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Traitement de surface métalliqueEtude de l'interaction dans le cas
nanoseconde
J.M.JouvardLaboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
UMR 6303 CNRS-UBFC,
Equipe Laser et traitements des matériaux
I - Paramètres physiques en régime thermique (ms-ns)
II - Quelques procédés classiques de traitement de surface
- Effet thermique : solide / liquide
- Processus avec ablation
III - Processus d'ablation en milieu ambiant: Etude de
l'interaction dans le cas nanoseconde
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Introduction : Paramètres physiques en régime thermique (ms-ns)
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paramètres énergétiques
• flux = puissance [W]
• énergie : E [J]
• puissance moyenne :
• puissance crête :
• puissance surfacique: ϕ [W.m-2] ou [W.cm-2]
• fluence : F [J.cm-2]
τ= E
P~
f.EP=
=
tD
zierfc
k
tD
22T-)t,zT( 00 ϕε
τπετ 1
.
2T)(T 0
0Surface
D
Sk
E+=
2)(
tDt =δ
Mur semi-infini soumis à un flux constant en surface
Surface :
Profondeur de pénétration thermique :
πτϕεττ D
k0
0Surface
2T)T(0, )(T +==
pc
kD
.ρ=
profondeur telle que :
2 )T( 0TTSurface+
=δ
II - Quelques procédés classiques de traitement de surface
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Surface
• Modifier la surface• Transformation structurale: trempe, choc• Refusion• Insertion éléments légers
• Enlever de la matière• Marquage• Texturation• Nettoyage
• Apporter de la matière• Revêtement / Alliage de surface• PLD
• Concevoir• Prototypage: rechargement• SLM
Surface
• En phase solide• Transformation structurale: trempe, choc
• Avec phase liquide• Refusion• Revêtement / Alliage de surface• Prototypage: rechargement• SLM
• Présence vapeur /liquide• Marquage• Texturation
• Vapeur/ Plasma/Onde de choc• Nettoyage• Insertion éléments• Choc laser• PLD
1 - Effet thermique : solide / liquide
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Refusion de prédépôts :- plasma- électrochimique
Transformationsstructurales
Refusion :- affinage de microstructure- homogénéisation
Apport in-situ :- feuillard- fil- poudre
Revêtement, alliage :- modification de lacomposition chimique
Phase solide Phase liquidesans apport de matière
Le laser et les traitements de surface
Phase liquideavec apport de matière
Traitement en phase solide
1 – Transformation structurale
--> importance de la vitesse de refroidissement
12
13
14
15
Traitement en phase Liquide
2 - Refusion
La refusion par laser consiste en la génération d'un bain liquide à la surfaced'un matériau sous l'action du faisceau laser. Après le passage à l'état liquidede la surface, le matériau se refroidit énergiquement par conduction. Cetraitement entraîne un affinement structural de la matière conférant demeilleures caractéristiques de dureté, de résistance à l'usure ou à la
corrosion.
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Traitement en phase liquide
3 - alliage de surface / revêtement
Méthodes d’apport de la matière
• Poudre : idem procédés "conventionnels"
substrat
revêtement
laser
buse
poudre
bain liquide
substrat
revêtement
bain liquide
laser
substrat
revêtement
laser
poudre
bain liquide
� Fil : idem soudage ou du rechargement MIG
laser
poudre
substrat
Revêtement/dépôt
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Quelques exemples…
Réparation
4 - Prototypage
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Un nouveau champs d’applicationLa fabrication rapide permet d’obtenir desformes complexesenapportant la matièreLe concept est de faire« croître » les composants et l'outillageplutôt que d'usiner le matériaux
a – Prototypage laser par projection de poudre= rechargement laser
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Bronze
Bronze
Gradient Bronze-SS 430L
316L, X3CrNiMo17-12-2
b –Fusion sélective par laser( SLM = Selective Laser melting )
= fusion sur lit de poudre
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filière d’extrusionInox 904L
Ressort métallique
Architecture
L’énergie est délivréepar un laser à fibre et un four
Four
(900°C sous atmosphère
protégé)
Tête
scanner
Module de
chargement Module de fabrication
Convoyeur
Un lit de poudre est déposé sur une trémie et le produit est fabriqué couche par couche
Processus avec ablation
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Processus d'ablation
24Échelle de temps
Cible
Laser
t0
Irradiation Absorption
Panache
Ablation
Zone affectée
Onde acoustique
