FR3088016A1 - Procede de fabrication d’une piece par densification sous charge - Google Patents

Procede de fabrication d’une piece par densification sous charge Download PDF

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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (2b) dans un appareil de densification sous charge qui comprend les étapes suivantes : a) on dispose : - d'une préforme de la pièce à fabriquer qui : i. comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'une couche de matériau solide et poreux ou d'une une couche de matériau dense, ou ii. est complètement réalisée en un matériau solide et poreux, et - d'un fluide qui est un 2e matériau pulvérulent ou un gaz ; b) on dispose la préforme et le fluide dans l'enceinte de compression de telle sorte que la préforme soit entourée du fluide ; c) on soumet le contenu de l'enceinte de compression à un chauffage et on applique au moins une force de compression de manière à obtenir une pièce densifiée par frittage (2b).

Description

Le domaine de l'invention est celui de la fabrication de pièces, notamment de pièces mécaniques, de formes complexes, par une technique de densification sous charge de matériaux soit en partie pulvérulents et en partie solides et poreux ou denses, soit totalement solides et poreux.
L'invention concerne ainsi un procédé de fabrication d'une pièce dans un appareil de densification sous charge.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « technique de densification sous charge », toute technique de frittage sous charge ou de fluage visant à consolider un volume défini de poudres métalliques, céramiques, ou de matières organiques (par exemple des polymères), par chauffage de ce dernier et application d'une pression uniaxiale, multiaxiale ou isostatique.
Nombre de techniques de densification sous charge de matériaux pulvérulents ou solides et poreux sont connus et mis en œuvre quotidiennement dans l'industrie. Parmi ces techniques, on peut citer :
le forgeage, le pressage à chaud (connu sous la dénomination anglophone « Hot Pressing »), le pressage isostatique à chaud (connu sous la dénomination anglophone « Hot Isostatic Pressing » en anglais), le frittage assisté sous champ, également connu sous l'acronyme anglophone « FAST » pour « Field Assisted Sintering Technology »).
Par « frittage assisté sous champ », on entend un frittage assisté sous champ électrique ou champ magnétique. Le frittage assisté sous champ électrique est également connu sous la dénomination de « frittage flash » et sous les acronymes anglophones « SPS » pour« Spark Plasma Sintering » et « EGAS » pour« Electric Current Assisted Sintering ».
Le SPS est connu pour soumettre un volume cylindrique de poudres comprimées à un courant pulsé permettant d'accroître significativement les cinétiques de densification de ces poudres, et ainsi d'obtenir des pièces mécaniques dont les microstructures fines sont préservées. Les modes de densification mis en œuvre par le SPS présentent cependant l'inconvénient de causer des inhomogénéités de densification dans le cas de pièces de formes complexes possédant d'importantes différences d'épaisseurs.
La réalisation de pièces de formes complexes par le procédé SPS classique est par conséquent rendue difficile compte tenu de la géométrie complexe des pièces à fabriquer qui se traduit par des différences d'épaisseur et implique des variations de retraits.
A noter que ces problèmes d'hétérogénéité de densification concernent exclusivement le frittage de pièces de forme complexe. En effet, dans le cadre de volumes à densifier de forme simple, c'est-à-dire présentant une épaisseur constante, les distances de retrait sont partout les mêmes et permettent ainsi d'obtenir une densification homogène de la pièce. Il n'y a donc pas lieu de s'inspirer de documents ayant trait au frittage de pièces de forme non-complexe pour résoudre les problèmes observés d'hétérogénéité de densification.
Il existe ainsi un réel besoin de pallier l'hétérogénéité de densification de pièces complexes fabriquées par des techniques connues de densification sous charge.
La demande internationale WO 2017/077028 Al propose une solution qui tente de surmonter ces difficultés de l'hétérogénéité de densification des pièces complexes fabriquées par des techniques connues de densification sous charge. Cette solution consiste en la mise en œuvre dans un appareil de densification sous charge selon une direction de compression d'un assemblage qui comprend :
un volume à densifier d'une composition pulvérulente et/ou poreuse et qui présente selon la direction de compression des variations d'épaisseur, une contre-forme de composition pulvérulente et/ou poreuse, une couche interfaciale déformable qui est intercalée entre le volume à densifier et la contre-forme.
Dans cet assemblage, les caractéristiques géométriques de la contreforme vont conférer la forme géométrique à la pièce complexe qui est obtenue à partir du volume à densifier.
