Dynamique de l’irradiation d’un spot de la surface du matériau

Dans notre approche d’usinage de la surface par ablations successives, nous avons opté pour un balayage de la surface par le faisceau laser suivant un motif croisé de lignes parallèles (Fig. 5.12). Chaque trajectoire du faisceau est réalisée à une certaine vitesse de balayage . Celles-ci sont espacées d’un certain pas de hachurage (hatch) noté ℎ, qui est de dimensions similaires au diamètre du faisceau focalisé.

Figure 5.12: Etapes successives du procédé d’usinage par ablations successives suivant un motif croisé perpendiculairement de lignes parallèles.

On cherche à déterminer l’intervalle de temps entre deux irradiations d’un spot particulier de la surface. Pour cela, on considère que la surface à texturer est un rectangle de dimensions × ℬ , dont les quatre sommets O, A, B, et F de coordonnées respectives , , , , , et

, valent (Fig. 5.13) : = 0

= 0 ⁼= 0 = ℬ^{= 0 =}= ℬ. ^(5.14)

Soit le point P dont les coordonnées spatiales , correspondent à des fractions des dimensions de la zone texturée, définies par les coefficients et , compris entre 0 et 1, tels que :

=

= ℬ. ^(5.15)

Les trajectoires du faisceau sont réalisées en dent de scie (« mode raster »), en commençant par les lignes orientées verticalement dans le référentiel de l’échantillon, ce qui constitue la première passe, suivies par les lignes orientées horizontalement pour réaliser la seconde passe. Ces deux passes forment le motif croisé, qui est répété un certain nombre de fois pour obtenir les dimensions attendues des microstructures (Fig. 5.14).

Figure 5.14: Schéma de la réalisation des trajectoires du faisceau laser lors de la texturation avec le système expérimental utilisé.

Ainsi, il est possible de calculer la durée qui s’écoule entre deux passages du faisceau au niveau du point P, en fonction de la position de ce point , , des dimensions de la zone texturée × ℬ , de la distance de hachurage ℎ et de la vitesse de balayage . Le lien avec le taux de répétition se fait au niveau de la vitesse de balayage.

On considère que le point P est irradié à l’instant . Pour déterminer au bout de combien de temps il est à nouveau irradié, il faut prendre en compte l’intervalle de temps prévu pour parcourir la surface verticalement du point P au point A, puis pour parcourir la surface horizontalement du point F au point P (Fig. 5.15).

Figure 5.15: Schéma de mise en équation de l’intervalle de temps entre deux irradiations d’un point particulier de la surface texturée.

Cela correspond à un intervalle de temps donné par la relation suivante :

∆ = ∆ , + ∆ ,

∆ =

́ × _{ℎ 2 − −} ^ℬ + 1 − + ℬ (5.17)

D’après cette équation et la figure précédente, on peut noter que cette procédure d’usinage laser présente un cas pour lequel la fin des trajectoires verticales est suivie par le début des trajectoires horizontales. Il s’agit du point F pour lequel les coefficients et valent 1. On peut considérer qu’en ce point, l’intervalle de temps ∆ entre deux irradiations consécutives est le plus court. Il représente le cas le plus défavorable en termes d’irradiation laser.

Nous comparons l’intervalle de temps entre deux irradiations en F avec la durée ∆ → au bout de laquelle la température en un spot redescend jusqu’à la valeur initiale de 293 K, pour deux dimensions de zone à texturer : = ℬ = 0,5 mm et = ℬ = 5 mm. Le second cas est plus représentatif des essais à mener pour étudier la mouillabilité des surfaces texturées. La comparaison entre ∆ et ∆ → est réalisée pour les taux de répétition de 50, 100, 250 et 500 kHz, et pour un nombre d’impulsions consécutives par spot compris entre 5 et 100, comme le montre la figure suivante.

Figure 5.16: Comparaison des valeurs d’intervalles de temps entre deux irradiations du point F de la surface et de la durée de décroissance de la température de la surface, pour des carrés de dimensions (a)

5 mm et (b) 0,5 mm en fonction du nombre d’impulsions consécutives en un spot, pour des taux de répétition de 50, 100, 250 et 500 kHz.

Pour une zone à usiner de 5 mm de côté, l’intervalle de temps ∆ entre deux irradiations au niveau du point F est supérieur à la dizaine voire à la centaine de millisecondes pour chaque taux de répétition, avec un nombre d’impulsions consécutives en un spot de plus de 20. Sur l’ensemble des valeurs de et pour chaque fréquence, les différentes valeurs obtenues de ∆ sont toujours supérieures aux valeurs de durée de décroissance de température ∆ → , de plus d’une puissance de dix.

Concernant le cas d’une zone texturée de dimensions 0,5 mm, on constate que les deux durées ∆ et ∆ _→ ont des valeurs plus proches, et sont même dans certains cas quasiment du même ordre de grandeur. Cela se rapporte plus particulièrement aux fréquences de 250 et 500 kHz, pour des nombres d’impulsions inférieurs à 20.

Ce constat nous incite donc à opter pour un recouvrement des impacts qui permet d’avoir une vingtaine d’impulsions cumulées en un spot. Cela permet de garantir un temps entre deux irradiations du point F suffisamment grand pour que la température en ce point puisse revenir à sa valeur initiale, tout en alliant une vitesse de texturation intéressante en termes de performances d’usinage.

En prenant un nombre d’impulsions égal à 20, on a un recouvrement longitudinal des impacts de 95 %. Il est alors possible de déterminer les différentes vitesses de balayage du faisceau à utiliser pour chaque taux de répétition.

