FR2944721A1 - Fabricating metallic piece e.g. turbomachine blade by metallic powder injection molding, comprises preparing mixture of metallic particles and thermoplastic binder, producing raw preform, and debinding and sintering the preform - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de fabrication d'un aubage par Moulage par injection de poudre métallique Method of manufacturing a vane by injection molding of metal powder
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et vise la fabrication de pièces de turbomachine par mise en oeuvre de la technique de moulage par injection de poudre métallique. The present invention relates to the field of turbomachines and aims at the manufacture of turbomachine parts by implementation of the injection molding technique of metal powder.
La technique de moulage par injection de métal, connue sous le sigle MIM est utilisée communément pour la fabrication de pièces de relativement petites dimensions et de géométrie pouvant être complexe. Cette technique consiste à préparer un mélange homogène à partir de fines poudres d'alliage métallique et de liant thermoplastique. Le mélange est chauffé à une température suffisante pour faire fondre le liant et permettre l'enrobage des particules de métal par le liant. Ce dernier peut être composé de tout polymère approprié pour cette utilisation, tel que par exemple de polyéthylène, polyéthylène Glycol, polyméthylméthacrylate ou propylène. The technique of metal injection molding, known under the acronym MIM is commonly used for the manufacture of parts of relatively small dimensions and geometry that can be complex. This technique consists of preparing a homogeneous mixture from fine metal alloy powders and thermoplastic binder. The mixture is heated to a temperature sufficient to melt the binder and allow the metal particles to be coated with the binder. The latter may be composed of any polymer suitable for this use, such as for example polyethylene, polyethylene glycol, polymethyl methacrylate or propylene.
Après avoir été chauffé à une température convenable, le mélange est de consistance fluide à pâteuse. Il est maintenu à cette température et introduit par injection à une pression déterminée dans un moule dont l'empreinte correspond à la forme de la pièce à fabriquer. Il est à noter que la forme de l'empreinte tient compte des déformations que subit la pièce pendant les étapes qui suivent du procédé, notamment le frittage. Les paramètres rhéologiques et de pression d'injection sont choisis de manière à ce que la cavité de moulage soit convenablement remplie par le matériau. On obtient une ébauche dite crue que l'on extrait du moule après refroidissement et solidification du liant thermoplastique. After being heated to a suitable temperature, the mixture is of fluid to pasty consistency. It is maintained at this temperature and introduced by injection at a determined pressure into a mold whose footprint corresponds to the shape of the part to be manufactured. It should be noted that the shape of the cavity takes into account the deformations experienced by the part during the following steps of the process, in particular sintering. The rheological and injection pressure parameters are chosen so that the molding cavity is suitably filled with the material. A so-called green blank is obtained which is extracted from the mold after cooling and solidification of the thermoplastic binder.
L'étape suivante consiste à délianter l'ébauche. Le but de cette opération est d'extraire dans un premier temps une partie des composants du liant de l'ébauche sans déformer cette dernière. L'élimination d'une partie du liant conduit à l'obtention d'une structure poreuse formée des particules de métal liées par le liant résiduel. La structure poreuse permet à la fois l'évacuation des résidus de liant et l'équilibrage des pressions internes garantissant la stabilité de la forme de l'ébauche de pièce. Le déliantage, selon les matériaux utilisés pour le liant, peut être chimique, avec emploi de solvants appropriés, ou thermique. Le reste du liant est éliminé dans un second temps qui est généralement combiné à l'opération de frittage qui suit, pour éviter toute contrainte susceptible d'en affecter la cohésion. Pour cette raison ce second temps est généralement effectué par voie thermique. The next step is to debond the blank. The purpose of this operation is to extract at first a part of the components of the binder of the blank without deforming the latter. The removal of a portion of the binder leads to the production of a porous structure formed of the metal particles bound by the residual binder. The porous structure allows both the evacuation of the binder residues and the balancing of the internal pressures ensuring the stability of the shape of the blank part. Debinding, according to the materials used for the binder, can be chemical, with the use of appropriate solvents, or thermal. The remainder of the binder is removed in a second time which is generally combined with the sintering operation which follows, to avoid any stress likely to affect the cohesion. For this reason this second time is usually done thermally.
