Modification de la topographie par usinage laser suivant un motif particulier

Concernant la structuration de surface réalisée par micro-usinage du matériau, en irradiant la surface selon un motif particulier, de récents travaux ont été menés sur différents matériaux métalliques et avec différents types de sources laser impulsionnelles nanoseconde [Luo et al.

encore femtoseconde [Ahmmed & Kietzig 2016 ; Martínez-Calderon et al. 2016 ; Vorobyev & Guo 2015] et à différentes longueurs d’onde. Un des principaux avantages de cette méthode de structuration de surface est qu’il est possible de créer différentes échelles de rugosité, micrométrique et nanométrique, sur la surface.

1.3.3.1 Laser en régime nanoseconde

Dans leurs différents travaux, Ta et al. présentent des surfaces d’échantillons métalliques (laiton, cuivre et acier inoxydable) texturées grâce à une source laser nanoseconde fibrée qui émet des impulsions de 220 ns dans le proche infra-rouge (1064 nm). Ils créent à la surface des échantillons des rainures de 10 µm de large, espacées de 50-60 µm pour une profondeur de 10 à 25 µm [Ta et

al. 2015] ou encore des structures suivant un motif quadrilatéral présentant des pas de 10, 25, 50

et 100 µm pour une hauteur d’une dizaine de micromètres [Ta et al. 2016] (Fig. 1.18). Pour générer ces structures, les matériaux sont irradiés dans des plages de fluences propres à chaque métal : pour le laiton entre 55 et 75 J/cm², pour le cuivre de 75 à 93 J/cm² et pour l’acier inoxydable entre 25 et 48 J/cm². En ce qui concerne le recouvrement des impacts lié à la vitesse de balayage, les valeurs sont bien inférieures au recouvrement utilisé pour générer les structures auto-organisées : entre environ 70 et 85%.

Figure 1.18: Texturation d’échantillons métalliques grâce à un laser nanoseconde IR (λ = 1064 nm,

τimp = 220 ns, νrép = 25 kHz) : (a) et (b) ablation de rainures espacées de 75 µm sur une surface de laiton irradiée à 65 J/cm² [Ta et al. 2015] ; (c-d) réalisation d’une grille quadrilatérale avec une fluence de

36 J/cm² avec un pas de (c) 10 µm, (d) 25 µm et (e) 100 µm [Ta et al. 2016].

Dans le régime nanoseconde, on peut également citer des travaux réalisés en ultra-violet avec un laser Nd:YAG triplé à 355 nm pour des impulsions de 20 ns [Tang 2011] ou encore avec un laser excimère émettant des impulsions de 5-6 ns à la longueur d’onde de 248 nm [Luo et al. 2010]. De la même manière que précédemment, le faisceau laser irradie la surface suivant un motif de grille carrée, à des fluences élevées, entre 2,5 et 10,5 J/cm², pour des recouvrements aux alentours de 85-95%. Si on s’intéresse plus particulièrement aux travaux de Tang [Tang 2011], les surfaces ainsi texturées présentent des structures en pics de hauteur 20 µm sur lesquelles sont superposées des nano-protrusions de 200-600 nm (Fig. 1.19).

Figure 1.19: Texturation d’un motif de grille carrée, dont les lignes sont espacées de ~40 µm, sur un échantillon de laiton avec un laser nanoseconde UV (λ = 355 nm, τimp = 20 ns, νrép = 30 kHz, F0 ≈ 10,5 J/cm²,

Vscan = 200 mm/s) [Tang 2011].

1.3.3.2 Laser en régime picoseconde

La différence entre la texturation en régime nanoseconde et la texturation en régime picoseconde réside dans le fait qu’avec un laser picoseconde, il est nécessaire de réaliser le motif des structures en réalisant plusieurs passages de faisceau sur le matériau. Dans les travaux réalisés par Römer et al. et Noh et al., des échantillons d’acier inoxydable et d’alliage de titane (Ti-6Al-4V) sont irradiés par faisceau UV, émis par un système laser picoseconde triplé, à des fluences inférieures à 0,2 J/cm², donc proches du seuil d’ablation des matériaux [Noh et al. 2010 ; Römer et al. 2009]. Pour générer des microstructures en forme de colline, d’une profondeur d’environ 20 µm et de largeur ~10 µm, 50 passages de faisceau sont nécessaires. Ces collines micrométriques sont recouvertes de nanostructures périodiques de type ripples (Fig. 1.20).

