FR2716462A1 - Method for coating a substrate, and coating device for carrying out said method. - Google Patents
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- C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
Abstract
Ledit dispositif (10) présente un dispositif de mise en mouvement pour engendrer, entre une cible (36) et un rayonnement laser incident (70), un mouvement relatif par lequel des surfaces d'interaction de différentes impulsions laser se superposent de façon telle que les gradients de densité de puissance des différentes impulsions laser coopèrent, dans la zone de superposition desdites surfaces d'interaction, de telle sorte que cette zone de superposition soit, en moyenne, érodée pour l'essentiel uniformément. Il se forme ainsi, sur un substrat (58), un revêtement à faible nombre de gouttelettes.Said device (10) has a movement device for generating, between a target (36) and an incident laser radiation (70), a relative movement by which interaction surfaces of different laser pulses are superimposed so that the power density gradients of the various laser pulses cooperate in the superposition zone of said interaction surfaces, so that this superposition zone is, on average, essentially eroded uniformly. A coating with a low number of droplets is thus formed on a substrate (58).
Description
PROCEDE POUR REVETIR UN SUBSTRAT, ET DISPOSITIF DEMETHOD FOR COATING A SUBSTRATE, AND DEVICE FOR
REVETEMENT POUR LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE COATING FOR IMPLEMENTING SAID PROCESS
La présente invention se rapporte à un procédé pour re- vêtir un substrat à l'aide d'un rayonnement laser pulsé, venant en incidence sur une cible. The present invention relates to a method for coating a substrate with the aid of pulsed laser radiation, incident on a target.
L'invention concerne, par ailleurs, un dispositif de revêtement pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. The invention also relates to a coating device for implementing such a method.
Des procédés de revêtement d'un substrat, à l'aide d'un rayonnement laser pulsé incidant sur une cible, sont connus sous la dénomination "laser pulse vapour deposition" (LPVD) ou "pulse laser deposition" (PLD). Methods of coating a substrate, using pulsed laser radiation incident on a target, are known under the name "laser pulse vapor deposition" (LPVD) or "pulse laser deposition" (PLD).
Dans de tels procédés LPVD, la surface de la cible est exposée, pendant la durée d'action d'une impulsion laser foca- lisée sur ladite surface, à des densités de puissance variant dans l'espace étant donné que la densité de puissance varie sur la section transversale du rayonnement laser, et que la surface de la cible peut également présenter des inclinaisons différemment accentuées vis-à-vis du rayonnement laser. Si la densité de puissance incidant sur la cible excède, en un endroit, une certaine valeur qu'il convient de désigner par "seuil d'inter- action", il en résulte que, à cet endroit, la surface de la cible est durablement modifiée et qu'il se détache, de ladite sur- face, du matériau circulant en direction du substrat. In such LPVD methods, the target surface is exposed, during the duration of action of a laser pulse focused on said surface, to power densities varying in space since the power density varies on the cross section of the laser radiation, and that the target surface can also have differently accentuated inclinations with respect to the laser radiation. If the power density affecting the target exceeds, in one place, a certain value which should be designated by "interaction threshold", it follows that, at this place, the surface of the target is durably modified and that it is detached, from said surface, from the material circulating in the direction of the substrate.
Le matériau enlevé de la cible se condense sur un substrat qui est situé à l'opposé de la surface de la cible, et sur lequel ledit matériau forme une couche. The material removed from the target condenses on a substrate which is located opposite the surface of the target, and on which said material forms a layer.
Les revêtements produits par les procédés LPVD connus jusqu'à présent sont, toutefois, trop dénués d'homogénéité pour de nombreuses applications pratiques. En outre, les revê- tements n'adhèrent au substrat que de façon insatisfaisante. The coatings produced by the LPVD processes known hitherto are, however, too homogeneous for many practical applications. In addition, the coatings adhere to the substrate only in an unsatisfactory manner.
L'invention a par conséquent pour objet un procédé de revêtement du type considéré, perfectionné de telle sorte que se dépose, sur le substrat, une couche homogène constituée du matériau de revêtement et douée d'une bonne adhérence. The subject of the invention is therefore a coating process of the type in question, improved so that a homogeneous layer consisting of the coating material and provided with good adhesion is deposited on the substrate.
Conformément à l'invention, dans un procédé de revête- ment du type décrit en introduction, dans lequel le rayonnement laser pulsé présente un profil non homogène de densité de puis- sance, avec des gradients de densité de puissance, et dans le- quel chaque impulsion laser modifie durablement la surface de la cible dans les limites d'une surface d'interaction, cet objet est atteint par le fait qu'il s'opère, entre la cible et le rayonnement laser incident, un mouvement relatif tel que des surfaces d'interaction de différentes impulsions laser, mu- tuellement en superposition, se superposent de telle sorte que les gradients de densité de puissance des différentes impul- sions laser coopèrent, dans la zone de superposition des surfa- ces d'interaction, de façon telle que la zone de superposition des surfaces d'interaction soit, enmoyenne, enlevée pour l'es- sentiel uniformément, si bien qu'il se forme, sur le substrat, un revêtement accusant un faible nombre de gouttelettes. According to the invention, in a coating method of the type described in the introduction, in which the pulsed laser radiation has a nonhomogeneous power density profile, with power density gradients, and in which each laser pulse durably modifies the target surface within the limits of an interaction surface, this object is achieved by the fact that there is a relative movement between the target and the incident laser radiation such as Interaction surfaces of different laser pulses, mutually superimposed, are superimposed so that the power density gradients of the different laser pulses cooperate in the superposition area of the interaction surfaces so such that the overlapping area of the interaction surfaces is, on average, removed for the most part uniformly, so that a coating with a low drop number forms on the substrate lettes.
Il s'avère encore plus propice que le revêtement, formé sur le substrat, présente un pourcentage de gouttelettes inférieur à 20 %, notamment inférieur à 10 %. En effet, une part du matériau enlevé de la cible se redépose, sur le substrat, sous la forme de particules fondues approximativement sphéri- ques. De telles particules fondues, possédant un diamètre de plus de 1 lpm, sont qualifiées de "gouttelettes". Par l'expres- sion "pourcentage de gouttelettes", il faut entendre le pourcentage des gouttelettes dans le nombre total des particules fondues présentant un diamètre d'au moins 0,2 pm. Un revêtement "à faible nombre de gouttelettes" est un revêtement qui est dé- pourvu de gouttelettes, ou dont le pourcentage des gouttelettes est inférieur à 50 %. Une baisse du pourcentage de gouttelettes s'accompagne également d'une diminution de la densité superfi- cielle des gouttelettes sur le substrat. It is even more favorable that the coating formed on the substrate has a percentage of droplets of less than 20%, in particular less than 10%. In fact, part of the material removed from the target is redeposited on the substrate in the form of approximately spherical molten particles. Such molten particles, having a diameter of more than 1 lpm, are called "droplets". By the expression "percentage of droplets" is meant the percentage of droplets in the total number of molten particles having a diameter of at least 0.2 µm. A "low number of droplets" coating is a coating that is free of droplets, or whose percentage of droplets is less than 50%. A drop in the percentage of droplets is also accompanied by a decrease in the surface density of the droplets on the substrate.
L'idée inventive se fonde sur la connaissance des rap- ports de cause à effet existant, d'une part, entre la qualité du revêtement et le pourcentage de gouttelettes et, d'autre part, entre la formation de gouttelettes et le profil non homogène de densité de puissance du rayonnement laser. The inventive idea is based on the knowledge of the causal relationships existing, on the one hand, between the quality of the coating and the percentage of droplets and, on the other hand, between the formation of droplets and the non- homogeneous power density of laser radiation.
