Durcisseurs de surfacePour augmenter la résistance des matériaux métalliques, le laser pulsé obtient des résultats supérieurs au grenaillage mécanique.

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Durcisseurs de surface

Pour augmenter la résistance des matériaux métalliques, le laser pulsé obtient des résultats supérieurs au grenaillage mécanique.



Le choc laser peut être employé ~pour accroître la résistance à la fatigue des métaux, mais l'énergie par impulsion doit être plus importante. Depuis longtemps, les mécaniciens connaissent le grenaillage de précontrainte qui consiste à augmenter la dureté superficielle des pièces mécaniques et leur résistance à la fatigue en projetant des billes d'acier sur leur surface. Mais il est difficile de réaliser un traitement localisé. Le service de Rémy Fabbro (directeur de recherche au CNRS) à l'Etca (Etablissement technique central de l'armement) travaille depuis plusieurs années sur le laser pulsé. Son principe: apporter une grande quantité d'énergie en un temps très court pour former un plasma à la surface du matériau. En se détendant, ce plasma excerce une compression Importante qui peut être décuplée si l'on confine le plasma à l'aide d'un film d'eau ou d'une plaque de verre. " Par rapport au grenaillage mécanique, le choc laser pénètre davantage, l'on gagne 30 à 40 % sur la limite d'endurance et 1' état de surface initial est conservé, ce qui n'est pas le cas avec la méthode classique ", dit Rémy Fabbro. PSA s'intéresse de près à la teck nologie. Mais il n'existe pas de laser fournissant de 10 à lOOjoules par impulsion de moins de vingt nanosecondes et à une cadence de lOHz. Les spécialistes de l'Etca utilisent un YAG impulsionnel de Quantel qui délivre deux fois 80joules en vingt nanosecondes. Mais sa cadence se limité à un tir toutes les deux minutes !

Une meilleure trempe

Le dernier-né de Sopra, un laser excimère de I kW, lui, dégage 15 joules par impulsion à une cadence de 60Hz; hélas, la durée des impulsions reste longue ( 150 nanosecondes), et 1' installation coûteuse. Mais, "I'excimère est une voie prometteuse, car sa longueur d' onde, très courte, permet de s'affranchir des problèmes de claquage du film d'eau qui limitent la puissance des YAG à lOgigawatts par cm2 par impulsion" souligne Rémy Fabbro. Le procédé permettra de "détensionner " les cordons de soudure, évitant les déformations. De même, les traitements de trempe superficielle tiendront mieux. Quand on réalise une trempe, la sous-couche est en effet le siège de contraintes de traction qui ont tendance à faire écailler la matière. Avec le grenaillage par laser, on peut éliminer les contraintes néfastes, même en profondeur.









Pour l'analyse ultra-fine

Déterminer la composition d'une matière solide, détecter une pollution... Pour ce faire, il existe des lasers particulièrement précis et efficaces.



A nalyser des traces infimes d'un élément chimique dans un matériau reste délicat à réaliser. Là encore, le laser apporte une solution efficace: un excimère, utilisé pour sublimer une petite quantité de matière par photo-ablation. Le plasma formé est alors analysé de façon classique à l'aide d'un spectromètre de masse. Cette technique pourrait remplacer les dispositifs à étincelles, dont le point d'impact, beaucoup plus réduit, nécessite de recommencer plusieurs fois l'opération pour obtenir un résultat parfaitement représentatif. En outre, le plasma généré par le laser est très énergétique, ce qui facilite l'analyse d'éléments qui réagissent plus difficilement aux méthodes classiques. Cela permettra de localiser des traces d'éléments d'une teneur inférieure à une ppb (partie par milliard). " Le marché est prometteur, mais des problèmes restent à résoudre, comme l'étalonnage des appareils ", dit-on à la Sopra. En effet, quand on soumet certains matériaux à des énergies très fortes, ils ont parfois tendance à se recombiner différemment dans le plasma.