Pour l'opération de frittage, l'ébauche est chauffée dans un four jusqu'à une température proche mais inférieure à la température de fusion du matériau métallique. For the sintering operation, the blank is heated in an oven to a temperature close to but less than the melting temperature of the metallic material.
La température, la durée du traitement et l'atmosphère dans le four sont contrôlées de manière à ce que les particules métalliques se lient entre elles par diffusion. Les pores de la structure sont réduits progressivement et la pièce se densifie pendant cette étape. La densification conduit généralement à un retreint de la pièce qui peut être de l'ordre de 10 à 20%. La valeur du rétreint dépend du taux de vide initial avant frittage et du rapport entre le volume de matériau métallique et celui de liant dans la pièce crue. Elle dépend aussi du taux de densification opéré. The temperature, the duration of the treatment and the atmosphere in the oven are controlled so that the metal particles bind to each other by diffusion. The pores of the structure are gradually reduced and the room becomes denser during this stage. Densification generally leads to a contraction of the part which can be of the order of 10 to 20%. The shrinkage value depends on the initial void fraction before sintering and the ratio of the volume of metal material to that of the binder in the green part. It also depends on the rate of densification made.
La pièce issue du frittage peut être utilisée telle quelle ou bien soumise à d'autres traitements en fonction de l'application visée. La pièce peut par exemple être soumise à un traitement de compression isostatique à chaud (CIC) qui conduira généralement à une augmentation encore de la densité de la pièce. Le taux atteint peut être de 100%. Pendant ce traitement la pièce est soumise à une température comprise entre 800 et 1200°C associée à une pression allant jusqu'à 150 atm. La technique MIM présente de nombreux avantages. - Les propriétés mécaniques des pièces sont comparables à celles des produits issus du forgeage. Ainsi par rapport à la technique de fabrication en fonderie, fonderie à la cire perdue par exemple, utilisée majoritairement pour les aubages de turbomachine, cette technique conduit à une amélioration des performances mécaniques. - L'état de finition après frittage permet le cas échéant une utilisation directe de la pièce. Ainsi par rapport à des pièces obtenues par fonderie, la technique permet une amélioration de la précision fonctionnelle de celles-ci ne nécessitant pas ou peu d'usinage. - Le coût est favorable par la réalisation de séries de fabrication et - La conception des formes à réaliser est très flexible. 35 Elle est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces en grande série, et plus particulièrement à celle de pièces de faible masse. The part resulting from the sintering can be used as it is or subjected to other treatments depending on the intended application. For example, the workpiece may be subjected to hot isostatic pressing (CIC) treatment which will generally lead to further increase in workpiece density. The rate achieved can be 100%. During this treatment, the part is subjected to a temperature of between 800 and 1200 ° C. combined with a pressure of up to 150 atm. The MIM technique has many advantages. - The mechanical properties of parts are comparable to those of forging products. Thus compared to the foundry fabrication technique, lost wax foundry for example, used mainly for turbomachine blades, this technique leads to an improvement in mechanical performance. - The finishing state after sintering allows the use of the workpiece if necessary. Thus compared to parts obtained by foundry, the technique allows an improvement in the functional accuracy thereof that does not require or little machining. - The cost is favorable by the realization of series of manufacture and - The design of the forms to realize is very flexible. It is particularly suitable for mass production of parts, and more particularly for parts of low mass.
