TRAITEMENTS DE SURFACE PAR LASER EN PHASE SOLIDE

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Submitted on 1 Jan 1987

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TRAITEMENTS DE SURFACE PAR LASER EN PHASE SOLIDE

G. Coquerelle, M. Collin, J. Massoud, J. Fachinetti

To cite this version:

G. Coquerelle, M. Collin, J. Massoud, J. Fachinetti. TRAITEMENTS DE SURFACE PAR LASER EN PHASE SOLIDE. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C7), pp.C7-105-C7-110.

�10.1051/jphyscol:1987717�. �jpa-00226993�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C7, supplément au n°12. Tome 48, décembre 1987 C7-1Q5

TRAITEMENTS DE SURFACE PAR LASER EN PHASE SOLIDE

G. COQUERELLE, M. COLLIN, J.P. MASSOUD et J.L. FACHINETTI DRET/ETCA, 16 bis. Avenue Prieur-de-la-CÔte-d'Or, F-94114 Arcueil Cedex, France

Atjstnaei

The Nd-YAG pulsed Laser and the continuous wave CO2 Laser can be very interesting tools to transform the materials in solid state. The aim of solid state surface treatment is to decrease the high roughess of melted samples which limits the development of industrial applications. With the Laser pulse (30 J , 25 ns), shock waves can be generated on an aluminium alloy AU40 and a considerable hardness increasing has been obtained. With CO2 laser, hardening of steel by quenching can increase hardness and fatigue life.

With a predeposited layer or with a reactive gas addition, nitrided, carburized and bonded layers can also be elaborated on titanium alloys. These very hard layers (above 1000 Hv) enhanced the erosion resistance of Ti-6 Al-4 V alloy.

Introduction

Les traitements thermiques et thermochimiques effectués en four sont depuis de nombreuses années appliqués dans l'industrie afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques de pièces métalliques. Les traitements de surface par Laser, dont le développement est plus récent ( une dizaine d'années), permettent de n'affecter thermiquernent que très localement ( ils ne nécessitent en outre pas de mise sous pression réduite ni de mise en température de l'ensemble de la pièce à traiter).

Toutefois les traitements Laser après passage à l'état liquide peuvent engendrer par génération de passes successives des états de surface impropres à une utilisation sans usinage qui, dans le cas de couche mince, est impossible. C'est pourquoi les traitements en phase solide, sans modification sensible de l'état de surface sont actuellement étudiés. Ils couvrent deux domaines particuliers de l'espace densité d'énergie incidente- temps d'interaction : celui des très hautes intensités et des temps très courts ( Laser verre-néodyfne avec formation d'onde de choc) et celui des intensités faibles et des temps relativement longs (Laser CO2 continu-Durcissement par trempe et par diffusion).

l Traitement par onde de choc [ U [ 2 ] [3] [ 4 ]

L'étude a été réalisée au moyen d'un Laser néodyme puisé de 60 J avec des temps d'interaction de i'ordre de 25 ns. Les échantillons irradiés sont en AU40 de forme parallèlépipèdique dont les dimensions sont 20x20x 1 et 20x20x2,5 mm.

Les densités de puissance utilisées sont de 2 et 4x 10" W/cm^. La surface des échantillons est recouverte d'une peinture noire et le plasma créé est piégé par une lame de verre posée sur la surface. La détente de ce plasma crée un pic de pression dont la valeur a été mesurée à l'aide d'un capteur quartz piézoélectrique ( Elle atteint ! ,7 et 4,6 6Pa ).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987717

C7-106 JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Cette pression crée en surface une onde de contrainte qui se propage dans l'épaisseur de l'échantillon. La dureté des échantillons traités à 1,7 OPa et 4,6 OPa augmente considérablement (figures 1 et 2 ) wec la pression induite. L'élévation du taux de dislowtions est importante, elle est d'autant plus forte que la pression augmente ( figure 3

1.

r

U 4 G l . C H O C LASER PiWkbsr

Figure 1 Profil de dureté de l'échantillon traité a 1,7 OPa

AU401 -CHOC LASER Pz46kbaba

'.

---__-__---

Figure 2 Profil de dureté de l'échantillon traité a 4.6 OPa

Figure 3 Influence de la pression sur le taux de dislocations

II

Durcissement

I515161 I 7 1

Pour cette étude, un Laser continu de 5 kW

de

puissance a été utilisé. Les échantillons en acier 35 CD 4, 35 CDV 13 et 35 NCD 16 sont irradiés avec une tache de 12 mm de diamètre en faisceau défocalisé, avec une tache carrée de lOx 10 mm

avec

un k a l è ï W p e et de 3x30 mm

avec

une focalisation par miroir cylindrique.

Les largeurs traitées dépendent très largement de la nuance de l'état initial et de la forme de la tache. Les largeurs les plus importantes ont été obtenues

avec

une lentille cylindrique ( figure 4 )

,

toutefois les profondeurs traitées sont les plus faibles.

La muche traitée est mise en compression ( les valeurs des contraintes en surface peuvent atteindre -400 NPa sur un acier 32 CDV 13 ) ( Figure 5 ), toutefois il existe un pic d'extension en sous-muche qu'il est bon d'éloigner le plus passible de la surface pour éviter

les

amorçages en sous-couche ctans l e cas d'une sollicitation en fatigue.

