est utilisée pour déposer du chrome, du bore et de l’alumi-nium, provenant des gaz Cr(CO)6 , BCl3 et Al(CH3)3 , respectivementsur des alliages base Al et base Ni. Le chrome et l’aluminium, ense combinant avec d’autres éléments, peuvent améliorer la résis-tance à la corrosion et en usure-érosion. Le bore améliore les pro-priétés tribologiques et la résistance à la corrosion.

En outre, la technique du couplage de deux faisceaux a été utiliséepour optimiser l’efficacité du procédé LCVD. Dans ce cas, le premierfaisceau permet la dissociation du gaz, tandis que le second permetle traitement de la surface avant, pendant et après le dépôt, ce quiconduit à l’amélioration de la qualité du dépôt obtenu et à l’aug-mentation de la vitesse de déposition.

4.3.2 Durcissement par choc laser(laser shock hardening )

Le principe de traitement est le même que pour le glaçage avecune densité de puissance plus élevée (de l’ordre de 109 W/cm2) etun temps d’interaction plus court (< 1 000 ns), disponibles actuelle-ment uniquement à partir des lasers pulsés. Cela provoque unevaporisation superficielle rapide, sans que le matériau de base soit

affecté thermiquement, qui conduit à la création d’un plasma.Selon l’état de surface du matériau, le comportement de ce plasma

peut avoir des conséquences opposées :— si la surface est nue, on aboutit à l’ablation du matériau (effet

thermique prépondérant), ce qui provoque l’apparition descontraintes de traction dans la surface traitée ;

— si la surface est recouverte d’un liquide ou d’une plaque deverre diélectrique transparents au rayonnement laser, le plasma estconfiné et l’énergie est absorbée par la pièce. Le temps d’applicationde la pression qu’exerce le plasma sur la surface est multiplié par2 et la valeur de la pression du plasma confiné est multipliée par5 par rapport au plasma non confiné.

Lorsque, en plus d’un milieu transparent, il a été appliqué unrevêtement absorbant à la surface irradiée (figure 29), on aboutit àl’apparition des contraintes résiduelles de compression dans la sur-face traitée (effet mécanique prépondérant). En effet, la propagation

de l’onde de choc dans le matériau produit une déformationplastique sur quelques micromètres d’épaisseur, ce qui a pour effetune forte augmentation de la densité des dislocations (écrouissage)et la création des contraintes résiduelles de compression à la surfacedu matériau traité (de l’ordre de 400 à 700 MPa) et par conséquent,l’amélioration de la dureté et de la résistance en fatigue du matériauainsi traité (§ 1.2.3).

Le durcissement par choc a été étudié pour les alliages d’alumi-nium (7075, 7475, 6061 et 2024), pour l’acier inoxydable 316, pourl’alliage monocristallin CMSX 2 et pour quelques métaux purs(Fe, Al, Cu, Sn, Zn, Bi). La durée de vie en fatigue de ces alliagesest améliorée, à cause de la présence des contraintes de compressiondans la couche traitée, induites par ce traitement.

5. Comparaisonset conclusions

Les faisceaux à haute densité d’énergie fournissent des densitésde puissance très élevées pendant des temps très courts et sur deszones bien localisées, ne donnant pas naissance à des distorsionsimportantes des pièces ainsi traitées.

Les propriétés des surfaces traitées sont souvent impossibles àobtenir à partir des techniques conventionnelles.

5.1 Comparaison des différents typesde lasers

Les courtes longueurs d’onde des émissions des lasers àexcimères, comparées à celles des lasers IR, permettent unemeilleure focalisation du faisceau. Le diamètre minimal de la tachefocale du faisceau est de l’ordre du micromètre, c’est-à-dire un ordre

de grandeur plus petit que celui des autres lasers. Ce fait conduità un traitement plus localisé que celui obtenu par les autres typesde lasers. On peut aussi obtenir, en utilisant un faisceau trèsdéfocalisé, une très bonne juxtaposition de zones traitées.

Le coefficient d’absorption des surfaces métalliques dans l’UVétant très élevé (de l’ordre de 80 %), le traitement par laser à exci-mères peut être effectué sur toutes les surfaces métalliques, sansutiliser aucune préparation préalable.

À cause des faibles pénétrations aux petites durées d’impulsionde ce type de laser, on peut obtenir facilement des couchesamorphes, puisque les vitesses de solidification peuvent y atteindredes valeurs de l’ordre de 107 à 1010 K/s. En outre, l’échauffementrapide d’une couche mince ne provoque pas de déformation du restedu matériau, ce qui n’est pas le cas avec les lasers IR.

Étant donné que les profondeurs traitées sont de l’ordre du micro-mètre, les lasers à excimères sont utilisés surtout dans des appli-cations où l’on cherche à améliorer la résistance à la corrosion oules propriétés tribologiques des surfaces, ainsi que dans le cas demicro-usinage, sans variations dimensionnelles des pièces traitées.