Dans la majorité des cas, le procédé MIM permet de satisfaire à des exigences de tolérance stricte. Il présente cependant des difficultés de mise en oeuvre lorsque par exemple la pièce à fabriquer est de forme à la fois complexe et élancée, c'est-à-dire de forme allongée, fine, de section évolutive sur sa longueur, et présentant notamment des parties de faible épaisseur. C'est le cas en particulier des aubes de turbomachine. D'une part, la manipulation de l'ébauche crue une fois extraite du moule d'injection, pendant les opérations de déliantage et avant frittage est délicate en raison de la fragilité, d'autre part, pendant le frittage, la pièce subit une réduction dimensionnelle plus importante dans le sens de la longueur par rapport aux autres dimensions ce qui entraîne des déformations de la pièce et son fluage. Déposer la pièce sur un support pendant ces opérations ne convient pas dans la mesure où celui-ci n'évolue pas de la même façon durant ces différentes phases. In the majority of cases, the MIM process makes it possible to satisfy strict tolerance requirements. However, it presents difficulties of implementation when for example the part to be manufactured is of shape both complex and slender, that is to say of elongated, thin, evolutionary section along its length, and having in particular thin parts. This is the case in particular turbomachine blades. On the one hand, the handling of the green blank once extracted from the injection mold, during debinding operations and before sintering is difficult because of the fragility, on the other hand, during sintering, the part undergoes a dimensional reduction greater in the direction of the length compared to other dimensions which causes deformations of the part and its creep. To deposit the piece on a support during these operations is not suitable insofar as this one does not evolve in the same way during these different phases.
La présente invention vise à la mise au point d'un procédé adapté en particulier à la fabrication de pièces de forme élancée et complexes tridimensionnellement. The present invention aims at the development of a method adapted in particular to the manufacture of slender and complex parts three-dimensionally.
Le procédé de fabrication, selon l'invention, d'une pièce métallique par moulage par injection de métal comprenant les étapes suivantes : préparation d'un mélange de particules métalliques et de liant thermoplastique, réalisation d'une ébauche crue par moulage du mélange dans un moule, déliantage et frittage de l'ébauche, est caractérisé par le fait qu'on réalise un support mécanique à partir d'un mélange de poudre conformé de façon à supporter l'ébauche le long d'une surface de contact, on dispose l'ébauche sur le support mécanique et on procède au frittage de l'ensemble formé par l'ébauche sur son support mécanique. The manufacturing method, according to the invention, of a metal part by injection molding of metal comprising the following steps: preparation of a mixture of metal particles and thermoplastic binder, production of a green blank by molding the mixture in a mold, debinding and sintering of the blank, is characterized by the fact that a mechanical support is made from a mixture of powder shaped so as to support the blank along a contact surface; the blank on the mechanical support and sintering of the assembly formed by the blank on its mechanical support.
Le support est notamment réalisé par injection d'un mélange de poudre et de liant dans un moule de support. The support is in particular made by injecting a mixture of powder and binder into a support mold.
Le procédé tel que revendiqué présente les avantages liées à la technique MIM tout en permettant son application aux pièces de forme élancée et en évitant tout risque de fluage de la pièce. Le support mécanique étant de même structure que la pièce, elle accompagne les déformations de la pièce pendant les différentes phases du procédé. The method as claimed has the advantages of the MIM technique while allowing its application to slender shaped parts and avoiding any risk of creep of the piece. The mechanical support being of the same structure as the part, it accompanies the deformations of the part during the different phases of the process.
Notamment, lorsque l'ébauche est de forme allongée, elle repose sur le support mécanique, sur ladite surface de contact, dans le sens de sa longueur.40 Ainsi, dans ce cas, le procédé s'applique avantageusement à la fabrication d'une aube de turbomachine. In particular, when the blank is of elongated shape, it rests on the mechanical support, on said contact surface, in the direction of its length. Thus, in this case, the method advantageously applies to the manufacture of a turbomachine dawn.
Afin de faciliter les manipulations de la pièce, le support présente une portion de surface d'appui plane formant une base qui vient en contact avec la sole du four de déliantage et du four de frittage. In order to facilitate handling of the workpiece, the support has a flat bearing surface portion forming a base which comes into contact with the sole of the debinding furnace and the sintering furnace.
