La présente invention se rapporte à un procédé de fabrica tion d'un élément métallique perméable et plus particulière ment d'un élément susceptible de résister à des fluides corro sifs acides et de supporter des contraintes mécaniques impor tantes ainsi qu'un élément obtenus.
De tels éléments perméables sont généralement utilisés pour la filtration de particules liquides ou solides dans un milieu gazeux ou de solides divisés dans un liquide ou encore pour la séparation de deux ou plusieurs phases gazeuses, ces opéra tions pouvant être effectuées à une température relativement élevée, dans une atmosphère corrosive généralement acide et les éléments sont, de plus, soumis à des contraintes mécaniques importantes qui sont dues par exemple à la différence de pres sion de part et d'autre de la paroi et aux vibrations.
Lorsque l'opération de filtration ou de séparation nécessite des éléments ayant une très grande perméabilité associée à des rayons de pores de dimension la plus réduite possible, ces éléments sont réalisés en déposant, sur une pièce poreuse très perméable servant de support mécanique, une fine couche d'un matériau microporeux qui doit être, en général, comprimée sur le support poreux de façon à obtenir une texture aussi fine que possible de la couche microporeuse et un excellent accrochage mécanique de celle-ci sur son support. Dans ce cas, le support métallique doit être suffisamment rigide, mécaniquement résistant pour supporter la compression qui lui sera appliquée lors du compactage de la couche microporeuse.
C'est le cas également de l'utilisation de ces éléments comme supports de catalyseur; le corps pulvérulent catalytique étant déposé sur l'élément métallique très perméable, est comprimé sur celui-ci qui doit résister aux pressions souvent élevées ainsi appliquées.
D'autres applications industrielles de ces éléments perméa bles inertes, en milieu corrosif acide, sont également rencon trées dans le domaine des réacteurs chimiques, parois poreuses pour la réalisation de lits fluidisés de matériaux pulvéru lents, électrodes de piles à combustibles, etc.
Les matériaux les plus intéressants dans les domaines d'ap plication cités ci-dessus sont le nickel et ses alliages. Ils offrent une excellente résistance aux agents chimiques acides en phase gazeuse et leur point de fusion relativement bas permet la préparation de particules bien calibrées et sphériques de ces matériaux qui, par agglomération et traitement thermique, peuvent conduire aisément aux pièces de formes recherchées, ayant une grande porosité et une importante perméabilité.
Malheureusement, ces matériaux sont extrêmement ductiles et si on les soumet à une compression isostatique, les grains constitutifs s'écrasent et la perméabilité de l'élément décroît considérablement. De plus, sous certaines conditions de contraintes locales, ces éléments peuvent subir des déforma tions permanentes qui peuvent modifier leur structure ou leur géométrie.
Afin de pallier ces inconvénients, il a été conseillé d'utiliser des alliages de nickel ou d'aluminium mais ceux-ci renferment des métaux qui diminuent fréquemment la bonne résistance des matériaux aux agents corrosifs d'autant plus que, lors du traitement thermique de frittage des grains pour obtenir un corps poreux mécaniquement robuste, ces métaux d'addition ont tendance à migrer vers la périphérie des grains et, de pré férence, aux joints développées entre les grains au cours de ce traitement thermique, et l'élément perméable devient ainsi très fragile après une brève durée de travail en atmosphère corro sive.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un élément métallique poreux et perméable servant de filtre pour la séparation de particules et notamment de particules gazeuses, caractérisé par le fait que l'on mélange une poudre de nickel et une poudre d'aluminium, on met en forme le mélange obtenu, on le compacte et on le chauffe, par exemple entre 500O et 700au, jusqu'au démarrage d'une réaction exothermique provoquant la formation d'aluminiure de nickel entre les particules de nickel et celles d'aluminium.
Le mélange des deux poudres peut être effectué à l'état sec mais on peut également les mélanger en utilisant une première poudre sèche et en la recouvrant d'un vernis contenant un liant organique et une seconde poudre.
On peut mélanger les deux poudres avec un liquide et un liant organique pour former une pâte que l'on ertrude par filage sous pression ou encore lors de leur dépôt sur un support approprié par attraction magnétique.
