REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES EXACTES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE N0 d'ordre:…… Série:…… MEMOIRE PRESENTE POUR OBTENIR LE DIPLOME DE Doctorat en Sciences Thème Etude de l'intéraction laser-métal . Application sur les alliages d'aluminium Par Baziz Liela Soutenu le : / / 2007 Rapporteur : Rouag N. Univ. Mentouri Constantine REMERCIEMENTS Ce travail est réalisé en collaboration avec deux centres de recherches : 1- Centre de physique théorique et appliquée (CTAPS), Université d ’Alyarmouk, Irbid, Jordanie. 2- Centre de développement des technologies avancées (CDTA), Draria, Alger. Ce travail est aussi réalisé dans le cadre d ’un projet de recherche intitulé « Production du laser à gaz de différentes puissances et application pour l ’étude de quelques métaux et quelques semiconducteur », chef de projet : Prof. A. Nouiri, code : 2501/17/05. Cette thèse est aussi l ’aboutissement de quatre ans de travail. Elle n ’aurait pas été possible sans le soutien de nombreuses personnes que je souhaiterais remercier ici. Je tiens tout d ’abord à exprimer toute ma gratitude à M. A. NOUIRI, Professeur à l’Université de Mentouri de Constantine, directeur de ma thèse, pour sans regard attentif sur ce travail, pour sa disponibilité, ses encouragements et son aide, et qui m ’a suivi tout au long de ces quatre ans. Je tien aussi à exprimer toute ma gratitude à M. S. CHEKROUD, Professeur à l’Université de Mentouri de Constantine, pour l ’honneur qu ’il me fait en acceptant la présidence de ce jury, malgré ses énormes charges administratives. De plus, j’adresse tous mes remerciements à Messieurs : - D. LOUHIBI, Maître de recherche au CDTA d’Alger. - M. DIAF et M. GHERS, Professeurs à l ’université Badji Mokhtar d’Annaba qui ont bien accepter de faire partie du jury et d ’examiner mon travail on vue d ’une orientation précieuse. Je tient à remercier tout particulièrement toutes les personnes avec qui j ’ai travaillé lors de mes séjours au Centre de physique théorique et appliquée (CTAPS), Université de Yarmouk , Irbid, Jordanie, sous la direction de M. Nabil El- Laham et M. Yasser Ahmed Youcef (Yaser El-hadj) responsable du laser Nd :Yag au département de chimie. Un grand merci à M. Y. WADJIH responsable du MEB au département de géologie à l’Université de Yarmouk qui a consacré beaucoup de son temps. Je tiens de plus à remercier l ’ensemble du centre de développement des technologies avancées (CDTA) à Alger, pour leur accueil et leur soutien, notamment M. T. Kherdja, K. Henda, El-Hachemei Amara qui ont pris un grand soin du laser Nd :Yag et Mme Belaroussi pour les imageries MEB. Je souhaiterais aussi remercier Prof. Meftah et Dr. Mesbah de l ’Université de Skikda, avec qui j’ai travaillé sur la profilométrie. Je n’oublier pas remercie M. Soraya, T. Issma et B. Rokaya pour snt soutient inconditionnel. Enfin, merci à mes parents et ma famille pour leur encouragement durant toutes ces années. SOMMAIRE INTRODUCTION………………………………………………………………………………. 1 PARTIE 1 : SYNTHESES BIBLIOGRAPHIQUES CHAPITRE 1 :PHYSIQUE DU LASER………………………………………………………..3 1. Création de la lumière laser………………………………………………………………..……4 2. Les éléments d’un laser…………………………………………………………………………6 3. Types du laser…………………………………………………………………………………...7 4. Caractéristiques de la lumière laser……………………………………………………………..9 5. Comparaison de la lumière ordinaire et de la lumière laser…………………………………...12 6. Structures des modes et diagramme de rayonnement……………………………….............12 7. Application du laser……………………………………………………………………………14 8. Lasers disponibles et leurs applications industriels……………………………………………16 9. Principales utilisations en fonction de leurs puissance..……………………………………….17 10. Sécurité laser………………………………………………………………………………….20 CHAPITRE 2 : L’INTERACTION LASER – MATIÈRE…………………………………...19 I. L'interaction laser- matière…………………………………………………………………..19 1. Rayonnement électromagnétique………………………………………………………………20 2. Propagation d’une onde dans milieu…………………………………………………………...22 3. L’interaction laser matière au niveau de l'atome………………………………………………22 4. Absorption et réflexion………………………………………………………………………...23 5. Les processus d’interaction ……………………………………………………………………24 6. Le chauffage par laser………………………………………………………………………….24 7. Applications de l’interaction laser- matière……………………………………………………25 II. Traitement des matériaux par laser.......................................................................................26 1. Définition de la longueur caractéristique....................................................................................27 2. Modification de microstructure sans apport de matière.............................................................28 3. Modification de composition par apport de matière...................................................................30 4. La classification des processus laser- métal...............................................................................36 5. Usinage par laser……………………………………………………………………………….40 III. L'aluminium et ses alliages ………………………………………………………………..41 1. Caractéristiques notables………………………………………………………………………41 2. Utilisation de l'aluminium et ses alliages……………………………………………………...43 3. Obtention de l'aluminium……...