Au cours de la densification sous charge, la couche interfaciale et déformable suit le retrait du volume à densifier et de ce fait, répartit de manière homogène sur le volume en cours de densification les contraintes transmises par la contre-forme et l'outillage. La pièce ainsi obtenue présente une homothétie de retrait sur l'ensemble de sa surface en contact avec la couche interfaciale. En outre, les failles et fractures pouvant être générées au sein de la contre-forme au cours du processus de densification sont tout ou en partie bloquées par la couche interfaciale déformable et ne se propagent pas dans le volume en cours de densification. La pièce ainsi obtenue présente également une microstructure préservée.
Cependant, l'assemblage tel que décrit dans la demande internationale WO 2017/077028 Al présente des limites du fait que la forme géométrique de la pièce densifiée est tributaire des caractéristiques géométriques de la contre-forme. Or, certaines formes très complexes de la contre-forme ne pourront pas, voire être difficilement, mises en œuvre. Les restrictions de forme de la contre-forme génèrent ainsi des restrictions de forme de la pièce obtenue avec l'assemblage faisant l'objet de la demande internationale WO 2017/077028 Al. En d'autres termes, il n'est pas possible d'obtenir toutes les pièces souhaitées qui présentent des formes très complexes.
C'est pourquoi, les inventeurs de la présente invention ont cherché à pallier cet inconvénient lié aux limitations de la complexité de la forme de la contreforme de l'assemblage décrit dans la demande WO 2017/077028 Al, en proposant un nouveau procédé de fabrication de pièces dans un appareil de densification sous charge qui s'affranchit de cette contre-forme et permet ainsi d'obtenir des pièces présentant toute complexité de forme souhaitée.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce dans un appareil de densification sous charge selon au moins une direction de compression qui est équipé d'une enceinte de compression, ledit procédé comprend au moins les étapes suivantes :
a) on dispose :
d'une préforme de la pièce à fabriquer qui :
i. comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'au moins une couche de matériau solide et poreux ou d'au moins une couche de matériau dense, ou ii. est complètement réalisée en un matériau solide et poreux, et d'un fluide qui est un 2e matériau pulvérulent ou un gaz ;
b) on dispose la préforme et le fluide dans l'enceinte de compression de telle sorte que la préforme soit entourée du fluide ;
c) on soumet le contenu de l'enceinte de compression à un chauffage et on applique au moins une force de compression selon la au moins une direction de compression de telle sorte que :
la préforme fritte selon ladite au moins une direction de compression de manière à obtenir une pièce densifiée par frittage ;
lorsque le fluide est un 2e matériau pulvérulent :
- ledit matériau solide et poreux ou dense et ledit 2e matériau pulvérulent sont choisis de telle sorte qu'ils ne réagissent pas chimiquement entre eux au cours de cette étape c) ;
- le 2e matériau pulvérulent se compacte ou fritte, et si le 2e matériau pulvérulent fritte, la dureté et la ténacité de ce 2e matériau pulvérulent à l'issue de l'étape c) sont inférieures à celles de la pièce densifiée par frittage.
Dans le cadre de la présente invention, la dureté d'un matériau est déterminée par la mesure de l'empreinte que laisse un pénétrateur dans ce matériau sous une force donnée. Il existe différentes méthodes de mesure de la dureté selon le matériau considéré (à savoir selon qu'il s'agit d'une céramique, d'un matériau organique tel qu'un polymère ou d'un métal). Des exemples de mesure de la dureté sont notamment la dureté de Mohs, la dureté de Brinell, la dureté Vickers, la dureté Knoop et la dureté Rockwell.
Des exemples de normes pour mesurer la dureté d'un matériau sont par exemple les normes suivantes : ASTM E 18-03 (Dureté Rockwell), ASTM E 92-82 (Dureté Vickers pour les matériaux métalliques) et ASTM C1327 :2008 (Dureté Vickers pour les matériaux céramiques). L'homme du métier sait parfaitement déterminer la dureté d'un matériau selon le matériau considéré.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « ténacité d'un matériau », la capacité de ce matériau à résister à la propagation d'une fissure. La ténacité d'un matériau s'oppose ainsi à sa fragilité. Elle peut être mesurée par des essais de choc de Charpy, de flexion, de traction sur des éprouvettes entaillées. Des exemples de normes pour mesurer la ténacité d'un matériau sont par exemple les normes suivantes : ASTM E 23-02a (Méthode Charpy) et ASTM C1421: 2010 (ténacité pour les matériaux céramiques). L'homme du métier sait parfaitement déterminer la ténacité d'un matériau.
L'appareil de densification sous charge peut être un appareil choisi parmi les appareils de forgeage, pressage à chaud, pressage isostatique à chaud et frittage assisté sous champ. Ces appareils sont parfaitement connus de l'homme du métier qui en maîtrise donc leur fonctionnement.
