La trempe laser est un nouveau domaine en plein essor qui présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes de trempe conventionnelles. Parmi ces avantages, on compte une meilleure résistance à l'usure, une durée de vie prolongée des composants, une résistance mécanique accrue et des limites de fatigue. Les méthodes de trempe traditionnelles utilisent un procédé de transformation en masse, où la pièce entière est traitée thermiquement. Des traitements thermiques subséquents peuvent également être nécessaires pour la trempe superficielle. Cependant, la trempe laser présente un gradient de température important entre la surface et la masse, ce qui permet d'éliminer le recours à un agent de trempe externe. La trempe laser se déroule en trois étapes, décrites ci-dessous :
1. le matériel est chauffé
2. La température de la pièce est maintenue au-dessus d'un seuil pendant une durée déterminée. La température et la durée dépendent du matériau de la pièce et de la dureté requise.
3. La pièce est refroidie rapidement ; on parle alors de trempe. La température utilisée lors de la deuxième étape est appelée température d'austénitisation. À cette température, le fer passe de sa forme ferritique (fer α) à sa forme austénite (fer γ). L'austénite présente une structure cristalline cubique à faces centrées (FCC), tandis que la ferrite présente une structure cubique à corps centré (BCC). Les structures FCC présentent des espaces plus grands entre les atomes que les structures BCC ; ces ouvertures plus grandes permettent aux structures FCC de dissoudre davantage d'atomes de carbone dans le matériau. Lorsque le matériau est refroidi rapidement après la période d'austénitisation, la structure cristalline passe de FCC à BCC, et la solubilité du carbone diminue significativement, ce qui provoque sa précipitation. On obtient ainsi une solution solide sursaturée (composée de carbone et de fer), aussi appelée martensite (structure cristalline BCC identique à celle de la ferrite, mais à teneur en carbone plus élevée). En raison de sa forte concentration en carbone, la martensite présente une résistance mécanique (dureté) et une résistance à l'usure supérieures à celles de l'austénite et de la ferrite.
La figure 1 montre le processus de durcissement :
Figure 1 : Processus de durcissement au laser1
Il faut expliquer la différence entre les zones trempées et revenues. La différence entre le revenu et la trempe peut s'expliquer comme suit : le revenu est un traitement thermique qui augmente la ténacité d'une pièce en diminuant la dureté du matériau, le rendant ainsi plus ductile et moins sujet à l'écaillage et aux fractures.
Dans une étude², plusieurs lasers pulsés de durées d'impulsion variables, ainsi qu'un laser à faisceau continu, ont été utilisés. La figure montre les zones durcies et revenues.
Figure 2 : Différents lasers de différentes durées d'impulsion et zones trempées et durcies2
La dureté est exprimée en Vickers (HV), dont le rapport est de 1,854 (F/D²), où F représente la force appliquée en kg et D² la surface d'empreinte mesurée en millimètres carrés. Ces unités sont basées sur la résistance de la pièce à la pénétration d'un corps. D'autres unités, comme Rockwell (HRC) et Brinell (HV), sont aussi utilisées³.
Les observations suivantes peuvent être faites à propos de l’utilisation de lasers avec des largeurs d’impulsion variables :
- Pour les fs et les PS, les lasers entraînent une ablation directe du matériau et ne conviennent donc pas au durcissement au laser.
- Les lasers nanosecondes permettent de durcir, mais leur profondeur est trop faible (de l'ordre de 100 μm). Ils sont donc mieux adaptés au nettoyage de surface.
- Pour les lasers MS, la profondeur de durcissement pourrait varier entre 200 et 1 000 μm, et la dureté pourrait atteindre des valeurs de 700 HV dans la zone durcie.
- Les lasers à ondes continues (CW) sont les plus adaptés au durcissement laser, mais le laser MS pourrait les concurrencer grâce à sa puissance neuf fois inférieure. La puissance minimale du laser CW pour le durcissement laser est de 2 kW.
Le procédé laser est un procédé en une seule étape qui implique uniquement l'interaction de la source laser avec la surface. Aucun agent de trempe externe n'est requis. Ceci est avantageux pour les industries qui souhaitent améliorer les propriétés mécaniques et les performances d'un composant⁴. Un gaz tampon peut être utilisé pour optimiser le processus de durcissement. La figure 3 illustre ce scénario.
Figure 3 : Utilisation d'un gaz tampon 5
L'azote est généralement utilisé comme gaz auxiliaire pour arrêter le processus de combustion et permettre au faisceau laser de durcir correctement le matériau. Grâce à ce durcissement, la microstructure de la martensite présente une résistance à l'usure considérablement améliorée.
Allied Scientific Pro offre des systèmes de nettoyage laser basés sur des lasers pulsés nanosecondes, mais s'oriente également vers la technologie de durcissement laser. Un laser pulsé continu de 4 kW a été commandé pour des essais, et des essais de durcissement seront bientôt effectués sur des substrats en acier.
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Références :
1- https://material-properties.org/what-is-laser-hardening-advantages-and-application-definition/
2- Étude comparative du durcissement laser de l'acier 50CrMo4 à l'aide d'un laser à onde continue et d'un laser pulsé avec une durée d'impulsion ms, ns, ps et fs, N.Maharaja, et.al, Surface and coating technology 366 (2019).
3- Durcissement au laser M.Ruetering,www.laser-journal.de, mars 2016
4- Durcissement par transformation laser de différentes nuances d'acier à l'aide de différents types de laser, G.Muthukumaran et.al, Journal de la société brésilienne des sciences mécaniques et de l'ingénierie (2021) 43:103
5- https://www.tec-science.com/material-science/heat-treatment-steel/laser-hardening-surface-hardening/