Figure 4.46 – Variation de la fissuration interfaciale en fonction de différentes stratégies de perçage.
4.5 Conclusion
Ce chapitre, consacré à l’étude du perçage laser du système barrière thermique plasma de référence, a montré les étapes de formation d’un trou et a présenté les phénomènes responsables de l’initiation et la propagation de la fissure à l’interface céramique / sous-couche. Des essais à 90° et à 20° ont été réalisés pour estimer l’influence de l’angle de perçage sur la forme du trou et la fissuration. Le schéma 4.47 résume la forme typique des trous obtenus lors d’un perçage à 20° par des essais interrompus (de 1 à 4 impulsions laser) et la profondeur percée à chaque impulsion.
Figure 4.47 – Évolution de la forme d’un trou et de la longueur de fissure en fonction du nombre d’impulsions laser pour un perçage incliné à 20°
Lors du perçage à 90°, deux impulsions laser suffisent à percer complètement l’échantillon. Un manque de matière est présent dans la sous-couche, juste en dessous de la céramique. Ce décrochement est amplifié lors d’un perçage incliné. Il gène l’évacuation de la matière liquide et gazeuse hors du trou, générant une force sur la couche de céramique. Cette force ne conduit pas à de la fissuration pour les perçages à 90°, mais contribue à la propagation de celle-ci pour les perçages inclinés.
De plus, pour les perçages inclinés, le décrochement n’est visible que du côté du bord d’attaque. De l’autre côté du trou (bord de fuite), le manque de matière forme un bulbe. La présence de ce bulbe est reliée à l’angle d’éjection de la matière hors du trou : perpendiculairement à la surface sur trou et non dans l’axe du perçage. La position de ce bulbe est dans l’axe d’éjection de la matière hors du trou.
Lors du perçage laser à 20° d’une barrière thermique conventionnelle et pour une puissance crête du laser ne dépassant pas 20 kW (1ms par impulsion), seule la céramique (et en partie la sous-couche) est percée par la première impulsion et aucune macro fissure n’apparait à l’interface céramique / sous- couche. Toutefois, des microfissures sont présentes sur toute la paroi du trou au niveau de la céramique
(faïençage). Lors de la deuxième impulsion, une fissure apparait à l’interface céramique / sous-couche. Elle mesure quelques centaines de micromètres seulement. Cette fissure se propage ensuite à chaque impulsion supplémentaire et ce jusqu’à perçage complet du matériau (4 impulsions). Elle mesure alors plus de 1,2 mm.
Ce chapitre a permis de conclure que la fissure interfaciale est amorcée à partir des microfissures présentes dans la couche fondue de céramique. La propagation de la fissure à l’interface sous-couche / céramique se produit parallèlement à l’interface à quelques dizaines de microns au dessus de celle-ci. La fissure se propage entre les lamelles du dépôt de céramique ainsi qu’au travers des fissures interlamellaires présentes dans le dépôt de céramique.
Pour mieux observer la morphologie du trou, des zones fondues et de la fissuration, des observations non destructives ont été réalisées par tomographie et laminographie X. Elles ont permis de mettre en évidence la forme de la fissure interfaciale et de visualiser le chemin de cette fissure dans la céramique le long de l’interface. De plus, une reconstruction 3D du réseau de fissure dans la zone fondue et solidifié au niveau du métal a été présenté. Il permet de mettre en évidence la connection entre la fissure à l’interface céramique / sous-couche et les pores de la couche de céramique.
Afin de réduire la longueur de fissure interfaciale, une stratégie de perçage consistant à modifier la puissance crête du laser après la première impulsion a été mise en place (réduction de la puissance crête de 15 kW pour la première impulsion à 10 kW pour les impulsions suivantes). Cette stratégie de perçage permet de réduire d’un tiers la fissure.