• Phénomène de décomposition spontanée de la matière sous l’effet d’un rayonnement laser intense
• Seuil: intensité minimum donnant lieu à l’ablation
• Le processus d’ablation dépend du rayonnement, du matériau et de l’environnement
ProcessusPhotochimique
Laser YAG 3/4w UV ns
Laser Excimer UV ns
Laser CO2 IR µs-ms
Laser YAG/fibre IR ns-ms
Laser YAG 2w Vis ns-ms
Processusthermique
Taux d’ablation élevé – Effets collatéraux - ZAT
Faible taux d’ablation – Précision – Faible ZAT
Les différents processus d’ablation laser
Processusultrabref
Laser Pico/Femto IR ps-fs
25
27
Traitement en phase vapeur
6 - marquage
28
Technique de marquage en surface
4 mm20 mm
Texture réalisée par un balayage croisé
Balayage à 90°
Balayage à 0°
Interligne: it = 30µm
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Exemples de marquage
SmartcardsTournevis
composant
Boucles
Disjoncteur
Relais
Clavier
Forets
Implants médicaux
Pied à coulisse
Mesureur
Source : Rofin Sinar
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Texturation de surface par laser nanoseconde
Détente plasma
Brulure ou décomposition
Ablation (micro-usinage)
Décapage laser
32
Décapage laser
Choc
33
Plasma Laser Deposition
34 Moderate intensities (108 – 1013 W/cm2)
III - Processus d'ablation en milieu ambiant
Etude de l'interaction dans le cas nanoseconde
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Processus lors de l'interaction
--> thermique :
solide, liquide
changements de phase
--> déplacement du liquide
--> ablation
--> plasma :
composition (densité,Tloc) => absorption
surpression (onde de compression)
insertion éléments de atmosphère réactive
LASER
O2 , N2 , ...
Importance des différents phénomènes
Semak, J.Phys.D:Appl.Phys. 30 (1997) 2541-2552)
Processus d'insertion d'élément chimique de l'air dans la proche surface
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( )kHzp cmJF
51 ²/
2Incolore
6Violette
4Jaune
0Ti
7-15bleue
15Blanche
Ti3Ohc
Tiαααα
TiOcfc
TiNcfc Ti2O3rh
TiO2-x
Ti3O5r
h
Tiαααα Tiαααα Tiαααα
TinO2n-
1-1
Tiαααα Tiαααα
Structure des couches colorées avec la fluence laser (Titane)
L. Lavisse, G. Pillon, C. Langlade, A. Soveja, Matériaux 2006 CD, Dijon,
De la moins oxydée à la plus oxydée
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OBSERVATIO
NS
ANALYSES DE PHASES
Microscopie optique
MEB
METSpectroscopie Raman
Profilomètreinterférentiel
+
-+
La problématique origine de la coloration
5
10
15
20
25
30
35
40
400 450 500 550 600 650 700Lambda (nm)
Laser ττττ = 5 nsR(%)
Violet
Jaune Bleue
DRX
Analyse de surface
Colorimétrie
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Analyse de surface : Sonde nucléaire (Saclay)
- Les couches coloréescontiennent de l’azote, del’oxygène et un peu decarbone
- Compétition entre ces O et N
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=> coloration / amélioration de tenue au frottement
• Analyse surface:
- insertion oxygène et azote présent dans l’air
- compétition de ces deux éléments
- NRA -> mécanismes d’insertion:
diffusion dans couche liquide + insertion due surpression induite par la plume
• Analyse particules: taille (µm + nm) / composition (TiO2 Anatase/Rutile)
Traitement du titane dans l'air
Cinétique d’insertion del'oxygène (NRA)
Spectrométrie Raman (équipe SIOM)
Formation de poudre nanométrique (MET)
Etude du plasma rayonnant
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ANALYSE DE LA LUMIERE PAR SPECTROSCOPIE : EVOLUTION TEMPORELLE
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LaserNd:YAG
TiDéplacement de
l’échantillon
x
z
y
L1
L2L3
Miroir
Spectromètre Czerny-Turner(Mc Pherson – Modèle 209) Focale: 1,33 mRéseau: 2400 traits/mmGamme spectrale: 150 à 650 nmRésolution: 0,005 nm
Ordinateur
Ligne à retard DG 535
ICCD
Réseau
Fibre optique(Φ = 230 µm)
Plasma
Laser Brillant B – Quantel:λ = 1064 nmf = 10 HzΦ = 1 mmτ = 5 nsIrradiance : 7 à 30 GW/cm²
Dispositif expérimental de spectroscopie d’émission
Collecte du signalL2 = 10 cmL3 = 5 cm soit un grandissement de 0,5
1 - Analyse locale de la plume: Spectroscopie d’émission
Analyse globale
Suivi dynamique du plasma
- Dimensions du plasma- Vitesse moyenne d’expansion- Distribution spatio-temporelle
des espèces
Analyse sélective
Caractérisation physique du plasma
- Nature des espèces- Etat d’ionisation- Gradients de température
Imagerie spectrale
Spectroscopie d’émission
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II. CARACTÉRISATION PHYSIQUE DU PLASMA
Choix des techniques expérimentales
Que voit-on ?
