Development of laser surface alloys onto aluminium substrate : application to laser cladding

L'étude a été menée selon 2 axes : le développement du rechargement laser sur aluminium et l'amélioration des propriétés mécaniques des revêtements. L'originalité du travail a résidé dans la mise en œuvre de lasers Nd:YAG couplés avec une buse d'injection coaxiale et dans la pluralité des alliages étudiés (base Al avec addition de 1 ou 2 éléments : Cu, Co, Cr, Fe, Mo, Ni, Si et Sn, élaboration de matériaux composites avec renfort de carbures : WC, TiC ou SiC).En premier lieu, une technique d'alliage de surface par prédépôt a été utilisée sur un substrat d'aluminium 1050. Des alliages binaires ont ainsi été réalisés avec des teneurs en soluté de 0 à 50 wt.%. Selon l'élément et sa proportion, les matériaux présentent des microstructures variées (hypoeutectique, eutectique ou hypereutectique), un durcissement important (250-300 HV0,2) et une amélioration de la tenue à l'usure adhésive. La nanoindentation nous a permis d'analyser l'isotropie mécanique de ces alliages et d'appréhender leur comportement élastique et plastique (module d'élasticité, retour élastique et index plastique). En considérant l'ensemble de ces propriétés, les éléments les plus performants pour l'alliation de l'aluminium sous faisceau laser nous a semblé être le cuivre, le molybdène, le nickel et le silicium. Dans un deuxième temps, deux ensembles optique/tête d'injection ont été mis au point avec des lasers Nd:YAG de 2 et 4 kW pour l'opération de rechargement sur un substrat AS7G. Le travail a alors été poursuivi selon trois voies :L'élaboration d'alliages ternaires d'aluminium avec les éléments retenus précédemment (Cu, Mo, Ni, Si). Ces matériaux ont révélé un durcissement proche de 500 HV5 sans fissure et une meilleure résistance à l'usure adhésive que les alliages binaires.L'étude des déformations du substrat et des contraintes résiduelles au sein du revêtement.La fabrication de composites à matrice métallique avec renfort de carbures (WC, SiC et TiC). L'ajout de renforts et de silicium augmente la dureté globale du CMM et influence fortement le régime d'usure.Study has been carried out in two main ways: the development of aluminium laser cladding and the enhance of mechanical properties of the coatings. Original aspects were the implement of Nd:YAG lasers with a coaxial injection nozzle and the multiplicity of studied alloys (Al basis with addition of 1 or 2 elements: Cu, Co, Cr, Fe, Mo, Ni, Si and Sn, development of composite materials with carbide addition: WC, TiC or SiC).In first, laser surface alloying by pre-placed coating was used onto 1050 aluminium substrate. Binary alloys have been carried out with element ratios from 0 to 50 wt.%. As function of added element and its ratio, alloys showed different microstructures (hypoeutectic, eutectic or hypereutectic), a high hardening (250-300 HV0,2) and a enhance of adhesive wear resistance. Nanoindentation measurements allowed to study the mechanical isotropy and the elastic/plastic behaviour of these alloys (elastic modulus, elastic recovery and plastic index). Considering the whole of these properties, the optimum elements for aluminium laser alloying should be Cu, Mo, Ni and Si.Afterwards, for laser cladding onto AS7G substrate, 2 optic/injection nozzles have been designed with 2 and 4 kW Nd:YAG lasers. Study has been continued in 3 ways:Development of aluminium ternary alloys with the selected elements (Cu, Mo, Ni and Si). These alloys showed a high hardness (500 HV5) without crack and a higher wear resistance than binary alloys.Study of the substrate distortion and residual stresses into the coatings.Development of metallic matrix composites (MMC) with carbide addition (WC, TiC or SiC). Carbide or silicon addition increases the MMC bulk hardness and enhances the wear resistance