Dépôts par projection de poudre dans un faisceau laser Nd:YAG : cas des faibles puissances

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Submitted on 1 Jan 1997

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Dépôts par projection de poudre dans un faisceau laser Nd:YAG : cas des faibles puissances

J. Jouvard, D. Grevey, F. Lemoine, A. Vannes

To cite this version:

J. Jouvard, D. Grevey, F. Lemoine, A. Vannes. Dépôts par projection de poudre dans un faisceau laser Nd:YAG : cas des faibles puissances. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (11), pp.2265-2274. �10.1051/jp3:1997257�. �jpa-00249716�

J. Phys. III IYance 7 (1997) 2265-2274 NOVEMBER1997, PAGE 2265

D4p6ts _par projection de poudre dans _un faisceau laser Nd:YAG _{: cas} des faibles puissances

J-M- Jouvard (~,*), ^D. Grevey _(~), F. Lemoine (~) et A-B- Vannes (~)

(~ LTm, Aquipe Lasers et Traitements des matAriaux, UniversitA de Bourgogne, IUT Le Creusot,

12 _rue de la fondene, 71200 Le Creusot, France

(~) CALFETMAT/MMP, icole _{Centrale de Lyon, France}

(Regu le 30 mai 1997, rAvisA le lo _mars 1997 et le 7 juillet 1997, accept4 le 12 aofit 1997)

PACS 42 60 _-v Laser optical system design and operation

Rdsumd. Ce travail fait suite h celui de F. Lemoine [lj.Il _concerne la moddlisation des d4p0ts

r4ahs4s par projection d'une poudre m4tallique dans _un faisceau laser Nd:YAG Son originalit4

concerne notarnment l'utihsation de faibles puissances laser (P < 800 W) Dans _ce domaine,

nous avons montr4 l'existence, _en fonction de la puissance laser, de deux seuils associ4s h la

masse des revAtements rAalisAs. L'Atude thAorique est fond4e _sur le calcul de la fluence (J/cm~~

foumie _au substrat et l'utihsation d'un modAle de transfert de chaleur h l'intdrieur de celui-ci Les hypothAses 4mises et v4rifi4es sont que: I) ^le premier seuil correspond h la puissance laser

minimale h mettre _{en oeuvre} afin de porter ^h fusion la surface du substrat, it) le second seuil correspond quant h lui h la puissance requise _pour porter la poudre ^h sa tempArature ^de fusion lors de _sa chute

Abstract. This _paper follows Lemoine's work [lj ^It concerns the modelling of cladding with Nd:YAG laser. Now _{we are} interested in cladding with low laser powers (typically P _< 800 W) Experimental observations of the evolution of the _mass of the clads allows to show two power thresholds. The theoretical study relies _{on a} calculation of fluence provided to the substrate and _{on a} model of heat transfer into the substrate We suppose that the first threshold is the

required _power for the melting of the substrate. The second thIeshold _is the _power which allows to melt directly the powder during its flight.

1. Introduction

La technique de revAtement superficiel assist4 _par laser est maintenant _un proc4d4 industriel. La

grande compacit4 des d4p0ts, les vitesses de solidifications rapides ainsi que la bonne adh4sion du revAtement _sur le substrat rendent le proc6d4 attractif, notamment pour des composants hautes performances. Aussi, dans le but de contrAler _et d'optimiser le proc4d4, il devient in-

dispensable de mieux connaitre l'interaction particule-rayonnement, particule-substrat et celle

rayonnement-substrat. DiffArentes Atudes thAoriques ont AtA rAalisAes [2-5], mais gAnAralement

elles _ne tiennent pas compte de toutes ces interactions. Pour notre part, un premier ^modAle a

(* Auteur auquel doit Atre adressAe la correspondance

© Les iditions _{de Physique 1997}

M(g/mm)

Th40rie

j2) Exp4rience

,

'

Ii) P(W)

Pj~ Pj~

Fig. I. Masse linAique de poudre dAposAe en fonction de la _puissance laser (poudre. Stellite, _granu-

lomAtrie: 90/112 _pm, substrat: _acier Z6CNDI7-11)