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Analyse globale de la plume: Imagerie rapide + filtres
Nd:Yag (ns)
Nd:Yag (ms)Nd:Yag (continu)
= soudage
Nd:Yag (ns)
Analyse locale de la plume: Spectrométrie d'émission atomique
Caractérisationphysique du plasma
Influence de la pression du milieu ambiant
10 mTorr 150 mTorr
10 Torr 100 Torr
Thèse Xueshi Bai, Lyon I (2014)
Ya. B. Zel’dovich and Yu. P. Raizer, Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena, (Dover Publications, Mineola NY, 2002).
Onde de Combustion (LSC)
- absorption faisceau laser dans plasma àl'arrière de la couche d'air choquée- gaz ambiant choqué est transparent au
laser⇒ Plasma chauffé à haute T et P
⇒ Gaz ambiant choqué à faible T,comprimé mécaniquement parvapeur/plasma
⇒ Transfert radiatif et thermique duplasma chaud vers gaz ambiant
⇒ Gaz choqué absorbe UV du plasma
⇒ Onde d’absorption se propage dans legaz chauffé et ionisé
Onde de Détonation (LSD)
Seuil lorsque irradiance augmente,
- Gaz ambiant absorbe rayonnement laser ets'ionise
- La zone d'absorption se trouve justederrière le choc précurseur
- Pas de séparation abrupte entre le gazchoqué et le plasma de vapeur
- P, T, ρ varient de façon continue entre la
vapeur et le gaz choqué.- La propagation de l'onde LSD est entraîné
par l'absorption de l'énergie laser par le gazchoqué
⇒ Vitesse + élevée % LSC
⇒ Couche de gaz à P, T, ρ + élevé % LSC
⇒ Vapeur à P,T + petit que pour LSC
Nanoparticules
57
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BUT: COMPRENDRE LES MÉCANISMES DE FORMATIONS DES NANOPARTICULES ?
AIR
Interaction laser-matière = Un effet poudreux sur les surfaces et récupération ex-situ des poudres
PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE Nanoparticules induites par traitement de surface de cibles en
titane dans l’air avec une source laser industrielle
Nanoparticules hors de la zone de traitement*
Nanoparticules sur le substrat
*Stage post-doctoral Y. Shupyk, 2007, Université de Bourgogne
TixOy et/ou TixNy
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Comparaison de Régimes de traitement
Source laser ττττ f Φ Irradiance Fluence
Luce 1064 5 ns 2 à 100 kHz 110 µm 0,08 – 1 GW/cm² 0,4 – 5 J/cm²
Brilliant b 5,1 ns 10 Hz 1 mm 1,5 – 6,5 GW/cm² 7,5 – 32,5 J/cm²
Laser Luce 1064 Laser Brilliant b
Poudre fine sur plaque de verre Poudre fine autour de la zone traitée
5 nm
60Spectre Raman sur des petites (a) et des grosses particules (b)
20 nm 50 nm
METHR des particules obtenues après irradiation laser d'une cible de Ti à 1,16 GW/cm²
A
A A A
R R
� Taille = Deux types de particules : - sphère (< 10 nm)- chaîne (> 10 nm)
� Phase = TiO2Pas de métalPas de nitrurePas d’oxynitrure
Morphologie
Cas du titane dans l’air : modèle
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Taille
Comment caractériser les nanoparticules au début de la condensation ?
