Sujet :

Caractérisation de l’interaction laser matière en régime confiné avec de très petites taches focales

Contexte :

Le sujet de ce post-doc, proposé dans le cadre du projet ANR ForgeLaser, concerne l’étude de l’interaction laser matière en régime confiné, utilisée pour le traitement industriel des matériaux par choc laser (LSP – Laser Shock Peening). Dans ce régime d’interaction laser-matière particulier, un plasma de haute pression est généré sur une cible irradiée par un laser impulsionnel ns avec des intensités typiques de l’ordre de quelques GW/cm2. Afin de limiter les énergies laser mises en jeu, la surface de la cible est recouverte d’un matériau (liquide, solide, polymère, …) transparent au rayonnement laser, qui va servir à confiner le plasma. Du fait de la présence du milieu de confinement, la détente de ce plasma est contenue, ce qui a pour effet d’augmenter à la fois la durée et l’amplitude de l’onde de compression induite dans le matériau cible en réaction à la détente du plasma. Cette onde de choc va générer un champ résiduel de contraintes de compression, qui va permettre d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau, et d’augmenter sa durée de vie. Afin de s’affranchir des effets thermiques du plasma, qui induisent des contraintes de traction néfastes en extrême surface, la cible est aussi recouverte d’un revêtement thermo protecteur additionnel. Actuellement, seule l’eau est utilisée comme milieu de confinement en configuration industrielle, ce qui empêche l’application du procédé dans bon nombre d’applications. Par ailleurs, l’utilisation d’un revêtement thermo protecteur est aussi un frein à l’utilisation du procédé dans l’industrie aéronautique, et on cherche donc à s’en affranchir.
Dans le cadre du Projet ForgeLaser, il est envisagé d’utiliser un confinement polymère souple associé avec des petites taches focales, permettant de réaliser le traitement par LSP sans revêtement thermo protecteur sur des géométries complexes, telles que des surfaces claustrées.

Objectif :

L’objectif du présent post-doc sera donc d’obtenir une description fine des processus physiques mis en jeu dans ces conditions très particulières d’interaction laser plasma. Les travaux seront basés sur une approche couplée expérience/modélisation. Au niveau théorique, on dispose actuellement d’une chaine de calcul monodimensionnelle, basée sur le code ESTHER développé au CEA, permettant de simuler l’interaction laser-matière et la propagation des chocs induits dans les matériaux. On dispose aussi d’un modèle de plasma homogène permettant de bien rendre compte des effets thermiques induits par le plasma. Des études théoriques et numériques seront entreprises afin de déterminer la méthode optimale permettant de coupler judicieusement ce code d’interaction laser-matière 1D à un code de mécanique multidimensionnel afin de rendre compte correctement des résultats expérimentaux. Par ailleurs, des développements pourront aussi être entrepris dans le modèle de plasma homogène. Ces travaux théoriques devront permettre de déterminer de façon précise les chargements thermo mécaniques induits par le traitement.
Au niveau expérimental, il s’agira de caractériser finement les effets induits par l’utilisation de petites taches focales. Les chargements de pression induits dans ces conditions seront déterminés par vélocimétrie Doppler (VISAR, PDV), et on essayera plus particulièrement de réaliser des mesures résolues spatialement sur toute la tache focale. La détente du plasma dans le milieu de confinement, qui modifie la durée et l’amplitude du choc induit à la surface de la cible, sera caractérisée par visualisation ultra-rapide, à l’aide de caméra CCD intensifiée multi-images. Afin de caractériser les effets thermiques induits, des mesures de température du plasma seront aussi réalisées à l’aide d’un pyromètre multi-spectral (UV, VIS, NIR) en cours de développement au CEA. Des mesures complémentaires de zone affectées thermiquement seront aussi réalisées et comparées aux simulations. Pour terminer, un effort sera aussi entrepris afin de comprendre et mieux maîtriser le renouvellement du matériau de confinement pour évaluer le taux de répétition limite que l’on pourra utiliser au niveau industriel. Les travaux débuteront avec de l’eau comme milieu de confinement de référence, et seront ensuite étendus en fonction des résultats aux matériaux polymères.

Contacts :

SOLLIER Arnaud & VIDEAU Laurent
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00
arnaud.sollier@cea.fr & laurent.videau@cea.fr