La préforme de la pièce à fabriquer peut avoir été obtenue à partir de l'une des techniques choisies parmi :
le frittage sélectif par laser (connu sous l'acronyme anglophone « SLS » pour « Selective Laser Sintering »), la fusion sélective par laser (connue sous l'acronyme anglophone « SLM » pour « Selective Laser Melting »), le modelage par dépôt de fil, la fusion par faisceau d'électrons, la stéréolithographie, la fabrication additive par jet de liants, et l'usinage, prise seule ou en combinaison de celles-ci. Ces techniques sont parfaitement à la portée de l'homme du métier.
Avec le procédé de fabrication, la préforme peut présenter n'importe quelle forme, et notamment une forme complexe. Par « forme complexe », on entend que la préforme présente des variations d'épaisseur de segments continus de son volume, dans le cadre d'une projection selon la direction de compression. Il convient de distinguer l'épaisseur d'une forme et sa hauteur, cette dernière pouvant désigner des segments discontinus d'un volume, selon cette même projection. A titre d'exemple, un volume en forme de double cône de révolution, lorsque considéré selon son axe de révolution, présente une hauteur constante mais une épaisseur variable.
C'est pourquoi, le procédé de fabrication selon l'invention présente l'avantage d'être parfaitement adapté pour la fabrication de pièces, et tout particulièrement de pièces de forme complexe.
Les techniques de fabrication de la préforme qui ont été listées ci-dessus sont appropriées pour obtenir de telles formes complexes.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la préforme comprend un cœur en un 1er matériau pulvérulent qui est entouré d'au moins une couche de matériau dense.
Dans le cadre de l'invention, on entend par « matériau dense », un matériau qui ne présente pas de porosité. Un tel matériau est ainsi étanche aux gaz.
Dans ce mode de réalisation, l'épaisseur de la couche de matériau dense peut être comprise entre 10 pm et 1 mm, de préférence entre 200 pm et 500 pm.
La couche de matériau dense peut avoir été obtenue par frittage ou fusion laser.
Dans des modes de réalisation de l'invention, la préforme comprend un matériau solide et poreux qui peut :
soit constituer une couche externe de la préforme lorsque celle-ci comporte en outre un cœur en un 1er matériau pulvérulent, soit constituer la totalité de la préforme.
Lorsque la préforme comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'une couche d'un matériau solide et poreux, la porosité de ce matériau solide et poreux peut être fermée ou ouverte. Si la porosité est ouverte, la taille des pores de ce matériau solide et poreux est de préférence :
inférieure à la taille des grains du 1er matériau pulvérulent formant le cœur de la préforme, et inférieure à la taille des grains du 2e matériau pulvérulent.
Cela évite que des grains du 1er matériau pulvérulent sortent de la couche de matériau solide et poreux à porosité ouverte et que des grains du 2e matériau pulvérulent pénètrent dans ledit matériau solide et poreux. En d'autres termes, cela évite l'interpénétration des grains du 1er et du 2e matériaux pulvérulents.
Le matériau du cœur pulvérulent peut être identique ou différent de celui de la couche de matériau solide et poreux ou dense.
La préforme peut comporter une ou plusieurs couches de matériau solide et poreux ou dense. Lorsque la préforme comporte plusieurs couches (par exemple superposées les unes sur les autres) de matériau solide et poreux ou dense, ces différentes couches peuvent être réalisées en des matériaux identiques ou différents.
Ces matériaux sont décrits ci-dessous dans la description des matériaux de la préforme.
La préforme peut comprendre une ou plusieurs couches de matériaux solides et poreux et/ou denses qui peuvent être identiques ou différents entre eux.
Les matériaux de la préforme et le 2e matériau pulvérulent sont choisis de manière appropriée de telle sorte qu'ils ne se dégradent pas au cours de l'étape c) du procédé de fabrication.
Les matériaux de la préforme et/ou le 2e matériau pulvérulent peuvent être choisis parmi les métaux, les céramiques et les matériaux organiques.
Le matériau de la préforme et/ou le 2e matériau pulvérulent peut être au moins un matériau organique qui est synthétique ou naturel. Par exemple, il peut s'agir de matière lignocellulosique, de kératine ou bien encore d'un polymère.
Le matériau de la préforme et/ou le 2e matériau pulvérulent peut être un matériau organique qui est au moins un polymère qui est choisi parmi le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polychlorure de vinyle (PVC), le polypropylène (PP), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polystyrène (PS), le polyamide (PA), le polycarbonate (PC), le polyétheréthercétone (PEEK) et le polyimide (PI).
