Brevet FR2882672A1 — publié le 20060908

La présente invention concerne un procédé de réalisation de surfaces structurées à l'échelle submicronique par retrait de matière au moyen d'un laser. Le document US 2004/0 155 017 Al décrit un procédé dans lequel on réalise des structures nanométriques à la surface d'un substrat au moyen d'impulsions laser ultra-brèves. En l'occurrence, on peut réaliser des structures dont les dimensions se situent sensiblement au-dessous de la longueur d'onde de la lumière, le cas échéant dont les dimensions font moins de 20 nm environ. On décrit, par exemple, la réalisation de motifs de trous ponctuels en forme de trame dans lesquels des creux à peu près circulaires qui sont à peu près uniformes sont réalisés à intervalles réguliers les uns des autres. En variante par rapport à cela, on peut réaliser des rainures allongées de faible largeur. Pour réaliser ces structures nanométriques, on produit des impulsions laser de très courte durée quî font, le cas échéant, de l'ordre de 600 femtosecondes. Le procédé sert en premier lieu à réaliser des structures nanométriques dans des matières transparentes ou opaques, notamment dans du verre, du quartz, de la silicone ou analogue. On mentionne également le traitement de métal. Le brevet américain 5 744 780 décrit un procédé servant à exécuter des forures de précision ou à couper et polir des matières métalliques et céramiques dans lesquelles un laser à grande fréquence de récurrence des impulsions réalise, dans un substrat, des structures en forme de trou dont la grandeur se situe entre 500 pm et moins de 25 pm. La durée de l'impulsion laser est de préférence de moins d'une microseconde (ps). Ce procédé consiste à ménager de façon ciblée des forures de précision ou analogue dans une pièce d'oeuvre. Le document DE 101 57 316 Al décrit un procédé de fabrication d'un palier ayant par endroits une surface de palier rugueuse à l'échelle nanoscopique. Le procédé est censé permettre une amélioration des propriétés de palier, une minimisation de la formation de particules et une réduction de la friction en rendant la surface de palier rugueuse à l'échelle nanoscopique, au moins par endroits. Le dépolissage de la surface de palier peut avoir lieu par décapage, notamment par action d'un acide ou bien de manière électrochimique. Le procédé est censé convenir pour des surfaces de palier faites dans les matières les plus diverses, notamment en matière synthétique, en céramique ou bien en métal. On y mentionne également qu'un traitement mécanique ou encore un dépolissage de la surface de palier peuvent également avoir lieu par matriçage, gravage, coulée, moulage ou traitement au laser. On sait que, en réduisant les pertes mécaniques dues à la friction dans les moteurs à combustion interne, on peut considérablement diminuer la consommation de carburant. En même temps, les pertes par frottement dans le domaine de la friction à sec et du frottement mixte sont à attribuer non seulement à la chimie des surfaces mais aussi à la topographie superficielle, notamment à l'échelle nanométrique. Sur certaines pièces et dans certaines zones d'un moteur à combustion interne, par exemple sur les soupapes d'admission de quelques types de moteur, il se produit, du fait du recyclage des gaz d'échappement et en fonction du type de construction, des dépôts de carbonisation dans le domaine de charge partielle. On peut accélérer l'élimination de ces dépôts au moyen de revêtements catalytiquement actifs. Grâce à la plante portant le nom de lotus, on connaît ce qu'il est convenu d'appeler l'effet lotus. Cet effet permet à la plante d'être pour ainsi dire autonettoyante, et ce grâce à une surface hydrofuge et non salissante. Ces propriétés de surface sont dues, d'une part, à des effets chimiques (par exemple, à des cires) et, d'autre part, à une topographie particulière, notamment à l'échelle nanométrique. L'objectif de la présente invention est de mettre à disposition un procédé de réalisation de surfaces structurées à l'échelle submicronique par retrait de matière au moyen d'un laser, lequel procédé permet une réduction de la friction et de l'usure ainsi que la réduction des adhérences sur des surfaces de pièces ou dans des zones d'un moteur à combustion interne. Cet