Le compactage du mélange des poudres peut être effectué dans un moule constitué d'une matrice et d'un piston de formes appropriées. Ce compactage peut également être effectué par compression isostatique par l'intermédiaire de membranes souples.
La poudre de nickel peut être obtenue soit par précipitation du nickel à partir de l'un de ses sels en solution aqueuse soit par décomposition thermique du nickel-carbonyle.
Le traitement thermique d'une pièce mise en forme peut s'effectuer en atmosphère neutre ou réductrice. On induit sur la pièce un courant de haute fréquence à l'aide d'un inducteur adapté qui se déplace lentement sur l'élément.
Un élément métallique poreux et perméable obtenu par le procédé selon l'invention à base de nickel et d'aluminium est caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains de nickel ou d'aluminium, reliés entre eux par des joints solides en aluminiure de nickel.
Ces éléments peuvent être soit constitués de grains de nickel ou d'alliages de nickel, soit constitués de grains d'aluminium ou d'alliages d'aluminium.
Les avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre à titre d'exemple et à l'examen des dessins annexés sur lesquels: - la fig. 1 représente une vue schématique en coupe de l'élément objet de l'invention et dans laquelle les grains d'aluminium ou de nickel (1) sont solidement enrobés et liés par une phase d'aluminiure de nickel (2), - la fig. 2 représente la coupe d'un grain d'aluminium (3) revêtu d'une couche de nickel (4), - la fig. 3 représente un grain de nickel (5) revêtu d'une couche d'aluminium pelliculaire (6!, - la fig. 4 représente schématiquement le mode de mise en forme tubulaire de la poudre enrobée et montrant un cylindre aimanté radialement se chargeant d'une couche uniforme (8) de la poudre (9), - la fig.
5 représente schéantiquement un mode de compactage de la couche (8) déposée sur une âme métallique (7), l'ensemble étant enfilé dans une membrane en polymère ou élastomère (10) fermée à ses deux extrémités, la pression étant appliquée isostatiquement sur l'extérieur du montage, pour réaliser un tube perméable, - la fig. 6 représente un mode de traitement thermique selon lequel le tube compacté (11) est soumis à un traitement thermique en induisant localement un courant de haute fréquence, issu du générateur H. F. (12) par l'intermédiaire de l'inducteur (13), le tube se déplaçant longitudinalement dans l'inducteur de façon à subir le traitement thermique sur toute sa longueur.
La réaction de l'aluminium avec le nickel est très exothermique, ce qui se traduit par un dégagement d'énergie calorifique et conduit à des produits de réaction intermétalliques qui sont des aluminiures de nickel de formule chimique: NiAI3, Ni2Al3, NiAl et Ni3Al, très durs et mécaniquement résistants.
De plus, au cours de cette réaction, le nickel réduit l'oxyde d'aluminium formé sur les grains d'aluminium, oxyde qui s'oppose généralement au frittage des grains, suivant la réaction Al203 + 3Ni e Ai + 3 NiO, l'oxyde de nickel étant facilement réduit en nickel métal si la réaction est conduite sous atmosphère neutre ou réductrice.
D'autre part, cette réaction s'effectue au voisinage de la température de fusion de l'aluminium, entre 650 et 6600C, ce qui permet d'utiliser des fours industriels extrêmement économiques.
Toutes ces propriétés intéressantes de la réaction de l'aluminium sur le nickel ont été mises à profit pour réaHser, suivant la présente invention, un matériau poreux mécaniquement très résistant puisque les grains constitutifs d'aluminium ou de nickel sont liés par une phase dure d'un ou plusieurs aluminiures de nickel. Ce matériau peut être élaboré à relativement basse température et le frittage peut être très simplement contrôlé en vérifiant que la réaction exothermique s'est bien produite dans toute la pièce.
Pour réaliser ces matériaux, on utilise donc, au départ, des grains de nickel ou d'aluminium de granulométrie bien définie et on doit les enrober par le métal réactif, c'est-à-dire l'aluminium dans le cas du nickel et inversement.