5.10 Conclusion

Au cours de ce chapitre, nous avons abordé l’interaction laser-matière d’un point de vue thermique afin d’étudier l’évolution de la température en un point de la surface irradié par les impulsions laser. Nous avons ainsi défini des intervalles de conditions opératoires à utiliser, pour générer une topographie micro- et nanométrique, permettant le contrôle de la mouillabilité de la surface.

Pour cela, nous avons considéré que ces impulsions arrivent sur la surface avec une certaine énergie incidente, à un taux de répétition particulier et qu’elles se cumulent sur un spot, entraînant une augmentation de sa température. Nous avons pu délimiter les différentes valeurs d’énergies et de nombre d’impulsions cumulées qu’il est possible d’utiliser pour que la température de la surface ne dépasse pas la température de fusion du matériau, pour des taux de répétition de 50, 100, 250 et 500 kHz. Nous avons calculé les fluences correspondantes. Pour des taux de répétition de 50 et 100 kHz, les énergies d’impulsion mises en œuvre induisent des fluences laser largement supérieures à 1 J/cm². Or pour garantir des conditions favorables à la génération de nanostructures auto-organisées, il convient de rester aux alentours de ce seuil de fluence. Cela correspond donc à des énergies d’impulsion de 6 µJ pour les taux de répétition de 50, 100 et 250 kHz et de 3 µJ pour 500 kHz.

Le calcul de la profondeur d’ablation en un spot, soumis aux conditions définies précédemment, montre que l’irradiation par un seul train d’impulsions permet d’enlever de la matière sur une épaisseur de quelques nanomètres. Comme on souhaite modifier la topographie de la surface dans des dimensions micrométriques, il convient donc de réaliser de multiples passages de faisceau pour ablater suffisamment de matière.

Une estimation des différentes durées entre deux irradiations d’un même point de la surface, pour des conditions de vitesse et de hachurage définies, nous a permis d’affiner les conditions d’irradiation pour que la température en un spot ait suffisamment de temps pour revenir à sa valeur initiale après une première irradiation. Pour les énergies incidentes citées ci-dessus aux différents taux de répétition, nous avons choisi de prendre un nombre d’impulsions cumulées en un spot égal à 20, ce qui correspond à un recouvrement des impacts de 95%.

Ainsi nous avons montré qu’il est possible d’éviter les effets indésirables de l’accumulation thermique sur l’ablation de matière en texturation de surface. En effet, dans les conditions opératoires choisies, la température d’un point de la surface, irradié par un train d’impulsions laser, a amplement le temps de décroître pour retomber à sa valeur initiale de la surface avant l’irradiation par un second train d’impulsions. On peut donc considérer qu’entre deux irradiations de la surface, la surface est à nouveau thermiquement stable et que seule sa topographie a été modifiée.

Toutefois, le changement de la rugosité de la surface entraîne une évolution de l’absorption de l’énergie incidente des impulsions par le matériau. Plus une surface est rugueuse, plus l’absorption de cette surface est importante. Or dans le modèle que nous avons utilisé, nous avons supposé que l’absorption était constante au cours du temps, et ce quelle que soit la rugosité de la surface. Cette hypothèse serait donc un point à réexaminer, en supposant que l’absorption évolue de façon linéaire pour simplifier l’analyse, tout en sachant que ces phénomènes sont définitivement non-linéaires.

Chapitre 6.

Etude expérimentale de la structuration

de la surface d’un acier inoxydable 316L

par des impulsions du laser à fibre

Tangerine

Sommaire

6.1 INTRODUCTION ... 112

6.2 ETUDE DE L’ABLATION DE L’ACIER INOXYDABLE SOUS IRRADIATION LASER AVEC UN FAISCEAU

INFRA-ROUGE ... 112 6.2.1 Seuil d’ablation de l’acier inoxydable en IR ... 112 6.2.2 Analyse du cratère d’ablation ... 114

6.3 MODIFICATIONS TOPOGRAPHIQUES DE LA SURFACE PAR ABLATIONS SUCCESSIVES AVEC UN

FAISCEAU IR ... 117

6.3.1 Usinage de rainures simples et de rainures croisées à 90° ... 118 6.3.2 Usinage de rainures parallèles ... 123 6.3.3 Réalisation de deux motifs de rainures parallèles, croisés à 90° ... 125

6.4 STRUCTURES NANOMETRIQUES AUTO-ORGANISEES QUASI-PERIODIQUES ... 129

6.4.1 Obtention de ripples nanométriques en IR ... 129 6.4.2 Modification de l’aspect visuel de la surface texturée ... 130 6.4.3 Caractérisation des ripples par Transformée de Fourier Rapide ... 131

6.1 Introduction

Dans ce chapitre, nous abordons l’influence des paramètres expérimentaux sur les modifications topographiques et structurales de la surface induites par l’irradiation laser. Des échantillons d’acier inoxydable 316L ont été irradiés avec un faisceau laser statique, pour différents taux de répétition des impulsions. Nous avons ainsi déterminé le seuil d’ablation du matériau et caractérisé le cratère d’ablation obtenu. Cette étude nous a permis de vérifier les plages de conditions opératoires, estimées dans le chapitre précédent.

Ensuite, nous nous nous sommes intéressés aux modifications topographiques engendrées par de multiples passages du faisceau laser sur l’échantillon. Nous avons choisi des trajectoires de faisceau simples, pour voir l’influence du nombre de passes consécutives sur les dimensions de la zone ablatée. Notre objectif était de générer des modifications de surface à des dimensions micrométriques, tout en essayant d’obtenir une deuxième échelle nanométrique de rugosité de surface sous la forme des ripples décrits dans la littérature.

6.2 Etude de l’ablation de l’acier inoxydable sous irradiation laser