………………………………………………………………44 4. Recyclage de l'aluminium……………………..………………………………………………44 5. Soudage des alliages d'aluminium……………………………………………………………..45 IV. L'ablation laser en régime nanoseconde…………………………………………………..47 1. Evolution de la fluence seuil d'ablation………………………………………………………..47 PARTIE 2 : RESULTATS EXPERIMENTAUX CHAPITRE 3 : TRAITEMENTS DES ALLIAGES D'ALUMINIUM PAR LASER……...49 I. Travail expérimental.................................................................................................................49 1. Préparation des échantillons……...……………………………………………………………49 2. Techniques expérimentales…….………………………………………………………………50 CHAPITRE 4 : RÉSULTAS ET INTERPRETATION………………………………………55 I. Résultats microstructuraux…………………………………………………………………..55 1. 1. Observation avant l'irradiation laser………………………………………………………...55 1. 2. Observation après l'irradiation laser………………………………………………………...57 1. 3. Influence des paramètres laser………………………………………………………………58 1. 4. Variation du diamètre de la tache en fonction de l'énergie du laser………………………...63 1. 5. Evolution microstructurale de la zone irradiée……………………………………………...63 2. Influence de la distance de défocalisation…………………………………………………...71 2. 1. Influence sur les dimensions de la tache……………………………………………….. ......71 3. Efficacité de l'ablation………………………………………………………………………..75 3. 1. Influence de l’énergie et de la taille du faisceau………………………………………….....75 3. 2. Influence du nombre de tirs………………………………………………………………...78 3. 3. Etude des cratères…………………………………………………………………………..82 4. Distribution chimique des éléments après l'irradiation laser……………………………...88 4. 1. Distribution d'oxygène……………………………………………………………………...88 4. 2. Distribution du cuivre……………………………………………………………………….90 4. 3. Distribution du magnésium…………………………………………………………………92 4. 4. Distribution du silicium……………………………………………………………………..94 4. 5. Influence de la distance de défocalisation…………………………………………………..95 4. 6. Analyse quantitative de chaque partie de la zone irradiée…………………………………..98 5. La microdureté……………………………………………………………………………..102 5. 1. Laser Nd: Yag……………………………………………………………………………...102 5. 2. Laser excimère……………………………………………………………………………..104 CONCLUSION………………………………………………………………………………...109 REFERENCES………………………………………………………………………………...111 Etude de l’interaction laser – métal L. BAZIZ Application sur les alliages d’aluminium INTRODUCTION La technologie laser couvre un large domaine des applications industrielles, elle est la plus utilisable pour les matériaux. En effet l’interaction laser -métal est relativement large, elle permet le développement de nouvelles applications telles que le microperçage, le marquage, le nettoyage, le traitement de surface et la microdécoupe dans différents secteurs industriels, notamment automobile, aéronautique, agroalimentaire, spatial… Grâce à leurs intérêts majeurs tels que la précision et la forte cadence des procédés tout en évitant les contacts mécaniques entre l ’outil et l’échantillon. L’une des toutes premières applications industrielles du laser, réalisée en 1965 par un laser à rubis, consistait à usiner un perçage de 4.7 mm de diamètre et de 2 mm de profondeur dans du diamant. Cette opération était réalisée en 15 min, alors qu ’une application classique prenait 24 heures [1]. En 1967, Peter Houlcroft découpe 2.5 mm d ’acier inoxydable à une vitesse de 1m/min, sous di-oxygène avec un laser CO de 300 W [2] et conçoit la première tête de découpe. Dans la 2 même période en 1963 des chercheurs américains tel que White et Anderholm montre qu ’il est possible de générer une onde choc à l ’intérieur d’un métal suite à une irradiation laser impulsionnelle. Les pressions exercées sont de l ’ordre de 1 Gpa. Bien que les procédés soient démontrés, il faut attendre leurs associations à des machines adaptées pour qu’ils soient implantés en milieu industriel. Ces conditions sont remplies à la fin des années 70. Et les premières plates formes industrielles sont implantées en France dès les années 80 [3]. Les lasers nanosecondes ont la même puissance que les lasers traditionnels, mais ils ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision, sans échauffement du matériau. L'objet de cette étude est donc d'aborder et d'approfondir notre compréhension théorique de l'interaction laser –métal et plus précisément de l'interaction laser aluminium par un travail expérimental qui étudie l'influence du laser sur deux types d' alliages d'aluminium commercial, aluminium industriel et aluminium récupéré, à cause de leurs larges utilisations industriels (automobiles, emballage, construction, les fils électriques…….). 