Figure 1.20: Surfaces d’acier inoxydable texturées par ablations successives avec des impulsions picosecondes suivant un motif de grille carrée, pour différentes conditions opératoires : (a-b) fluence de

13 mJ/cm² pour un pas de 10 µm et 50 passes, (c-d) fluence de 26 mJ/cm² pour un pas de 20 µm et 50 passes (λ = 355 nm - triplé, τimp = 12 ps, νrép = 640 kHz) [Noh et al. 2010] ; et (e) fluence de 0,24 J/cm² pour

un pas de 18 µm et 50 passes (λ = 343 nm - triplé, τimp = 6,7 ps, νrép = 200 kHz) [Römer et al. 2009].

1.3.3.3 Laser en régime femtoseconde

En ce qui concerne les travaux de texturation de surface par micro-usinage du matériau avec une source laser femtoseconde, on peut noter que les sources laser utilisées restent principalement des laser Titane:Saphir. De la même façon que pour la texturation en régime picoseconde, il est nécessaire de réaliser une succession d’ablations suivant un motif particulier.

Dans leurs travaux, Vorobyev et Guo ont créé des rainures micrométriques dans des échantillons de platine, de titane et de laiton [Vorobyev & Guo 2015]. Ces rainures, espacées de 100 µm et d’une profondeur de 75 µm, sont recouvertes de nanostructures dont les plus petites peuvent atteindre des dimensions de 5 à 10 nm (Fig. 1.21).

Figure 1.21: Surface de platine, texturée avec un laser Ti:Sa (λ = 800 nm, τimp = 65 fs, νrép = 1 kHz) selon un motif de lignes (F0 = 9,8 J/cm², h = 100 µm), présentant une topographie sous forme de micro-rainures (a),

sur lesquelles des nanostructures sont présentes (b-c) [Vorobyev & Guo 2015].

Plus récemment, l’équipe canadienne d’A.-M. Kietzig a quant à elle créé des microstructures par ablations successives en réalisant un motif de grille croisée, de forme carrée ou rhombique

[Ahmmed & Kietzig 2016]. Des surfaces de cuivre ont été irradiées, en 5 et 10 passages, par un

faisceau défocalisé de diamètre 51 µm, à des fluences laser comprises entre 3,9 et 21 J/cm² et à des taux de recouvrement de plus de 99% à 10 kHz. La topographie obtenue est multi-échelle : on observe des microstructures sur lesquelles se superposent des ripples nanométriques ainsi que d’autres nanoparticules de ~100 nm. Les plots micrométriques obtenus ont une largeur de 70 à 130 µm, pour une hauteur maximale de 15 µm (Fig. 1.22).

Figure 1.22: Surface de cuivre texturée par ablations (λ = 800 nm, τimp = 85 fs, νrép = 10 kHz) selon différents motifs répétés 5 fois : (a-b) grille carrée, (c-d) grille rhombique, balayées à différentes vitesses

4 mm/s (a-c) et 2 mm/s (b-d) [Ahmmed & Kietzig 2016].

Dans la même période, l’équipe espagnole de Martínez-Calderon et al. a également fabriqué des surfaces d’acier inoxydable micro- et nanostructurées par ablations successives avec un laser Titane:Saphir [Martínez-Calderon et al. 2016]. La création de cette double échelle de rugosité se déroule en deux étapes : la première consiste à réaliser les microstructures suivant un motif de lignes ou de grille, puis la seconde étape sert à générer sur le sommet des structures une rugosité nanométrique auto-organisée sous forme de ripples (Fig. 1.23-a).

Pour l’étape de microstructuration de la surface, le matériau est ablaté à trois répétitions par le faisceau focalisé de 25 µm, à une fluence de 25,2 J/cm² pour un recouvrement de 96%, ce qui correspond à une vitesse de 1 mm/s à 1 kHz. Différentes distances entre les trajectoires rectilignes du faisceau sont utilisées : 30, 50 et 90 µm. Les structures alors usinées ont une largeur d’une vingtaine de micromètres pour une profondeur de 10 µm. Pour générer la nano-rugosité qui se superpose aux micro-plots ou micro-rainures, la surface est irradiée en une seule étape à une fluence laser de 2 J/cm², pour une vitesse de balayage de 1,25 mm/s correspondant à un recouvrement de 95%. Les ripples présentent une périodicité de 580 nm pour une hauteur de 250 nm (Fig. 1.23-b).

Figure 1.23: (a) Texturation de surface par laser femtoseconde en deux étapes : la 1ère consiste à réaliser le micro-motif par ablations successives, puis la 2e sert à créer une nano-rugosité sur le dessus des structures (λ = 800 nm, τimp = 130 fs, νrép = 1 kHz). (b) Images MEB correspondantes, de micro-plots de

forme carrée sans et avec la présence de ripples nanométriques [Martínez-Calderon et al. 2016].