Physics of Laser Materials Processing: Theory and Experiment

This book describes the basic mechanisms, theory, simulations and technological aspects of Laser processing techniques. It covers the principles of laser quenching, welding, cutting, alloying, selective sintering, ablation, etc. The main attention is paid to the quantitative description. The diversity and complexity of technological and physical processes is discussed using a unitary approach. The book aims on understanding the cause-and-effect relations in physical processes in Laser technologies. It will help researchers and engineers to improve the existing and develop new Laser machining techniques. The book addresses readers with a certain background in general physics and mathematical analysis: graduate students, researchers and engineers practicing laser applications

Structural modifications of WC/Co nanophased and conventional powders processed by selective laser melting

International audienceMicrostructural modifications and mechanical properties of samples manufactured from conventional and nanocomposite WC/Co12 powders by means of Selective laser melting (SLM) are compared after processing with the same parameter set. Studying their homogeneity reveals that in both samples coarse and fine carbides segregate in the molten pool. X-ray diffraction (XRD) analysis shows significant changes in the microstructure and crystalline phases present in the WC/Co mixture and after SLM. Thermal decomposition of WC leads to the formation of W2C dicarbides and the appearance of the complex Co-W-C ternary phase. No residual pure cobalt after SLM was detected in the samples. The Williamson-Hall method allows determining coherent WC domain sizes of conventional and nanostructured powders (56 +/- 6nm and 10 +/- 3nm, respectively) and microstrains (approximate to 0 for both) as well as their modifications after SLM processing (180 +/- 50nm and 210(-3)+/- 410(-4) for the nanophased sample, and 330 +/- 100nm and 210(-3)+/- 410(-4) for the conventional one, respectively). The microhardness of the part produced from the nanophased powder is slightly increased in both the coarse (approximate to 1496 HV0.3) and fine (approximate to 1542 HV0.3) carbide segregation regions compared to the sample obtained from the conventional powder (1384 HV0.3 and 1515 HV0.3 for coarse and fine regions, respectively)

Intermetallics Synthesis in the Fe–Al System via Layer by Layer 3D Laser Cladding

crystal

Fabrication directe d'objets 3D par fusion sélective laser à partir de poudres métalliques

The accomplished doctoral study concerns the interaction of the powerful laser radiation with powder metallic materials. The problem is of a great scientific interest, since it is a multi-disciplinary subject integrating powder metallurgy, thermo-physics, radiation and heat tranfer, phase transformations. Along with this, the subject has a considerable practical interest because Laser-assisted Direct Manufacturing based on Selective Laser Melting (SLM) is an emerging technology for manufacturing 3D functional objects with great added value, and also complex customized parts. Systematic study is accomplished for the powder materials currently employed in laser-assisted direct manufacturing : stainless steel 316L (-25 m), tool steel H13 (-25 m), Inconel 718 (-25 m), CuNi10 (-25 m), titanium grade 2 (-25 m) and NiTi (-45 m) ; stainless steel 904L (-16 m et -7 m), Inconel 625 (-16 m), Co212F (CoCr, -31 m). The above mentioned powders were employed in the experimental study for fabrication of 2D planar objects, 3D models and functional components. Comprehensive experimental research on laser-matter interaction are carried out for interaction of a powerful (0.3-1.3x106 W/cm ) moving laser beam with a complex system metallic powder on solid metallic substrate . Manufacturing strategies allowing 100% density on the fabricated objects are found. Optimal parameters for stable SLM process are determinedL'objectif principal de la thèse de doctorat présentée dans ce mémoire est l'étude de l'interaction d'un faisceau laser de puissance avec des poudres métalliques. Le sujet est d'un grand intérêt scientifique par sa multidisciplinarité intégrant la métallurgie de poudres, la physique thermique, le transfert de chaleur et radiatif, la transformation de phases. En même temps, le sujet a une signification pratique considérable car la Fabrication Directe par fusion laser sélective des poudres (SLM) est une technologie émergente de fabrication d'objets 3D avec une grande valeur ajoutée et de pièces fonctionnelles complexes sur mesure. Une étude systématique a été réalisée sur les poudres actuellement utilisées dans la Fabrication Directe assistée par laser : Inox 316L (-25 m), acier d'outillage H13 (-25 m), Inconel 718 (-25 m), CuNi10 (-25 m), Ti grade 2 (-25 m) et NiTi (-45 m) ; Inox 904L (-16 m et -7 m), Inconel 625 (-16 m), Co212F (CoCr, -31 m). A partir de ces poudres, des objets plats 2D, des modèles 3D et des pièces fonctionnelles ont été fabriqués. Des recherches expérimentales approfondies sur l'interaction laser/matière sont effectuées, plus particulièrement sur l'interaction d'un faisceau laser de haute puissance mobile (0.3-1.3x106 W/cm ) avec un système complexe de poudres métalliques sur substrat métallique solide. Les stratégies de fabrication permettant d'obtenir la densité 100% de pièces résultantes sont identifiées. Les paramètres optimaux pour assurer la stabilité du procédé SLM sont définisST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocST ETIENNE-ENISE (422182303) / SudocSudocFranceF