Dans le cas du nickel, plusieurs procédés sont possibles pour déposer une couche mince d'aluminium: un simple mélange mécanique des grains de nickel avec des particules très fines d'aluminium permet à ces dernières de se disposer autour des grains plus gros de nickel. On choisit, de préférence, un aluminium ayant une forme de grains pelliculaires qui permet une meilleure répartition plus compacte de ceux-ci sur les grains de nickel.
Un autre procédé d'enrobage consiste à préparer une peinture d'aluminium. Les grains de nickel sont enrobés de cette peinture qui est ensuite séchée par élimination du solvant.
Dans le cas du dépôt de nickel sur des grains d'aluminium, on peut mettre en oeuvre des méthodes de dépôt de nickel par déplacement chimique d'un sel de nickel ou par décomposition en phase vapeur.
Lorsque les grains enrobés sont préparés, il s'agit de les agglomérer sous la forme désirée par exemple sous forme de: plaques, disques, cylindres ou tubes.
Lorsqu'il s'agit de pièces de géométrie relativement simple, la poudre peut être simplement comprimée dans un moule constitué d'une matrice et d'un piston de formes appropriées, une pression suffisante pour agglomérer les grains étant appliquée sur le piston à l'aide, par exemple, d'une presse hydraulique.
Pour les pièces de formes plus compliquées, des méthodes usuelles de mise en forme peuvent être appliquées telles que: laminage entre les rouleaux d'une calandre par des feuilles de grandes dimensions ou dépôt par coulage en lames liquides sur des supports parfaitement plans ou encore par enduction d'un support approprié. Une présentation très recherchée dans beaucoup d'applications des éléments métalliques perméables est la forme tubulaire qui permet une grande perméabilité pour un minimum d'encombrement et cette configuration est très commode pour les applications de filtration, séparation, catalyse, etc.
Pour obtenir cette forme tabulaire, les moyens conventionnels peuvent être utilisés tels que: - extrusion à travers une buse annulaire d'une pâte constituée de grains enrobés d'un liant organique assurant la solidité mécanique en cru et la plasticité du mélange, et d'un solvant.
- enduction, par exemple, à l'aide d'un pistolet de peinture, d'une âme métallique par une suspension constituée également de la poudre enrobée, d'un liquide et d'un liant, la suspension étant, dans ce cas, beaucoup plus fluide que dans le cas de l'extrusion.
Cependant, toutes ces méthodes qui mettent en oeuvre des liquides comme l'eau ou des solvants organiques, bien qu'utili- sables en prenant des précautions techniques, présentent certains inconvénients en ce sens que ces liquides ont tendance à réagir avec l'aluminium, surtout lorsque ce dernier est sous forme très dispersée, pour donner naissance à des couches d'oxyde d'aluminium qui retardent le démarrage de la réaction exothermique et la limitent en intensité.
C'est pour éviter cet inconvénient qu'un nouveau mode de mise en forme a été imaginé qui consiste à utiliser les poudres enrobées sèches et à les mettre en forme en les attirant par une pièce métallique ou céramique magnétique de forme appropriée. C'est ainsi que pour réaliser un tube, il suffit d'approcher une tige métallique aimantée radialement de la poudre pour que cette tige se charge immédiatement d'une couche de poudre dont on peut choisir l'épaisseur en régulant le champ magnétique, par exemple, en intercalant une couche amagné;- tique de vernis ou de papier.
Comme il n'est pas aisé de réaliser des barreaux ou des tubes aimantés radialement, on peut avantageusement disposer sur la surface interne d'un tube en acier doux une feuille souple magnétique constituée d'un polymère ou élastomère souple chargé de grains d'lez matériau magnétique permanent Ces feuilles peuvent etre aimantées transversalement nord-sud classique ou bien encore également transversalement suivant des bandes longitudinales de polarités inverses nord-sud, sud-nord. Cette feuille transmet son flux magnétique au tube en acier doux qui peut, hsi-mêtne, attirer les grains enrobés de
nickel-aluminium ou aluminium-nickel.