L'analyse de clichés de la surface de substrats revêtus, réalisés au microscope électronique à balayage, concernant la répartition dimensionnelle des particules fondues apparaissant dans le revêtement, a permis d'attester une corrélation exis- tant entre, d'une part, la qualité du revêtement et, d'autre part, la densité superficielle des gouttelettes et le pourcen- tage de gouttelettes. L'homogénéité et l'adherence du revête- ment s'améliorent lorsque le pourcentage de gouttelettes diminue. The analysis of photographs of the surface of coated substrates, carried out with a scanning electron microscope, concerning the dimensional distribution of the molten particles appearing in the coating, made it possible to attest a correlation existing, on the one hand, the quality of the coating and, on the other hand, the surface density of the droplets and the percentage of droplets. The homogeneity and adhesion of the coating improve when the percentage of droplets decreases.
Grâce à l'analyse de clichés de la surface d'une cible partiellement érodée, réalisés au microscope électronique à balayage, une corrélation a été constatée entre le pourcentage des gouttelettes sur les particules fondues enlevées de la cible, et l'apparition de défauts de planéité de la surface désignés, ci-après, par "structures d'ouverture par fusion". By analyzing snapshots of the surface of a partially eroded target, taken using a scanning electron microscope, a correlation was found between the percentage of droplets on the molten particles removed from the target, and the appearance of flatness of the surface hereinafter designated by "opening structures by fusion".
Les gouttelettes apparaissent majoritairement dans la plage de la cible qui présente de telles structures d'ouverture par fusion. The droplets appear mainly in the range of the target which has such opening structures by fusion.
Pour comprendre l'apparition des structures d'ouverture par fusion, il est essentiel de prendre en considération la non- homogénéité permanente du profil de densité de puissance du rayonnement laser, et les gradients de densité de puissance qui en résultent. To understand the appearance of opening structures by fusion, it is essential to take into consideration the permanent non-homogeneity of the power density profile of the laser radiation, and the power density gradients which result therefrom.
Des régions de la section transversale du rayonnement laser, dans lesquelles la densité de puissance se situe en deçà du seuil d'interaction, ne provoquent aucune modification du- rable de la surface de la cible. Regions of the cross-section of the laser radiation, in which the power density is below the interaction threshold, do not cause any lasting change in the surface of the target.
Des régions de la section transversale du rayonnement laser, dans lesquelles la densité de puissance se situe entre le seuil d'interaction et ce qu'on appelle un "seuil de sublima- tion", provoquent une entrée en fusion de la surface de la cible lors d'une incidence sur cette dernière. Les structures préci- tées d'ouverture par fusion se forment au stade de la resoli- dification, après l'action exercée par une impulsion laser. Regions of the cross-section of the laser radiation, in which the power density is between the interaction threshold and what is called a "sublimation threshold", cause the target surface to melt. upon impact on the latter. The above-mentioned structures for opening by fusion form at the resolution stage, after the action exerted by a laser pulse.
Des régions de la section transversale du rayonnement laser, dans lesquelles la densité de puissance se situe entre le seuil de sublimation et ce qu'on appelle un "seuil de satura- tion", provoquent une érosion de la cible qui est exempte de gouttelettes et résulte d'une sublimation lors d'une incidence sur la surface de ladite cible. Dans ces régions, cependant, l'allure d'enlèvement croit avec la densité de puissance, de sorte qu'il subsiste, après l'action exercée par une impulsion laser, une surface inclinée de la cible dont les gradients de profondeur d'enlèvement sont fonction des gradients de densité de puissance du rayonnement laser incident. Regions of the cross section of the laser radiation, in which the power density is between the sublimation threshold and what is called a "saturation threshold", cause an erosion of the target which is free of droplets and results from sublimation upon an impact on the surface of said target. In these regions, however, the rate of removal increases with the power density, so that there remains, after the action exerted by a laser pulse, an inclined surface of the target whose gradients of depth of removal are a function of the power density gradients of the incident laser radiation.
Des régions de la section transversale du rayonnement laser, dans lesquelles la densité de puissance excède le seuil de saturation, provoquent un enlèvement uniforme, exempt de gouttelettes, qui résulte d'une sublimation lors d'une inci- dence sur la surface de la cible. L'allure de l'enlèvement cesse de croître pour des densités de puissance au-delà du seuil de saturation, si bien que, dans ces régions, les gradients de den- sité de puissance ne se traduisent pas par des gradients de pro- fondeur d'enlèvement sur la cible. Regions of the cross-section of the laser radiation, in which the power density exceeds the saturation threshold, cause a uniform removal, free of droplets, which results from sublimation during an incident on the surface of the target . The rate of removal ceases to increase for power densities beyond the saturation threshold, so that in these regions the power density gradients do not translate into depth gradients of removal on the target.
Or, si des surfaces d'interaction de différentes impul- sions laser se superposent de façon telle que les gradients de densité de puissance des différentes impulsions laser coopè- rent, dans la zone de superposition des surfaces d'interaction, d'une manière propre à amplifier des non-homogénéités de la profondeur d'enlèvement dans l'espace, il en résulte la forma- tion, sur la surface de la cible, de flancs escarpés sur les- quels le rayonnement laser vient incider de plus en plus à plat, avec agrandissement corrélatif de la plage de la cible qui pré- sente des structures d'ouverture par fusion. L'on obtient en conséquence, sur le substrat, des revêtements qui présentent un pourcentage de gouttelettes augmentant au fur et à mesure de l'accroissement de la durée du revêtement, et qui accusent ainsi une baisse qualitative. Now, if the interaction surfaces of different laser pulses are superimposed in such a way that the power density gradients of the different laser pulses cooperate, in the superposition zone of the interaction surfaces, in their own way to amplify non-homogeneities of the depth of removal in space, this results in the formation, on the surface of the target, of steep sides on which the laser radiation comes to incide more and more flat , with corresponding enlargement of the target range which presents opening structures by fusion. As a result, coatings are obtained on the substrate which have a percentage of droplets increasing as the duration of the coating increases, and which therefore show a qualitative drop.
En revanche, la solution conforme à l'invention empêche l'érosion non uniforme de la cible et permet, de ce fait, la production de revêtements présentant l'homogénéité et la fa- culte d'adhérence desirablement bonnes. On the other hand, the solution in accordance with the invention prevents non-uniform erosion of the target and therefore allows the production of coatings having desirably good uniformity and adhesion.
Il est particulièrement propice que le mouvement rela- tif, entre la cible et le rayonnement laser incident, s'opère de façon telle que des surfaces d'interaction de deux impulsions laser considérées, en superposition mutuelle, se superposent de telle sorte que les répercussions des gradients de densité de puissance des deux impulsions laser se compensent, pour l'es- sentiel, dans la zone de superposition. L'on empêche ainsi que, suite à la coopération entre plusieurs impulsions laser, des parties de la surface de la cible s'inclinent plus fortement, par rapport à la surface de la cible à l'état intact, que tel est le cas après l'action exercée par une impulsion laser indi- viduelles, ce qui impliquerait une diminution de la densité de puissance reçue par la surface de la cible, du fait d'une inci- dence rasante. It is particularly favorable that the relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that the interaction surfaces of two laser pulses considered, in mutual superposition, are superimposed so that the repercussions power density gradients of the two laser pulses offset each other, essentially, in the overlapping region. It is thus prevented that, as a result of the cooperation between several laser pulses, parts of the surface of the target tilt more sharply, relative to the surface of the target in the intact state, than is the case after the action exerted by an individual laser pulse, which would imply a reduction in the power density received by the surface of the target, due to a grazing incidence.