De préférence, afin d'assurer un comportement identique pendant les phases du procédé, le support est réalisé à partir du même mélange que l'ébauche. Preferably, in order to ensure identical behavior during the phases of the process, the support is made from the same mixture as the blank.
Conformément à une autre caractéristique, l'ébauche et le support mécanique sont déliantés au moins partiellement après qu'ils ont été extraits de leur moule respectif, et avant que l'ébauche soit mise en place sur le support mécanique. According to another feature, the blank and the mechanical support are debonded at least partially after they have been extracted from their respective mold, and before the blank is placed on the mechanical support.
Afin d'éviter tout risque de solidarisation intempestive, le support est traité de manière à ne pas adhérer à la pièce ou à la sole du four de déliantage et de frittage. Le traitement consiste en l'application d'un agent anti-diffusant ou d'un lubrifiant. To avoid any risk of inadvertent connection, the support is treated so as not to adhere to the room or the sole of the debinding and sintering furnace. The treatment consists of the application of an anti-diffusing agent or a lubricant.
Conformément à une variante de procédé, l'ensemble de l'ébauche et du support sur lequel il est posé subit un déliantage thermique avant frittage. According to a variant of the process, all of the blank and the support on which it is laid undergoes thermal debinding before sintering.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will appear more clearly in the following detailed explanatory description of an embodiment of the invention given as a purely illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying schematic drawings.
Sur ces dessins : La figure 1 représente une aube de turbomachine susceptible d'être fabriquée selon le procédé, La figure 2 représente, vue de profil, l'ébauche d'une pièce reposant sur un support, La figure 3 est une coupe transversale selon la direction 3-3 de l'ensemble représenté sur la figure 2, La figure 4 est un diagramme des étapes du procédé MIM selon l'invention de fabrication d'une pièce. In these drawings: FIG. 1 represents a turbomachine blade that can be manufactured according to the method, FIG. 2 is a profile view showing the blank of a part resting on a support, FIG. the direction 3-3 of the assembly shown in Figure 2, Figure 4 is a diagram of the steps of the MIM method according to the invention for manufacturing a part.
La figure 1 montre une aube 1 de turbomachine, ici une aube mobile de turbine, qui est susceptible d'être produite selon le procédé MIM de l'invention. Cette aube est de forme élancée avec une pale 7 dont la longueur et le vrillage peuvent être important. La pale est comprise entre une plateforme 5 du côté du pied 3, et un talon ou une plateforme 9 du côté radialement extérieur par rapport au pied. FIG. 1 shows a turbine engine blade 1, in this case a turbine blade, which can be produced according to the MIM method of the invention. This blade is slender in shape with a blade 7 whose length and twisting may be important. The blade is between a platform 5 on the side of the foot 3, and a heel or platform 9 on the radially outer side relative to the foot.
Le procédé vise la fabrication d'une aube mais aussi plus généralement des pièces dont la longueur est très largement supérieure à sa largeur et dont en outre, comme c'est le cas pour une aube de turbomachine, la section transversale présente une relative faible épaisseur. The process aims to manufacture a blade but also more generally parts whose length is much greater than its width and furthermore, as is the case for a turbomachine blade, the cross section has a relatively thin .
En raison de la faible épaisseur de la pale et de sa longueur par rapport à celle-ci, les manipulations pendant les différentes qui mènent du moulage de l'ébauche crue de la pièce à son chauffage pendant l'opération de frittage, sont susceptibles de générer des fissures, des déformations ou son fluage. Tous les défauts conduisent à la mise au rebut de la pièce. Afin de se prémunir des défauts causés par les manipulations on propose conformément à l'invention de supporter la pièce pendant les opérations critiques pour la tenue de cette dernière. Plus particulièrement le support de la pièce doit pouvoir évoluer dimensionnellement comme la pièce afin de la supporter en tout point jusqu'à la phase de consolidation. Because of the small thickness of the blade and its length relative thereto, the manipulations during the various which lead to the molding of the green blank of the part to its heating during the sintering operation, are likely to generate cracks, deformations or creep. All defects lead to the scrapping of the part. In order to guard against defects caused by manipulations, it is proposed in accordance with the invention to support the workpiece during critical operations for holding the workpiece. More particularly the support of the part must be able to evolve dimensionally as the part to support it in all points until the consolidation phase.