[Lineic mass of deposited powder _versus laser power (powder. stellite, jranulometry: 90/l12 _pm, sub- strate. steel 316L, _mass feed: 13 g/min)

AtA proposA _{11,6, 7].} II _{a permis} de montrer que:

l'attdnuation du faisceau dans le nuage de poudre se fait jelon

une loi du type Beer-

Lambert,

la diffusion de l'onde _sur les particules suit les lois de l'optiq>ue gAomAtrique _[8],

il est possible de quantifier l'absorption de la poudre vis-h-vis du rayonnement h 1,06 _pm, l'utilisation d'un systAme de projection de poudre coaxial [9,10] donne les meilleurs rAsultats _{avec un} laser h (mission continue.

En revanche, _ce modble n'est pas applicable _aux faibles Il _ne prAvoit _{pas no-}

tamment de valeur seuil h partir de laquelle le dAp0t _se forme et il n'est donc pas

validA pour les faibles puissances. Aussi d'autres phAnomAnes Atre envisagAs. La figure

i rAsume les acquis et les lacunes du modAle.

On note l'existence de deux seuils Pfp et Pfs. Au dessus de Pfp haut

s'applique et _au dessous de Pf~ aucun d4p6t n'est rAalisd. C'est partie, comprise entre Pfs

et Pfp que nous tenterons d'expliciter _en formulant les hypothbses

I _{basse puissance, le d6p0t existe uniquement si la surface substrat est fondue Dans}

ce cas, les particules passent h l'Atat liquide _au moment avec le bain fondu.

Le seuil Pfs correspond h la puissance n4cessaire _pour surface du substrat h la temp4rature de fusion.

Le second seuil Pfp, correspondant h la variation de pente ^la courbe, est induit _par

une modification du _processus de transfert thermique. Pour _puissances sup4rieures,

la poudre est directement fondue _par le faisceau laser. Elle donc h l'Atat liquide

sur le substrat. Ce seuil correspond h la puissance minimale _pour fondre h la

fois le substrat _et les grains de poudre lors de leur chute.

Pour d6terminer _ces deux seuils, il faut quantifier la faqon dont est chauff6 _par le faisceau laser transmis h travers le _nuage de poudre et par les 4chauff4es, ainsi _que

l'4chauffement des grains de poudre lors de leur chute h travers le

Afin d'arriver h ceci, ^il faut d4terminer l'attAnuation du faisceau _{son passage} h travers

le _nuage de poudre ainsi _que les transferts d'6nergie faisceau-poudre (Fig. 2).

N°11 DiP6T _{DE POUDRE} ASSIST( _{LASER Nd:YAG 2267}

puissance

ase[

~

°

a°o

o

puissance ^{° ° °}

~j°

puissance abso~bde transnuse

o ~

°

~ o~ ^{pa~ les}pa~ticules

~ ^o [~

o o o o

°

puissance abso~bde pa~ le subst~at

Fig. 2 Repr4sentation sch4matique des (changes de clialeur entre le rayonnement, la poudre et le substrat.

[Shematic representation of heat exchange between beam, powder and substrate buse

rb

0

r laser

jl

i,

~

z

Fig. 3. Profit du jet de poudre (rb _rayon de la buse de projection

,

rtaser rayon du faisceau

,

r(z) _:

rayon du jet de poudIe).

[Output powder _spray profile (rb. nozzle radius, _rim~r: beam Iadms, r(z) powder _spray radius)

2. Absorption de l'dnergie

2.I kNERGIE _ABSORB#E

PAR LES PARTICULES. Durant leur chute, les particules sont

chauff6es _par le faisceau _et accumulent de l'6nergie qui sera transmise _au substrat.

L'6nergie (dqp) absorb6e, pendant le temps dt, _{par une} particule h la cote _z (Fig. 3) de la sortie de la buse est donn6e par:

dqp ₌ ^~~ApPt(z)dt. ₍₁₎

Pt(z) est la puissance laser transmise h travers la poudre et ~4finie

par une loi de Beer- Lambert iii: Pt(z)

= R exp(-EC(z)z) oh _E est _un facteur oitique, R la puissance laser initiale et C(z) la concentration du nuage de poudre h la cote z,

Ap est le coefficient d'absorption de la particule, Sp est la section ellicace de la particule,

S est la section du faisceau laser collimat6,

le temps dt est une fonction de l'6paisseur travers6e dz, et de la vitesse de chute ~p des particules. On _a dt

= dz/~p.