Le matériau de la préforme et/ou le 2e matériau pulvérulent peut être au moins une céramique :
à base d'oxydes, notamment choisie parmi la zircone, l'alumine, la magnésie, l'oxyde de zinc, les spinelles, les oxydes de titane, les titanates de baryum ou de strontium, les silices et les silicates (par exemple les cordiérites et les mullites) ;
non oxydée, par exemple choisie parmi les carbures, les borures, les nitrures et les fluorures.
Le matériau de la préforme et/ou le 2e matériau pulvérulent peut être au moins un métal. Il peut s'agir d'un métal précieux choisi par l'argent, l'or et le platine, ainsi que leurs alliages associés. Il peut également s'agir :
de supers alliages à base de nickel ou de cobalt, d'alliages de nickel, par exemple des alliages de nickel de type Iconel 718, Inox 316L, FeNi, NiTi, d'alliages de titane, notamment l'alliage TÎ-6AI-4V (appelé communément et ci-après « alliage de titane TA6V »), d'alliages d'aluminium (par exemple 5086, 6061, 7075, MCrAI, FeCrAI, FeAI, TiAI, MgAI), ou d'alliages de manganèse (par exemple MgSiSn, MgB?).
Les matériaux de la préforme et du 2e matériau pulvérulent peuvent être identiques ou différents.
Les choix des matériaux constituant la préforme et, le cas échéant le 2e matériau pulvérulent (c'est-à-dire dans les modes de réalisation de l'invention dans lesquels le fluide est un 2e matériau pulvérulent), sont orientés en prenant en considération les règles de densification de ces matériaux, afin d'obtenir à l'issue du procédé selon l'invention une pièce présentant une homogénéité de densification souhaitée.
Ces règles de densification reposent notamment sur le fait qu'au cours de la densification sous charge à l'étape c) du procédé selon l'invention :
si le matériau du 2e matériau pulvérulent se densifie plus rapidement que celui de la préforme, le matériau du 2e matériau pulvérulent va stopper la densification de la préforme avant que celle-ci ne présente la densification par frittage souhaitée, ce qui peut se traduire par des hétérogénéités de densité au sein de la pièce obtenue à l'issue du procédé.
si le matériau constituant la préforme se densifie plus rapidement que celui du 2e matériau pulvérulent, à l'issue de l'étape c) du procédé selon l'invention, la pièce présente la densification par frittage souhaitée.
Les règles de densification des matériaux sont à la portée de l'homme du métier qui saura choisir les matériaux appropriés pour obtenir à l'issue du procédé une pièce de la forme souhaitée.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les matériaux de la préforme et le 2e matériau pulvérulent présentent des courbes de densification proches. Cela présente l'avantage de faciliter la prévision des retraits de matière de la préforme qui sont générés au cours de l'étape c) du procédé selon l'invention. Pour ce faire, il peut s'agir de matériaux de même type : métal/métal ou céramique/céramique ou encore matériau organique/matériau organique (par exemple polymère/polymère).
A titre d'exemple, la préforme peut être constituée de poudre de zircone et le 2e matériau pulvérulent peut être constitué de poudre d'alumine. Le couplage de ces deux matériaux trouve son fondement dans leur comportement au frittage (température et courbe de densification) qui est relativement similaire. La poudre de zircone de la préforme se densifie légèrement plus rapidement que la poudre d'alumine, et permet ainsi l'obtention d'une pièce totalement densifiée par frittage au cours du procédé selon l'invention.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les matériaux de la préforme et le 2e matériau pulvérulent sont de composition chimique et de microstructure identiques. Cela présente l'avantage de faciliter la prévision des retraits de matière de la préforme qui sont générés au cours de l'étape c) du procédé selon l'invention.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les matériaux de la préforme et le 2e matériau pulvérulent présentent une composition chimique et/ou une microstructure différentes.
La mise en œuvre de matériaux de composition chimique et/ou de microstructure différentes permet d'élargir les possibilités du choix des matériaux de la préforme et du 2e matériau pulvérulent. Il est ainsi possible de mettre en œuvre, pour la constitution de la préforme, un matériau présentant des propriétés techniques avancées et donc coûteuses, tout en sélectionnant, pour la constitution du 2e matériau pulvérulent, un matériau à moindres coûts.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la préforme est réalisée en un matériau solide et poreux constitué d'un alliage de titane TA6V et le 2e matériau pulvérulent est de l'alumine.
