Présentation
Auteur(s)
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Christian CODDET : Professeur à l’université de technologie de Belfort-Montbéliard
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les traitements par faisceaux de matière ou d’énergie occupent une place de plus en plus importante dans la panoplie très large des techniques de traitement de surface. Ce n’est pas un hasard. En fait, l’utilisation de faisceaux par rapport aux bains ou aux atmosphères permet surtout d’effectuer des traitements localisés afin d’atteindre les bonnes propriétés aux bons endroits, car il est rare qu’une pièce soit sollicitée de façon uniforme sur l’ensemble de sa surface. D’autres avantages justifient encore leur développement : facilité de manipulation des pièces qui restent sèches et la plupart du temps à température voisine de l’ambiante, rapidité d’exécution liée à la réalisation de traitements localisés avec des outils puissants, limitation des déchets et des pollutions en l’absence de bains et par une mise en œuvre instantanée ou quasi instantanée.
Bien entendu, des limitations existent ; elles portent principalement sur la forme des surfaces à traiter. Par définition, un faisceau est directif et travaille donc en ligne de vue ; les surfaces tourmentées et les alésages sont donc difficiles à traiter par ce moyen. Par ailleurs, les équipements sont souvent coûteux et par conséquent, leur taux d’occupation doit être élevé afin d’assurer un retour sur investissement acceptable.
La diversité des faisceaux de matière et d’énergie est très grande et leurs principes physiques, de même que leurs effets, sont à première vue très variés : comment comparer un photon et une grenaille d’acier, par exemple ? En fait, des analogies existent, en particulier au niveau des énergies mises en jeu à l’impact avec les substrats à traiter. En outre, la matière peut quelquefois servir uniquement de véhicule énergétique, comme dans le cas du grenaillage par exemple.
Aussi cette introduction s’attachera-t-elle à donner une première vue globale conjointe des faisceaux de matière et d’énergie à travers leurs modes de production, leurs technologies de mise en œuvre et leurs applications types, en utilisant comme principe directeur les interactions avec le substrat.
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- Version courante de juin 2013 par Christian CODDET, Cécile LANGLADE
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Production des faisceaux3. Interactions faisceaux-substrats et applications
Les interactions entre particules et surfaces peuvent être de deux natures : élastiques ou inélastiques.
Les interactions élastiques ne présentent aucun intérêt pour les traitements de surface puisque aucune transformation ne peut avoir lieu ; il s’agit donc d’interactions conduisant plutôt à des pertes de rendement, comme dans le cas de la réflexion des faisceaux lasers sur les surfaces métalliques par exemple (plus de 90 % d’énergie réfléchie pour un faisceau laser à CO2 sur une surface d’acier solide).
Les interactions inélastiques conduisent au contraire à des transformations de la zone superficielle du matériau traité, du point de vue de la structure et/ou du point de vue de la composition. Les paragraphes ci-après déclinent les applications possibles en fonction des principaux paramètres de l’interaction et en particulier en fonction de la densité de puissance à l’impact, grandeur souvent assez délicate à déterminer en raison de l’incertitude sur la durée du processus d’interaction, mais en général plus significative et bien supérieure à la densité de puissance moyenne du faisceau.
3.1 Faisceaux d’énergie de moyenne densité de puissance à l’impact
Cette catégorie comprend les faisceaux qui n’entraînent pas de modification directe de la composition du matériau (photons, électrons, gaz chauds, grenaille...) et dont la densité de puissance est inférieure à 1010 W/m2 environ (faisceau d’électrons de 100 keV focalisé sur une surface de 0,1 cm2 par exemple), mais supérieure à 105 W/m2.
Les phénomènes observés dans ce domaine sont essentiellement des phénomènes de déformation ou d’échauffement local par chocs, pouvant éventuellement conduire à la fusion du matériau selon le temps d’interaction et la nature du substrat. Pour les petites particules (photon, électron, atome, molécule), les applications principales sont les traitements thermiques localisés : recuits de détente, durcissement par autotrempe, ainsi que les traitements de refusion localisés : fermeture de porosités, homogénéisation superficielle.
Le couplage des faisceaux lasers avec les matériaux métalliques étant très faible lorsque les matériaux sont à...
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