Brevet FR2714320A1 — publié le 19950630

Procédé de traitement de surface de pièces métalliques pour augmenter leur résistance à la fatiaue en milieu corrosif La présente invention concerne un procédé de traitement de surface de pièces métalliques pour augmenter leur résistance à la fatigue en milieu corrosif. Elle s'applique plus spécialement, mais non exclusivement, à l'augmentation de la résistance à la fatigue d'organes sollicités de manière cyclique, tels que ceux d'installations tournantes, notamment les turbines à vapeur ou à gaz, les alternateurs, les moteurs électriques, les compresseurs, les pompes, les moteurs à explosion, ou d'organes de matériel roulant, notamment le matériel ferroviaire ou pour automobiles ou camions, les cycles, etc.... Ces organes peuvent être appelés à fonctionner en présence de milieux corrosifs, notamment de milieux contenant des ions acides ou basiques. On définit en ce qui concerne la résistance à la fatigue d'une part un domaine d'endurance illimitée, à l'égard de cycles de sollicitations répétés à l'infini, d'autre part des domaines d'endurance limitée, vis-à-vis d'un nombre fixe (106, 107, 3.107, 108 etc...) de cycles de sollicitations. C'est la résistance à un nombre de cycles déterminé qui est la caractéristique utilisée le plus souvent pour le contrôle de pièces sollicitées de manière cyclique. Les mécanismes d'endommagement par fatigue de pièces métalliques sont relativement bien connus, et il a été montré que leur endommagement prenait naissance en surface, leur résistance à la fatigue étant en relation étroite avec leurs caractéristiques de surface. Pour augmenter la résistance à la fatigue, on s'est déjà efforcé de simplifier la géométrie des pièces pour éviter les concentrations de contraintes macroscopiques et de diminuer leur rugosité de surface pour y éviter des concentrations ponctuelles microscopiques. I1 parait difficile de faire de nouveaux progrès dans ces deux voies, alors que l'on est de plus en plus appelé à utiliser des pièces soumises à des sollicitations cycliques à grande fréquence. On a aussi amélioré la résistance à la fatigue de telles pièces en y produisant des contraintes de compression en surface qui réduisent leur niveau maximum de tension. Les méthodes connues pour mettre en compression les surfaces utilisent la projection de particules, telles que de la grenaille, accélérées par différentes techniques, telles que l'air comprimé ou l'énergie ultra-sonore. On a pu obtenir par exemple par grenaillage d'une ailette de turbine en acier à 12% de chrome, de charge de rupture en traction Rm=1000 Mpa et de limite d'élasticité en traction Rp 0,2=875 MPa une limite d'endurance en flexion rotative a D=600 MPa, soit 15% de plus que celle obtenue à l'état brut d'usinage. Ces techniques présentent néanmoins l'inconvénient de dégrader la surface de la pièce par augmentation de la rugosité. Par exemple une surface d'acier usinée avec une rugosité Rt de 4 micromètres environ (essai selon la norme NFL 05.015) présente après grenaillage par des billes d'acier de diamètre 0,58 mm à une intensité Almen A10 à A12 (selon la norme NFL 06.832) une rugosité Rt de 14 micromètres environ. Cette augmentation de la rugosité joue au contraire dans le sens de la diminution de la résistance à la fatigue, de sorte que l'amélioration de celle-ci est inférieure à ce que l'on aurait pu espérer. Pour la résistance à la fatigue en milieu corrosif, où interviennent à la fois un effet chimique et un effet mécanique, l'amélioration des propriétés mécaniques par grenaillage est moins bien connue, mais l'augmentation de la rugosité entraine celle de la susceptibilité à l'amorçage des piqûres et diminue ainsi l'effet bénéfique dû à la mise en compression de la surface. Cette susceptibilité peut être traduite par la mesure du potentiel d'amorçage de piqûres. Par exemple, par un acier à 12% en poids de chrome dans un milieu NaCl-Na2S04 le potentiel d'amorçage mesuré par rapport à une électrode de référence au calomel diminue de 800 millivolts à 600 millivolts après grenaillage. La présente invention a pour but de procurer une amélioration plus importante de la résistance à la fatigue en milieu corrosif en évitant ou