Dans des modes de réalisation de l'invention, le fluide est un gaz. Il peut s'agir d'un gaz inerte, par exemple un gaz choisi parmi l'argon, l'azote et l'hélium.
Dans les modes de réalisation de l'invention dans lesquels le fluide est un gaz, la préforme comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'au moins une couche de matériau dense et l'appareil de densification est un appareil de pressage isostatique à chaud.
Dans ces modes de réalisation, à l'étape b) du procédé selon l'invention, la préforme est disposée dans l'enceinte de compression de l'appareil de pressage isostatique à chaud qui contient le gaz. La préforme est entourée du gaz que contient l'enceinte de compression. Ensuite, l'étape c) du procédé selon l'invention est mise en œuvre en soumettant l'enceinte de compression à un pressage isostatique à chaud.
Ces modes de réalisation de l'invention présentent l'avantage par rapport aux autres procédés classiques de densification sous charge mettant en œuvre la technique de pressage isostatique à chaud de s'affranchir d'une gaine étanche aux gaz (généralement en métal) dans laquelle on introduit la poudre du matériau à fritter. Ces modes de réalisation de l'invention sont donc moins coûteux et moins contraignants pour fritter une pièce par rapport aux procédés connus de pressage isostatique à chaud. En effet, la préforme (à savoir la pièce qui va fritter) comporte dans sa structure sa « propre » gaine et qui consiste en la couche de matériau dense qui est étanche aux gaz.
Dans les modes de réalisation de l'invention dans lesquels le fluide est un 2e matériau pulvérulent, à l'issue de l'étape b) du procédé selon l'invention, la préforme est entourée du 2e matériau pulvérulent. En d'autres termes, la préforme est enfouie au sein du 2e matériau pulvérulent dans l'enceinte de compression. Dans le cadre de l'invention, on entend par le fait que « la préforme est entourée du 2e matériau pulvérulent » que toute la surface ou bien une partie de la surface de la préforme est en contact avec le 2e matériau pulvérulent.
Au cours de l'étape c), la température au sein de l'enceinte de compression peut être comprise entre 50°C et 2000°C, de préférence entre 800°C et 950°C. Celle-ci va dépendre de la nature des matériaux de la préforme et, le cas échéant du 2e matériau pulvérulent. Par exemple, lorsqu'il s'agit de matériau organique, la température au sein de l'enceinte de compression est avantageusement comprise entre 50°C et 500°C. Lorsqu'il s'agit de céramique, selon son caractère réfractaire, la température au sein de l'enceinte de compression peut atteindre jusqu'à 2000°C.
La température au sein de l'enceinte de compression est choisie de manière appropriée de telle sorte que les matériaux de la préforme et, le cas échéant du 2e matériau pulvérulent ne se dégradent pas au cours de l'étape c). Le choix de la température au sein de l'enceinte de compression est parfaitement à la portée de l'homme du métier.
Au cours de l'étape c), on applique au moins une force de compression qui peut être comprise entre 10 kN et 200 kN, de préférence entre 80 kN et 120 kN. La force de compression est choisie de manière appropriée de telle sorte que les matériaux de la préforme et, le cas échéant du 2e matériau pulvérulent ne se dégradent pas au cours de l'étape c). Le choix de la force de compression est parfaitement à la portée de l'homme du métier.
La direction de compression peut être uniaxiale, multiaxiale ou isostatique.
Dans les modes de réalisation de l'invention dans lesquels le fluide est un 2e matériau pulvérulent, les paramètres de température et de force de compression sont choisis de manière appropriée de telle sorte que :
le matériau solide et poreux ou dense de la préforme et le 2e matériau pulvérulent ne réagissent pas chimiquement entre eux au cours de cette étape c) ;
le 2e matériau pulvérulent se compacte ou fritte, et si le 2e matériau pulvérulent fritte, la dureté et la ténacité de ce 2e matériau pulvérulent à l'issue de l'étape c) sont inférieures à celles de la pièce densifiée par frittage.
L'ajustement des paramètres de température et de force de compression est parfaitement à la portée de l'homme du métier.
Dans le cas d'une compression uniaxiale, d'une préforme et d'un 2e matériau pulvérulent aux propriétés de densification proches, la hauteur d'étirement (h,) est liée aux densités relatives initiale et finale de la pièce (d,, df) et à la hauteur finale souhaitée (hf), par l'équation suivante:
h, = hf. df/d.
Cette équation dite « de la préforme » permet de mieux définir les déformations de la préforme déformable.
Les distances de retrait et les déformations induites sur le volume d'une préforme donnée suite à la mise en œuvre de l'étape c) du procédé selon l'invention peuvent être prédites à l'aide d'un logiciel de simulation, par exemple le logiciel de simulation COMSOL multiphysics® développé par la société COMSOL.