Caractériser la taille des particules en vol par granulométrie
→ Les nanoparticules se condensent dans le plasma ou au contactde la plaque
TitaneTitane
Pla
que
de v
erre
Pla
que
de v
erre
Flux d’air propre
Schéma du principe de fonctionnement de l’EEPS (TSI
3090)
62
Analyses SAXS (diffusion X aux petits angles)
Comment caractériser les nanoparticules au début de la condensation ?
TitaneTitane
Rayons Xincidents
Sonder le plasma pour caractériser les particules «in-situ »
→→→→ Se rapprocher le plus possible de la première goutte de liquide formée
Rayons Xnon-diffusés
Rayons Xdiffusés
500 µm
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Cas d’autres métaux dans l’air ambiant ?
Analyses ex-situ : Ti���� Fe
Analyses S.A.X.S. : Ti���� Al
→→→→ Rôle de l’environnement : réactivité ?
Substrat Titane Fer Aluminium
Rayon de giration
Rg18 4 6
Indice de Porod p 4 = sphère
Rayon de giration
Rg266 > 100 75
Indice de Porod p 2 = chaîne
PhasesTiO 2
Anatase et rutile
γ – Fe2O3
Fe3O4
Al 2.86O3.56N0.44
AlN et Al
Analyse SAXS sur Swing à Synchrotron SOLEIL
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→ Influence du taux d’oxygène sur la taille
des nanoparticules
Rôle de l’atmosphère réactive (Juin 2014)
Faisceau laser
Vers
le
déte
cteu
r
Sortie du faisceau
synchrotron
Entrée des mélanges de gaz (O2, N2, Ar)
Sortie des mélanges de gaz
+ purge
Observations des petites particules (Rg <<<< 16 nm)
Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive
Phys.Rev.Lett., vol.115, p. 246101, 2015
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variation du rayon des particules avec le taux d’O2
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 5 10 15 20 25
Ray
on d
es p
artic
ules
R (
nm)
Pourcentage d'oxygène
Rayon (Ti)
Rayon (Al)
Diminution du rayon des particules avec augmentation du % d’oxygène
→→→→ L’oxydation modifie la taille des particules
Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive
66
Cas de l’aluminium
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Indi
ce d
e P
orod
des
par
ticul
es d
'Al
Pourcentage d'oxygène
Sphères
Surface rugueuse
Chaîne
Changement de p avec augmentation du taux de O2
→→→→ Réactivité chimique agit sur la croissance et la structure des particules
Analyse SAXS : influence de atmosphère réactive
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Composition des particules
→ Nuclear Reaction AnalysisNRA
Target
Detectionangle
Milarsheet
Deuterons beamE = 0,9 – 1,9 MeV
Annular detector of particles
l'énergie des pics dépend de
l'élément (O/N), de la profondeur
de pénétration et de la quantité
d'élément
J.M. Jouvard - 9th International Conference on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy -LIBS2016 - Chamonix - September 12-16
J.M. Jouvard - 9th International Conference on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy -LIBS2016 - Chamonix - September 12-16
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Composition des particules
→ Resultats : Proportion de phases dans un même volume de particule
- Maximum insertion of nitrogen for the gas mixtures 95% N2 - 5%O2
- Maximum insertion of oxygen for the gas mixtures 95% N2 - 5%O2
→ Competition entre insertion azote et d'oxygène interagit dansle mécanisme de formation de nanoparticules
Phases
Gas mixturesAl2,81O3,56N0,44 AlN Al
80% N2 – 20% O2 0,06 0,11 0,83
90% N2 – 10% O2 0,10 0,27 0,63
95% N2 – 5% O2 0,22 0,60 0,18
100% N2 0,22 0,38 0,40
Processus complexe
Deux aspects à prendre en compte pour unemodélisation:
Couplage physique - chimie
→ Chemin thermodynamique du plasma : condensation
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Processus complexe
Deux aspects à prendre en compte pour unemodélisation:
Couplage physique - chimie
→ Chemin thermodynamique du plasma : condensation
→ Dynamique Moléculaire* : réactivité / effets électrostatiques
* Simulations réalisées par D. Foster (ILM - Lyon) et F. Calvo (LIP)
Taux d’oxygène- +
Des processus complexes et multiphysiques / multi échelles
--> thermique :
solide, liquide
changements de phase
--> déplacement du liquide
--> ablation
--> plasma/nano-particules/milieu ambiant
composition (densité,Tloc) => absorption
surpression (onde de compression)
insertion éléments de atmosphère réactive
LASER
O2 , N2 , ...