Ce mode de dépôt se prête particulièrement à une fabnca- tion industrielle et à moindre frais d'éléments poreux suivant l'invention. Lorsque la couche de poids déterminé est déposée sur l'âme métalliques l'ensemble est introduit dans une gaine en polymère (chlorure de polyvinylet polyuréthane, etc.) ou en élastomère (caotstchouc naturel ou synthétique' > et cette enveloppe est fermée aux cieux extrémités soit en la pinçant sur le tube ou barreau métallique dégarni de poudre aux deux extre- mités soit en la fermant au-delà des extrérrités ae la pièce métallique. L'ensemble est alors placé dans un liquide
soumis à une pression élevée et la gaine plaque la couche déposée sur le tube et compacte celle-ci jusqu à i'obtoniLion d'un empilement compact des grains constitutifs.
Ce mode de compression ne décrit qu'un procédé cité paparÄifi bien d'autres et il est évident que la compression de la coache peut être réalisée de toute autre façon, telle que écrasemer, de la couche entre deux rouleaux d'un laminoir, par exemple, sans que cela limite la portée de l'invention. Après mise en forme, la pièce est alors truitée thermiquement de façon à déclencher la réaction exothermique de l'aluminium et du nickel.
Comme il a été dit plus haut, cette réaction s'effectue avec un dégagement de chaleur important et il suffit souvent d'amorcer la réaction sur une partie de la pièce pour que celle-ci se propage à l'ensemble du matériau. Dans la majorité des cas, les pièces sont portées vers 65O#C et la réaction se produit sans qu'il soit nécessaire de maintenir cette température pendant un temps prolongé. Un four tunnel à défilement très rapide est parfaitenient adapté au traitement thermique de ces matériau.
Cette cuisson doit être effectuée sons une atmosphère protectrice, de façon à éviter la formation d'oxyures d'aluminium ou de nickel qui sont, au contraire, réduits en métaux Si cette atmosphère est réductrice
Au cours de cette opération, les gros grains de nickel ou d'aluminium sont recouverts d'une couche diffusée d'aImai- niures de nickel très duras et, surtout, ces trains soni re'ies entre eux par des joints très solides en aluminiule de nickel qui confire la résistance mécanique au matériau poreux.
Dans le cas du traitement thermique d'une pièce de grande longueur, on pourra avantageusement faire défiler r apidement cette pièce dans un inducteur haute-fréquence qui permet d'amorcer la réaction. Ce mode de cuisson, pratiqlSé en atmo- sphère protectrice, permet une cadence extrêmement impor tante de traitement des pièces pour une très faible dépense et permet, de plus, de visualiser la réaction de la pièce pour la contrôler ou intervenir en cas d'anomalies.
L'invention est illustrée à l'aide des exemples de réalisation d'éléments métalliques perméables conformes à l'invention donnés ci-après à titre non limitatif.
RFVENDICA#ONS
I. Procédé de fabrication d'un élément métallique poreux et perméable servant de filtre pour la séparation de particules, notamment de particules gazeuses, caractérisé par le fait que l'on mélange une poudre de nickel et une poudre d'aluminium, on met en forme le mélange obtenu, on le compacte et on le chauffe jusqu'au démarrage d'une réaction exothermique provoquant la formation d'aluminiure de nickel entre les parti cules de nickel et celles d'aluminium.
11. Elément métallique poreux et perméable obtenu par le procédé selon la revendication P, à base de nickel et d'alumi i nium, caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains de nickel ou d'aluminium reliés entre eux par des joints solides en aluminiure de nickel.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'on mélange les deux poudres à l'état sec.
2. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que pour effectuer le mélange des deux poudres, on utilise une première poudre à l'état sec et on la recouvre d'un vernis contenant un liant organique et une seconde poudre.
3. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que les deux poudres sont mélangées avec un liquide et un liant organique pour former une pâte qui est extrudée par filage sous pression.
4. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que les deux poudres sont mélangées lors de leur dépôt sur un support par attraction magnétique.
5. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'on chauffe en atmosphère neutre ou réductrice.
6. Procédé selon la sous-revendication 5, caractérisé par le fait que le chauffage est effectué en induisant un courant de haute fréquence sur les éléments revêtus de poudre.
7. Elément selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains de nickel.
8. Elément selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains en alliage de nickel.
9. Elément selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains d'aluminium.
10. Elément selon la revendication Il, caractérisé par le fait qu'il est constitué de grains en alliage d'aluminium.
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