Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Réactivité des matériaux sous flux laser

Contacts

Nicolas Glandut nicolas.glandut@unilim.fr
Pierre Lefort pierre.lefort@unilim.fr


Contexte/objectifs

L’un des intérêts principaux de l’utilisation de lasers dans les traitements de surface réside dans la possibilité de chauffer très fortement les surfaces sans porter en température l’ensemble des pièces traitées. Dans le très vaste champ ainsi ouvert, deux procédés originaux ont été dernièrement mis au point.

  • La densification superficielle de carbures frittés

L’irradiation laser de pièces en carbure de zirconium pré-fritté sous charge (porosité ≈ 30 %) conduit à une densification de surface à 100 % par fusion à 4000 K environ, sur des épaisseurs de l’ordre de 50 µm. Cette opération se fait plutôt rapidement (≈ 0,4 cm2/min pour une puissance d’un laser ytterbium de 100 W), et surtout elle fournit un carbure d’une très haute pureté, en dépit d’une protection a minima contre la réaction d’oxydation par l’oxygène de l’air (simple balayage gazeux d’argon de qualité courante à la surface des pièces traités, sans vide préalable) [1].

Ce résultat est plutôt surprenant, sachant la grande réactivité de la plupart des carbures, dont ZrC, vis-à-vis de l’oxygène dès 1000 K. L’origine thermodynamique a été mise en évidence en utilisant les diagrammes de volatilité.

Pour des pressions de dioxygène inférieures à 10 Pa environ, la phase stable est le carbure ZrC liquide et non la zircone, et la phase gazeuse correspondante est le monoxyde de zirconium ZrO. Ainsi, sous le flux du laser et pourvu que la température atteigne au moins 3800 K, le carbure fond et, même si l’atmosphère environnante contient un peu de dioxygène, la phase carbure ne s’oxyde pas. De plus, ce traitement permet aussi de purifier le carbure puisque la zircone éventuellement présente dans le carbure pré-fritté, instable, s’évacue alors sous forme de monoxyde gazeux. Le refroidissement à une température de quelques centaines de kelvins se fait quasiment instantanément dans les zones qui ne sont plus éclairées par le laser, ce qui ne laisse pas le temps à oxydation du carbure par le dioxygène résiduel de se produire.

Ce procédé, qui allie un chauffage localisé des pièces à très haute température et de très forts gradients thermiques en montée comme en descente en température, conduit à des résultats inattendus en termes de réactivité. En termes de procédés, il permet d’obtenir des surfaces complètement denses qui pourraient avoir des applications pour les cathodes des SOFC ou certains revêtements spéciaux (dans l’industrie nucléaire, notamment).

  • La fixation de pistes de cuivre sur l’alumine

Lorsqu’une pièce massive d’alumine est recouverte d’une poudre de cuivre déposée à partir d’une barbotine puis soumise à irradiation laser dans l’air, la fusion du cuivre et son oxydation superficielle donnent, après refroidissement, des pistes de cuivre adhérentes au substrat [2].

Une étude fine de l’interface alumine/cuivre, notamment par microsonde de Castaing et TEM a montré que la fusion simultanée des deux matériaux et l’oxydation partielle simultanée du cuivre crée une zone fortement perturbée où se mélangent de façon ordonnée le cuivre, l’alumine et une phase delafossite CuAlO2 issue de la réaction, probablement à l’état liquide, entre l’oxyde Cu2O et l’alumine [3].

Une importante volatilisation de cuivre métallique se produit, avec des projections de matière, et l’oxydation du cuivre fait chuter la conduction électrique, ce qui limite les applications potentielles de ce procédé.

 

Actuellement, il apparaît ainsi que le traitement des surfaces par laser convient mieux à des produits à haute température de fusion (comme ZrC, peut-être métaux réfractaires, etc.) qu’à des solides à températures de fusion et d’ébullition plus faibles, pour lesquels il est très difficile de doser finement l’énergie transférée, si bien que des pertes de matière ou des réactions indésirables sont quasiment inévitables. Nos travaux s’orientent donc actuellement plutôt vers des recherches impliquant les carbures réfractaires.


Publications sélectionnées

  1. A. Bacciochini, N. Glandut, P. Lefort
    Surface densification of porous ZrC by a laser process
    J. Eur. Ceram. Soc. 29 (2009) 1507

  2. S. Menecier, J. Jarrige, J.C. Labbe, P. Lefort
    Identification of parameters involved in the bonding of copper tracks on alumina substrates by a laser process
    J. Eur. Ceram. Soc. 27 (2007) 851

  3. S. Menecier, J.C. Labbe, P. Lefort
    Copper tracks processing on alumina by laser cladding : elaboration and characterization
    J. Eur. Ceram. Soc. 29 (2009) 1755

Mis à jour le 3 mars 2010

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