Brevet FR2709762A1 — publié le 19950317

PROCEDE D'APPLICATION DE CHOCS LASER SUR UN MATERIAU SOLIDE CRISTALLIN. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé permettant d'appliquer des chocs laser à la surface d'un matériau solide cristallin, afin de traiter ce matériau ou d'en étudier le comportement dynamique aux chocs. Les matériaux concernés par ce procédé sont tous les matériaux cristallins, c'est-à-dire principalement les métaux ainsi que certains autres matériaux tels que le graphite. On sait que la création de contraintes résiduelles dans les matériaux cristallins permet d'en augmenter la durée de vie et d'éviter la propagation de fissures éventuellement présentes dans ces matériaux. Une technique classique pour induire des contraintes résiduelles est la technique dite de grenaillage, qui consiste à bombarder la surface du matériau au moyen de grenailles projetées à grande vitesse. Cependant, cette technique traditionnelle ne crée des contraintes résiduelles que sur une couche superficielle dont la profondeur n'excède pas environ 100 um. Afin d'accroître très sensiblement la profondeur de la couche superficielle dans laquelle des contraintes résiduelles sont créées, on a proposé de remplacer le grenaillage mécanique classique par l'application de chocs laser sur la surface du matériau. Cette technique consiste à irradier la surface du matériau au moyen d'un laser de puissance, de façon à produire un plasma de surface à haute température et à haute pression. La détente de ce plasma provoque une onde de choc. Pour que cette onde puisse engendrer des contraintes résiduelles dans le matériau, il faut qu'elle dépasse la limite élastique de ce dernier. Cependant, l'utilisation des lasers les plus puissants existant actuellement, du type verrenéodyme, engendre une pression dans le matériau d'environ 1 kbar, qui est insuffisante pour produire des effets mécaniques résiduels dans les matériaux solides cristallins. En effet, une pression d'au moins 5 kbars est nécessaire pour créer des contraintes résiduelles dans un matériau de faible limite élastique tel que l'aluminium. Pour remédier à cet inconvénient, et comme l'illustrent notamment les documents US-A-3 850 698 et US-A-4 401 477, il a été proposé d'amplifier les ondes de choc créées par le laser de puissance dans le matériau en recouvrant ce dernier d'un milieu de confinement transparent à la longueur d'onde du laser et présentant une grande impédance de choc. Ce milieu de confinement a pour effet de retarder la détente du plasma, qui se fait alors de façon adiabatique. L'onde de choc résultante s'en trouve amplifiée et allongée en durée. Par ailleurs, afin d'éviter une altération de la surface du matériau due aux effets thermiques engendrés par le choc laser, on interpose habituellement entre la surface du matériau et le milieu de confinement un revêtement absorbant tel qu'un adhésif ou une peinture. A l'heure actuelle, les milieux de confinement communément utilisés sont soit de l'eau, soit du verre ou du quartz. L'eau présente l'avantage d'être facile à mettre en oeuvre, quelle que soit la forme de la surface de la pièce. Cependant, son impédance de choc est faible, de telle sorte que les pressions obtenues sont limitées et que les durées d'impulsion restent faibles (environ 40 ns). L'utilisation de l'eau comme milieu de confinement impose donc d' avoir recours à un laser très puissant, de type verre-néodyme, délivrant à chaque tir une puissance d'environ 60 Joules en 25 ns. Cependant, un tel laser ne délivre au mieux qu'un tir par min, ce qui est totalement inadapté aux exigences requises pour un procédé de traitement à vocation industrielle. En outre, même en ayant recours aux lasers les plus puissants existant actuellement, l'utilisation de l'eau comme milieu de confinement ne permet pas de traiter des matériaux présentant une limite élastique élevée tels que des aciers cémentés. Lorsqu'on utilise du verre ou du quartz comme milieu de confinement, la grande impédance de choc de ces matériaux permet d'obtenir des pressions et des durées d'impulsion élevées. Il est donc possible dans ce cas d'utiliser des lasers moins puissants et de traiter des matériaux cristallins présentant une limite élastique élevée. Cependant, l'utilisation du verre ou du quartz comme milieu de confinement ne résout pas le problème de l'industrialisation du procédé. En effet, le verre et le quartz sont des matériaux solides qui éclatent à chaque tir laser, de telle sorte qu'ils doivent être remplacés après chacun des tirs. Si ce remplacement est possible lorsque la surface est plane, il imposerait d'effectuer un nouvel enrobage de la pièce après chaque tir dans le cas d'une pièce en forme, ce qui est totalement exclu dans le cadre d'un procédé industriel. L'invention a précisément pour objet un procédé permettant d'appliquer des chocs laser sur un matériau solide cristallin de forme quelconque, dont l'industrialisation soit possible et qui soit applicable indifféremment quelle que soit la limite élastique du matériau, en ayant recours à des lasers présentant des cadences de tir relativement élevées. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé d'application de chocs laser sur un matériau solide cristallin, de surface quelconque, selon lequel on soumet la surface du matériau à des tirs d'un laser de puissance, au travers d'un milieu de confinement transparent à la longueur d'onde du laser, caractérisé par le fait qu'on revêt la surface du matériau d'un polymère liquide ou élastomère formant le milieu de confinement. A température ambiante, le type de polymère utilisé se présente sous la forme d'un liquide visqueux ou d'un élastomère. I1 peut donc être appliqué facilement, par exemple à l'aide d'un pinceau ou par immersion, sur la surface d'un matériau solide cristallin de géométrie quelconque. Cependant, à la fréquence du laser (par exemple 40 MHz pour une durée d'impulsion de 25 ns) les polymères sont à une température inférieure à leur température de transition vitreuse, de sorte qu'ils se comportent comme des solides vis-à-vis du phénomène. Etant donné que l'impédance de choc des polymères à l'état solide est seulement légèrement plus faible que celle du verre, leur utilisation comme milieu de confinement permet d'avoir recours à des lasers de moindre puissance, tels que les lasers à excimère et les lasers YAG, utilisables industriellement. En outre, l'utilisation d'un polymère pour confiner le plasma permet aussi d'appliquer des chocs lasers sur des matériaux solides cristallins présentant une limite élastique élevée tels que des aciers cémentés. De préférence, le polymère utilisé comme milieu de confinement est une résine époxy. Par ailleurs, et d'une manière en elle-même connue, on interpose un revêtement absorbant entre le milieu de confinement et la surface du matériau, pour protéger cette surface vis-à-vis des effets thermiques engendrés par le choc laser. Comme on l'a déjà indiqué, le procédé selon l'invention est avantageusement appliqué au traitement d'une matériau solide cristallin par chocs laser. Toutefois, cette application ne doit pas être considérée comme limitative, le procédé selon l'invention pouvant aussi être appliqué, d'une manière plus générale, à l'étude du comportement dynamique aux chocs d'un matériau solide cristallin. On décrira à présent, de façon non limitative, différents exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et les résultats obtenus, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre très schématiquement l'installation utilisée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un graphique représentant les pressions obtenues (en kbar) en fonction du flux laser (en GW/cmi), respectivement lorsqu'on utilise de l'eau (signe "x") et lorsqu'on utilise un polymère (signe "o") comme milieu de confinement - la figure 3 est un graphique représentant les contraintes résiduelles (en MPa) induites dans l'aluminium, en fonction du flux laser (en GW/cm2), respectivement lorsque le milieu de confinement utilisé est de l'eau (signe "x") et un polymère (signe JUO - la figure 4 est un graphique comparable à celui de la figure 3 illustrant les contraintes résiduelles (en MPa) induites dans un acier cémenté à haute limite d'élasticité, en fonction du flux laser (en GW/cm2), respectivement lorsqu'on utilise de l'eau (signe "x") et un polymère (signe "o") comme milieu de confinement ; et - la figure 5 est un graphique permettant de comparer les contraintes résiduelles (en MPa) induites, en fonction de la profondeur (en um) dans un acier non durci, à limite élastique moyenne, respectivement lorsqu'on utilise de l'eau (signe "x") et un polymère (signe "o") comme milieu de confinement. Sur la figure 1, la référence 10 désigne la pièce sur laquelle on désire appliquer des chocs laser, par exemple afin de traiter cette pièce pour y induire des contraintes résiduelles. Ce traitement a pour but d'augmenter la durée de vie de la pièce et d'éviter la propagation de fissures éventuelles. Cette pièce 10 est réalisée en un matériau solide cristallin, le plus souvent métallique. Elle présente une surface extérieure S de forme quelconque, dans la zone dans laquelle on désire appliquer les chocs laser. La surface S à traiter de la pièce 10 est tout d'abord recouverte d'un revêtement absorbant 12 qui peut être constitué par un adhésif ou, de préférence lorsque la surface S n'est pas plane, par de la peinture. Ce revêtement absorbant 12 permet d'absorber la chaleur dégagée par le plasma et d'éviter ainsi l'altération de la surface S par les effets thermiques induits en surface par le laser. Le revêtement absorbant 12 est recouvert d'un milieu de confinement 14, réalisé en un matériau transparent à la longueur d'onde du laser utilisé et présentant une grande impédance de choc. Conformément à l'invention, ce matériau est un polymère qui se présente sous la forme d'un liquide visqueux ou d'un élastomère apte à être appliqué sur le revêtement absorbant 12 soit à l'aide d'un pinceau, soit par immersion dans un récipient contenant ce polymère. Le polymère formant le milieu