BIBLIOGRAPHIE 165
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Chapitre 5
Influence de l’architecture
d’interface sur le perçage laser
Sommaire
5.1 Introduction . . . 169 5.2 Rappel des architectures d’interface . . . 169 5.3 Présentation des paramètres de perçage laser . . . 170 5.4 Caractéristiques des trous lors de perçages interrompus . . . 172
5.4.1 Allure globale des trous percés à 90° et 20° . . . 172
5.4.1.1 Trous percés à 90° : 4 impulsions . . . 172
5.4.1.2 Trous percés à 20° : de 1 à 10 impulsions . . . 173
5.4.2 Caractéristiques dimensionnelles et zones fondues des trous percés à 20° . . . 173
5.4.2.1 Profondeur . . . 173
5.4.2.2 Diamètres . . . 174
5.4.2.3 Zones fondues . . . 176
5.4.3 Observations 3D non destructives par laminographie X (2 impulsions, 20°) . . 177
5.4.3.1 Observations des échantillons par laminographie X . . . 177
5.4.3.2 Analyse de la fissure interfaciale au stade de l’amorçage . . . 182
5.5 Évolution de la fissuration en cours de perçage . . . 185
5.5.1 Étude de la fissuration pulse à pulse à 20° . . . 185
5.5.2 Influence de l’architecture d’interface . . . 191
5.5.2.1 Influence de caractéristiques morphologiques . . . 191
5.5.2.2 Influence de caractéristiques mécaniques . . . 192
5.5.3 Influence de la stratégie de perçage . . . 194
5.6 Evolution des contraintes résiduelles après perçage complet à 90° . . . 195
5.6.1 Détermination des contraintes résiduelles autour d’un trou percé laser . . . . 195
5.6.2 Effets du perçage laser sur les contraintes internes en bord du trou . . . 196
5.6.3 Évolution des contraintes résiduelles dans le système plasma référence . . . . 197
5.6.4 Évolution des contraintes résiduelles dans les systèmes cold spray . . . 198
5.6.5 Évolution des contraintes résiduelles dans le système plasma gradient . . . 200
5.6.6 Synthèse . . . 201
5.7 Conclusions . . . 202 Bibliographie . . . 205
5.1. INTRODUCTION 169
5.1 Introduction
Le chapitre précédent décrit en détail les caractéristiques de la formation d’un trou par laser dans une barrière thermique industrielle ainsi que les phénomènes de fissuration induits par ce procédé pour des perçages à 90° et à 20°. En utilisant des paramètres de perçage laser sévères (20°, 15kW, 1ms par impulsion), il a été mis en évidence qu’une fissure majeure s’amorçait à l’interface sous-couche / céramique dès que le superalliage était affecté par le laser ; c’est-à-dire à la deuxième impulsion laser pour ce système de référence percé en mode incliné. Puis, grâce à des essais interrompus, on observe que cette fissure se propage lors des impulsions suivantes dans un volume de céramique proche de l’interface selon un chemin qui est visiblement influencé par la rugosité de la surface sous-couche / céramique. Dans ce chapitre, on souhaite étudier si une modification de l’architecture morphologique et mécanique autour de l’interface peut permettre de limiter la fissuration interfaciale du système lors du perçage. Plus généralement, on souhaite examiner comment cette architecture peut affecter les caractéristiques génériques des trous percés dans l’éventualité d’une application industrielle. Dans le chapitre 3, ont été réalisés et classés différents systèmes barrière thermique dont la sous-couche a été volontairement modifiée de manière à varier de manière effective la zone de l’interface (morphologie, composition) entre la céramique et le métal et l’état mécanique du système complet (profils de contraintes résiduelles et de dureté). Ce faisant, on souhaite évaluer l’influence de ces critères morphologiques et mécaniques qui sont généralement mis en relation avec la notion d’adhérence appliquée aux dépôts projetés sur la phénoménologie et la tenue à fissuration lors du perçage laser. Le bilan des architectures d’interfaces portées à l’étude est rappelé en début de ce chapitre. Pour cela, à partir de perçages réalisés à 90° et 20° sur tous les systèmes architecturés, on interroge à nouveau la réponse des différents systèmes soumis à un perçage sévère à partir des essais interrompus. On pratique de 1 à 4 impulsions laser pour analyser la formation du trou et la genèse de la fissure interfaciale et 10 impulsions pour achever un trou complet percé afin d’évaluer la forme finale du trou et sa fissure interfaciale pour des conditions plus proches des conditions réelles industrielles. A partir de ces essais, les caractéristiques significatives des trous et le chemin de fissure à l’interface céramique/sous-couche sont décrits pulse à pulse en fonction des architectures d’interface.
Sur la base d’une sélection d’architectures suffisamment distinctes, on souhaite enrichir les analyses issues des observations 2D usuelles réalisées dans le plan médian des trous avec des images laminogra- phiques 3D des volumes percés. Il s’agit de mieux appréhender l’étendue des défauts engendrés sur le pourtour du trou dans les zones affectées par les phénomènes dûs à l’interaction avec le laser. Pour aborder cette démarche, on vise plutôt une analyse de trous pour le nombre de pulse qui correspond à la phase d’amorçage de la fissure céramique/sous-couche. L’ensemble de ces analyses doivent permettre d’appréhender mieux l’influence des différents critères des architectures mis-en-œuvre sur la tenue à la fissuration des barrières thermiques projetées lors du perçage en percussion. Cette discussion, notamment sur les effets thermiques et/ou mécaniques engendrés lors du perçage, peut être étoffée grâce à l’examen des contraintes résiduelles redistribuées dans le volume autour de trous percés à 90° après l’opération de perçage.