Les figures 2 et 3 montrent la pièce, ici l'aube 1 de la figure 1 posée sur le support 20 dans le sens de sa plus dimension c'est à dire ici la hauteur de l'aube.la pale 7 de l'aube comprend une face intrados 7i, une face extrados 7e un bord d'attaque 7a et un bord de fuite 7f. Le support est réalisé dans la même matière que l'aube. Il comporte une embase plane 20b sur laquelle il repose à plat. L'aube repose sur le support le long d'une surface d'appui. Figures 2 and 3 show the piece, here the blade 1 of Figure 1 placed on the support 20 in the direction of its dimension, that is to say here the height of the dawn.the blade 7 of dawn comprises an intrados face 7i, an extrados face 7e a leading edge 7a and a trailing edge 7f. The support is made in the same material as dawn. It comprises a flat base 20b on which it rests flat. The dawn rests on the support along a bearing surface.
Cette surface comprend au moins les parties les plus minces de l'aube c'est à dire la pale 7. Comme on le voit sur la coupe 3-3, la face intrados repose sur la face 20i du support qu'elle vient épouser. L'aube s'appuie également par une partie du pied 3 et une partie du talon 9 sur des surfaces de forme complémentaire. Le contact peut être continu le long des surfaces sur lesquelles l'aube repose mais il peut être non continu dans la mesure où le maintien de la partie de l'aube correspondante est suffisant. This surface comprises at least the thinnest parts of the blade, that is to say the blade 7. As seen on the section 3-3, the intrados face rests on the face 20i of the support it comes to marry. The blade is also supported by a portion of the foot 3 and a portion of the heel 9 on surfaces of complementary shape. The contact can be continuous along the surfaces on which the dawn rests but it can be non-continuous to the extent that the maintenance of the corresponding part of the blade is sufficient.
L'aube en l'état d'ébauche est mise en place sur son support après avoir été moulée et l'aube et son support subissent ensemble les phases ultérieures du procédé jusqu'à ce que la pièce soit suffisamment solide pour tenir droite seule, telle qu'après frittage de l'ébauche. The dawn in the rough state is put in place on its support after being molded and the blade and its support together undergo the subsequent phases of the process until the piece is strong enough to stand straight alone, such as after sintering the blank.
Il est nécessaire de traiter l'une ou l'autre des surfaces en contact afin que l'opération de frittage notamment n'entraîne pas la solidarisation de la pièce à son support. Un traitement par un anti-diffusant ou un lubrifiant de type Al2O3 ou Ni3B peuvent convenir. It is necessary to treat one or other of the surfaces in contact so that the sintering operation in particular does not cause the attachment of the part to its support. Treatment with an anti-diffusing agent or a lubricant of Al2O3 or Ni3B type may be suitable.
En se reportant au diagramme de la figure 4, les étapes du procédé sont les suivantes. Referring to the diagram of FIG. 4, the steps of the method are as follows.
On prépare, étape I, un mélange homogène de poudre métallique, de faible granulométrie, et de liant thermoplastique. Le métal dépend de l'application visée. Dans le cas d'une aube de turbomachine, on vise les alliages de Nickel, les alliages de Titane et les Aciers. Le liant choisi est adapté en conséquence. Par exemple le liant peut être composé d'un mélange de PMMA et de cyclohéxane. Step I prepares a homogeneous mixture of metal powder, small particle size, and thermoplastic binder. The metal depends on the intended application. In the case of a turbomachine blade, Nickel alloys, titanium alloys and steels are targeted. The chosen binder is adapted accordingly. For example, the binder may be composed of a mixture of PMMA and cyclohexane.