de confinement 14 est constitué de préférence par une résine époxy telle que la résine "Araldite" (Marque déposée) ou la résine "Caldofix" (Marque déposée), sans leur durcisseur. Bien qu'ils ne permettent pas d'atteindre des pressions sensiblement supérieures à celles obtenues sous eau, les vernis polyuréthanes peuvent aussi être utilisés, car ils procurent des temps de maintien plus élevés qui permettent d'augmenter la profondeur du traitement, par rapport à l'eau. La pièce 10, dont la surface S est recouverte par le revêtement absorbant 12 et par le milieu de confinement 14 est placée dans l'air, de telle sorte que la surface S soit située en face d'un laser de puissance 16. Ce laser de puissance 16 dirige selon une direction sensiblement perpendiculaire à la surface S des tirs successifs qui forment un plasma à la surface de la pièce 10. Entre chaque tir, on effectue un déplacement relatif entre le laser de puissance 16 et la pièce 10, parallèlement à la surface S, de façon à réaliser un balayage de la totalité de cette surface. L'onde de choc et de pression produite dans la pièce 10 par la détente du plasma est amplifiée par la présence du milieu de confinement 14, de telle sorte que des contraintes résiduelles sont induites depuis la surface S, sur une certaine profondeur à l'intérieur de la pièce 10. Grâce à l'utilisation d'un polymère, et notamment une résine époxy, pour former le milieu de confinement 14, il devient possible d'utiliser un laser de moyenne puissance tel qu'un laser à excimère ou un laser YAG dont la fréquence de tirs est suffisamment élevée pour autoriser une utilisation industrielle. L'énergie de chacun des tirs lasers peut être d'environ 1 ou 2 Joules, pour une fréquence variant entre 10 Hz et 30 Hz. Les exemples de polymères cités précédemment sont transparents aux longueurs d'onde de ces lasers. Un certain nombre d'essais ont été effectués afin de mettre en évidence les avantages procurés par l'utilisation d'un polymère comme milieu de confinement 14 par comparaison avec l'utilisation de l'eau. Pour pouvoir obtenir des résultats significatifs, il fallait que le laser utilisé soit suffisamment puissant pour induire des contraintes résiduelles lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de confinement. Pour cette raison, tous les essais ont été effectués avec un laser de très forte puissance, de type verre-néodyme, délivrant une puissance de 60 Joules en 25 ns. Le faisceau laser était focalisé de façon à former une tâche carrée de 5 mm de côté. Les mesures de pression ont été faites au moyen de quartz piézo-électrique. Un premier essai a permis de déterminer que la durée à mi-hauteur d'une impulsion de pression consécutive à un choc laser dure environ 40 ns lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de confinement et environ 110 ns lorsqu'on utilise une résine époxy, du type "Caldofix" (Marque déposée) sans durcisseur. L'impulsion de pression est donc multipliée environ par trois. Comme l'illustre le graphique de la figure 2, où les signes "x" et "o" représentent respectivement les résultats des mesures obtenus en utilisant de l'eau et de la résine "Caldofix" (Marque déposée) comme milieu de confinement, on a ensuite comparé les pressions (en Kbar) qui sont créées dans le matériau en fonction du flux laser (en GW/cm2). Ce graphique fait apparaître de façon claire que les pressions obtenues en utilisant une résine époxy comme milieu de confinement sont partout plus élevées. La différence est d'autant plus grande que le flux laser est faible, ce qui confirme la possibilité mentionnée précédemment d'utiliser des lasers de moyenne puissance tels que des lasers à excimère ou des lasers de type YAG. D'autre part, on voit sur le graphique de la figure 2 qu'en utilisant un flux laser plus élevé (environ 5 GW/cm2), on peut atteindre des pressions d'environ 40 kbars, lorsqu'on réalise le confinement à l'aide d'une résine époxy. I1 apparaît ainsi possible de traiter des matériaux à haute limite d'élasticité tels que des aciers cémentés. Comme l'illustre le graphique de la figure 3, d'autres essais ont été effectués, avec les deux milieux de confinement précités (les signes "x" et "o" se rapportant respectivement à l'eau et à la résine "Caldofix" Marque déposée), afin de comparer les contraintes résiduelles (en MPa) engendrées dans le matériau, en fonction du flux laser (en GW/cm2). Plus précisément, le graphique de la figure 3 a été établi sur une pièce en aluminium, présentant une faible limite d'élasticité (environ 300 MPa). Le graphique de la figure 3 montre que, lorsque le milieu de confinement est une résine époxy, des contraintes résiduelles apparaissent dans l'aluminium dès qu'un flux laser de 0,1 GW/cm2 est appliqué. Cela correspond à une puissance d'environ 0,7 Joules. En outre, on voit que les contraintes résiduelles sont à saturation dès que le flux laser atteint 0,9 GW/cm2, soit une puissance de 5,6 Joules. Les lasers existants à excimère et de type YAG permettent donc de traiter des pièces en aluminium de manière