Le procédé par laser présente :— une grande flexibilité avec la possibilité de réaliser certains

types de traitement sur certaines pièces (ou endroits) impossibleavec d’autres techniques ;

— une grande productivité à cause des vitesses élevéesaccessibles ;

— de la qualité et une bonne reproductibilité ;— la possibilité de miniaturiser (localiser le traitement), ce qui

conduit à l’économie de la matière première et de l’énergie ;— de moindres reprises de la matière traitée ;— l’incorporation facile dans une ligne de production ;— le contrôle complet de qualité du procédé ;— la réduction des coûts de production.

5.2 Comparaison des procédés par laseret par faisceau d’électrons

L’un des intérêts majeurs des traitements superficiels rapides parfaisceaux à haute densité énergétique est de pouvoir s’intégrerdans les lignes de fabrication de forte cadence.

L’avantage commun de ces deux procédés (par laser et parfaisceau d’électrons) est la parfaite localisation du traitement et lahaute densité d’énergie, difficilement accessible par d’autrestechniques (par exemple, trempe par induction).

Figure 29 – Schéma de l’expérience de durcissement par choc laser(d’après G. Barreau, P. Ballard et J. Fournier)

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La plupart des métaux sont de bons réflecteurs de la lumière.D’après la littérature, seulement 5 à 10 % de l’énergie photoniqueincidente serait absorbée par les métaux à la température ambiante.Un dépôt est donc nécessaire pour améliorer le pouvoir absorbantdes surfaces à traiter et assurer la réalisation du traitement par laser(surtout pour les traitements en phase solide), ce qui n’est pas le

cas pour le faisceau d’électrons.Ces deux procédés donnent une surface traitée d’excellente qualité

avec des profils de dureté comparables mais de dimensions plusfaibles dans le cas du faisceau d’électrons. Des travaux existantmontrent que, pour la trempe superficielle, les deux procédésmettent en jeu les mêmes processus de germination et de croissancede l’austénite. De plus, ces deux procédés n’engendrent que defaibles distorsions des pièces traitées.

Au niveau de l’équipement, la technique du faisceau d’électronsa besoin nécessairement d’un vide parce que les électrons peuventêtre ralentis et absorbés dans l’air. Par ailleurs, les traitements parinjection de poudre sont impossibles avec le procédé par faisceaud’électrons parce que les particules de la poudre injectée sontélectrisées et se repoussent mutuellement.

Le transport du faisceau par fibres optiques, qui s’avère être trèscommode, n’est possible que pour les lasers YAG-Nd3+. Par contre,

le guidage du faisceau par systèmes optiques (lentilles) est plusaisé dans le cas du faisceau d’électrons, à cause des distancesfocales plus grandes des lentilles qui y sont employées.

Enfin, en ce qui concerne le rendement énergétique des installa-tions, il est élevé pour le faisceau d’électrons (jusqu’à 90 %) et trèsfaible pour le faisceau laser (inférieur à 10 %).

5.3 Applications industriellesdes traitements superficiels par laser

Malgré le nombre considérable des travaux de recherche dans ledomaine des traitements superficiels par laser, les applicationsindustrielles, actuellement mises en œuvre, de ces procédés, sonttrès limitées.

Dans l’industrie automobile, on l’utilise pour :— la trempe superficielle des cylindres de moteur ;— la refusion superficielle, avec ou sans matériau d’apport

(Cr-Mo), des arbres à cames, des vilebrequins, des engrenages, dessoupapes et d’autres pièces qui demandent une haute résistance àla fatigue et à l’usure ;

— le dépôt superficiel sur bloc moteur (Toyota, 1992).

Dans l’industrie aéronautique, depuis peu, on utilise le recharge-ment par laser pour la réparation des extrémités des aubes deturbines de moteurs d’avions.

Avec une croissance de 15 % par an, l’industrie mondiale du laserpeut être considérée comme saine, d’autant que les technologies

sont loin d’être figées et que de nouvelles applications apparaissentchaque année.

Avec un accroissement de la fiabilité et une amélioration desperformances de l’outil laser, il est raisonnable de penser que lestaux de croissance devraient croître dans les années à venir.

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POUR

EN

SAV

OIR

PL

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Traitements superficiels par faisceauxà haute densité d’énergie

par Dimitris PANTELISIngénieur de l’École Polytechnique d’Athènes Docteur Ingénieur de l’École Centrale de Paris Responsable de l’Équipe Laser du Laboratoire Matériaux de l’École Centrale de Paris

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QUANTA SYSTEM (I) Lié à Valfivre (I)

QUANTEL YAG 1,2 kW (F)

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RENAULT AUTOMATION Portiques Laser (F)

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ROFIN-SINAR FRANCE R-S (D) CO2 DE 13 kW

ROUCHAUD INDUSTRIE Rouch Laser/Limoges Préc. (F)

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SCIAKY INDUSTRIES Robot de soudage (F)

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TRUMPF FRANCE Techno. comp. Turbo TLF (D)

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W.A. WHITNEY ITALIA WHITNEY (USA-I)

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B : Belgique D : Allemagne F : France GB : Grande-Bretagne J : Japon USA : États-Unis

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Club laser de puissance Association pour la promotion des applications deslasers de puissance.

Auprès de cet organisme, on trouve :

— les centres de recherche et les laboratoires qui travaillent dans ce

domaine ;— les normes et les réglementations diverses ;— les utilisateurs des systèmes laser ;— les données du marché des lasers industriels ;— une documentation variée.

Documents

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