objectif est atteint grâce à un procédé de réalisation de surfaces structurées à l'échelle submicronique par retrait de matière au moyen d'un laser décrit ci-après. L'objet de l'invention est, en outre, une pièce ou une zone de moteur à combustion interne qui a été traitée, au moins partiellement, selon un procédé du type mentionné ci-dessus. La demanderesse a établi que, de manière inattendue, une modification de la topographie de surface à l'échelle submicronique qui entraîne une réduction des pertes mécaniques par friction dans des moteurs à combustion interne peut être obtenue par retrait de matière au moyen d'un laser. Le procédé conforme à l'invention permet de réduire les adhérences se présentant sous forme de carbonisations et analogue et, plus précisément, il permet d'éliminer plus facilement les dépôts qui se sont déjà formés. Le retrait de matière par laser selon l'invention permet une structuration de surface non destructrice, notamment de pièces ou de zones de pièce métalliques. Le procédé conforme à l'invention permet d'agir sur le comportement tribologique grâce à la structuration de la surface à l'échelle submicronique, notamment à l'échelle nanométrique. Le procédé conforme à l'invention est un processus d'un niveau thermique relativement faible et, par conséquent, c'est un traitement physique non destructeur qui n'entraîne aucune perte de résistance pour la pièce traitée. Selon l'invention, la structuration de surface a lieu préférablement au moyen d'impulsions laser très brèves. Pour cela, on peut utiliser ce qu'il est convenu d'appeler des lasers à impulsions ultra-brèves, notamment des lasers femtosecondes. La durée d'impulsion de telles impulsions laser est, notamment, inférieure à une picoseconde (10-12 secondes) environ. Une femtoseconde correspond à 10-15 secondes, c'est-à-dire que 1 000 femtosecondes correspondent donc à une picoseconde. Les topographies de surface formées à l'aide d'un tel laser à impulsions ultra-brèves peuvent ressembler à celles du lotus, de sorte que l'on peut mettre à profit des effets de surface comparables pour empêcher l'adhésion de carbonisations ou pour faciliter ce qu'il est convenu d'appeler le nettoyage par pyrolyse. Selon l'état de la technique, pour réduire les carbonisations sur des pièces de moteurs à combustion interne, on a jusqu'ici pourvu les surfaces d'un revêtement catalytique. On a essayé d'accélérer l'élimination des dépôts de carbonisation grâce à de tels revêtements catalytiquement actifs, lesquels, par exemple, peuvent être appliqués par dépôt chimique en phase vapeur (CVD, chemical vapour deposition) et être des couches de V2O5. Avec la structuration de surface par retrait de matière par laser conforme à l'invention, un tel revêtement catalytique de la surface n'est plus nécessaire. Le procédé conforme à l'invention convient notamment pour la structuration par laser de pièces métalliques ou de zones non recouvertes. Celles-ci peuvent être, par exemple, des soupapes d'admission ou des soupapes d'échappement d'un moteur ou en être des parties. Lors d'essais appropriés de la demanderesse, il est apparu que, sur les surfaces de soupape nanostructurées par laser selon l'invention, les phénomènes de carbonisation étaient moins marqués que sur des soupapes de série comparables, et notamment que sur des soupapes de série comportant une surface catalytiquement recouverte du type mentionné ci-dessus. Les pièces ou les zones d'un moteur à combustion interne dont la topographie de surface a été au moins partiellement modifiée par retrait de matière à l'aide d'un laser pour réduire les frottements et/ou les dépôts sont également objet de la présente invention. Il s'agit, de préférence, de pièces ou zones de moteur à combustion interne sur lesquelles des dépôts surviennent en cours de fonctionnement, dépôts dont on empêche le développement par une structuration de la surface à l'échelle nanométrique selon l'invention. De telles pièces sont, par exemple, des soupapes d'admission ou des soupapes d'échappement d'un moteur, ou analogue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 10 ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre à titre d'exemple, lorsque prise en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une micrographie