industrielle. Le graphique de la figure 4 permet de comparer, pour les deux types de milieux de confinement (les signes "x" et "o" désignant ici encore les résultats obtenus respectivement avec l'eau et une résine "Caldofix", Marque déposée) envisagés précédemment, les contraintes résiduelles (en MPa) qui sont obtenues pour un acier cémenté à haute limite d'élasticité (environ 1200 MPa), en fonction du flux laser (en GW/cm2). On voit que l'utilisation d'une résine époxy comme milieu de confinement permet d'obtenir des pressions de l'ordre de 40 Kbars avec une durée d'interaction longue. Une contrainte résiduelle d'environ 500 MPa peut ainsi être atteinte sur cet acier fortement durci. Un tel acier peut donc être traité, quelle que soit la forme de sa surface, ce qui n'était pas le cas auparavant. Dans les différents essais dont les résultats viennent d'être énoncés, le polymère utilisé comme milieu de confinement était une résine époxy liquide, de type "Caldofix" (Marque déposée). Des essais effectués par ailleurs avec un vernis polyuréthanne ont conduit à l'obtention de pressions comparables à celles obtenues lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de confinement. Cependant, la durée d'application du choc laser est là encore sensiblement plus longue que sous eau, de sorte qu'on induit des contraintes résiduelles plus en profondeur que lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de confinement. Le graphique de la figure 5 montre les effets en profondeur du choc laser, dans un acier non durci, à limite d'élasticité moyenne, (les signes "x" et "o" désignant respectivement les résultats- obtenus avec liteau et avec un vernis polyuréthanne) . Bien que la mesure soit limitée à une profondeur maximale de 1000 m, elle permet de voir que les contraintes résiduelles restent pratiquement inchangées à cette profondeur lorsqu'on utilise un vernis polyuréthanne comme milieu de confinement, alors que ces contraintes diminuent sensiblement lorsqu'on utilise de l'eau. Cela s'explique par le fait que la durée d'application du choc est plus longue dans le cas du polymère, de telle sorte que l'onde de pression s'amortit moins vite dans le matériau. Comme on l'a déjà signalé, le procédé selon l'invention peut aussi être utilisé pour étudier le comportement dynamique aux chocs d'un matériau solide cristallin. Cette étude consiste habituellement à tracer une courbe, appelée "polaire de choc", représentant l'évolution de la pression en fonction de la vitesse matérielle. En effet, ces mesures sont faites habituellement avec des explosifs ou en utilisant des canons à électrons, ce qui entraîne des pressions supérieures à 50 Kbars. L'utilisation d'un choc laser amplifié à l'aide d'un milieu de confinement en polymère, conformément à l'invention, permet de modéliser de façon fine la zone de pression inférieure comprise entre 0,1 Kbar et 40 Kbars. La description qui précède confirme que l'utilisation de polymère et, de préférence, de résine époxy comme milieu de confinement lors de l'application de chocs laser sur un matériau cristallin permet d'utiliser ce procédé quelle que soit la forme de la pièce, en ayant recours à un laser de puissance limitée et de forte cadence (laser à excimère ou laser YAG) permettant une application industrielle du procédé. Cette technique permet aussi de traiter des matériaux tels que des aciers cémentés à haute limite élastique, à l'aide d'un laser verre-néodyme. Ainsi, tout laser de puissance dont la longueur d'onde est transmise intégralement par le polymère peut être utilisé. Quelle que soit la nature du polymère, il est à noter que celui-ci peut être déposé facilement, par exemple au pinceau, sur la surface à traiter, quelle que soit sa forme. Etant donné que le polymère est fluide à la température ambiante, il n'est pas endommagé par les tirs laser successifs et peut être manipulé aisément. REVENDICATIONS 1. Procédé d'application de chocs laser sur un matériau solide cristallin (10), de surface quelconque, selon lequel on soumet la surface du matériau à des tirs d'un laser de puissance (16), au travers d'un milieu de confinement (14) transparent à la longueur d'onde du laser, caractérisé par le fait qu'on revêt la surface du matériau d'un polymère liquide ou élastomère formant le milieu de confinement (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le polymère est une résine époxy. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on utilise un laser à excimère ou un laser YAG. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est utilisé sur un matériau à haute limite d'élasticité et qu'on utilise un laser verre-néodyme. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on interpose un revêtement absorbant (12) entre le milieu de confinement (14) et la surface (S) du matériau. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est appliqué au traitement d'un matériau solide cristallin par choc laser. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à l'étude du comportement dynamique aux chocs d'un matériau solide cristallin.