1 Etude de l’interaction laser – métal L. BAZIZ Application sur les alliages d’aluminium Nous avons donc tenté, au travers de ce travail de thèse, de fournir une approche physique cohérente et consistante de l'ensemble de la physique mise en jeu lorsqu'un échantillon de l'aluminium soumis à une irradiation laser intense. Cette étude est découpée en deux parties : la première partie porte deux chapitre. Le premier chapitre présente une étude élargie de la physique du laser; le deuxième chapitre est dédié à l’étude théorique de l'interaction laser –matière de façon générale et spécialement l'interaction laser –métal et leurs applications. La seconde partie est plus hétérogène, nous présentons dans le troisième chapitre les matériaux étudiés et les différentes techniques utilisées pour analyser les résultas. Nous commençons par la composition chimique et les propriétés de chaque alliage. Ensuite les lasers utilisés et leurs caractéristiques (la durée de l'impulsion, l'énergie de l'impulsion laser). D'autre part les diagnostics mis en place et utilisés pour l ’étude des mécanismes, tels que l'observation en microscope électronique à balayage (MEB), la profilométrie de la surface de l ’échantillon, la composition chimique après l'irradiation par spectroscopie X à dispersion d ’énergie (EDX) et la microdureté des échantillons traités, sont présentés. Par la suite, le chapitre 4 présente la discussion et l'interprétations des résultas obtenus. Premièrement les modifications structurales des deux alliages apportées par chaque laser, ainsi que sur la rugosité de la surface des échantillons irradiés. Ensuite une étude paramétrique sur la profondeur ablatée en fonction de la fluence et le nombre de tirs a été présentée. L ’analyse de l’interaction à partir de la distribution chimiques des éléments présentée au chapitre précédent et la microdureté après l'irradiation. Enfin, la conclusion permettra de résumer les différents points présentés, et de discuter l’utilisation du laser pour les alliages de composition complexe. 2 Etude de l’interaction laser – métal L. BAZIZ Application sur les alliages d’aluminium CHAPITRE 01 : PHYSIQUE DU LASER. INTRODUCTION Les lasers ont tout de suit attiré l ’attention; ils ont excité l ’imagination aussi bien des scientifiques que du public. Le laser signifie light amplification by stimulated emission of radiation (amplification de la lumière par émission stimulée) Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. En 1950, Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qui a été validé expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier maser (Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation) (maser au gaz ammoniac) est conçu par J. P. Gordon, H. J. Zeiger et Ch. H. Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels N. G. Bassov, A. M. Prokhorov, A. L. Schawlow et Ch. H. Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. Townes, Basov, et Prokhorov partagèrent le Prix Nobel de Physique en 1964 pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui ont menés à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du Maser-Laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (hélium et néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide [1]. Les sources de lumière laser sont bien supérieures à tout les autres à cause de leur directivité et de leur intensité. Cette lumière nouvelle ne ressemble pas celle que nous avons l’habitude de voir, ses propriétés remarquable ouvrent de nouvelles voies aux chercheurs, aux techniques, aux application militaires. La création, l ’étude et l ’application de cette lumière demandent des connaissance dans plusieurs domaines : physique classique et quantique, chimie, électronique, technologie. Le domaine des lasers est à la fois scientifique et technologique. Leurs applications suivent les nouvelles découvertes scientifiques. Ils ont été très vite divulgués au public. L’histoire commence en 1964 avec le prix Nobel de physique : Townes, Basovet Prokhorov ouvrent le champ de l ’électronique quantique, dix ans après la découverte du maser, ancêtre du laser. Leurs travaux ont fait progresser la science des lasers dont ils prévoyaient les possibilités [4, 5]. 3 Etude de l’interaction laser – métal L. BAZIZ Application sur les alliages d’aluminium 1. CRÉATION DE LA LUMIÈRE LASER 1.1. L'émission stimulée Un atome, un ion ou une molécule excités peuvent libérer leur énergie par émission spontanée d'un photon. Cependant, il existe un autre mode d'émission, l'émission stimulée d'un photon prévue par Albert Einstein en 1917. L'émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s'ils étaient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumière laser [6]. 1.2. L'excitation d'un système et l'augmentation de son énergie Une particule (atome, ion ou molécule) excitée émet un photon grâce à la stimulation que provoque l'arrivée d'un photon de même énergie que celui qu'il pourrait potentiellement émettre (figure 01). La particularité de ce type d'émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction de la trajectoire et phase) que le photon de départ, comme si le second était la photocopie conforme du premier. 4