Il est avantageux que le mouvement relatif, entre la ci- ble et le rayonnement laser incident, s'opère de façon telle que, pour chaque impulsion laser, la plage de la cible, dans la- quelle la densité de puissance du rayonnement laser incident se situe entre le seuil d'interaction et le seuil de sublimation, se superpose le moins possible avec la plage de la cible dans la- quelle des structures d'ouverture par fusion ont été provoquées par des impulsions antérieures. Cette mesure a pour effet d'em- pêcher que la cible soit érodée sous la forme de gouttelettes dans les plages présentant des structures d'ouverture par fusion. It is advantageous that the relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that, for each laser pulse, the range of the target, within which the power density of the incident laser radiation lies between the interaction threshold and the sublimation threshold, overlaps as little as possible with the range of the target in which the opening structures by fusion were caused by previous pulses. The effect of this measure is to prevent the target from being eroded in the form of droplets in the areas having opening structures by fusion.
Il est particulièrement avantageux que le mouvement re- latif, entre la cible et le rayonnement laser incident, s'opère de façon telle que, pour chaque impulsion laser, la plage de la cible, dans laquelle la densité de puissance du rayonnement la- ser incident se situe entre le seuil de sublimation et le seuil de saturation, se superpose le moins possible avec la plage de la cible dans laquelle des structures d'ouverture par fusion ont été provoquées par des impulsions antérieures. Cela permet de diminuer, davantage encore, la part du matériau enlevé sous forme de gouttelettes. It is particularly advantageous that the relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that, for each laser pulse, the range of the target, in which the power density of the laser radiation incident is between the sublimation threshold and the saturation threshold, overlaps as little as possible with the range of the target in which opening structures by fusion were caused by previous pulses. This makes it possible to further reduce the proportion of the material removed in the form of droplets.
Il est favorable que le mouvement relatif, entre la ci- ble et le rayonnement laser incident, s'opère de façon telle que, pour chaque impulsion laser, la plage de la cible, dans la- quelle la densité de puissance du rayonnement laser incident se situe entre le seuil d'interaction et le seuil de sublimation, se superpose le moins possible avec la plage de la cible dans la- quelle la surface de ladite cible s'est inclinée, par rapport à la surface de la cible à l'état intact, suite à l'action exercée par des impulsions laser antérieures. L'on peut, de la sorte, diminuer la part superficielle de la région dans laquelle la cible entre en fusion au lieu de connaître une sublimation. It is favorable that the relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that, for each laser pulse, the range of the target, within which the power density of the incident laser radiation lies between the interaction threshold and the sublimation threshold, overlaps as little as possible with the range of the target in which the surface of said target has inclined, relative to the surface of the target at intact state, following the action exerted by previous laser pulses. In this way, it is possible to decrease the surface portion of the region in which the target enters fusion instead of experiencing sublimation.
Un mouvement relatif, entre la cible et le rayonnement laser incident, est particulièrement simple à commander et se prête semblablement à n'importe quel profil de densité de puis- sance lorsque, en présence de ce mouvement, toute position re- lative possible, entre deux surfaces d'interaction respectives de différentes impulsions laser, se superposant mutuellement, intervient en moyenne, pour l'essentiel, avec une même fréquence d'occurrence. Relative movement between the target and the incident laser radiation is particularly simple to control and is similarly suitable for any power density profile when, in the presence of this movement, any possible relative position between two respective interaction surfaces of different laser pulses, overlapping each other, occurs on average, essentially, with the same frequency of occurrence.
Le risque d'une inopportune coopération, entre les gra- dients de densité de puissance de différentes impulsions laser, est minimisé davantage encore lorsque le mouvement relatif, entre la cible et le rayonnement laser incident, s'opère de fa- çon telle que, lors de chaque processus de revêtement, pour l'essentiel toute la surface de la cible soit recouverte par les surfaces d'interaction des impulsions laser. The risk of untimely cooperation between the power density gradients of different laser pulses is further minimized when the relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that, during each coating process, essentially the entire surface of the target is covered by the surfaces of interaction of the laser pulses.
Le mouvement relatif, entre la cible et le rayonnement laser incident, s'opère avantageusement de façon telle que, lors de chaque processus de revêtement, pour l'essentiel toute la surface de la cible soit érodée uniformément. Ce mode opéra- toire permet d'exploiter en totalité la masse de la cible, si bien qu'un remplacement de cible est moins fréquemment néces- saire. The relative movement between the target and the incident laser radiation takes place in such a way that, during each coating process, essentially the entire surface of the target is eroded uniformly. This operating mode makes it possible to fully exploit the mass of the target, so that replacement of the target is less frequently necessary.
Fondamentalement, le mouvement relatif entre la cible et le rayonnement laser incident peut être engendré en impri- mant un mouvement uniquement au rayonnement laser, uniquement à la cible, ou conjointement à la cible et au rayonnement laser. Basically, the relative movement between the target and the incident laser radiation can be generated by causing movement only to the laser radiation, only to the target, or together with the target and the laser radiation.
Un mouvement imprimé uniquement au rayonnement laser offre l'avantage de permettre d'obtenir de grandes vitesses relatives et accélérations relatives. Le rayonnement laser est alors dévié, par exemple, à l'aide d'un ou plusieurs miroir(s) pivotant(s). Le cas échéant, l'optique de reproduction doit être réorientée pour focaliser le laser sur la surface de la ci- ble, également lorsque le trajet de rayonnement est modifié. A movement printed only with laser radiation offers the advantage of making it possible to obtain high relative speeds and relative accelerations. The laser radiation is then deflected, for example, using one or more pivoting mirror (s). If necessary, the reproduction optics must be reoriented to focus the laser on the surface of the target, also when the radiation path is modified.
Le mouvement imprimé uniquement à la cible peut être obtenu moyennant une faible complexité, et permet de focaliser optimalement le rayonnement laser sur un point fixe. The movement imprinted only on the target can be obtained with low complexity, and makes it possible to optimally focus the laser radiation on a fixed point.
Il est particulièrement propice que le mouvement rela- tif, entre la cible et le rayonnement laser incident, présente plus d'un degré de liberté. Cela permet de tirer intégralement parti de cibles qui présentent, dans chaque direction, une plus grande étendue qu'une surface individuelle d'interaction. It is particularly advantageous if the relative movement between the target and the incident laser radiation has more than one degree of freedom. This makes it possible to take full advantage of targets which have, in each direction, a greater extent than an individual interaction surface.
Notamment lorsqu'on utilise des cibles dont la surface est en forme de disque circulaire, il est particulièrement avantageux d'engendrer le mouvement relatif, entre la cible et le rayonnement laser incident, par une superposition d'un mouvement rotatoire et d'un mouvement alternatif linéaire. Les mouvements rotatoire et alternatif linéaire peuvent être respectivement obtenus au prix d'une faible complexité, et permettent d'exploiter intégralement une cible à surface configurée en un disque circulaire. Particularly when using targets whose surface is in the shape of a circular disc, it is particularly advantageous to generate the relative movement, between the target and the incident laser radiation, by an overlapping of a rotary movement and a movement linear alternative. The rotary and reciprocating linear movements can be obtained respectively at the cost of a low complexity, and make it possible to fully exploit a target with a surface configured in a circular disc.