Le mélange est introduit par des moyens appropriés tels qu'une vis sans fin dans un moule pour chacune des deux, étapes II et III: la pièce et le support. Il peut s'agir d'un même moule avec des compartiments adaptés. Les empreintes sont pour la pièce, celle de la pièce finie et tenant compte de la réduction de volume après frittage, pour le support celle du support tenant compte de la surface sur laquelle va reposer l'ébauche crue de la pièce. The mixture is introduced by suitable means such as an endless screw into a mold for each of the two steps II and III: the workpiece and the support. It can be the same mold with adapted compartments. The imprints are for the part, that of the finished part and taking into account the reduction of volume after sintering, for the support that of the support taking into account the surface on which the green rough part of the piece will rest.
L'ébauche crue de la pièce est déliantée, étape IV, partiellement par voie chimique ou thermique. Il en est de même pour le support, étape V. La pièce et le support sont suffisamment résistants pour pouvoir être manipulés et pour le support être préparé en étape VI. L'antidiffusant est déposé sur les surfaces, 20i et 20b venant au contact de l'aube et de la sole du four respectivement. The green rough part is debonded, step IV, partially chemically or thermally. It is the same for the support, step V. The part and the support are sufficiently resistant to be handled and for the support to be prepared in step VI. The antidiffusant is deposited on the surfaces 20i and 20b coming into contact with the blade and the oven bottom respectively.
On met en place l'ébauche crue sur le support, étape VII, et on procède au déliantage thermique de l'ensemble, étape VIII. Les éléments particulaires qui composent la pièce notamment sont en partie liés par le traitement thermique de préfrittage. The raw blank is placed on the support, step VII, and the thermal debinding of the assembly is carried out, step VIII. The particulate elements that make up the room in particular are partly linked by the pre-sintering heat treatment.
L'ensemble est ensuite mis dans un four de frittage, étape IX où il est soumis à une température élevée, qui est de l'ordre de 1200 à 1350°C pour les alliages à base Nickel et les aciers et une température inférieure pour les alliages base Titane. Pendant cette phase, les deux composants : pièce et support subissent une évolution dimensionnelle parallèle et la pièce reste en appui sur son support. De cette façon toutes les contraintes qui seraient capables de conduire à une déformation de la pièce sont absorbées par le support. Après frittage on peut séparer la pièce de son support. Elle ne risque plus de subir de déformation. The assembly is then put into a sintering furnace, step IX where it is subjected to a high temperature, which is of the order of 1200 to 1350 ° C for nickel-based alloys and steels and a lower temperature for Titanium base alloys. During this phase, the two components: part and support undergo a parallel dimensional evolution and the part remains in support on its support. In this way all the stresses that would be able to lead to deformation of the part are absorbed by the support. After sintering, the part can be separated from its support. She is no longer at risk of deformity.
Selon les besoins, on améliore telle propriété, de tenue mécanique ou thermique de la pièce issue du four de frittage par un traitement thermique approprié, par exemple, ou par compression isostatique à chaud qui est une technique connue en soi, étape X. Depending on the needs, one improves such property, mechanical or thermal strength of the part from the sintering furnace by a suitable heat treatment, for example, or by hot isostatic compression which is a technique known per se, step X.
Selon une variante du procédé le déliantage thermochimique est effectué sans préfrittage de la pièce. Dans ce cas la pièce est positionnée sur son support uniquement durant le cycle de frittage. According to a variant of the method the thermochemical debinding is carried out without pre-sintering of the part. In this case the part is positioned on its support only during the sintering cycle.
L'invention s'applique à la fabrication de toute pièce élancée. Dans le cas d'aubages, ceux-ci peuvent être pleins, avec des trous de ventilation et/ou des passages pour instrumentation.20 The invention applies to the manufacture of any slender piece. In the case of bladders, these can be full, with ventilation holes and / or instrumentation passages.
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