Contrôle des procédés industriels hautes températures par voie optique

Les pyromètres développés et fabriqués pour les mesures précises de température de luminance dans les conditions spécifiques de l'action laser, en combinaison avec les méthodes modernes de reconstitution de la température vraie, sont des instruments efficaces pour analyser les processus thermiques dans les applications laser. Le développement d'un système pyrométrique destiné à enregistrer la température de surface réelle, par exemple, durant l'action laser, entraîne d'importantes difficultés méthodologiques, qui sont déterminées par les paramètres du procédé : large gamme de température (300-4000K), vitesses de chauffe et de refroidissement élevées (103-106 Ks-1) , petite taille de la zone chauffée (0.8-15 mm), influence du rayonnement émis par le panache d'évaporation (plasma et produits évaporés en surface), forte variation des propriétés optiques et thermiques des matériaux, etc. Un ensemble de pyromètres a été utilisé pour contrôler la température de surface dans les procédés de soudage par laser Nd-YAG, d'action laser pulsée, de rechargement laser, etc. Un bon accord quantitatif est obtenu entre les résultats théoriques et expérimentaux pour l'action laser pulsée. Les innovations mentionnées ci-dessus ont offert un large éventail de possibilités d'application de la pyrométrie multichromatique pour la reconstitution de la température vraie dans les applications laser. La connaissance de la température vraie représente un grand intérêt sur le plan de l'analyse des transitions de phases, par exemple fusion / solidification ; ce qui est crucial dans le cas d'alliages multi-matériaux pour éviter la décomposition thermique des composants chimiquesPyrometers developed and manufactured for precise measurements of the brightness temperature under specific conditions of laser action, in combination with the modern methods of reconstitution of the true temperature, are effective instruments for analysing thermal processes in laser applications. Development of a pyrometry system for the real surface temperature measurement, for example, during laser action, involves significant methodological difficulties, which are determined by the process parameters : broad temperature range (300-4000 K), high heating and cooling rates (103-106 Ks-1), small size of the heated zone (0.8-15 mm), influence of the radiation emitted by the evaporation plume (plasma and matter evaporated at the surface), strong variation of the optical and thermal properties of materials, etc. A set of pyrometers was used to monitor the surface temperature in the processes of laser Nd-YAG welding, pulsed laser action, laser cladding, etc. A good quantitative agreement between the theoretical and experimental results for pulsed laser action is obtained. The above mentioned innovations offered a broad range of application possibilities for multichromatic pyrometry in reconstitution of the true temperature in laser applications. Knowledge of the true temperature represents a great interest from the point of view of the phase transition analysis, for example, melting / solidification ; that is crucial in the case of multi-materials alloys to avoid thermal decomposition of the chemical componentsST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocSudocFranceF

Contrôle des procédés industriels hautes températures par voie optique

Les pyromètres développés et fabriqués pour les mesures précises de température de luminance dans les conditions spécifiques de l'action laser, en combinaison avec les méthodes modernes de reconstitution de la température vraie, sont des instruments efficaces pour analyser les processus thermiques dans les applications laser. Le développement d'un système pyrométrique destiné à enregistrer la température de surface réelle, par exemple, durant l'action laser, entraîne d'importantes difficultés méthodologiques, qui sont déterminées par les paramètres du procédé : large gamme de température (300-4000K), vitesses de chauffe et de refroidissement élevées (103-106 Ks-1) , petite taille de la zone chauffée (0.8-15 mm), influence du rayonnement émis par le panache d'évaporation (plasma et produits évaporés en surface), forte variation des propriétés optiques et thermiques des matériaux, etc. Un ensemble de pyromètres a été utilisé pour contrôler la température de surface dans les procédés de soudage par laser Nd-YAG, d'action laser pulsée, de rechargement laser, etc. Un bon accord quantitatif est obtenu entre les résultats théoriques et expérimentaux pour l'action laser pulsée. Les innovations mentionnées ci-dessus ont offert un large éventail de possibilités d'application de la pyrométrie multichromatique pour la reconstitution de la température vraie dans les applications laser. La connaissance de la température vraie représente un grand intérêt sur le plan de l'analyse des transitions de phases, par exemple fusion / solidification ; ce qui est crucial dans le cas d'alliages multi-matériaux pour éviter la décomposition thermique des composants chimiquesPyrometers developed and manufactured for precise measurements of the brightness temperature under specific conditions of laser action, in combination with the modern methods of reconstitution of the true temperature, are effective instruments for analysing thermal processes in laser applications. Development of a pyrometry system for the real surface temperature measurement, for example, during laser action, involves significant methodological difficulties, which are determined by the process parameters : broad temperature range (300-4000 K), high heating and cooling rates (103-106 Ks-1), small size of the heated zone (0.8-15 mm), influence of the radiation emitted by the evaporation plume (plasma and matter evaporated at the surface), strong variation of the optical and thermal properties of materials, etc. A set of pyrometers was used to monitor the surface temperature in the processes of laser Nd-YAG welding, pulsed laser action, laser cladding, etc. A good quantitative agreement between the theoretical and experimental results for pulsed laser action is obtained. The above mentioned innovations offered a broad range of application possibilities for multichromatic pyrometry in reconstitution of the true temperature in laser applications. Knowledge of the true temperature represents a great interest from the point of view of the phase transition analysis, for example, melting / solidification ; that is crucial in the case of multi-materials alloys to avoid thermal decomposition of the chemical componentsST ETIENNE-BU Sciences (422182103) / SudocSudocFranceF

Contrôle et optimisation des procédés industriels hautes températures utilisant les faisceaux d'énergie concentrée (laser, plasma, faisceau d'électrons) par pyrométrie optique

Un pyromètre bidimensionnel (longueur d onde 0.860um mm, zone de mesure 2.5x2.5 mm_, temps d échantillonnage 40 ms), un pyromètre multilongueur d onde (dans le domaine spectral 1.061 1.573 mm, zone de mesure 800 mm, temps d échantillonnage 600 ms), un pyromètre bicolore (longueur d onde 0.662 mm, zone de mesure 300 mm, temps d échantillonnage 20 ms) et un pyromètre monochromatique ont été appliqués au contrôle et à la mesure de la température de surface des matériaux traités lors des procédés de soudage par laser pulsé (Nd :YAG) et continus (CO2 et Nd :YAG), traitement de surface par laser Nd :YAG et refusion d acier dans un four à plasma d arc. L analyse comparative de toutes les méthodes pyrométriques classiques est complétée par la proposition d une nouvelle méthode multicolore basée sur une approche statistique. Pour les applications laser, l évolution de la températures, les phases de chauffage et de refroidissement et les gradients de températures ont été analysés. L influence des paramètres opératoires sur la température de luminance des matériaux irradiés est mise en évidence, certains défauts géométriques peuvent être détectés. Le procédé de refusion d acier par four plasma a totalement été caractérisé en température (température des parois, température du bain métallique en fusion et température de l arc plasma). A la vue des résultats obtenus, il apparaît que la pyrométrie peut-être un outil très utile pour le contrôle des procédés industriels hautes températuresPERPIGNAN-BU Sciences (661362101) / SudocSudocFranceF