La limite de fatigue dans le

cas

d'un essai de flexion-rotation a été améliorée d'environ 15

W

( Figure 6 )

Figure 4 Traitement avec un m i r o i r wlindrique d'scier 32 CDV 13

Figure 5 Profil de contrainte Figure 6 Courbe de Wohler

JOURNAL DE PHYSIQUE

III ^. .

E B l l 9 1 I l 0 1 [ i l ]

L'alliage de titane utilisé est un TA6V commercial. II est de structure

a+ 6

^{,'il peut par}

trempe donner une structure martensitique du type

a'.

Toutefois, contrairement aux aciers, ses caractéristiques mécaniques ne sont pas améliorées et sont généralement plus faibles après une trempe dans le domaine

6

( Tenue à la fatigue et à l'érosion). Plusieurs possibilités peuvent être offertes au Laser pour modifier la structure de surface sans modifier la structure à m u r . Elles consistent à faire diffuser suit a partir d'un gaz soit a partir d'un cément préalablement déposé un métalloïde ( C,N,B) afin de former des carbures, nitrures et borures de titane en surface.

La même technique eut être utilisée pour la nitruration et la carburation. Avec une densité de puissance faible ( 5x10 w/cm2), un temps d'interaction

9 mez

long f 5 8 6 secondes) il est possible de réaliser des muches de nitrures ( en utilisant de l'azote) et des couches de carbures ( en utilisant du méthane) de 1 à 2 microns d'épaisseur ( Figure 7). En faisant plusieurs allers et retours pour augmenter l'épaisseur de la couche, il est possible & mesurer des niveaux de dureté très élevés ( supérieurs a 2000 Hv) ( Figure 8).

11 1 2 m toar vote sol& ^. .

A partir d'un spray, des couches de carbone et de nitrure de bore & plusieurs microns d'épaisseur ont été déposées à la surface des Échantillons. Le Laçer permet la diffusion des divers éléments afin de former une couche de carbures plus épaisse que la précédente ( 1 O é 15 microns) et des couches de nitrures et borures de titane d'environ 30 microns ( Figure 9) qui peuvent atteindre

1400 Hv ( Figure 10).

Afin d'utiliser industriellement le Laser comme outil de production permettant d'abaisser les coûts dans le domaine des traitements de surface, il est nécessaire de minimiser les déformations et les usinages ultérieurs. Les traitements par Laser à l'état solide permettent de réaliser des étatsde surface de rugosité très faible tout en minimisant la mne affectée thermiquement dans le substrat.

Ils permettent en outre d'augmenter considérablement la dureté dens des mnes localisées par trempe superficielle et par diffusion à l'état solide à partir d'un gaz réactif ou à partir d'un cément prédéposé. Cette technique par apport en surface permet la réalisation de toute une série de céramiques qui améliore la tenue à l'usure et à l'érosion par des particules solides & l'alliage de titane TA6V.

Le traitement en Lâser p u l e permet d'atteindre par rmuvrement de spots des surfaces importantes avec des renkments surfaciques intéressants. Quand ces Lesers @ haute énergie auront des taux de répétabilité plus importants que ceux existants, il sera possible d'envisager une industrialisation d'un pr& qui est le seul 8 permettre un écrouissage très localisé.

Figure 7 Nitruration du TA6V Figure 8 Profil de mirodureté en surface

JOURNAL DE PHYSIQUE

1 CLAUER

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FAIRAND

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WILCOX Met. Trans. 8 A 1977 pp 1 19- 125 2 FOURNIER - FABBRO

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STRUDEL

Journées INSTN juin 1987 ( à paraitre)

3 ROMAIN "On& dechoc de haute pression engendrées par impulsion Laser"

Journées INSTN juin 1987 ( à paraitre) 4 BOURNOT - DUFRESNES

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AUTRIC

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WUERELLE

Proc. Conf. SPlE LA HAYE 1987 ( à paraitre) 5 COQUERELLE

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^COLLIN

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FACHINETTI

Proc.Canf. LIN3 juin 1986 PARIS pp 197-205 6 VANNES

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^HERNANDEZ

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MAIFFREDY

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QOBIN

Proc. Conf. LAMP 8 7 may 1987 OSAKA pp 3 7 1-376 7 COQUERELLE

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COLLIN

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FACHINETTI

Journée ATTT/ SFM 1986 PARIS Trait. Therm. 20286 pp 51 -55 8 BERGMANN

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MORDIKE " Laser surface treatment of melals "

NATO series 1986 pp 389-412

9 COQUERELLE

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PUIO - MASSOUD - COLLIN

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QUENZER Proc. Conf. LAMP 87 may 1987 OYiKA pp 459-464 10 YASUNAGA

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OBARA - NINETA - IKEDA

Proc.Conf. LAMP 87 mty 7987 OSAKA pp485-490 1 1 COQUERELLE - MASSOUD

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COLLIN

Proc. Conf. oct. 1986 SAN FRANCISCO pp 6 3 1-639