Ablation par laser pulsé de revêtements antiérosion pour le domaine aéronautique

Les revêtements antiérosion sont grandement utilisés par l'industrie aérospatiale pour augmenter la durée de vie de certaines pièces critiques au fonctionnement des moteurs à réaction. Par contre, après plusieurs heures en service, le revêtement finira inévitablement par se détériorer. Étant donné le prix croissant du titane et le coût de fabrication des composants,les fabricants de moteurs désirent réusiner les pièces, à base d'alliages de titane, en élevant le revêtement dysfonctionnel tout en limitant les dommages au substrat durant lagravure. Cette recherche s'inscrit dans le projet industriel MANU 4, chapeauté par le CRIAQ et le CRSNG, qui vise à étudier la faisabilité d'enlever un revêtement antiérosion déposé sur un substrat de Ti-6Al-4V à l'aide de trois techniques différentes : la gravure chimique, la gravure par plasma et l'ablation par laser pulsé. Ce memoire se concentre plus spécifiquement sur l'ablation par laser pulsé d'un revêtement de 20 m de TiAlN déposé sur un substrat de Ti-6Al-4V, en comparant la potentialité de deux lasers : un laser TiSapphire femtoseconde émettant à 800 nm avec à un laser excimer de KrF nanoseconde centré a 248 nm. Ces deux lasers ont été choisis puisqu'ils sont fréquemment utilisés pour le microusinage et permettent de comparer l'effet de la longueur d'onde et de la durée de l'impulsion. Des essais préliminaires ont d'abord permis d'identifier quatre variables ayant le plus d'impact sur le taux de gravure et la rugosité de surface : (i) la taille du faisceau, (ii) la puissance du laser, (iii) la vitesse du porte-échantillon, et (iv) le pas entre chaque ligne balay ée. Pour chaque laser, les conditions optimales d'ablation ont été obtenues en variant un paramètre à la fois. Au final, la grande énergie par impulsion offerte par le laser excimer permet d'accélérer d'un ordre de grandeur le taux de gravure, mais augmente de 1 m a 1.8 m la rugosité moyenne de la surface, par rapport à celle obtenue avec le laser Ti :Sapphire. Contrairement aux autres méthodes, l'ablation par laser pulsé a le potentiel d'offrir une très grande sélectivité. Pour ce faire, la spectroscopie d'émission de la plume a été étudiée pour suivre in situ la progression de la gravure, dans le but de déterminer le moment précis ou le faisceau laser atteignait la surface du substrat. Malgré les similarites chimiques entre le revêtement et le substrat, on démontre qu'il est possible de suivre, en temps réel, la décroissance d'un pic d'azote par rapport à un pic de titane toujours présent pour diagnostiquer la fin de la gravure. Toutefois, plus d'efforts doivent être déployés pour definir un critère

Abstract

Erosion resistant coatings (ERCs) are frequently used to protect aircraft engine components against erosion, and therefore, to extend their lifetime and reduce maintenance cost. However, after many hours in service, certain areas of the coating will begin to deteriorate. Given that such components are generally very costly, it is desirable to replace only the coating instead of the part itself. This research is part of the MANU 4 project, supported by CRIAQ and NSERC, which aims to study the feasibility of stripping an erosion-resistant coating deposited on a titaniumbased alloy with three dierent techniques: wet chemical etching, plasma etching and pulse laser ablation. This thesis focuses more specically on the etching with a pulsed laser of a 20-m thick TiAlN ERC deposited on a Ti-6Al-4V substrate. This work compares the suitability of two pulsed lasers: a femtosecond Ti:Sapphire laser emitting at 800 nm and a nanosecond KrF excimer laser centred at 248 nm. These two lasers were chosen since they are frequently used for micromachining applications and allow us to study the effect of the wavelength and pulse duration. Preliminary findings have allowed us to identify four most critical variables that influence the etch rate and the surface roughness: (i) beam size, (ii) laser power, (iii) stage speed, and (iv) step distance between scanned lines. For each laser, optimal etching conditions were obtained by varying a single parameter at a time. Final results show that the higher energy per pulse offered by the excimer laser allows one to increase by one order of magnitude the etch rate, but almost doubles, from 1 m to 1.8 m, the surface roughness, in comparison with results obtained with the Ti:Sapphire laser. Compared with other techniques, pulse laser ablation has the potential to offer very high selectivity. In this regard, plume emission spectroscopy was studied as an in situ technique to monitor the etching progress and determine the precise moment when the laser beam reaches the surface of the substrate. Despite chemical similarities between the coating and the substrate, we show that it is possible to monitor the decrease of the nitrogen line with respect to the titanium reference peak in order to diagnose, in real time, when the etching process should stop. Yet, more effort is still needed to define more precisely the etch stop criteria as a function of the applied laser fluence.