Etude de matériaux polymères comme confinement solide dans l’application choc laser LSP

Study of material polymers as confining medium for a Laser Shock Peening application

• Auteur / Autrice : Corentin Le bras
• Direction : Laurent Berthe, Bruno Fayolle, Matthieu Gervais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 12/01/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Marco
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berthe, Bruno Fayolle, Matthieu Gervais, Laurent Lamaignère, Laurent Delbreilh, Laurent Videau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Lamaignère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Lasers -- Matériaux

Mots clés libres

Laser

Polymère

Intéraction laser - matière

Laser

Polymer

Laser - matter interaction

Résumé

Le procédé de laser shock peening est couramment utilisé dans l'industrie aéronautique. Il consiste à focaliser un pulse laser à la surface d'une pièce métallique dont il faut renforcer le comportement en fatigue. Quand l'impulsion laser atteint la surface de la cible métallique, un plasma se créer puis se s'étent dans l'air. Cette détente engendre la création d'une onde de choc avec une pression de l'ordre du GPa qui à pour effet de plastifier la matière qu'elle traverse. En conséquence, des contraintes résiduelles de compression sont induites dans le matériau et ce sont ces dernières qui sont la cause du meilleur comportement en fatigue obtenu. Afin de produire des pressions suffisantes au traitement d'alliages utilisés dans l'aéronautique, une couche d'eau est placée sur la surface de la pièce à traiter. Cette configuration à pour effet d'empêcher la détente du plasma dans l'air, provoquant des pressions plus fortes pendant un temps plus long. Cependant le régime confiné par eau ne permet pas le traitement de certaines zones spécifiques des avions dans lesquelles de l'eau ne peut pas être amenée. De ce fait, une alternative au confinement eau apparait comme nécessaire. Dans ce manuscrit de thèse l'utilisation d'un polymère transparent et flexible démontre de bons résultats permettant de considérer les polymères comme de vrais candidats pour les applications de grenaillage laser dans lesquelles l'eau ne peut être utilisée en tant que confinement. Après un état de l'art et une présentation des outils utilisés au cours des différentes expériences, ce manuscrit décrit dans une première partie le choix d'un confinement suivi de son étude paramétrique et de résultat de mesures de contraintes résiduelles après traitement. Une seconde partie se concentre sur les propriétés mécaniques d'un polymère flexible sous un régime mécanique de type choc laser (haute pression et vitesse de déformation).

The laser shock peening process is commonly used in the aerospace industry. It consists in focusing a laser pulse at the surface of a metallic piece to reinforce its fatigue behaviour properties. When the laser pulse hits the surface of the material, a plasma is created and starts to expand in the air. This plasma release induces the creation of a shockwave with a typical pressure in the GPa range that plasticises the matter. As a result, compressive residual stresses are induced in the material. They are themselves the cause of the final improved fatigue behaviour. In order to produce sufficient pressures to treat the alloys of interest, a water layer is usually placed on top of the surface of the metallic target in the form of running water brought by a little hose. This configuration hinder the plasma expansion in the air and induces the production of higher maximum pressures during a longer duration. However, this configuration does not allow for the treatment of some specific parts of aircrafts that cannot support water in their environment. For this reason, an alternative to the water confined regime is necessary. In this work, the use of flexible, transparent polymers is studied and demonstrates good results allowing to consider polymer as a true candidate for all the laser peening applications where water cannot be used. After a state of the art and a presentation of the materials and methods used during the work, a first part describes the choice, parametric study and residual stresses measurements realised with polymer confinement on an aeronautic alloy while a second part presents the flexible polymer mechanical behaviour under laser conditions (high pressure and strain rate).