Afin d'int6grer l'6quation ii _{nous pouvons} faire deux approximations:

la densit6 de poudre est faible, donc le faisceau est peu attAi1u6. Aussi _en premiAre _ap- proche, consid6rons _que la puissance transmise Pt(z) est Agile h la puissance laser in-

cidente R. (Dans le _cas des paramAtres ^utilis6s dans la Secti~n _4,

on obtient, _{pour une} distance buse-piAce de 18 _{mm, une} puissance transmise Agile h 96% de la puissance incidente).

la vitesse de chute des particules est constante.

La valeur de l'4nergie emmagasin4e _{qp par une} particule, aprAs trakersAe du nuage de poudre,

sur la distance buse-piAce dbp, est:

qp = jAp[d~p. 12)

p

Pendant la dur4e d'interaction t~nt, N particules irrad14es touchent substrat [6] Cette dur4e d'interaction correspond au temps de travers6e de la tache laser. donc exprim6e comme

4tant le rapport du diamAtre du faisceau laser (faisceau collimat6) la vitesse de translation de la pibce (vt

= 150 _mm min~~

= 2.5 _m s~~).

De plus, _si l'on (met l'hypothAse _que toute l'6nergie _{par un} grain ^de poudre

est transmise _au substrat, l'Anergie totale _{reque par} le substrat du jet de particules

durant le temps d'interaction est.

Q~ fl

= SpSAp-dbpN

Vp

~IP ~P ~bp

4 ~

~~p

~~nt (~)

3 P P

avec, Dp ddbit de poudre, _{rp rayon} des particules, et pp ^{masse de la} poudre.

2.2, i~NERGIE APPORT#E _{AU SUBSTRAT PAR LE LASER. L} apportbe _au substrat par le faisceau transmis _par le nuage de poudre est.

Ql

" AsPttint (4)

avec A~, le coefficient d'absorption du substrat et Pt, la puissance laser transmise _au niveau du substrat iii

~~~~~~ ~ _~~~ ~

~P(T~~~ ^{~~~)dbp) ~~~}

N°11 D#PST _{DE POUDR,E ASSISTt LASER Nd.YAG 2269}

3. #volution _{thermique rdsultante}

3.I. kCHAUFFEMENT _{Du SUBSTRAT.} Une faqon simple d'aborder Ie transfert de chaleur dans le _cas du rechargement laser, est de consid6rer _ce problAme _comme celui d'un _mur uni-

dimensionnel, semi- infim, h _une temp6rature initiale f, soumis h _une irradiance Qo" (en

W m~~) constante (condition de Neumann) ii ii. On n6glige donc les effets de convection dus h la pr6sence de _gaz autour des particules et les effets de rayonnement thermique des grains de

poudre.

Nous _pouvons alors Acrire _que la temp6rature, h l'instant t(0 < t < t~nt), ^h une profondeur _z

h l'int6rieur du mat6riau, est.

avec k

= conductivit6 thermique

a = diffusivit6 thermique f = tempArature initiale.

Le substrat reqoit _une Anergie constante durant le temps d'interaction t~nt. ^La temp6rature T(z,t) est maximale h l'instant t~nt.

A la surface du substrat (z

= 0), la temp6rature maximale est,

2Qj

fi

~'(t~nt ₌ ^T + m I ⁽⁷⁾

3.2. D#TERMINATION _{DU SEUIL DE FUSION DU SUBSTRAT: SEUIL DE} D#PST. Du fait _que le faisceau _passe h travers le _nuage de poudre, l'6nergie arrivant _sur le substrat est la _somme des deux contributions: (Fig. 2)

Qi

= Anergie provenant de l'absorption du faisceau transmis ((q. _4).

Qp ~ Anergie provenant de l'6chauflement des grains de poudre chauff6s _par le laser

(Eq. (3)).

L'irradiance peut s'6crire:

~~ ~~~t~~

(

~~~

oh S~nt est la surface d'interaction.

