Novel Confinement Possibility for Laser Shock: Use of Flexible Polymer Confinement at 1064 nm Wavelength

Through the years, laser shock peening became a treatment of choice in the aerospace industry to prolong the life of certain critical pieces. Water flow is commonly used as a confinement to improve the process capability but some applications cannot allow for water presence in the area of interest. In a previous article, an alternative to the water confinement was presented, a flexible polymer confinement was used and demonstrated the production of pressures equivalent to the water configuration treatment. However, laser parameters have been restricted to a wavelength in the visible range at 532 nm. In this paper, the study is extended to 1064 nm which is commonly used in LSP applications and with two different pulse durations. A 1064 nm near infra-red laser is used to do pressure characterization of shots with polymer confinement through Velocity Interferometer System for Any Reflector (VISAR) measurements coupled with Finite Element Modelling on Abaqus software. The results show that the pressures produced by the confinement is slightly lower with the 1064 nm wavelength, similar to what is observed with the classic water confined regime when switching from 532 nm to a near infra-red wavelength. Nevertheless, the high level of pressure produced by laser shock under the polymer confinement configuration allows for the treatment of common types of metal alloys used in the aerospace industry. Although the use of such a confinement has yet to be applicable to peening setups, it has already uses in some single shot configurations such as LasAT where it allows the avoidance of the water flow optimization

Laser shock peening: toward the tse of pliable polid polymers for confinement

This paper presents the first extensive study of the performances of solid polymers used as confinement materials for laser shock applications such as laser shock peening (LSP) as opposed to the exclusively used water-confined regime up to now. The use of this new confinement approach allows the treatment of metal pieces needing fatigue behavior enhancement but located in areas which are sensitive to water. Accurate pressure determination in the polymer confinement regime was performed by coupling finite element simulation and experimental measurements of rear free-surface velocity using the velocity interferometer system for any reflector (VISAR). Pressure could reach 7.6 and 4.6 GPa for acrylate-based polymer and cross-linked polydimethylsiloxane (PDMS), respectively. At 7 and 4.7 GW/cm2, respectively, detrimental laser breakdown limited pressure for acrylate and PDMS. These results show that the pressures produced were also as high as in water confinement, attaining values allowing the treatment of all types of metals with LSP and laying the groundwork for future determination of the fatigue behavior exhibited by this type of treated materials

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

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).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)

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

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)

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

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).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)

New methodology of dynamical material response of dissimilar FSWed Al alloy joint under high strain rate laser shock loading

This paper presents an innovative methodology of material characterization under high strain rate (order of 10$^7$s$^{–1}$) laser shock loading coupled with microstructural and mechanical material features. To that scope, experimental and simulation analyses have been conducted for Al alloys (AA7075-T6 and AA2017-T4) and dissimilar Friction Stir Welded (FSWed) AA7075-AA2017 joint, under shock pressure of 4.5 GPa (laser power density of 3.5 GW/cm$^2$). In order to perform proper in-depth material model simulation of these alloys and dissimilar pairs, Johnson–Cook (J-C) material model has been coupled with Grüneisen equation of state using the non-linear explicit code LS-DYNA. For the first time, we provided a way to differentiate between material behaviour in the cross-section and the in-plane rolling and welding direction. What is more, we have provided the link between microstructural features and mechanical properties such as microhardness, residual stresses and the identified material parameters. By achieving this goal, the bigger difference between studied planes was confirmed for strain hardening modulus, strain hardening exponent and strain rate sensitivity parameters. Obtained results and proposed methodology indicate high potential to predict material properties and behaviour of dynamically stressed parts and at the same time can be used for optimization of LSP process

Transition of elastomers from a rubber to glassy state under laser shock conditions

International audienceThe mechanical behaviour of polycarbonate and polydimethylsiloxane (Sylgard184) is studied in this work under laser shock conditions that induce high pressure and strain rates