à balayage électronique de la surface d'une soupape d'admission à injection directe en acier après structuration au laser à l'aide d'un laser à impulsions ultra-brèves. La figure 1 montre une micrographie à balayage électronique de la surface d'une soupape d'admission du type FSI en acier. Les moteurs du type FSI (FSI, abréviation anglaise de Fuel stratified injection) sont des moteurs de nouvelle génération qui fonctionnent soit en fonctionnement en charge stratifiée soit en fonctionnement homogène. En fonctionnement dit stratifié, un commutateur à bascule ferme la partie inférieure du canal d'admission de manière que l'air ne s'écoule plus que par la moitié supérieure du canal d'admission jusque dans la chambre de combustion. Cela donne un mélange pauvre qui délivre la force jusqu'à une vitesse limitée du véhicule. En cas de charge de moteur et de régime plus élevés, le moteur FSI passe en fonctionnement homogène. Dans ce mode de fonctionnement, il fonctionne tel un moteur conventionnel, mais sensiblement plus efficacement grâce à la compression accrue. Une des particularités des moteurs FSI modernes est le retraitement compliqué des gaz d'échappement. En utilisant un précatalyseur et un catalyseur à accumulation de NO,, le moteur peut respecter sans difficulté la norme Euro 4 relative aux gaz d'échappement. Les moteurs FSI consomment en règle générale moins de carburant que les moteurs à allumage par étincelle conventionnels, ce qui permet d'atteindre une puissance de moteur plus élevée. Sur la photographie représentée à la figure 1, on voit une soupape d'admission standard en acier d'un moteur FSI de 63 kW sur laquelle il n'y a aucun revêtement de surface catalytique et dont la surface a été structurée par laser selon le procédé conforme à l'invention. Sur l'illustration, on peut reconnaître aisément les structures de dimensions nanométriques obtenues de cette manière. A titre d'exemple, deux de ces structures sont chacune accompagnées d'indications de dimensions et sont désignées respectivement par le repère 10 et par le repère 11. Il peut s'agir, par exemple, de creux à peu près en forme de cratère ayant un contour approximativement circulaire ou bien de structures s'écartant de cette forme. La structure nanométrique qui est désignée par 10 sur l'illustration de la figure 1 présentait un diamètre de 1 129 nm. Le diamètre de la structure nanométrique plus petite qui est désignée par 11 faisait 284,7 nm. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. Liste des repères 10, 11 structures nanométriques REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de surfaces structurées à l'échelle submicronique par retrait de matière au moyen d'un laser, caractérisé en ce que la topographie de surfaces situées sur des pièces ou dans des zones d'un moteur à combustion interne est modifiée pour réduire, au moins en partie, la friction et/ou les dépôts par retrait de matière au moyen d'un laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une structuration de la surface a lieu à l'échelle nanométrique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la structuration de surface a lieu au moyen d'impulsions laser très brèves. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en 15 ce que la structuration de surface est effectuée au moyen d'un laser à impulsions ultra-brèves. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une pièce métallique ou une zone métallique est structurée au moyen d'un laser. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une pièce ou une zone en acier est structurée au moyen d'un laser. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une pièce métallique non recouverte ou une zone métallique non recouverte est structurée au moyen d'un laser. 8. Pièce ou zone d'un moteur à combustion interne, caractérisée en ce que celle-ci est traitée, au moins partiellement, suivant un procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Pièce selon la revendication 8, caractérisée en ce que celle-ci est une soupape d'admission ou une soupape d'échappement de moteur. 10. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce que celui-ci comprend au moins une pièce ou une zone ayant une surface structurée à l'échelle submicronique selon la revendication 8 ou 9.