La prédiction de ces données quant aux distances de retrait et les déformations de la préforme sont parfaitement à la portée de l'homme du métier qui pourra ainsi déterminer avant la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les caractéristiques de la préforme (à savoir tant sur sa forme géométrique que sur le ou les matériau(x) la constituant) et, le cas échéant du 2e matériau pulvérulent, ainsi que les paramètres de température et de la force de compression à appliquer en fonction de la forme souhaitée de la pièce densifiée par frittage obtenue avec ledit procédé.
A l'issue de l'étape c), la pièce est au moins en partie densifiée par frittage, de préférence sur sa partie externe. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pièce est totalement densifiée par frittage.
La pièce obtenue à l'issue de l'étape c) a de préférence une densité relative supérieure ou égale à 95%, plus préférentiellement supérieure ou égale à 99%. Par « densité relative », on entend la densité de la pièce obtenue avec le procédé selon l'invention par rapport à la densité estimée de cette même pièce lorsque celle-ci est dense. Avec le procédé selon l'invention, on cherche à ce que les pièces obtenues soient les plus denses possible, à savoir qu'elles présentent une densité relative qui tende vers la valeur de 100%.
Après l'étape c) du procédé selon l'invention, on extrait de l'enceinte de compression la pièce densifiée par frittage. Pour ce faire, on peut être amené à fracturer le 2e matériau qui était pulvérulent avant l'étape c) du procédé et qui s'est compacté ou qui a fritté au cours de cette étape de densification sous charge.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la préforme comprend au moins une excroissance. Cette excroissance peut contribuer à faciliter l'extraction de la pièce densifiée par frittage obtenue avec le procédé selon l'invention de l'enceinte de compression.
La pièce peut être une pièce choisie parmi les turbines de turbocompresseurs, les aubes de turbines de turboréacteurs, les corps de montre, les billes de roulements et les joints.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un exemple de réalisation d'une aube et d'un rouet obtenus avec le procédé de fabrication selon l'invention.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est une photographie de la préforme d'une aube avant la réalisation de l'étape c) du procédé selon l'invention.
La figure 2 est une photographie de l'aube à l'issue du procédé selon l'invention.
La figure 3 est une photographie de la préforme d'un rouet avant la réalisation de l'étape c) du procédé selon l'invention.
La figure 4 est une photographie du rouet à l'issue du procédé selon l'invention.
PARTIE EXPERIMENTALE :
I - Fabrication d'une aube :
Une aube lb a été fabriquée selon le procédé de fabrication selon l'invention de la manière suivante :
Le matériau de la préforme la était une poudre d'un alliage de titane TA6V qui présentait la distribution de tailles suivante :
- dlO : 18 pm ;
d50 : 31,6 pm ; d90 :43,5 pm.
Une préforme de l'aube la a été obtenue par la technique de fusion sélective par laser dans un appareillage commercialisé par la société 3D SYSTEMS sous la dénomination commerciale ProX® DMP 200.
Les paramètres de cette fabrication additive ont été les suivants :
la vitesse de balayage : 1800 mm/s ;
la puissance du laser : 300 W ;
l'écartement : 85 pm ;
l'épaisseur du lit de poudre : 60 pm.
La préforme de l'aube la ainsi obtenue à l'issue de la fabrication additive présentait un cœur pulvérulent qui était entouré d'une couche dense d'une épaisseur de 200 pm. Les dimensions de la préforme de l'aube la étaient les suivantes :
une hauteur ha de 43,10 mm ;
une largueur la de 21,50 mm ; une longueur La de 31,70 mm.
La préforme la a ensuite été enfouie dans de la poudre d'alumine au sein de l'enceinte de compression en graphite d'un appareil de densification par frittage assisté sous champ électrique qui est commercialisé par la société Sumitomo Coal Mining Co., Ltd sous la dénomination commerciale Dr. SINTER 2080.
La préforme la a été soumise à un cycle de frittage assisté sous champ électrique selon la direction de sa largeur I. Le cycle a présenté les paramètres suivants : la température initiale de l'enceinte de compression était de 20°C et elle a été augmentée pendant 18 minutes de 48,9 °C/minute jusqu'à attendre la température de 900°C. La température a été maintenue pendant 10 minutes à 900°C ;
la force de compression appliquée était de 6 kN pendant les 14 premières minutes du cycle, puis elle a été augmentée pendant 4 minutes de 23,15 kN/minute jusqu'à atteindre 98,6 kN. La force de compression a été maintenue à 98,6 kN pendant 10 minutes.