Lorsque le mouvement relatif, entre la cible et le rayonnement laser incident, est engendré par une superposition d'un mouvement rotatoire et d'un mouvement alternatif lineai- re, il est recommandé d'interrompre par intermittence le mouve- ment rotatoire avec poursuite du mouvement alternatif linéai- re, ou bien d'interrompre par intermittence le mouvement alter- natif linéaire avec poursuite du mouvement rotatoire, de façon qu'il en résulte, entre la cible et le rayonnement laser inci- dent, un mouvement relatif en présence duquel les surfaces d'interaction des impulsions laser sont uniformément répar- ties, de manière statistiquement localisée, sur un fragment co- hérent de la surface de la cible qui possède, dans chaque direc- tion, une plus grande étendue qu'une surface individuelle d'in- teraction. Cela a pour effet d'éviter la formation de flancs escarpés à structures d'ouverture par fusion. When the relative movement between the target and the incident laser radiation is generated by a superposition of a rotary movement and a linear reciprocating movement, it is recommended to intermittently interrupt the rotary movement with continuation of the linear reciprocating movement, or else intermittently interrupting the reciprocating linear movement with continuation of the rotary movement, so that there results, between the target and the incident laser radiation, a relative movement in the presence of which the interaction surfaces of the laser pulses are uniformly distributed, in a statistically localized manner, over a coherent fragment of the surface of the target which has, in each direction, a greater extent than an individual surface d 'interaction. This has the effect of avoiding the formation of steep sides with opening structures by fusion.
Il est par ailleurs avantageux de diaphragmer, à l'aide d'un diaphragme de champ, les régions de la section transversa- le du rayonnement laser qui présentent une densité de puissance située en deçà du seuil de saturation. Grâce à cette mesure, les gradients de densité de puissance augmentent dans le rayonne- ment laser incident avec, pour résultat, une augmentation des gradients de l'allure d'enlèvement sur la surface de la cible. It is also advantageous to diaphragm, using a field diaphragm, the regions of the cross section of the laser radiation which have a power density situated below the saturation threshold. With this measurement, the power density gradients increase in the incident laser radiation, resulting in an increase in the gradients of the removal pattern on the surface of the target.
Cela implique une réduction du fragment de la surface de la cible sur lequel il s'opère un enlèvement non uniforme et sur lequel, par conséquent, peuvent apparaître des flancs inclinés à structures d'ouverture par fusion. This implies a reduction of the fragment of the target surface on which there is a non-uniform removal and on which, therefore, can appear inclined flanks with opening structures by fusion.
Pour diminuer davantage encore la plage de la surface de la cible sur laquelle des structures d'ouverture par fusion peuvent apparaître, il est avantageux de coordonner mutuelle- ment la forme et la taille des diaphragmes situés sur le trajet de rayonnement du laser, ainsi que le profil de densité de puis- sance dudit laser, de telle sorte que des maxima secondaires de la densité de puissance, survenant par diffraction sur la sur- face de la cible, n'excèdent pas le seuil d'interaction. To further decrease the range of the target surface on which fusion aperture structures may appear, it is advantageous to mutually coordinate the shape and size of the diaphragms located on the laser beam path, as well as the power density profile of said laser, so that secondary maxima of the power density, occurring by diffraction on the surface of the target, do not exceed the interaction threshold.
En complément de l'invention décrite jusque-là, l'objet de l'invention est également atteint, au moyen d'un dispositif de revêtement comprenant un substrat; une cible en un matériau de revêtement; et un laser pour engendrer un rayonnement laser pulsé qui vient incider sur la cible, présente un profil non ho- mogène de densité de puissance, avec des gradients de densité de puissance, et dont les impulsions individuelles modifient du- rablement la surface de la cible, dans les limites d'une surface d'interaction respective, par le fait que ledit dispositif de revêtement comporte un dispositif de mise en mouvement pour engendrer, entre la cible et le rayonnement laser incident, un mouvement relatif ayant pour effet que les surfaces d'inter- action de différentes impulsions laser, en superposition mu- tuelle, se superposent de façon telle que les gradients de den- sité de puissance des différentes impulsions laser coopèrent, dans la zone de superposition, de telle sorte que la zone de su- perposition des surfaces d'interaction soit, en moyenne, enle- vee pour l'essentiel uniformément, si bien qu'il se forme, sur le substrat, un revêtement accusant un faible nombre de gouttelettes, de préférence un revêtement dont le pourcentage de gouttelettes est inférieur à 20 %, notamment inférieur à 10 %. In addition to the invention described hitherto, the object of the invention is also achieved, by means of a coating device comprising a substrate; a target made of a coating material; and a laser for generating pulsed laser radiation which impinges on the target, has a nonhomogeneous power density profile, with power density gradients, and the individual pulses of which modify the surface of the target considerably. , within the limits of a respective interaction surface, by the fact that said coating device includes a movement device for generating, between the target and the incident laser radiation, a relative movement having the effect that the surfaces d The interaction of different laser pulses, in mutual superposition, are superimposed in such a way that the power density gradients of the different laser pulses cooperate, in the superimposing zone, so that the superimposing zone perposition of the interaction surfaces is, on average, mostly removed uniformly, so that a coating is formed on the substrate showing a low number of go droplets, preferably a coating whose percentage of droplets is less than 20%, in particular less than 10%.
De préférence, le dispositif de revêtement conforme à l'invention peut présenter, sur le trajet de diffusion du rayonnement laser, uniquement des diaphragmes dont la forme et la taille ne permettent pas l'apparition par diffraction, sur la surface de la cible, de maxima secondaires dans lesquels la densité de puissance atteint le seuil d'interaction. Preferably, the coating device according to the invention may have, on the laser radiation diffusion path, only diaphragms whose shape and size do not allow the appearance by diffraction, on the surface of the target, of secondary maxima in which the power density reaches the interaction threshold.
L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins an- nexés sur lesquels: la figure 1 est une illustration schématique d'un dispo- sitif de revêtement conforme à l'invention; la figure 2 est une représentation, à échelle agrandie, de la zone repérée par Z sur la figure 1; les figures 3a à 3c sont, respectivement, une illustra- tion schématique du profil de densité de puissance d'un laser (figure 3a), une coupe transversale schématique d'une cible, après l'action exercée par une impulsion laser individuelle (figure 3b), et une coupe transversale schématique d'une cible, après l'action exercée par plusieurs impulsions laser dans la même zone de la cible (figure 3c) ; et la figure 4 est une vue en plan de la surface de la cible, avec représentation schématique de la répartition des surfaces d'interaction. The invention will now be described in more detail, by way of non-limiting example, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a schematic illustration of a coating device in accordance with the invention ; Figure 2 is a representation, on an enlarged scale, of the area identified by Z in Figure 1; FIGS. 3a to 3c are, respectively, a schematic illustration of the power density profile of a laser (FIG. 3a), a schematic cross section of a target, after the action exerted by an individual laser pulse (FIG. 3b), and a schematic cross section of a target, after the action exerted by several laser pulses in the same area of the target (FIG. 3c); and FIG. 4 is a plan view of the surface of the target, with a schematic representation of the distribution of the interaction surfaces.
L'exemple de réalisation, illustré sur la figure 1, d'un dispositif de revêtement conforme à l'invention, désigné dans son ensemble par 10, comporte un laser pulsé 12 disposé sur un banc d'optique 14 qui est orienté parallèlement à un axe optique 16 du laser 12. The exemplary embodiment, illustrated in FIG. 1, of a coating device according to the invention, designated as a whole by 10, comprises a pulsed laser 12 disposed on an optical bench 14 which is oriented parallel to a optical axis 16 of the laser 12.
