CONTRIBUTION AUX TRAITEMENTS DE SURFACE AVEC APPORT DE POUDRE PAR LASER

HAL Id: jpa-00227030

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00227030

Submitted on 1 Jan 1987

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

CONTRIBUTION AUX TRAITEMENTS DE

SURFACE AVEC APPORT DE POUDRE PAR LASER

P. Lagain, D. Kechemair, P. Bournot

To cite this version:

P. Lagain, D. Kechemair, P. Bournot. CONTRIBUTION AUX TRAITEMENTS DE SURFACE

AVEC APPORT DE POUDRE PAR LASER. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C7), pp.C7-

159-C7-162. �10.1051/jphyscol:1987728�. �jpa-00227030�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C7, supplément au n 0 1 2 , Tome 48, décembre 1987

CONTRIBUTION AUX TRAITEMENTS DE SURFACE AVEC APPORT DE POUDRE PAR LASER

P. LAGAIN, D. KECHEMAIR and P. BOURNOT*

Etablissement Technique Central de l'Armement, Groupe Laser.

16 Bis, Avenu9 Prieur-de-la-Côte-d'Or, F-94114 Arcueil Cedex, France

" ~ n s t i t u t de Mécanique des Fluides de Marseille, 1 , Rue Honnorat, F-13003 Marseille, France

L m r surface treatment with powder addition have received a particular attention.

Imprwements of the substrate mechanical properties have given encouraging results, however a better comprehentioti of the physical interaction during the treatement is necessary Tow main aspects were specialy highlighted: the gas and particles flow caracterisation and the laser and powder interaction. The experimental set up w i l l be describe i n these two cases.

Dans le laboratoire multilaser de I'Etablissement Technique Central de lSArrnement, le traitement de surf= avec apport & poudre fait l'objet d'approfondissements tant du point de vue des techniques mises en œuvre que de I'interpretation physique des phénomènes intervenant au cours de l'élaboration de ces &pots. Seul ce dernier thème sera discuté; l'aspect métallurgique ainsi que les améliorations des caractéristiques mécaniques be

ces.

dépots ne seront pas abordés. Néanmoins,le materiel commun a ces deux approches fera l'objet d'une présentation.

*

f emafer ie/ a:tm,!

La poudre, issue d'un distributeur, est véhiculée sur la zone d'interaction par un gaz porteur.

Outre la nature et la granulométrie du matériaux d'apport, les débits massiques et la vitesse d'entrainement de

ces

particules sont des paramétres a déterminer. Une buse, adaptée au traitement ck surfaces (figure nQl). délivre l a poudre coaxialement au faisceau laser, et assure, par l'intermédiaire d'un écoulement supplémentaire de gaz neutre, la protection a l'oxydation du dépôt.

*

Ph-itRw ciep-crl,I&~?

Si la fusion du matériau d'apport et

son

adhérence au substrat sont les objectiis à atteindre, les éléments int18rants au procédé, tels les gaz, le rapport entre longueur d'onde et diamètre des particule, l a geornetrie du matériau a &poser, influencent mutuellement la qualité du traitement.0~

schéma, (figure n.21, wi sont regroupés ces éléments, deux grands themes distincs peuvent etre dégagés:

-La mécanique des fluides, avec la qualificationdes écoulements gazeux et à particules.

-L'interaction Imr/poudre métallique proprement dite.

Ces

deux parties seront dissociéeç( pour faciliter l'analyse dans un premier temps); on considérera que le gaz utilisé(généralement argan ou azote) est transparent à 10,6 l m et de même que le faisceau laser ne subit aucune défocalisation thermique en présence de gaz chauds.(Ces deux phénomènes n'ont pu etre mis en évidence lors des premiers essais).Les écoulements seront ceractérisés hors faisceau.

b m H z w , ? ~ & / 7 ~ 1 ~ :

En admettant que la présence des particules ne modifie pas les vitesses du gaz (débits massiques inférieur à l g r / s ), les écoulements gazeux seront definis sans les poudres. Dans les conditions de dépôt (figure n'3), les deux écoulements (gaz de protection q=7 I/min, gaz porteur q=0,7 l/min), peuvent s'observer en sortie de buse, mais le profil de vitesse tend à s'uniformiser pour des distances supérieures a 30 mm (x/d>2, d= 14 mm). Cette homogénéisation s'accompagne

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987728

C7-160 J O U R N A L DE PHYSIQUE

d'une élévation de l'intensité de turbulence. On montre que pour des nombres de Reynolds identiques, la nature de gaz n'influence pas la distribution &s vitesses. Les intensités de turbulence relevées, par anémométrie a f i l chaud, pour des Reynolds identiques dans de l'air ,( figuren04), permettent de constater que le jet libre'est turbulent. La poudreest injectée dans lecoeur du jet le moins turbulent Cette turbulenw expliquerait les modifications de trajectoire des particules dans le jet Pour carastériser ce phénombrie, le dispositif de visualisation de trajectoire, figure n05, permet d'observer simultartérnent vitesse d trajectoire des particules. Le faisceau laser argon, modulé et mis en iorme, deiiriit un plan vertical d'analyse contenant l'axe de la buse. La trace laissée sur une image de la caméra vidm rapide par une particule est discontinue. Connaissant la fréquence de modulation on peut par une mesure sur l'écran, determiner deux composantes de la vitesse de la particule. Dans cette première partie. on a utilisé & la poudre de cuivre shèrique de diamètre moyen centré sur 4 0 um(figure n06).