Au cours du frittage assisté sous champ électrique, la préforme la a fritté de telle sorte que :
sa hauteur a augmenté de ha : 43,10 mm à hb : 43,60 mm ; sa largeur a diminué de la :21,50 mm à Ib : 14,85 mm ; sa longueur a diminué de La : 31,70 mm à Lb : 31,50 mm.
Ainsi, au cours du frittage assisté sous champ électrique, seule la largeur de la préforme la a varié. Il s'agissait de la direction selon laquelle a été appliquée la force de compression. Les variations de la hauteur et de la longueur de la préforme la détaillées ci-dessus sont négligeables.
On a ainsi obtenu une aube lb densifiée par frittage. Plus précisément, l'aube lb ainsi obtenue était totalement densifiée par frittage.
On a aisément récupéré l'aube lb densifiée par frittage du fait que la poudre d'alumine n'a pas fritté au cours cycle de frittage assisté sous champ électrique. Ensuite, un léger sablage a permis d'éliminer les résidus d'alumine.
Cette aube lb présentait une parfaite homogénéité en alliage de titane TA6V. En effet, sa densité relative était supérieure à 99%. Par « densité relative », on entend la densité de la pièce obtenue avec le procédé selon l'invention par rapport à la densité estimée de cette même pièce lorsque celle-ci est dense. En outre, l'aube lb présentait une microstructure homogène et une rugosité de surface de l'ordre de 6 pm.
La photographie de la figure 1 montre la préforme la avant l'étape c) du procédé selon l'invention. La photographie de la figure 2 montre l'aube lb obtenue à l'issue du procédé de fabrication selon l'invention. On relève une nette diminution de la largeur entre la préforme de l'aube la et l'aube lb obtenue à l'issue du procédé de fabrication selon l'invention.
Il - Fabrication d'un rouet :
Un rouet 2b a été fabriqué selon le procédé de fabrication selon l'invention de la manière suivante :
Le matériau de la préforme 2a était une poudre d'un alliage de titane TA6V qui présentait la distribution de tailles suivante :
- dlO : 18 pm ;
d50 : 31,6 pm ; d90 :43,5 pm.
Une préforme du rouet 2a a été obtenue par la technique de fusion sélective par laser dans un appareillage commercialisé par la société 3D SYSTEMS sous la dénomination commerciale ProX® DMP 200.
Les paramètres de cette fabrication additive ont été les suivants :
la vitesse de balayage : 1800 mm/s ;
la puissance du laser : 300 W ;
l'écartement : 85 pm ;
l'épaisseur du lit de poudre : 60 pm.
La préforme du rouet 2a ainsi obtenue à l'issue de la fabrication additive présentait un cœur pulvérulent qui était entouré d'une couche dense d'une épaisseur de 300 pm. La préforme du rouet 2a présentait une hauteur de 44,3 mm et un diamètre de 45,4 mm.
La préforme 2a a ensuite été enfouie dans de la poudre d'alumine au sein de l'enceinte de compression en graphite d'un appareil de densification par frittage assisté sous champ électrique qui est commercialisé par la société Sumitomo Coal Mining Co., Ltd sous la dénomination commerciale Dr. SINTER 2080.
La préforme 2a a été soumise à un cycle frittage assisté sous champ électrique selon la direction de sa hauteur. Le cycle a présenté les paramètres suivants : la température initiale de l'enceinte de compression était de 20°C et elle a été augmentée pendant 14 minutes de 48,5 °C/minute jusqu'à atteindre la température de 700°C. Ensuite, la température a été augmentée pendant 8 minutes de 25 °C/minute jusqu'à atteindre la température de 900°C, puis maintenue pendant 10 minutes à cette température ;
la force de compression appliquée était de 6 kN pendant les 14 premières minutes du cycle, puis elle a été augmentée pendant 8minutes de 5,38 kN/minute jusqu'à atteindre 49,1 kN. La force de compression a été maintenue à 49,1 kN pendant 10 minutes.
Au cours du frittage assisté sous champ électrique, la préforme 2a a fritté de telle sorte que sa hauteur a diminué de 44,3 mm à 35,5 mm. Son diamètre a légèrement augmenté en passant de 45,4 mm à 45,65 mm. On a ainsi obtenu un rouet 2b densifié par frittage. Plus précisément, le rouet 2b ainsi obtenu était totalement densifié par frittage.
On a aisément récupéré le rouet 2b densifié par frittage du fait que la poudre d'alumine n'a pas fritté au cours du cycle de frittage assisté sous champ électrique. Ensuite, un léger sablage a permis d'éliminer les résidus d'alumine.