Le laser pulse 12 peut être, par exemple, un laser Nd:YAG à modulation de qualité, présentant une longueur d'ondes de 1,064 n, une énergie pulsatoire maximale de 250 mJ, une durée d'impulsions de 8 ns, une fréquence de répétition maximale de 14 Hz et un profil annulaire de densité de puissance; ou bien un laser Nd:YAG à modulation de qualité, présentant une longueur d'ondes de 532 nm, une énergie pulsatoire maximale de 200 mJ, une durée d'impulsions de 6 ns, une fréquence de répétition maximale de 10 Hz et un profil gaussien de densité de puis- sance. The pulse laser 12 can be, for example, an Nd: YAG laser with quality modulation, having a wavelength of 1.064 n, a maximum pulse energy of 250 mJ, a pulse duration of 8 ns, a frequency of 14 Hz maximum repetition and an annular power density profile; or a quality modulation Nd: YAG laser, with a wavelength of 532 nm, a maximum pulse energy of 200 mJ, a pulse duration of 6 ns, a maximum repetition frequency of 10 Hz and a profile power density Gaussian.
Une lentille collectrice 18 est par ailleurs retenue sur le banc d'optique 14, à l'aide d'un porte-lentille 20, de façon telle que l'axe de symétrie de la lentille 18 coïncide avec l'axe optique 16. Un diaphragme de champ 22 peut en outre être retenu sur le banc d'optique 14 au moyen d'un porte-diaphragme 24, entre le laser 12 et la lentille 18, de telle sorte que l'axe de symétrie de l'ouverture dudit diaphragme 22 coïncide avec l'axe optique 16. A collecting lens 18 is also retained on the optical bench 14, using a lens holder 20, so that the axis of symmetry of the lens 18 coincides with the optical axis 16. A field diaphragm 22 can also be retained on the optical bench 14 by means of a diaphragm holder 24, between the laser 12 and the lens 18, so that the axis of symmetry of the opening of said diaphragm 22 coincides with the optical axis 16.
Du côté de la lentille collectrice 18 qui est tourné à l'opposé du laser 12, l'axe optique 16 traverse une fenêtre d'entrée 28 enchâssée dans la paroi d'une chambre à dépression 26. On the side of the collecting lens 18 which is turned away from the laser 12, the optical axis 16 passes through an inlet window 28 embedded in the wall of a vacuum chamber 26.
A l'intérieur de la chambre à dépression 26, l'axe opti- que 16 traverse un diaphragme 30 de protection contre la métal- lisation qui, par l'intermédiaire d'un porte-diaphragme 32, est fixé à la face interne de la paroi de la chambre 26 de façon telle que l'axe de symétrie de l'ouverture dudit diaphragme 30 coïncide avec l'axe optique 16. Le diaphragme 30 sert à protéger la fenêtre d'entrée 28 d'une métallisation par dispersion. Inside the vacuum chamber 26, the optical axis 16 passes through a diaphragm 30 for protection against metalization which, by means of a diaphragm holder 32, is fixed to the internal face of the wall of the chamber 26 so that the axis of symmetry of the opening of said diaphragm 30 coincides with the optical axis 16. The diaphragm 30 serves to protect the entrance window 28 from metallization by dispersion.
Du côté du diaphragme protecteur 30 qui est tourné à l'opposé de la fenêtre d'entrée 28, l'axe optique 16 coupe la surface libre circulaire 34 d'une cible cylindrique 36, selon un angle de 45 par rapport à la direction perpendiculaire à la- dite surface 34. Le point d'intersection entre l'axe optique 16 et la surface 34 de la cible se trouve dans la zone focale de la lentille collectrice 18. La cible 36 consiste en n'importe quel matériau pouvant être érode au laser, par exemple en un métal pur tel que de l'aluminium ou du magnésium, ou bien en un allia- ge, et elle repose dans une monture 38 ouverte d'un côté et revê- tant la forme d'une écuelle. On the side of the protective diaphragm 30 which is turned away from the entry window 28, the optical axis 16 intersects the circular free surface 34 of a cylindrical target 36, at an angle of 45 relative to the perpendicular direction at said surface 34. The point of intersection between the optical axis 16 and the surface 34 of the target is in the focal zone of the collecting lens 18. The target 36 consists of any material that can be eroded laser, for example a pure metal such as aluminum or magnesium, or an alloy, and it rests in a frame 38 open on one side and having the shape of a bowl.
Le fond de la monture 38 de la cible est porté par une ex- trémité d'un premier arbre d'entraînement 40 d'un premier mo- teur électrique 42, les axes de symétrie du premier arbre 40 et de la cible 36 coïncidant mutuellement. The bottom of the mount 38 of the target is carried by an end of a first drive shaft 40 of a first electric motor 42, the axes of symmetry of the first shaft 40 and of the target 36 coinciding mutually .
Le premier moteur électrique 42 est relié rigidement à un écrou 44 à broche, calé sur une broche filetée 46 menée par un second moteur électrique 48. The first electric motor 42 is rigidly connected to a pin nut 44, wedged on a threaded pin 46 driven by a second electric motor 48.
L'axe de la broche filetee 46 est orienté parallèlement à la ligne droite définie par le centre de la surface circulaire 34 de la cible, et par le point d'intersection entre l'axe opti- que 16 et ladite surface 34. The axis of the threaded spindle 46 is oriented parallel to the straight line defined by the center of the circular surface 34 of the target, and by the point of intersection between the optical axis 16 and said surface 34.
L'extrémité de la broche 46 qui est dépourvue de fileta- ge, et est tournée à l'opposé du second moteur électrique 48, est montée dans un coussinet de portée 50 implanté sur une face interne de la paroi d'un boîtier rectangulaire 52 du dispositif de mise en mouvement de la cible, lequel boîtier ceinture les moteurs électriques 42 et 48, ainsi que la broche 46. The end of the spindle 46 which is devoid of threading, and is turned away from the second electric motor 48, is mounted in a bearing pad 50 installed on an internal face of the wall of a rectangular housing 52 of the device for setting in motion the target, which housing encircles the electric motors 42 and 48, as well as the spindle 46.
Chacune des perpendiculaires à la surface du boîtier rectangulaire 52 est orientée parallèlement au premier arbre d'entraînement 40, respectivement à la broche 46. Le premier arbre 40 sort du boîtier 52 à travers une fente s'étendant, dans la paroi dudit boîtier 52, parallèlement à la broche 46. Each of the perpendiculars to the surface of the rectangular housing 52 is oriented parallel to the first drive shaft 40, respectively to the spindle 46. The first shaft 40 exits the housing 52 through a slot extending in the wall of said housing 52, parallel to pin 46.
Le second moteur électrique 48 est retenu sur la face in- terne de la paroi du boîtier 52 qui est située à l'opposé du coussinet de portée 50. Une glissière de guidage 54, s'étendant parallèlement à la broche 56 et contre laquelle porte une région de la paroi extérieure du premier moteur électrique 42, est en outre installée sur l'une des faces internes de la paroi du boî- tier 52. The second electric motor 48 is retained on the internal face of the wall of the housing 52 which is located opposite the bearing pad 50. A guide slide 54, extending parallel to the spindle 56 and against which door a region of the external wall of the first electric motor 42 is also installed on one of the internal faces of the wall of the housing 52.
Le boîtier 52 du dispositif de mise en mouvement de la cible est fixé, par l'intermédiaire de pièces de retenue 56 si- tuées sur la paroi extérieure dudit boîtier 52, à la face inter- ne de la paroi de la chambre à dépression 26. The housing 52 of the target movement device is fixed, by means of retaining pieces 56 located on the external wall of said housing 52, to the internal face of the wall of the vacuum chamber 26 .