Dans le _cas d'un d6p0t de stellite _sur de l'inox (Sect. 4), _on trouve typiquement _que 36 % de l'6nergie provient de l'6chauffement des grains de poudre et 64 % de l'6nergie provient de

l'absorption du faisceau transmis.

Compte tenu des 6quations pr6cAdentes, Q( peut Atre 6crit,

Q»₀ pp_l (g)

oh fl est exprim6 h partir des 6quations (3), (4) et (5).

Nous utilisons l'6quation (7) _pour la dAtermination de la puissance nAcessaire h la fusion superficielle du substrat. Le seuil Pf~, correspond h la puissance minimum permettant de fondre le substrat pendant la durAe d'interaction t~nti

~~~~nt) Ts

" Tfs fs

=

~Qo"fi

k@ ⁽¹⁰⁾

ok, Tfs

= tempArature de fusion du substrat, fs = tempdrature initiale du substrat.

I _{partir des 4quations} (9) et (10), le seuil de _puissance laser ^f~~ est:

Pf~ est la puissance nAcessaire _pour porter la surface du substrat h lla tempArature de fusion. II

correspond _au seuil d'amorqage du d6p6t permettant une liaison m)tallurgique entre la poudre

et le substrat fondus.

Pour _une puissance l6gArement supArieure h Pf~, _un bain liquile _{s'amorce h la} surface du substrat. La quantit6 fondue d6pend du surplus d'6nergie et de I'/nthalpie _{de changement de}

phase.

3.3. D#TERMINATION _{DU SEUIL DE FUSION DE LA POUDREI} SiUIL

DE CHANGEMENT DE

R#GIME. L'#quation (2) donne I'Anergie accumuI4e par une pa(ticule Iorsqu'elle atteint Ie substrat. Nous pouvons en d4duire _que l'6nergie n6cessaire, _pour chauffer la particule jusqu'h

sa tempArature de fusion, _est,

qp ⁼ )Ap)dbp^~

)

est la tempArature de fusion de la particule.

La puissance laser, Pip, nAcessaire _pour porter une particule h sajtemp6rature ^{de fusion} est:

Pip ₌

)

p Sp _bp

Pour _une puissance 14gbrement sup4rieure h Pip, la poudre est temp6rature de fusion durant _sa chute h travers le faisceau. Mais elle n'est _pas fondue. L'irradiation des particules dans le _nuage de poudre est inhomogAne. certaines particules

peuvent donc acqu6rir le surplus d'6nergie nbcessaire h la fusion. autres particules, la fusion aura lieu lorsque la poudre atteint le bain liquide amorc4 le substrat.

Le seuil correspond h la pr4sence d'un changement de r4gime. effet, lorsque Pip > Pf~, le d4p6t _se r4alise, _non seulement _avec fusion du substrat, mais fusion de la poudre. Si la puissance Pf~ nAcessaire _pour porter h fusion le substrat Atait h Pip, le dbp6t _se

formerait mais n'adh6rerait _{pas au} substrat.

4. Exemples d'applicatio

Dans le but de valider le modAle et de _{montrer ses} limites, _{nous nous}

roposons

de comparer les r6sultats obtenus aprAs projection de diff6rentes poudres _sur diff6rehts _{substrats h} diffArentes

tempAratures.

Les lasers utilis4s sont des _sources continues:

type ^{NEC et de i kW de} puissance _moyenne, type ^HAAS et de 2 kW de puissance _moyenne.

N°11 D#PST _{DE POUDRE ASSISTt LASER Nd.YAG 2271} Tableau I. Compositions chimiq~es des dijfirents s~bstrats ~hfisis.

[Chemical formulation of used substrates.]

KC %Ni %Cr %Cu %Si %Mn

acier 316L § 0,03 12 17 0,75 _< 2

acier C65 0,65 0,25 0,65

cuivre 99,9

Tableau II. Propnitis thermiq~es des substrats utifisis.

[Thermal properties of used substrates

