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Auteur(s)
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Dimitris PANTELIS : Ingénieur de l’École Polytechnique d’Athènes - Docteur Ingénieur de l’École Centrale de Paris - Responsable de l’Équipe Laser du Laboratoire Matériaux de l’École Centrale de Paris
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans l’évolution des matériaux modernes, les multimatériaux tiennent une place privilégiée car ils permettent de concilier des propriétés incompatibles dans un matériau unique. Ils sont aussi maintes fois la source de substantielles économies. Or, c’est fréquemment par les traitements localisés ou superficiels que l’on peut réaliser des multimatériaux performants.
Dans l’ensemble des traitements thermiques des aciers, la part des traitements thermiques superficiels ne cesse d’augmenter au fil des années par rapport à celle des traitements dans la masse (40 % prévu en 2000 contre 10 % estimé en 1975).
Les densités de puissance (ou intensités laser) disponibles par les sources utilisées pour les traitements superficiels des matériaux sont les suivantes :
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Chalumeau : 1,5 × 10 3 W/cm 2
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Induction : 2,5 × 10 4 W/cm 2
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Fusion à l’arc : 5 × 10 4à 10 6W/cm 2
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Plasma : 5 × 10 4à 10 8W/cm 2
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Faisceau laser et faisceau d’électrons : 10 8à 10 10W/cm 2
Parmi les techniques utilisées pour les traitements thermiques superficiels, la plus récente met en œuvre des faisceaux à haute densité d’énergie FHDE (faisceaux laser et faisceau d’électrons).
Les possibilités d’utilisation de ces sources foisonnent car leur utilisation réduit les risques de déformations et permet une bonne productivité et une grande flexibilité, notamment pour le laser, où la conduite du faisceau par des systèmes optiques appropriés rend possible le traitement de zones difficilement accessibles par d’autres procédés.
La brièveté des cycles thermiques, grâce à l’extrême puissance mise en jeu, permet l’obtention de structures originales et nouvelles, difficiles ou impossibles à obtenir par d’autres moyens.
Cependant, si beaucoup de travaux de recherche sont entrepris, les applications industrielles sont plus rares .
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3. Effets thermiques, métallurgiques et mécaniques
La figure ci-contre présente le diagramme couplé des effets induits lors des traitements superficiels par faisceaux à haute densité d’énergie FHDE (faisceau laser ou faisceau d’électrons). Cette figure illustre l’interaction, sous forme de triangle, entre l’état thermique (température), l’état métallurgique (transformations métallurgiques ou changements de phases) et l’état mécanique (contraintes et déformations).
Dans la plupart des travaux existant dans la littérature, on s’occupe à modéliser uniquement le changement de phase par effet de température et les contraintes induites par ce changement de phase, les autres étant à la fois négligeables et difficiles à prendre en compte.
3.1 Effets thermiques
Il s’agit d’établir un modèle permettant de calculer les températures, d’en déduire les transformations métallurgiques et de valider ce modèle par des mesures expérimentales. La prédiction des cycles thermiques dans une pièce pendant le traitement par faisceau laser ou faisceau d’électrons peut aider à prévoir la microstructure et la distribution de la microdureté dans celle-ci, par la connaissance des courbes T T T (Température-Temps-Taux de transformation), T T A (Température-Temps-Austénisation) et TRCS (Transformation en Refroidissement Continu lors du Soudage) (article Transformations dans les aciers de ce traité).
Après irradiation par FHDE, le transfert thermique se fait par conduction de la chaleur vers l’intérieur du matériau et par convection et rayonnement aux surfaces limites extérieures. En effet, le refroidissement qui suit le chauffage est imposé par le volume du métal non affecté par la chaleur, qui joue le rôle de puits d’évacuation de calories (phénomène d’autotrempe de la couche traitée).
Certains modèles ont été élaborés dans le but de déterminer les cinétiques de chauffage et de refroidissement et donc les profondeurs susceptibles d’être durcies en fonction des conditions du traitement par FHDE. Il existe des modèles analytiques et numériques en une, deux et trois dimensions. Les gradients thermiques à l’intérieur de la pièce traitée provenant uniquement de la conduction, tout modèle doit avoir pour base une solution appropriée de l’équation...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MAILLET (H.) - Le laser. Principes et techniques d’application - . Technique et Documentation Lavoisier 1986.
-
(2) - VANNES (A.B.) - Laser et industrie de transformation. - Technique et Documentation Lavoisier 1986.
-
(3) - SOARES (O.D.D.) et PEREZ-AMOR (M.) - Applied laser tooling. - Martinus Nijhoff Publishers 1987.
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(4) - ELLOY (J.F.) - Les lasers de puissance. Applications. - Masson 1985.
-
(5) - ORSFAG (A.) et HEPNER (G.) - Les lasers et leurs applications. - Masson 1980.
-
(6) - SIEGMAN (A.E.) - Lasers. - University Science Books 1976.
-
(7) - HARRY (J.E.) - Industrial...
Club laser de puissance CLP Association pour la promotion des applications des lasers de puissance
Auprès de cet organisme, on trouve :
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les centres de recherche et les laboratoires qui travaillent dans ce domaine,
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les normes et les réglementations diverses,
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