Ce rouet 2b présentait une parfaite homogénéité en alliage de titane TA6V.
En effet, sa densité relative était supérieure à 99%. En outre, le rouet 2b présentait une microstructure homogène et une rugosité de surface de l'ordre de 6 pm.
La photographie de la figure 3 montre la préforme 2a avant l'étape c) du procédé selon l'invention. La photographie de la figure 4 montre le rouet 2b obtenu à l'issue du procédé de fabrication selon l'invention. On relève une nette diminution de 10 la hauteur entre la préforme du rouet 2a et le rouet 2b obtenu à l'issue du procédé de fabrication selon l'invention.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d'une pièce (lb,2b) dans un appareil de densification sous charge selon au moins une direction de compression qui est équipé d'une enceinte de compression, caractérisé en ce que le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
    a) on dispose :
    d'une préforme (la,2a) de la pièce à fabriquer qui :
    i. comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'au moins une couche de matériau solide et poreux ou d'au moins une couche de matériau dense, ou ii. est complètement réalisée en un matériau solide et poreux, et d'un fluide qui est un 2e matériau pulvérulent ou un gaz ;
    b) on dispose la préforme (la,2a) et le fluide dans l'enceinte de compression de telle sorte que la préforme soit entourée du fluide ;
    c) on soumet le contenu de l'enceinte de compression à un chauffage et on applique au moins une force de compression selon la au moins une direction de compression de telle sorte que :
    la préforme (la,2a) fritte selon ladite au moins une direction de compression de manière à obtenir une pièce densifiée par frittage ;
    lorsque le fluide est un 2e matériau pulvérulent :
    - ledit matériau solide et poreux ou dense et ledit 2e matériau pulvérulent sont choisis de telle sorte qu'ils ne réagissent pas chimiquement entre eux au cours de cette étape c) ;
    - le 2e matériau pulvérulent se compacte ou fritte, et si le 2e matériau pulvérulent fritte, la dureté et la ténacité de ce 2e matériau pulvérulent à l'issue de l'étape c) sont inférieures à celles de la pièce densifiée par frittage (lb,2b).
  2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme (la,2a) a été obtenue à partir de l'une des techniques choisies parmi le frittage sélectif par laser, la fusion sélective par laser, le modelage par dépôt de fil, la fusion par faisceau d'électrons, la stéréolithographie, la fabrication additive par jet de liants et l'usinage.
  3. 3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les matériaux de la préforme (la,2a) et/ou le 2e matériau pulvérulent sont choisis parmi les métaux, les céramiques et les matériaux organiques.
  4. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de la préforme (la,2a) et/ou le 2e matériau pulvérulent est un matériau organique qui est au moins un polymère choisi parmi le poly-méthacrylate de méthyle (PMMA), le polychlorure de vinyle (PVC), le polypropylène (PP), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polystyrène (PS), le polyamide (PA), le polycarbonate (PC), le polyétheréthercétone (PEEK) et le polyimide (PI).
  5. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de la préforme (la,2a) et/ou le 2e matériau pulvérulent est au moins une céramique choisie parmi la zircone, l'alumine, la magnésie, l'oxyde de zinc, les spinelles, les oxydes de titane, les titanates de baryum ou de strontium, les silices, les silicates, les carbures, les borures, les nitrures et les fluorures.
  6. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de la préforme (la,2a) et/ou le 2e matériau pulvérulent est au moins un métal choisi parmi l'argent, l'or, le platine, les alliages de nickel, les alliages de titane, les alliages d'aluminium et les alliages de manganèse.
  7. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 à
    6, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape c), la température au sein de l'enceinte de compression est comprise entre 50°C et 2000°C.
  8. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 à
    7, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape c), on applique au moins une force de compression comprise entre 10 kN et 200 kN.
  9. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la direction de compression est uniaxiale, multiaxiale ou isostatique.
  10. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à
    9, caractérisé en ce que le fluide est un gaz, la préforme comporte un cœur en un 1er matériau pulvérulent entouré d'au moins une couche de matériau dense et l'appareil de densification sous charge est un appareil de pressage isostatique à chaud.
  11. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que 5 le gaz est un gaz choisi parmi l'argon, l'azote et l'hélium.
  12. 12. Pièce (lb, 2b) fabriquée selon le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendictions 1 à 11, caractérisée en ce que la pièce (lb,2b) est une pièce choisie parmi les turbines de turbocompresseurs, les aubes de turbines de
    10 turboréacteurs, les corps de montre, les billes de roulements et les joints.
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