réduisant considérablement l'effet néfaste antagoniste d'une augmentation de la rugosité de la surface, et par suite de la susceptibilité à l'amorçage de piqûres. Le procédé de traitement selon l'invention est caractérisé en ce que l'on soumet la surface des pièces à des impacts d'un rayonnement laser à une densité de puissance au moins égale à 1 Gigawatt/m2, et de préférence comprise entre 1 et 20 Gw/cm2. On obtient d'excellents résultats à l'aide d'un rayonnement laser en impulsions d'énergie comprise entre 50 et 100 Joules et de durée de 0,1 à 50 nanosecondes. Pour obtenir un bon rendement du traitement par rayonnement laser, il est bon de recouvrir la surface métallique à traiter d'une couche d'un revêtement thermoabsorbant, de préférence l'aluminium, recouverte ellemême d'une couche d'un matériau de confinement, de préférence du verre ou de l'eau. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure unique schématique du dessin annexé, une installation de traitement d'une surface métallique par rayonnement laser selon l'invention. On fait arriver des impulsions laser, représentées par le champ de flèches 1, sur une lentille de focalisation 2, qui concentre le flux sur une zone à traiter de la pièce métallique 3, recouverte d'un revêtement thermoabsorbant d'aluminium 4, puis d'une plaque de verre 5 de confinement du rayonnement. Le rayonnement laser est obtenu à partir d'un générateur laser impulsionnel au grenat d'yttrium et aluminium (YAG) dopé au néodyme (non représenté), de puissance 1 à 20 Gigawatts/cm2, délivrant des impulsions de 75 Joules de durée 0,1 à 50 nanosecondes. Les couches atomiques superficielles de la pièce métallique sont sublimées, créant un plasma à haute pression et haute température 6, dont la détente brutale engendre une onde de choc représentée schématiquement par les flèches 7, qui se propage en profondeur et provoque une déformation plastique de la surface de la pièce. Le confinement du plasma à la surface de la pièce par la plaque de verre 5 permet d'augmenter la pression et la durée de l'onde de choc. Le revêtement thermoabsorbant d'aluminium 4 évite la dégradation de la surface de la pièce. On obtient avec des pièces dont la surface a été mise en compression par impacts laser un potentiel d'amorçage de piqûres identique à celui mesuré sur une surface usinée d'origine. Les pièces ainsi traitées présentent une limite d'endurance en fatigue en milieu corrosif notablement supérieure à celle obtenue avec les procédés habituels de grenaillage. On a notamment soumis à l'aide de l'appareillage décrit ci-dessus une tôle d'acier à 12% en poids de chrome, de résistance à la traction 1000 MPa et de limite d'élasticité en traction Rp0,2=875 MPa, à 3.107 cycles en flexion rotative. On a obtenu les limites d'endurance D ciaprès: - en eau déminéralisée à 20'C, limite supérieure à 630 MPa - en eau déminéralisée à 20'C, additionnée de lg/l de chlorure de sodium, limite supérieure à 470 MPa. Par ailleurs, des ailettes de turbine soumises à ce même traitement par impacts laser ont présenté une augmentation de plus de 20% des contraintes de service acceptables vis-à-vis d'ailettes traitées par les procédés habituels de grenaillage. REVENDICATIONS 1/ Procédé de traitement de surface de pièces métalliques (3) pour augmenter leur résistance à la fatigue en milieu corrosif, caractérisé en ce que l'on soumet leur surface à des impacts d'un rayonnement laser (1) à une densité de puissance au moins égale à 1 Gw/cm2. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de puissance du rayonnement est comprise entre 1 et 20 Gw/cm2. 3/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise un rayonnement laser en impulsions d'énergie comprise entre 50 et 100 Joules et de durée de 0,1 à 50 nanosecondes. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on recouvre la surface métallique à traiter d'une couche d'un revêtement thermoabsorbant (4), recouverte elle-même d'une couche de matériau de confinement (5). 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on emploie comme matériau thermoabsorbant l'aluminium. 6/ Procédé selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'on emploie comme matériau de confinement du verre ou de l'eau.