Experimental and numerical study of nanosecond laser microtextured surfaces
Etude expérimentale et numérique de surfaces micro-texturées par laser nanoseconde
Résumé
Laser surface treatment has become a strategic part of surface engineering for many years. In particular, laser surface texturing is an effective method for functionalizing surfaces without adding material and altering bulk properties. This process offers some distinctive benefits and has already found much applications. However, the effects induced by the laser within surfaces remain difficult to predict and complex. A better understanding of laser – matter interaction is essential to know precisely the new surface properties and control the treatment process. In this work, the effects induced by laser texturing of titanium, Ti6Al4V alloy (TA6V) and nickel surfaces were investigated. From an experimental point of view, the micro-textured surfaces were characterized using different approaches. Morphological analysis of the textured surfaces revealed that the laser fluence and the number of laser pulses are key parameters to be taken into account in an industrial process, considering their impact on the evolution of the dimensions of the created dimples. Then, characterization of the chemical composition of the extreme surface showed a chemical modification of the material at dimple level. In addition, residual surface stresses were identified using two complementary techniques: X-ray diffraction (XRD) and scanning microwave microscopy (SMM). This work revealed that tensile residual stresses can occur globally after laser texturing but with more complex stress profiles at the dimple scale (alternating tension/compression). To better understand the laser texturing process, a molecular dynamics model was developed. The results of molecular dynamics simulations have highlighted the different mechanisms were involved at the nanoscale and defined evolution laws concerning the dimensions of the created dimple. This research work has led to a better understanding of the effects induced by laser texturing, thus contributing to a better control and optimization of this process.
Le traitement de surface par laser est devenu un élément stratégique de l’ingénierie de surface depuis de nombreuses années. En particulier, la texturation laser permet de fonctionnaliser les surfaces sans apport de matière. Ce procédé a d’ores et déjà démontré de nombreux avantages et cas d’emploi. Toutefois les effets induits par le laser au sein des surfaces restent difficilement prédictibles et complexes. Une meilleure compréhension de l’interaction laser – matière est donc essentielle pour connaître précisément les nouvelles propriétés conférées aux surfaces et mieux maîtriser le procédé de traitement. Ainsi dans cette étude, les effets induits par la texturation laser ont été analysés sur des surfaces en titane, en alliage Ti6Al4V (TA6V) et en nickel. D’un point de vue expérimental, les surfaces micro-texturées ont été caractérisées selon différentes approches. Les travaux réalisés sur l’analyse de la morphologie des surfaces texturées ont révélé que la fluence et le nombre d’impulsions laser sont des paramètres primordiaux à prendre en compte dans un processus industriel étant donné leur impact sur l’évolution des dimensions des cavités créées. La caractérisation de la composition chimique de l’extrême surface a mis en évidence une modification chimique du matériau au niveau des microcavités. De plus, les contraintes résiduelles en surface ont été identifiées à l’aide de deux techniques complémentaires : la diffraction des rayons X (DRX) et la microscopie micro-ondes (SMM). Ces travaux ont montré que des contraintes résiduelles de traction peuvent apparaître globalement après la texturation laser mais avec des profils de contraintes plus complexes à l’échelle des cavités (alternance traction/compression). Pour aller plus loin et approfondir la compréhension du processus de texturation laser, une modélisation par Dynamique Moléculaire a été développée. Les résultats numériques ont permis de mettre en évidence les différents mécanismes qui interviennent à l’échelle nanométrique et de définir des lois d’évolution concernant les dimensions des cavités formées. L’ensemble de ces résultats permet de mieux appréhender les effets induits par la texturation laser, contribuant ainsi à une meilleure maîtrise et une optimisation de ce procédé.
Domaines
Autre
Origine : Version validée par le jury (STAR)