Un substrat 58 à surface plane 60 se trouve du côté de la cible 36 qui est tourné à l'opposé du boîtier 52, la surface 60 dudit substrat s'étendant (à peu près) parallèlement à la sur- face 34 de la cible, dont elle est espacée d'une distance d'en- viron 50 mm. Le substrat 58 peut consister en n'importe quel ma- tériau, par exemple en de l'acier ou en du verre de microscopie, et il est retenu par un porte-substrat 62 qui est à son tour mon- té, à l'aide de pièces de retenue 64, sur la face interne de la paroi de la chambre à dépression 26. A substrate 58 with a flat surface 60 is located on the side of the target 36 which is turned away from the housing 52, the surface 60 of said substrate extending (approximately) parallel to the surface 34 of the target, from which it is spaced by a distance of about 50 mm. The substrate 58 can consist of any material, for example steel or microscopic glass, and it is retained by a substrate holder 62 which is in turn mounted, to the using retaining pieces 64, on the internal face of the wall of the vacuum chamber 26.
Un raccord 66 de pompe à vide, auquel une pompe à vide 68 est bridée, est par ailleurs implanté dans la paroi de la cham- bre à dépression 66. A vacuum pump connection 66, to which a vacuum pump 68 is flanged, is also installed in the wall of the vacuum chamber 66.
Préalablement à un processus de revêtement, le vide est créé dans la chambre à dépression 26 au moyen de la pompe à vide 68, jusqu'à ce que soit atteinte une pression résiduelle de pré- férence inférieure à 10-3 mbar. Prior to a coating process, a vacuum is created in the vacuum chamber 26 by means of the vacuum pump 68, until a residual pressure preferably less than 10-3 mbar is reached.
Les deux moteurs électriques 42 et 48 sont ensuite mis en fonction. Le premier moteur 42 fait tourner le premier arbre d'entraînement 40, ce qui imprime une rotation à la cible 36. Le second moteur 48 fait tourner la broche 46, ce qui implique un coulissement de l'écrou 44 à broche et, par conséquent, du pre- mier moteur 42 le long de la broche 46. La glissière de guidage 54 empêche alors un basculement du premier moteur 42 autour de la broche 46. Le mouvement linéaire du premier moteur 42 se tra- duit par un mouvement linéaire correspondant de la cible 36. The two electric motors 42 and 48 are then put into operation. The first motor 42 rotates the first drive shaft 40, which rotates the target 36. The second motor 48 rotates the spindle 46, which involves sliding of the pin nut 44 and therefore , of the first motor 42 along the spindle 46. The guide slide 54 then prevents the first motor 42 from tilting around the spindle 46. The linear movement of the first motor 42 results in a corresponding linear movement of target 36.
Ainsi, le premier moteur électrique 42 agit comme un élément im- primant une rotation à la cible, et le second moteur électrique 48 remplit la fonction d'un élément imposant un coulissement à la cible. Thus, the first electric motor 42 acts as an element printing a rotation on the target, and the second electric motor 48 fulfills the function of an element imposing a sliding on the target.
Un rayonnement laser pulsé 70, engendré par le laser 12, est focalisé par la lentille collectrice 18 sur la surface 34 de la cible. Dans les limites d'une surface d'interaction 72 défi- nie en introduction du présent mémoire, chaque impulsion laser enlève, de la cible, du matériau se présentant comme des par- ticules qui forment un flux particulaire 74 dirigé vers le substrat 58 et qui se redéposent, sous la forme d'une couche, sur la surface 60 dudit substrat. Pulsed laser radiation 70, generated by the laser 12, is focused by the collecting lens 18 on the surface 34 of the target. Within the limits of an interaction surface 72 defined in the introduction to this memo, each laser pulse removes from the target material appearing as particles which form a particulate flux 74 directed towards the substrate 58 and which are redeposited, in the form of a layer, on the surface 60 of said substrate.
Le rayonnement laser 70 présente un profil non homogène de densité de puissance, illustré schématiquement sur la figure 3a. Sur la figure 3a, la part de la densité de puissance I qui excède un seuil d'interaction Il est reportée en fonction de la distance x par rapport à l'axe optique 16 du rayonnement laser 70. The laser radiation 70 has a non-homogeneous profile of power density, illustrated diagrammatically in FIG. 3a. In FIG. 3a, the part of the power density I which exceeds an interaction threshold II is plotted as a function of the distance x with respect to the optical axis 16 of the laser radiation 70.
La plage, dans laquelle la densité de puissance dépasse un seuil de saturation 13, est désignée par A. La plage, dans laquelle la densité de puissance se situe entre le seuil de sa- turation 13 et un seuil de sublimation I2, est repérée par B. La plage, dans laquelle la densité de puissance se situe entre le seuil de sublimation 12 et le seuil d'interaction Il, est indi- quee par C. La plage, dans laquelle la densité de puissance se situe en deçà du seuil d'interaction Il, est désignée par D. La figure 3b montre la modification de la cible, provo- quée par une impulsion laser individuelle. La profondeur d'en- lèvement d est reportée en fonction de la distance x par rapport à l'axe optique 16 du rayonnement laser 70. Les plages A à D de la surface 34 de la cible correspondent aux plages A à D de la section transversale du rayonnement laser selon la figure 3a. The range, in which the power density exceeds a saturation threshold 13, is designated by A. The range, in which the power density lies between the saturation threshold 13 and a sublimation threshold I2, is marked by B. The range in which the power density lies between the sublimation threshold 12 and the interaction threshold Il is indicated by C. The range in which the power density lies below the threshold d The interaction II is designated by D. FIG. 3b shows the modification of the target, caused by an individual laser pulse. The removal depth d is reported as a function of the distance x relative to the optical axis 16 of the laser radiation 70. The areas A to D of the surface 34 of the target correspond to the areas A to D of the section transverse of the laser radiation according to FIG. 3a.
Dans la plage A, la cible 36 est érodée sans formation de gouttelettes, avec une allure d'enlèvement constante dans l'espace. In range A, the target 36 is eroded without the formation of droplets, with a constant rate of removal in space.
Dans la plage B également, la cible 36 est érodée sans formation de gouttelettes, toutefois avec une allure d'enlève- ment variable dans l'espace, si bien que, suite à l'action exer- cée par l'impulsion laser, la surface de la cible 36 s'incline comparativement à la surface 34 de la cible 36 à l'état intact. Also in range B, the target 36 is eroded without the formation of droplets, however with a variable rate of removal in space, so that, following the action exerted by the laser pulse, the surface of target 36 tilts compared to surface 34 of target 36 in an intact state.
Dans la place C, la cible 36 entre en fusion suite à l'ef- fet exercé par l'impulsion laser. L'érosion de la cible 36 est faible dans cette plage. Au stade de la resolidification, après l'action exercée par l'impulsion laser, des défauts de planéité 76 (structures d'ouverture par fusion) se forment, à la sur- face, dans la plage repérée par des pointillés sur la figure 3b. In place C, the target 36 melts as a result of the effect exerted by the laser pulse. Erosion of target 36 is low in this range. At the resolidification stage, after the action exerted by the laser pulse, flatness defects 76 (opening structures by fusion) form, on the surface, in the range indicated by dotted lines in FIG. 3b .
Dans la plage D, le rayonnement laser 70 est réfléchi par la cible 36 sans provoquer une modification durable de la sur- face 34 de cette cible. In range D, the laser radiation 70 is reflected by the target 36 without causing a lasting modification of the surface 34 of this target.