substrat acier 316L acier C65 cuivre

conductibilit4 (W.m~^~ .K~ ^~ IS 50 100

diffusivit4 (m~.s~~) ^4.10~~ 1,3.10~~ 2,9.10~~

temp4rature de fusion 1430 1400 1000

coefficient d'absorption 0,3 0,23 0,2

Tableau III. Compositions chimiques des dijfirentes poudres utiiisdes.

[Chemical formulation of used powder.]

KC %Ni %Cr %Co %Fe %Si %W

Fer 99,9

Nickel 99,9

Stellite 6 1,2 0,5 28 64,6 0,2 1 4,5

Tableau IV Propndtds thermiques des dijfdrentes po~dres empioydes.

[Thermal properties ^{of used} powder.]

poudre Fer Nickel Stellite 6

Chaleur Sp4cifique (J.kg~~ 451 443 421

Masse volumique (kg.m~~) 7870 8900 8380

temp4rature de fusion (°C) 1538 1441 1300

coefficient d'absorption 0,365 0,267 0,47

Les faisceaux _sont achemin4s jusqu'h l'optique de mise'en _forme

ma une fibre optique

h saut d'indice de 600 _pm de diambtre. Le faisceau est collimat4 _{avec un} diambtre voi- sin de 4 _mm et est injectA dans _une buse de projection de poudre dite coaxiale [9,10]

(vb = 4 mm, tg(9)

= .0,22, _~p

= 1,6 m s~~, Dp

= 13 g min~~).

Les substrats utilisAs sont prAsent4s dans le tableau I, et leurs propridtds thermiques sont donn6es dans le tableau II. Quant _aux diff6rentes poudres projet6es, elles sont pr6sent6es

dans le tableau III et leurs propr16t6s thermiques sont indiqu6es dans le tableau IV. Enfin, la

temp4rature des substrats _{a pu} Atre modifi6e grlce h _une platine chauffante.

Tableau V. Comparaison des seuiis thdomques et e~pdnmentau~ four ies dijfdrentes poudres

~tifisdes (~aie~rs donndes _en W) (diamdtre _moyen de la po~dre _:

100~pm, ^{diamitre d~} faiscea~ _:

4 _mm, mtesse de ddplacement de la piice _: 2,5 mm s~~, s~bstrat _{: acier} 316L).

[Experimental and theoretical thresholds obtained for various powd~r, Values in Watts (average

diameter of particles. 100 pm, spot diameter: 4 _mm scanning speid: 2.5 _mm s~~, substrate:

steel 316L).]

substrat 316L Fer Nickel 6

Pf~ th40rique 549 559 ' 474

expArimental 575 + 30 690 + 40

Pip thAorique 1095 1557 712

expArimental 1137 + 60 1690 + 100 40

Tableau VI. Comparaison des uaie~rs obten~es apris d'~ne po~dre de Steifite

(~aie~rs mdiq~ies en W) (po~dre de Steifite de diamdtre _{moyen :} diamitre de faiscea~ _:

4 mm, mtesse de ddpiacement de la pidce _: 2,5 _mm ^s~~).

[Thresholds values obtained after stellite cladding, values in Watts diameter of Stellite

particles: 100 pm, spot diameter: 4mm, _scanning speed- 2.5 _{mm s}

acier 316L acier C65 cuivre

exp4rimental th40rique exp4rimental th40nque exp4rimental th40rique

468 + 28 474 450 + 27 840 + 70 1052

4 1. INFLUENCE DE LA NATURE DE LA POUDRE SUR LA VALEUR SEUILS Pfp ET Pfs. Le

tableau V illustre l'influence de la nature de la poudre _sur les seuils puissance. Les r4sultats

obtenus _avec le modble et _ceux obtenus exp4rimentalement sont dans le _cas de d4p0t

de poudre de Fer, Nickel _ou Stellite 6 sur un substrat d'acier 316L.

On constate que Pf~ varie ldgArement _en fonction du type ^de conformment _au modAle.

En revanche Pip dApend de la nature de la poudre.

4 2. INFLUENCE _{DE LA NATURE Du SUBSTRAT suR LA VALEUR} /E _{Pf~. D'aprAs}

notre

