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1 - DIFFÉRENTS TYPES DE FAISCEAUX

2 - PRODUCTION ET MISE EN FORME DES FAISCEAUX

3 - INTERACTIONS ENTRE FAISCEAUX ET SUBSTRATS ET APPLICATIONS

  • 3.1 - Faisceaux d’énergie de moyenne densité de puissance à l’impact
  • 3.2 - Faisceaux d’énergie de haute densité de puissance à l’impact
  • 3.3 - Faisceaux de matière de moyenne densité de puissance à l’impact
  • 3.4 - Faisceaux de matière de haute densité de puissance à l’impact

4 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : M1640 v2

Interactions entre faisceaux et substrats et applications
Traitements de surface par faisceaux de matière ou d’énergie

Auteur(s) : Christian CODDET, Cécile LANGLADE

Date de publication : 10 juin 2013

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RÉSUMÉ

L'utilisation de faisceaux de particules ou d'énergie permet d'effectuer facilement des traitements localisés, avantage indéniable par rapport aux bains liquides ou aux atmosphères gazeuses. Si la diversité de ces faisceaux est très grande, des analogies existent dans leurs principes physiques de même que dans leurs effets, en particulier au niveau des énergies mises en jeu à l'impact avec les substrats à traiter. Les faisceaux de matière et d'énergie sont présenté globalement : modes de production, technologies de mise en oeuvre et applications types.

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ABSTRACT

Surface treatments using matter or energy beams

The use of matter or energy beams allows for the easy carrying out of local treatments which presents a major advantage in comparison with liquid baths or gaseous atmospheres. Although these beams are extremely varied, analogies exist in their physical principles as well as in their effects; this is particularly true for energies impacting the substrates to be treated. The matter and energy beams are presented globally: production modes, technologies of implementation and typical applications.

Auteur(s)

  • Christian CODDET : Professeur de l'université de Technologie de Belfort-Montbéliard

  • Cécile LANGLADE : Professeur de l'université de Technologie de Belfort-Montbéliard

INTRODUCTION

Les traitements par faisceaux de matière ou d’énergie occupent une place de plus en plus importante dans l'éventail très large des techniques de traitement de surface. Ceci est lié aux différents avantages offerts par ce type de traitements. En effet, l’utilisation de faisceaux, qu'ils soient de particules ou d'énergie, permet d’effectuer facilement des traitements localisés, atout indéniable par rapport aux bains liquides ou aux atmosphères gazeuses. Comme il est rare qu’une pièce soit sollicitée de façon uniforme sur l’ensemble de sa surface, il est donc pertinent d'apporter pour chaque zone la solution optimale afin d’atteindre les bonnes propriétés aux bons endroits. Mais, d’autres avantages justifient également leur développement, comme la facilité de manipulation des pièces qui restent sèches et la plupart du temps à température voisine de l’ambiante, la rapidité d’exécution liée à la réalisation de traitements localisés avec des outils puissants, et surtout la limitation des déchets et des pollutions en l’absence de bains ou de phases de dégraissage, point qui devient de plus en plus important au fur et à mesure que la réglementation environnementale se durcit.

Bien entendu, des limitations existent ; elles portent principalement sur la forme des surfaces à traiter et sur le temps de traitement. Par définition, un faisceau, qu'il soit de matière ou d'énergie, est directif et travaille donc en ligne de vue. Les surfaces complexes 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, une particule accélérée et fondue à haute température, et une grenaille d’acier ? 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, ou participer directement à la construction du revêtement comme dans le cas du Cold Spray. Aussi cet article s’attache-t-il 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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KEYWORDS

laser   |   particles beams   |   plasma

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m1640


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3. Interactions entre faisceaux et 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 à limiter 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 qui suivent vont donc s'employer à décrire 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 et dont la densité de puissance est comprise entre 105 W/m2 et 1010 W/m2 environ (faisceau d’électrons de 100 keV focalisé sur une surface de 0,1 cm2 par exemple).

Les phénomènes observés dans ce domaine sont essentiellement des phénomènes de déformation plastique ou d’échauffement local par chocs, pouvant éventuellement conduire à une fusion du matériau selon le temps d’interaction et la nature du substrat.

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. Selon les caractéristiques précises du faisceau d'énergie utilisé, le volume total affecté et sa géométrie pourront être modifiés, de même donc pour les propriétés finales du matériau...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOULOS (M.), FAUCHAIS (P.), PFENDER (E.) -   Thermal plasmas  -  Vol. 1. Plenum Press, New York (1994).

  • (2) -   *  -  ASM Handbook vol. 5, Surface Engineering, Pub. ASM Internat., Metals Park, OH, USA.

  • (3) -   Thermal Spray : Meeting the challenges of the 21th century  -  Vol. 1 et 2 ; Ed. CODDET (C) ; Pub. ASM Internat., Metals Park, OH, USA, ISBN 0.87170.659.8 (1998).

  • (4) -   Les plasmas dans l’industrie  -  Ed. Electra, Dopée 85 ISBN 2.86995.017.9 (1991).

  • (5) -   Techniques d’utilisation des photons  -  Ed. Electra, Dopée 85 ISBN 2.86995.019.5 (1992).

  • (6) - GOLDSTON (J.R.), RUTHERFORD (P.H.) -   Introduction to plasma physics  -  IOP pub. ISBN 07503.0325.5 (1995).

  • ...

1 Événements

International Thermal Spray Conference ; tous les ans alternativement en Europe, Amérique et Asie ; organisateurs : ASM International et DVS Allemagne.

ICALEO ; International Congress on Applications of Lasers and Electro-optics ; tous les ans aux USA ; organisateur : Laser Institute of America.

International Conference on Ion Beams Modification of Materials ; toutes les années paires ; organisateur : une université candidate.

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2 Annuaire

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2.1 Organismes – Fédérations – Associations

A3TS : Association des Traitements Thermiques et des Traitements de Surface ( http://www.a3ts.org) ; organise de nombreuses journées techniques dans le domaine

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2.2 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche

InESS, Strasbourg

http://www-iness.c-strasbourg.fr

LERMPS, Belfort

http://www.lermps.com

LGPPTS, Paris

...

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