Les vitesses mcyennes 13% particules ctans le jet (figure n07), pour des débits gazeux identiques aux p r W r i t s , ont étés obtenus par anémometrie laser, en collaboration avec: l'Institut de Mécanique des Fluilks dr Marseille. Cej méthodes de mesure restent valables dans le cas de particules de diametre superieur I'interlran*. Cependant des variations de vitesses sont observées en ionction de l a taille

des

particules :civisualisation directe),&s mesures sélectives pour différentes classes de diamètres sont en cours. II restera, pour compléter cette analyse, à déterminer la répartition massique de œs particules dans les différentes sections du jet. Du temps de séjour de ces particules cians un faisceau laser Qnné dépendra leur état final: fusion ou élévation de température.

*

l 'intwil?Zri-y7 I ~ - ~ ~ L ? :

Le rôle de cette deuxième partie sera donc d'évaluer I'énergie nécessaire pour fondre la totalitéde œs particules et le tempsd'illumination mlnimun requis. Sur le bilan, figure n08, dans le cas d'une seule particule,sont shématisés les différents phénomènes rencontrés. Dans le cas d'une particule métallique la transmission est nulle. Les autres apports d'énergie proviennent des particules avoisinantes et du substrat à température élevée (rayonnement). Les pertes par convection en préçerrce du gaz porteur seront négligées. Il en sera de même pour les pertes par rtyonnement comparativement à l'énergie lncidente du faisceau laser

Le parcours minimum nécessaire pour fondre une particule dans un faisceau laser ,peut étre calculé. On tiendra m p t e d'une abçoption de surfta?, de l a variation d'émissivité normale totale et de la capacité calorifique en fonction de le température. Pour une particule de fer pur de diamètre 40 Pm à 2 m/s et une Bnergie incidente de 1 O kW/cW ce parcours minlmun est d'envfron 30 mm.

L'ordre de grandeur est respecté comparativement aux distances réelles de dépôts. On ne tient pas compte pour l'instant dela taille de ces particules vis à vis de l a longueur d'onde.

Le dispositif ekpérimental (figure nO1O) permettra de déterminer un bilan énergétique sur un nuage de particules. La comparaison des puissance avant et aprés interaction nous renseigne sur l'atténuation du faisceau par l a poudre. Cette atténuation directement fonction du débit massique s'exprime comme suit:

€0- Er=Eabs+Ediff

+

Eref

avec Eo W/cm2 énergie incidente,et respectivement Er, Eabs, Edfff, Eref les énergie résiduelle,absorûée,diffusée et réfléchie sur les particules.Le bilan calorimétrique permet d'évaluer la quantité Eabs. L'obtention des données quantitativement interprétables en ce domaine pose des problèmes expérimentauxdélicatsqui fontl'objetdes étude. actuelles.

* l i o n * r n k ~

Nous avons pu remarquer que l a mécanique des fluides I eprésente une grande partie de cette étude. De problèmes d'oxydation apparaissent fréquement en cours de traitement thermique et de surface. Cet aspect ,pour l'instant peu abordé, devrait permettre, par l a qualification des écoulements et l'amélioration des g h e t r i e s de buse, d'optirriiserles traitemcrits.

Figure n' 1

buse de taitement de surface taibnau Imr

Figure n'2

Role des différents éléments

entrai nement

Figure n'3 P r o f i l s des vitesses

Buse de traitement de surface -argon- 3

2

1

O

0 2 4 6 8 1 0 1 2

Figure n' 5

Dispositif de visualisation des trajectoire et mesure de vitesse des particules

1 miroir

'

² modulateur scocrsto-opttque 3 miroir 4 diaphragme 5 lentille cylindrique 6 objectif

7 caméra vidéo rapide

Figure n'4 P r o f i l de turbulence Buse traitement de surface - a i r -

" T T r '

⁺ x/d=O

x/d= 1

X x / d = 2

' 4 x / d = 3

a -

50

-

...

^"

...-....

^: ... ^"

... '

...

+ ' . . . 1 ,

^'

... ... ... /

.-.--..

²

.-.-.--

'..- .& x i...

i

40

-

30

-

! $

:

.." ....

^"

... '." ...

.-.."-.i

...

⁴ ... +.,

....;

... ; ...

i

+

^d

r

.... ...

...-.-...-.. ^{&.. "}

$ $ a , i

--.,.- --...." ...

ⁱ

...

⁴

...

^;

...

+ + + + :

^{j y.mm}

- i . i . i . i . l -

0 2 4 6 8 1 0 1 2

JOURNAL DE PHYSIQUE

Figure n'6

Répartition granulométrique poudre sphérique de cuivre

Figure n'7

P r o f i l des vitesse des particules Buse de traitement de surface-argon- 3

2

1

O

O 2 4 6 8 1 0 1 2

Figure n'8

laser Eo

r ? l

Figure n'9

évaluation simplifié du temps minimun nécessaire à l a fusion- E= 1 Oe4W/cm2-

Figure no 1 O

Iwtrumentation de I'interaction

L'omogénéiseur est constitué d'un kaléi- doscope qui assure une répartition homogénéiseur homogène de l'énergie dans le faisceau de

C

1 cm2 & surface.

hublotF uivi db puissance Les suivis de puissance avant et aprés Bilan énergétique

30 40 50 60 70 80

1% adQpudr ...:. interaction sont éffectués grace 6 deux

\ ^roir d6tccteurs pyro-électrique.

mi roi r

A -

La quantite d'energie absorbée par les

...- poudres est obtenue par calorimétrie

calori mètr suivi de puissance résiduelle