Interaction laser/matière en régime confiné pour des petites taches focales (inférieures au mm). Application au renforcement de surfaces par grenaillage laser. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Laser/matter interaction in a confined geometry for small focal spots (less than a mm).Application to surface reinforcement by laser shock peening.

Interaction laser/matière en régime confiné pour des petites taches focales (inférieures au mm). Application au renforcement de surfaces par grenaillage laser.

Résumé

Laser Shock Peening (LSP) is a surface treatment process used mainly in the aeronautical, naval and nuclear fields in order to strengthen used metals, extend their lifetime and thus lighten the whole structures. This key issue of metal reinforcement has been studied since the 1970s, and functional industrial configurations have been effective for more than 20 years. In this thesis, we wished to study with more accuracy the interaction between the laser and the matter (in its fourth state, called a plasma), in the water confinement regime. Especially, this study was carried out for submillimetre laser spots, with the aim of being able to address new issues: treatment of sheltered areas, beam transportation through optical fibre and development of a high-repetition rate configuration without using a thermal protective coating. To answer these needs identified in the ANR Forge Laser project and by exploiting the recent developments achieved by Thales regarding diode-pumped solid-state lasers (DPSS) with the THEIA system (200 Hz, 10 ns, 1 J), we have implemented and studied a new platform to perform LSP treatments.On the first hand, the work of this thesis aims at demonstrating the interest of submillimetre spots through the experimental and theoretical study of laser-matter interaction; new models have been developed to reproduce experimental results obtained, namely a faster plasma release at small laser spots, and thus a reduced thermal loading. On the other hand, we investigate the behaviour of the water confinement used both under a high repetition rate configuration and under a new (patented) configuration allowing to increase the breakdown threshold inside the water, and thus the maximum pressure generated by the plasma on the target. Finally, we are using these results to unlock current limits and to carry out a LSP treatment without any thermal coating and at a high repetition rate. The used materials are aluminium alloy 2024 and titanium alloy Ti-6AL4V. These treatments have been analysed by X-ray diffraction both in laboratory and in large instruments (Diamond synchrotron), hence allowing conclusions to be drawn regarding the best process parameters to be used for this new configuration.
Le grenaillage laser (LSP – Laser Shock Peening) est un procédé de traitement de surface utilisé principalement dans les domaines aéronautique, naval et nucléaire afin de renforcer les métaux utilisés, prolonger leur durée de vie et in fine alléger les structures obtenues. Cette problématique clef de renforcement des métaux est étudiée depuis les années 1970, et des configurations industrielles fonctionnelles sont effectives depuis 20 ans. Dans le cadre de cette thèse, nous avons souhaité étudier plus finement l’interaction entre le laser de puissance et la matière sous sa quatrième forme (plasma), dans le régime de confinement eau. En particulier, cette étude a été menée pour les taches laser submillimétriques, avec comme objectif de pouvoir adresser de nouvelles problématiques : traitement de zones claustrées, transport du faisceau laser par fibre optique et développement d’une configuration haute cadence sans revêtement de protection thermique. Face à ces besoins identifiés dans le projet ANR Forge Laser et conjointement aux développements récents atteints par Thales concernant les lasers solides de puissance pompés par diodes (DPSS – Diode Pumped Solide State) avec le système THEIA (200 Hz, 10 ns, 1 J), nous avons mis en œuvre et caractérisé une nouvelle plateforme de traitements par grenaillage laser.Dans un premier temps, les travaux de cette thèse visent à démontrer l’intérêt des taches submillimétriques à travers l’étude expérimentale et théorique de l’interaction laser matière ; de nouveaux modèles ont été développés pour traduire les résultats expérimentaux obtenus, à savoir une détente du plasma plus rapide aux petites taches, et donc une charge thermique réduite. Dans un second temps, nous nous intéressons au comportement de l’eau de confinement à la fois sous un régime haute cadence, et à la fois sous une nouvelle configuration brevetée permettant d’augmenter le seuil de claquage, et donc la pression maximale générée par le plasma sur la cible à renforcer. Enfin, nous mettons en œuvre ces résultats pour débloquer les verrous actuels et réaliser un traitement par grenaillage laser sans revêtement thermique et à haute cadence. Les matériaux d’intérêts concernent l’alliage 2024 d’aluminium et l’alliage Ti-6AL4V de titane. Ces traitements ont été caractérisés par diffraction de Rayons X à la fois en laboratoire et sur grands instruments (synchrotron Diamond), et permettent de conclure quant aux paramètres procédés à utiliser pour cette nouvelle configuration.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03611058 , version 1 (16-03-2022)
tel-03611058 , version 2 (31-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03611058 , version 2

Citer

Alexandre Rondepierre. Interaction laser/matière en régime confiné pour des petites taches focales (inférieures au mm). Application au renforcement de surfaces par grenaillage laser.. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2021. Français. ⟨NNT : 2021HESAE052⟩. ⟨tel-03611058v2⟩
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