La mise en évidence de la composition d'un gaz

Si le laser est capable de débusquer des traces infimes dans un solide, il permet aussi d'analyser des milieux gazeux. La société Quantel a développé un dispositif de spectroscopie baptisé Cars (Coherent Antistokes Raman Spectroscopy). Son principe: envoyer deux faisceaux laser vers le milieu à analyser. L'un est issu d'un laser YAG doublé en fréquence, l'autre d'un laser à colorant dont on fait varier la longueur d'onde. Puis on analyse les " ondes " réémises par les molécules excitées par le faisceau laser. Selon la forme du spectre, on met en évidence la nature et la température des gaz. Cet outil est très précis et capable d'opérer dans des milieux très hostiles. Ainsi, l'Onera l'utilise pour analyser les divers composés des gaz de combustion d'un réacteur ou d'un moteur de fusée. La mesure des gaz par laser est aussi utilisée pour évaluer le niveau de pollution dans l'atmosphère. Plus besoin de ballon-sonde, un faisceau laser suffit. Ce procédé, baptisé Lidar, agit tel un radar, par " ré,trodiffusion ". On envoie une série d'impulsions laser dans l'atmosphère et l'on mesure le temps mis par la lumière pour se réfléchir. On en déduit l'altitude des gaz polluants. Mieux, avec une analyse spectrale, on identifie leur nature. En France, des sociétés telles Quantel et BMI ont fabriqué des appareils de ce type. Cette technique est également employée pour mesurer le vent en haute altitude (lors des lancements de fusées). De même, Quantel travaille sur des Lidar embarqués sur satellites pour mesurer le taux d'hygrométrie des nuages. Ce qui permettra d'affiner les prévisions météorologiques. Mais la mesure de la pollution n'est pas limitée à l'atmosphère: " Nous avons mis au point un système capable de traquer les navires pollueurs à l'aide d'un laser YAG pulsé triplé en fréquence ", explique Philippe Aubourg, de Quantel. Ce dispositif fait briller. par fluorescence, la nappe de pétrole. Certains corps " éclairés " par un faisceau laser réémettent une onde lumineuse d'une longueur différente (généralement dans l'ultraviolet), caractéristique de leur composition chimique. Cette " signature " permet d'identifier la provenance du pétrole et l'identité du pollueur.

Des systèmes embarqués sur hélicoptères

La méthode est beaucoup plus rapide que la traditionnelle prise d'échantillons dans la mer, et les chances d'intercepter les contrevenants sont bien plus grandes. Les Koweitiens viennent d'acquérir le système pour l'embarquer sur des hélicoptères de surveillance. Une telle application a été rendue possible grâce au développement de lasers très compacts. Quantel a aussi mis au point un appareil capable de mesurer la constante diélectrique d'un matériau en milieu industriel. " Nous avons vendu trois lasers YAG pulsés à ABB pour lui permettre de contrôler en continu les isolants des câbles à haute tension ", précise Philippe Au bourg. Le principe consiste à provoquer des ondes de choc superficielles et à analyser le résultat.





UN YAG ULTRA COMPACT

La société Quantel a conçu et mis au point un laser YAG déclenché particulièrement compact et robuste. La tête du laser Brilliant, qui comporte la cavité optique, ne mesure que 48centimètres de long, 12 centimètres de haut et 8 de large. ~ Nous avons conçu le Brilliant de manière qu'il ne nécessite aucun réglage. Ainsi, le remplacement des lampes flash se fait en quelques minutes,~, explique Philippe Aubourg, le directeur commercial de Quantel. Le Brilliant peut facilement être embarqué à bord d'un véhicule ou d'un avion. En effet, il n'a pas besoin d'une alimentation en eau pour le refroidir. Malgré sa compacité, il délivre 350 millijoules par impulsion. Pour des applications en analyse, il est très facile de doubler ou de tripler sa longueur d'onde en ajoutant un simple boîtier à la sortie du laser. Dans l'avenir, le remplacement des lampes flash par des diodes permettra encore de réduire les encombrements. Mais, pour le moment, les diodes sont beaucoup trop chères pour être employées de façon industrielle.



LES PROMESSES DU LASER X

La longueur d'onde du laser X atteint environ 20 nanomètres (dix fois moins que celle des lasers excimères). Les scientitiques imaginent déjà des applications en imagerie biologique. Mais, seuls quelques laboratoires dans le monde ont pu obtenir une impulsion X de très courte durée. Pour ce faire, il faut mettre en jeu des énergies considérables, produisant un plasma très énergétique capable d'émettre spontanément dans l'X. En France, les spécialistes du laboratoire d'Orsay ont réussi à obtenir ce genre de plasma en tirant sur une cible en zinc à l'aide du laser Lully, qui délivre 400 joules par impulsion. Mais cette installation, qui comporte six lasers de puissance, n'a rien d'industrielle !

USINE NOUVELLE - N°2447 -

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