Essai d’adhérence par choc laser

III.3.3.1. Laser de puissance

Les essais d’adhérence ont été effectués au Laboratoire pour l’Application des Lasers de Puissance (LALP, CNRS UPR 1578, Arcueil) avec l’aide de E. Bartnicki, L. Berthe, C. Bolis, M. Boustie et M. Arrigoni. Le laser utilisé comporte un oscillateur déclenché. Le faisceau issu de l’oscillateur passe à travers une succession de barreaux amplificateurs de diamètres croissants (7, 16, 25, 45 mm) constitués de verre de phosphate dopé par des ions néodyme. C’est la transition entre l’état fondamental et un des états excités de cet élément qui est utilisée pour générer l’effet laser à une longueur d’onde de 1,06 µm. Afin d’obtenir une bonne homogénéité de la répartition énergétique du faisceau, les barreaux sont refroidis continûment par circulation d’eau.

Le profil temporel de l’impulsion laser utilisée est gaussien avec une durée moyenne à mi- hauteur de 10 ns. Sauf mention du contraire, le diamètre du faisceau laser au point de focalisation sur l’échantillon est fixé à 2 mm.

Tous les tirs ont été effectués en régime direct, sans confinement. Les échantillons ont été placés dans une enceinte sous vide primaire afin de supprimer tout phénomène de claquage dans l’air.

La face irradiée par l’impulsion laser est systématiquement la face non revêtue du substrat, ce qui permet d’atteindre des niveaux de traction plus élevés à l’interface que dans le cas de tirs réalisés sur le cuivre. Le comportement sous choc de l’aluminium est, en outre, mieux connu que celui du cuivre projeté. Appliquer le choc au substrat permet de bien maîtriser la propagation de l’onde de choc jusqu’à son arrivée dans le revêtement.

L’épaisseur des substrats a été réduite par fraisage et polissage afin de limiter les phénomènes d’atténuation de l’onde de choc dans le matériau et/ou de créer des configurations de traction optimales (§ III.3.3.3).

L’utilisation de différentes valeurs du flux incident a pour effet de modifier l’amplitude du chargement laser et permet de déterminer des seuils de décohésion du revêtement éprouvé.

III.3.3.2. Suivi de l’endommagement et de la contrainte générée lors

de l’essai

a. Mesure de la vitesse de la surface libre

Un dispositif d’interférométrie laser VISAR ("Velocity Interferometer System for Any Reflector") permet d’avoir accès à la vitesse de la surface du revêtement durant toute la durée de l’essai de choc laser, sans contact. Ce VISAR, commercialisé par la société Valyn International (Albuquerque, USA), est fondé sur l’analyse de l’effet Doppler que subit un

faisceau laser sur la surface arrière de la cible (Figure II- 18). Le VISAR est en fait un interféromètre de Michelson [TOL96]. Le faisceau laser qui sonde la surface arrière de la cible, est un laser continu "Verdi" (Coherent) de longueur d’onde 532 nm et de puissance allant de 0,1 à 5 W.

Les signaux fournis par 4 photomultiplicateurs placés en bout de chaîne du dispositif VISAR sont acquis et un traitement est nécessaire avant d’obtenir des signaux de vitesse en surface des dépôts [BOL03] [ARR04].

La vitesse de la face arrière donne accès à la vitesse matérielle induite par l’onde de choc et cette vitesse matérielle permet de remonter à la pression appliquée en face avant par le laser (Chapitre I § II.4.4). La simulation de la propagation des ondes de choc évalue ensuite la contrainte de traction générée à l’interface [BOL03] [BOL02] [BERT02]. L’allure du profil de vitesse de la surface du revêtement renseigne également sur l’endommagement de l’échantillon pendant l’essai (Chapitre III § II.1.2.2).

Tout le long de ce mémoire, les approximations qui seront faites sur l’interprétation des niveaux d’adhérence obtenus par choc laser seront soulignées.

Figure II- 18. Laser "Verdi" focalisé sur la surface arrière d’une cible dans l’enceinte à vide

b. Simulation des ondes de choc

i. Simulations monodimensionnelles

Le code "Shylac", développé au Laboratoire de Combustion et Détonique (LCD, ENSMA, Poitiers), décrit les mécanismes liés à la propagation des ondes et à l’endommagement induit dans les cibles [COT88] [ARR04].

Il calcule en une dimension l’évolution temporelle et spatiale des variables thermodynamiques et cinétiques caractérisant une cible solide soumise à un chargement dynamique plan. La cible est discrétisée en mailles élémentaires. Le chargement constitue la condition aux limites appliquée à la première maille. L’évolution du milieu est régie par les trois lois habituelles de conservation ainsi que par l’équation d’état du type Mie-Grüneisen (Chapitre I § II.4.1). Des paramètres matériaux correspondants à du cuivre et de l’aluminium purs et massifs ont été utilisés.

Le logiciel "Shylac" permet également de localiser la traction dans le matériau en construisant le diagramme (X, t) de l’essai de choc (Figure I- 17). Ces calculs supposent toutefois une propagation monodimensionnelle des ondes et cette hypothèse n’est valable que pour des matériaux peu épais (Chapitre I § II.6) [BOUS99] [BOL03] [TOL96].