modAle, seul Pf~ est affectA _par la _nature du substrat. Le tableau VI illustre l'influence de celui-ci dans le _cas d'un d4p0t de poudre de Stellite _{sur un} substrat d'acier 316L, d'acier C65

ou de cuivre.

4.3. INFLUENCE DE LA TEMP#RATURE _{INITIALE Du SUBSTRAT. Le} tableau VII illustre

l'influence de la temp4rature du substrat _sur les valeurs des de d4position Pf~ et de changement de r6gime Pip.

On _{constate sur} les valeurs de Pfs _que, lorsque la temp6rature du augmente, II faut

moins d'6nergie _{pour porter} celui-ci h fusion.

4.4. INFLUENCE DE LA GRANULOM(TRIE _{DE LA POUDRE} PROJET#E kT _{DE LA} TEMP#RATURE

DU SUBSTRAT SUR LA VALEUR DE Pfs. Nous _avons projetd des poudres de Stellite de

diff6rentes granulom6tries et compar6 les r6sultats obtenus b _ceux th'60riques. Le substrat, en

acier 316L, a 6t6 chauff6 h diff6rentes temp6ratures Le tableau VIII rend compte des valeurs

enregistr6es.

N°11 D#POT _{DE POUDRE ASSISTE LASER Nd.YAG 2273}

Tableau VII. Infl~ence de la tempirature du substrat (~aieurs mdiqudes _en W) (poudre de Steifite de diamdtre _{moyen :} 100 pm, diamdtre de faisceau _: 4 mm, ^uitesse de ddpiacement de la pidce _: 2,5 mm s~~).

[Influence of substrate temperature, sprayed powder: Stellite, values in Watts (average diameter of Stellite particles: 100 pm, spot diameter: 4 _mm, scanning speed: 2.5 _mm s~~).]

Pfs _exp Pfs th60 Pf~ exp Pip ^th60

acier 316L.

(~ ₌ 25 °C 468 + 28 474 707 + 42 712

fs = 420 °C 360 + 22 340 657 + 39 712

acier C65:

fs ₌ 25 °C 450 + 28 840 703 + 42 712

fs = 420 °C 340 + 22 667 650 + 39 712

Tableau ITIII. Influence de la granuiomdtme de la poudre projetde et de la tempdrature du substrat (uaieurs mdiqudes _en W) (poudre de Steifite, diamdtre de faisceau _: 4 _mm, mtesse de

ddpiacement de la piice _: 2,5 mm s~~).

[Influence of granularity of sprayed powder and influence of substrate temp6rature, values in Watts (Stellite powder, _spot diameter: 4 _mm, scanning speed: 2.5 _mm s~~.]

63-80 _pm 90-112 pm

Pfs _exp Pfs th60 Pfs _exp Pfs th60

25 500 + 30 516 468 + 28 474

195 410+ 25 416

225 470 + 28 442

275 370 + 22 389

365 420 + 25 391

420 360 + 22 340

5. Discussion

Les r4sultats obtenus exp4rimentalement sont en bon accord avec ceux dAduits des donn6es th60riques. Les bases du modAle semblent donc valides.

Un revAtement _est g6n6r6 h partir d'un seuil _en puissance, qui correspond h la fusion du substrat. Ce seuil change _avec la temp6rature et les propr16t6s thermiques du substrat _en accord _avec l'6quation (ii) donnant Pfs. La fusion du substrat est obtenue _{avec une puissance} laser inf6rieure si le substrat est chauff6 (Tab. VII) (d'une valeur proportionnelle h celle inject6e

pr6alablement dans le matAriau) _ou s'il est moins bon conducteur (Tab. VI) (les pertes _par conduction sont limitAes).

Concernant l'influence de la nature de la poudre _sur la valeur de Pf~, on peut noter que les

caract6ristiques influentes sont le coefficient d'absorption, Ap, ^la masse volumique, _pp, et la

granulom6trie _par le biais de rp. ^On peut notamment montrer que plus la poudre est fine et

plus le rayonnement ^laser est att6nu6 _par le _nuage de particules, et plus ^le seuil Pf~ est 61ev6

(Tab.VIII)