Or, si plusieurs impulsions laser agissent sur la même zone de la cible 36, sans que la position de cette cible 36 soit modifiée par rapport au rayonnement laser 70 incident, les structures 76 d'ouverture par fusion ressortent de plus en plus fortement du fait que le rayonnement laser 70incide de plus en plus à plat sur lesdites structures 76, d'o une baisse de la densité de puissance reçue à cet endroit par la surface de la cible et, par voie de conséquence, une baisse de l'allure d'en- lèvement. However, if several laser pulses act on the same zone of the target 36, without the position of this target 36 being modified with respect to the incident laser radiation 70, the structures 76 for opening by fusion emerge more and more strongly due to the fact that the laser radiation 70incides more and more flat on said structures 76, whence a drop in the power density received at this location by the surface of the target and, consequently, a drop in the pace d 'kidnapping.
Sur la figure 3c, la profondeur d'enlèvement d après plusieurs impulsions laser de ce type est reportée en fonction de la distance x par rapport à l'axe optique 16 du rayonnement laser 70. Les plages A à D correspondent aux plages A à D de la figure 3b. In FIG. 3c, the removal depth d after several laser pulses of this type is reported as a function of the distance x with respect to the optical axis 16 of the laser radiation 70. The ranges A to D correspond to the ranges A to D of Figure 3b.
La superposition de même sens des gradients de densité de puissance des différentes impulsions laser provoque, dans la plage A uniquement, une érosion de la cible 36 qui est uniforme et exempte de gouttelettes, cependant qu'apparaissent, dans les plages B et C, des flancs de plus en plus escarpés d'un cra- tère d'érosion à structures 76 d'ouverture par fusion revêtant la forme de bâtonnets, qui présentent une étendue de quelques pm. Sur ces flancs du cratère d'érosion, la cible 36 est majoritairement érodée sous la forme de gouttelettes. The superimposition in the same direction of the power density gradients of the different laser pulses causes, in range A only, an erosion of the target 36 which is uniform and free of droplets, while in ranges B and C appear, more and more steep sides of an erosion crater with fusion opening structures 76 in the form of rods, which have an extent of a few μm. On these sides of the erosion crater, the target 36 is mainly eroded in the form of droplets.
Le mouvement imprimé à la cible 36 par rapport au rayon- nement laser pulsé 70, à l'aide du premier moteur électrique 42 et du second moteur électrique 48, a pour effet d'empêcher l'ap- parition de tels flancs escarpés se traduisant par une indési- rable formation de gouttelettes. The movement imparted to the target 36 relative to the pulsed laser radiation 70, using the first electric motor 42 and the second electric motor 48, has the effect of preventing the appearance of such steep flanks resulting by undesirable droplet formation.
Lors de chaque interruption du mouvement de la cible 36, le laser 12 est mis hors fonction ou, respectivement, son trajet de rayonnement est barré afin d'empêcher que plusieurs impul- sions laser successives donnent naissance à un cratère d'éro- sion. During each interruption of the movement of the target 36, the laser 12 is deactivated or, respectively, its radiation path is barred in order to prevent that several successive laser pulses give rise to an erosion crater.
Dans ce cas, la densité moyenne de puissance du rayonne- ment laser 70 est choisie de telle sorte que, d'une part, la part du matériau de la cible, qui est enlevé par une impulsion laser sous la forme de gouttelettes, devienne la plus petite possible et que, d'autre part, la quantité totale du matériau de la ci- ble, enlevé par une impulsion laser, devienne la plus grande possible. Lorsque le matériau constituant la cible est du magnésium, la densité moyenne optimale de puissance est de l'or- dre de 1010 W/cm2. In this case, the average power density of the laser radiation 70 is chosen such that, on the one hand, the part of the material of the target, which is removed by a laser pulse in the form of droplets, becomes the as small as possible and that, on the other hand, the total amount of target material, removed by a laser pulse, becomes as large as possible. When the material constituting the target is magnesium, the optimum average power density is of the order of 1010 W / cm2.
Du fait des mouvements rotatoire et linéaire combinés de la cible 36, les surfaces d'interaction 72 des impulsions laser successives, sur la surface 34 de la cible, sont agencées le long d'une trajectoire spiroïdale 78 illustrée par une ligne en trait plein sur la figure 4. Le sens du défilement de la spirale 78 est symbolisé par une flèche. Les positions des surfaces d'interaction 72, sur la spirale 78, sont repérées par des cer- cles blancs. Une coordination appropriée des vitesses angulai- res du premier moteur électrique 42 et du second moteur électri- que 48, l'une par rapport à l'autre et par rapport à la fréquence de répétition du laser 12, permet d'obtenir que les surfaces d'interaction 72 ne se chevauchent tout d'abord pas. Due to the combined rotary and linear movements of the target 36, the interaction surfaces 72 of the successive laser pulses, on the surface 34 of the target, are arranged along a spiral trajectory 78 illustrated by a solid line on Figure 4. The direction of scrolling of the spiral 78 is symbolized by an arrow. The positions of the interaction surfaces 72, on the spiral 78, are identified by white circles. Appropriate coordination of the angular speeds of the first electric motor 42 and the second electric motor 48, with respect to each other and with respect to the repetition frequency of the laser 12, makes it possible to obtain that the surfaces 72 do not overlap first of all.
Enfin, suite au mouvement linéaire de la cible 36, la zone focale du rayonnement laser 70 est parcourue soit par la marge, soit par le centre de la surface 34 de la cible. Si tel est le cas, les deux moteurs électriques 42 et 48 sont mis ma- nuellement hors fonction indépendamment l'un de l'autre, leur polarité est inversée, puis ils sont remis en fonction. Les mou- vements rotatoire et linéaire de la cible 36 changent par consé- quent de direction et les surfaces d'interaction 72, venant à nouveau s'ajouter, sont de nouveau agencées le long d'une spi- rale 80 dont le sens de rotation et l'espacement des spires sont les mêmes que ceux de la spirale 78 parcourue avant l'inversion de polarité, mais qui est toutefois parcourue dans la direction opposée. Du fait que ni la mise en fonction, ni la mise hors fonction du premier moteur électrique 42 ne sont synchronisées avec celles du second moteur électrique 48, les spires des deux spirales 78 et 80 sont, toutefois, fortuitement tordues et décalées les unes des autres. Etant donné que la commutation des deux moteurs électriques 42 et 48 ne s'opère pas non plus en syn- chronisme avec le train d'impulsions du laser 12, la position des surfaces d'interaction 72 se décale additionnellement le long de la trajectoire spiroïdale. Finally, following the linear movement of the target 36, the focal area of the laser radiation 70 is traversed either by the margin or by the center of the surface 34 of the target. If this is the case, the two electric motors 42 and 48 are manually deactivated independently of one another, their polarity is reversed, then they are reactivated. The rotary and linear movements of the target 36 therefore change direction and the interaction surfaces 72, which are again added, are again arranged along a spiral 80 whose direction of rotation and spacing of the turns are the same as those of the spiral 78 traversed before the polarity reversal, but which is however traversed in the opposite direction. Because neither the activation nor the deactivation of the first electric motor 42 are synchronized with those of the second electric motor 48, the turns of the two spirals 78 and 80 are, however, fortuitously bent and offset from each other . Since the switching of the two electric motors 42 and 48 also does not take place in synchronism with the train of pulses of the laser 12, the position of the interaction surfaces 72 shifts additionally along the spiral trajectory .
La trajectoire spiroïdale 80, parcourue après la commu- tation, est représentée par une ligne en pointillé sur la figure 4. Le sens du défilement de la spirale 80 est symbolisé par une flèche. Les positions des surfaces d'interaction 72, sur la trajectoire spiroïdale 80, sont repérées par des cercles hachu- rés. The spiral path 80, traversed after the switch, is represented by a dotted line in FIG. 4. The direction of travel of the spiral 80 is symbolized by an arrow. The positions of the interaction surfaces 72, on the spiral path 80, are identified by hatched circles.