Laser incident Réflexion diffuse

Echantillon sous vide

ii. Simulations bidimensionnelles

La simulation bidimensionnelle est un outil puissant qui permet de comprendre l’essai de choc laser appliqué à des cibles épaisses et de modéliser plus fidèlement les matériaux éprouvés, en tenant compte par exemple, de la porosité des dépôts ou de la rugosité de l’interface.

Des simulations numériques ont été réalisées au LALP par C. Bolis et au LCD par M. Arrigoni, dans le cadre du programme LASAT, afin d’étudier la propagation bidimensionnelle des ondes de choc dans les matériaux. Ces calculs ont été effectués en deux dimensions sur le logiciel d’éléments finis "Radioss®"1 en utilisant une formulation lagrangienne. Sauf mention du contraire, le comportement des matériaux est décrit par une loi hydro-plastique, en utilisant les caractéristiques mécaniques du cuivre et de l’aluminium purs et massifs. La relation contrainte-déformation est de la forme :

n

Eq P

σ = A + B ε (II.3)

avec σEq la contrainte de Von Mises

P

ε la déformation plastique équivalente A la limite d’élasticité

B le module d’écrouissage, considéré comme nul

n l’exposant d’écrouissage.

Les matériaux sont donc considérés comme étant parfaitement plastiques. L’énergie interne est recalculée à chaque pas de temps en utilisant la relation :

• ₁

∆e = (σ : ε )dt + P . dV 2V

∫

∫

avec e l'énergie interne volumique σ le tenseur des contraintes P la pression hydrodynamique.

La pression P est calculée grâce à l’expression suivante :

(

)

2 3

0 1 2 3 4 5

P = C +C µ+C µ +C µ + C +C µ e (II.5)

qui est fonction de

0

ρ µ = - 1

ρ et de (C )i i = 1...3, constantes hydrodynamiques tirées de la

polaire de choc du matériau.

C4 et C5 sont quant à elles données par l'équation de Mie Grüneisen :

Ref G Ref

P - P (V) = γ (e - e (V)). (II.6)

Le choc laser est simulé par l’application d’une pression PAv constante sur la surface du

matériau irradié par le laser de puissance (face avant), sur une distance correspondant à la taille de la tache focale.

III.3.3.3. Essai de choc laser sur le couple Cu/Al : différentes

configurations

Durant l’essai de choc laser, les contraintes de traction résultent des réflexions et des croisements des ondes de choc et de détente dans les matériaux (Chapitre I § II.5.2). Puisque la vitesse de propagation des ondes est une propriété intrinsèque des matériaux, pour une composition et une microstructure données, l’amplitude et la localisation de la traction ne dépendent que de l’épaisseur des matériaux et des caractéristiques du chargement laser.

1

a. Epaisseur des substrats

Dans cette étude, l’épaisseur du revêtement et le type de laser sont fixés. Il n’est donc possible de jouer que sur l’épaisseur des substrats pour modifier les réflexions des ondes. Des simulations à l’aide des logiciels "Shylac" et "Radioss" permettent de maîtriser la localisation des contraintes de traction durant le choc et de choisir des épaisseurs d’aluminium appropriées (Tableau II- 8).

Pour les faibles épaisseurs de cuivre (130 et 200 µm), les substrats d’aluminium ont été amincis afin ne pas laisser le temps aux effets bidimensionnels d’influer sur le choc. Cela a permis d’étudier, dans un cas simple et monodimensionnel, la propagation des ondes de choc au sein des matériaux à microstructure très hétérogène et complexe, que sont les dépôts projetés. Configuration 1D 1D Optimisation 1D Optimisation 1D +2D Epaisseur du dépôt de cuivre (µm) 130 200 300 300 Epaisseur du substrat (µm) 470 550 470 1000

Tableau II- 8. Epaisseur des substrats retenus pour les différents revêtements éprouvés

b. Optimisation monodimensionnelle de l’essai

Pour des épaisseurs de cuivre supérieures, une optimisation de l’épaisseur du substrat a été réalisée afin d’amplifier la contrainte de traction que voit l’interface revêtement/substrat et ainsi contrebalancer les phénomènes d’atténuation de l’onde de choc dans ces dépôts plus épais.

Figure II- 19. Diagramme (X, t) pour un système optimisé en 1D : Cu 300 µm /Al 470 µm - La compression est en rouge et la traction en bleu [BOL04]

L’épaisseur du substrat a été ajustée pour que les ondes de traction provenant de la surface du cuivre et de la surface de l’aluminium se croisent à l’interface et que leurs amplitudes s’additionnent (Figure II- 19) [BOL04]. C’est le cas du système composé d’un dépôt de cuivre de 300 µm et d’un substrat d’aluminium de 470 µm d’épaisseur.

c. Optimisation de la traction 1D avec celle issue des effets 2D

Un second type d’optimisation a été réalisé. Il s’agit de faire coïncider l’onde de traction issue de la propagation bidimensionnelle de l’onde de compression avec l’onde de traction générée par les mécanismes monodimensionnels à la surface du dépôt [BOL04]. Cette optimisation correspond à un dépôt de Cu 300 µm sur Al 1000 µm, pour une tache focale de 2 mm.