PARTIE III – C ARACTERISATION ET OPTIMISATION DU PROCEDE DE TEXTURATION LASER DE
7.3 Influence du taux de répétition sur les structures obtenues
La fréquence maximale pouvant être atteinte est donnée par le taux de répétition que délivre le Pulse Picker (PP), ce qui dans le cas présent vaut 500 kHz. Un second modulateur acousto-optique (AOM) permet ensuite de moduler cette valeur de fréquence, pour qu’en sortie de cet AOM elle soit divisée par un entier. Ainsi, en sortie de source, les impulsions sont délivrées à des taux de répétition de 100, 250 et 500 kHz.
Différents tests ont été réalisés à ces différentes fréquences. Le même protocole expérimental que celui de la surface de référence a été utilisé : la surface est irradiée suivant un motif croisé de lignes parallèles espacées d’une distance ℎ de 30 µm, et répété 10 fois.
Pour ces essais, la fluence laser est maintenue constante : l’énergie par impulsion reste égale, les impulsions sont plus ou moins rapprochées dans le temps en fonction de la fréquence utilisée. La fluence et l'énergie par impulsion étant maintenues constantes, la puissance moyenne augmente avec le taux de répétition. Le recouvrement longitudinal des impacts est également conservé : il suffit d’adapter la vitesse de balayage du faisceau lors du procédé selon le taux de répétition ́ . Néanmoins, un effet d’accumulation de l’énergie est attendu, dû à l’augmentation de la fréquence.
Les différentes topographies obtenues pour chaque taux de répétition sont représentées sur la figure 7.6. Pour une fréquence de 100 kHz, la topographie de surface est très proche de la surface de référence, les microstructures sont du même ordre de grandeur que les dimensions des structures obtenues à 50 kHz (Table 7.2). En revanche, concernant les surfaces texturées aux taux de répétition de 250 et 500 kHz, des différences de topographie commencent à apparaître. Le
sommet des micro-collines est plus lisse et des projections de matière fondue entourent ces microstructures. Elles apparaissent à l’endroit où passe le faisceau laser, sont parfois plus hautes que les microstructures elles-mêmes, notamment pour la fréquence de 500 kHz.
En termes de dimensions de structures, pour la fréquence de 250 kHz, on note que la largeur et l’espacement des microstructures sont du même ordre de grandeur que pour la surface de référence. Toutefois, comme le sommet des micro-collines est plus lissé qu’à 50 kHz, on constate une légère diminution de la hauteur de ces structures (Table 7.2).
Concernant le taux de répétition de 500 kHz, la largeur et l’espacement des microstructures ne peuvent plus être mesurés en se basant sur leur profil. De plus, la hauteur maximale de la topographie n’est plus représentative des dimensions des micro-collines, à cause des pics de matière fondue : en moyenne la hauteur des microstructures est d’environ 17,1 ± 3 µm, avec certains pics pouvant atteindre plus de 20 µm.
Surface à 50 kHz Surface à 100 kHz Surface à 250 kHz Surface à 500 kHz Hauteur crête à crête
maximale 14,1 ± 1,5 µm 13,1 ± 1,5 µm 12,6 ± 1,5 µm 17,1 ± 3 µm Largeur 13,6 ± 0,9 µm 13,1 ± 1,0 µm 13,3 ± 1,0 µm Non mesurable Espacement 17,6 ± 0,7 µm 16,7 ± 0,1 µm 17,2 ± 0,3 µm Non mesurable
Table 7.2: Récapitulatif des différentes dimensions des structures à double échelle, réalisées aux taux de répétition de 50, 100, 250 et 500 kHz, mesurées au profilomètre 3D InfiniteFocus.
Figure 7.6: Evolution des topographies de surface obtenues par irradiation d’acier inoxydable aux taux de répétition de 50, 100, 250 et 500 kHz.
En intégrant dans la modélisation de l’augmentation de température vue au chapitre 5 les valeurs des conditions opératoires ( = 6 µJ et = 17) pour chaque taux de répétition, plusieurs observations peuvent être faites (Fig. 7.7). Tout d’abord, on note que pour les fréquences de 50 et 100 kHz, les valeurs maximales de la température atteinte en un spot de la surface sont respectivement de 390 K et 570 K. Ces valeurs sont largement inférieures à la température de fusion du matériau. En comparaison avec la température initiale du matériau supposée égale à 293 K, cela correspond à une augmentation de la température d’environ 100 à 300 K.
Ensuite, en ce qui concerne le taux de répétition de 250 kHz, la température maximale atteinte en surface avoisine les 1400 K, ce qui reste inférieur à la température de fusion de l’acier inoxydable de 1713 K. De plus, nous avons pu calculer en partie 5.9 du chapitre 5 qu’avec le nombre d’impulsions cumulées par spot choisi à 20, la durée entre deux irradiations d’un même spot ∆ est toujours supérieure à la durée nécessaire au matériau pour que sa température ré-atteigne sa valeur initiale ∆ → , d’au moins un ordre de grandeur. Cependant, la topographie obtenue pour ces conditions opératoires montre clairement qu’il survient un effet d’accumulation thermique. Cela peut être expliqué par le fait que pour nos modélisations, nous avons supposé que l’absorption du matériau reste constante au cours des irradiations successives de la surface, alors que ce paramètre évolue au cours du temps.
Pour finir, concernant le taux de répétition de 500 kHz, avec des impulsions d’énergie 6 µJ pour un recouvrement correspondant à 17 impulsions par spot, il était prévisible d’observer un endommagement de la surface. En effet en partie 5.6 du chapitre 5, nous avons vu qu’avec des impulsions d’énergie supérieure à 3 µJ, la température résiduelle en surface dépasse la température de fusion du matériau. Dans les conditions présentes, le calcul simplifié de la température résiduelle nous renvoie une valeur maximale de quasiment 3400 K, dépassant même la température de vaporisation du matériau. Les observations sur l’endommagement de la topographie à 500 kHz sont donc en accord avec ce que le modèle thermique pouvait prévoir.
Figure 7.7: Evolution de la température en un spot de la surface d’acier inoxydable, dans les conditions d’irradiation de 17 impulsions par spot à une énergie de 6 µJ, pour les taux de répétition de 50, 100, 250 et
500 kHz : la température maximale atteinte par la surface ne dépasse pas la température de fusion du matériau pour 50, 100 et 250 kHz, mais pour 500 kHz la température résiduelle dépasse même la
température de vaporisation.
Pour les fréquences de 250 et 500 kHz, l’émergence des structures au niveau des trajectoires du faisceau, certainement due à la fusion du matériau, détériore la géométrie de la surface. Ces structures parasites proviennent de l’accumulation de l’énergie dans le matériau, et donc d’une accumulation thermique, accentuée avec une fréquence plus élevée. Une optimisation sur les paramètres énergétiques est donc nécessaire pour retrouver la géométrie de la surface de référence à des taux de répétition plus élevés.