Il se produit ainsi sur la surface 34 de la cible, après chaque commutation des moteurs électriques 42 et 48, une nou- velle répartition de surfaces d'interaction 72 qui est indépen- dante de la répartition de surfaces d'interaction 72 plus an- ciennes. En cas de superposition, en un endroit de la surface 34 de la cible, de plusieurs surfaces d'interaction 72 dont les instants d'apparition sont respectivement séparés les uns des autres par au moins un processus de commutation, il en résulte que les gradients des allures d'enlèvement de ces surfaces d'interaction 72 se compenseront, enmoyenne, de façon récipro- que. Des surfaces d'interaction 72 entre les temps d'apparition desquelles aucun processus de commutation n'intervient ne se chevauchent pas de toute façon. En conséquence, toute la sur- face 34 de la cible est érodée uniformément sans qu'il puisse se former des flancs escarpés, impliquant d'indésirables struc- tures 76 d'ouverture par fusion. There thus occurs on the surface 34 of the target, after each switching of the electric motors 42 and 48, a new distribution of interaction surfaces 72 which is independent of the distribution of interaction surfaces 72 more these. In the event of the superimposition, at one location of the surface 34 of the target, of several interaction surfaces 72 whose times of appearance are respectively separated from each other by at least one switching process, it follows that the gradients stages of removal of these interaction surfaces 72 will compensate each other, on average, reciprocally. Interaction surfaces 72 between the times of appearance of which no switching process takes place do not overlap anyway. Consequently, the entire surface 34 of the target is eroded uniformly without it being able to form steep flanks, implying undesirable structures 76 for opening by fusion.
Si les vitesses angulaires des deux moteurs électriques 42 et 48 sont respectivement constantes dans le temps, les surfaces d'interaction 72 sont plus denses au centre de la sur- face 34 de la cible que sur la marge de cette dernière, c'est-à- dire que la cible 36 est érodée de plus en plus fortement en di- rection du centre de sa surface 34. L'inclinaison de la surface 34 de la cible, ainsi provoquée, est cependant suffisamment faible pour qu'il ne se produise aucune diminution notable de la densité de puissance reçue par ladite surface 34, ni aucune aug- mentation notable de la part du matériau enlevé sous forme de gouttelettes. Néanmoins, si une érosion totalement uniforme de la surface 34 est souhaitée pour pouvoir éroder le plus complè- tement possible la cible 36, la vitesse angulaire du premier mo- teur électrique 42 ou du second moteur électrique 48 doit être commandée de telle sorte qu'elle se comporte réciproquement par rapport à la distance, à un instant considéré, entre le centre de la surface 34 et la zone focale du rayonnement laser 70. If the angular velocities of the two electric motors 42 and 48 are respectively constant over time, the interaction surfaces 72 are denser in the center of the surface 34 of the target than on the margin of the latter, that is to say that is to say that the target 36 is eroded more and more strongly towards the center of its surface 34. The inclination of the surface 34 of the target, thus caused, is however sufficiently small for it not to occur no notable decrease in the power density received by said surface 34, nor any notable increase on the part of the material removed in the form of droplets. However, if a completely uniform erosion of the surface 34 is desired in order to be able to erode the target 36 as completely as possible, the angular speed of the first electric motor 42 or of the second electric motor 48 must be controlled so that it behaves reciprocally with respect to the distance, at a given instant, between the center of the surface 34 and the focal zone of the laser radiation 70.
L'utilisation du diaphragme de champ 22 est faculta- tive. La taille de son ouverture est choisie de manière à diaphragmer les régions de la section transversale du rayonne- ment laser 70 dans lesquelles la densité de puissance se situe en deçà du seuil de saturation (plages B, C et D sur la figure 3a). Il en résulte un rapetissement de la région de la surface d'interaction 72 d'une impulsion individuelle, dans laquelle se produit un gradient de l'allure d'enlèvement. Conjugué au mouvement bidimensionnel de la cible 36, ce phénomène se solde par une diminution supplémentaire de la part de matériau enlevé sous forme de gouttelettes. The use of the field diaphragm 22 is optional. The size of its opening is chosen so as to diaphragm the regions of the cross section of the laser radiation 70 in which the power density is below the saturation threshold (ranges B, C and D in FIG. 3a). This results in a reduction of the region of the interaction surface 72 of an individual pulse, in which a gradient of the removal rate occurs. Combined with the two-dimensional movement of the target 36, this phenomenon results in an additional reduction in the proportion of material removed in the form of droplets.
Des essais comparatifs, au cours desquels étaient uti- lisées une cible 36 en magnésium et des densités moyennes de puissance laser comprises entre 2,3 x 109 W/cm2 et 14,7 x 109 W/cm2, ont révélé que le pourcentage relatif des gouttelettes, sur les particules fondues enlevées de la cible 36, peut être ramené à moins de 10 % à l'aide du procédé ou du dispositif de revêtement respectivement conforme à l'invention, tandis qu'il se situe, en permanence, nettement au-delà de 50 % avec le pro- cédé ou le dispositif respectivement conforme à l'art anté- rieur. Comparative tests, in which a magnesium target 36 and average laser power densities between 2.3 x 109 W / cm2 and 14.7 x 109 W / cm2 were used, revealed that the relative percentage of droplets, on the molten particles removed from the target 36, can be reduced to less than 10% using the method or the coating device respectively according to the invention, while it is, permanently, clearly at above 50% with the method or the device respectively in accordance with the prior art.
Dans la forme de réalisation d'un dispositif de revête- ment 10 selon l'invention, illustrée sur les figures 1 et 2, le mouvement relatif, entre la cible 36 et le rayonnement laser 70 incident, est obtenu en imprimant uniquement un mouvement à la cible 36. En variante, il est par exemple possible d'interposer sur le trajet de diffusion du rayonnement laser 70, entre la fe- nêtre d'entrée 28 et le diaphragme 30 de protection contre la métallisation, un miroir déflecteur pivotant à l'aide duquel la surface d'interaction 72 peut être décalée sur la surface 34 de la cible. Il peut ensuite être renoncé à un degré de liberté du mouvement de la cible. In the embodiment of a coating device 10 according to the invention, illustrated in FIGS. 1 and 2, the relative movement, between the target 36 and the incident laser radiation 70, is obtained by only imparting a movement to the target 36. As a variant, it is for example possible to interpose on the diffusion path of the laser radiation 70, between the entry window 28 and the diaphragm 30 for protection against metallization, a deflecting mirror pivoting at the with the help of which the interaction surface 72 can be offset on the surface 34 of the target. It can then be renounced to a degree of freedom of movement of the target.
Si l'on utilise un miroir pouvant pivoter selon deux axes, il est possible de renoncer totalement au mouvement de la cible 36. If a mirror that can pivot on two axes is used, it is possible to completely renounce the movement of the target 36.
Dans les deux cas, la lentille collectrice 18 doit être respectivement orientée de façon telle que la densité de puis- sance du rayonnement laser 70 ne soit pas modifiée, sur la sur- face 34 de la cible, à cause de trajets de rayonnement diffé- remment longs. In both cases, the collecting lens 18 must be oriented respectively in such a way that the power density of the laser radiation 70 is not modified, on the surface 34 of the target, because of different radiation paths. how long.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention telle que décrite et représentée, sans sortir de son cadre. It goes without saying that many modifications can be made to the invention as described and shown, without going beyond its ambit.
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