FR2985521A1 - Producing copper alloy used in aeronautics, comprises fragmenting initial alloy to obtain elemental fragments, mechanically synthesizing fragments by grinding the fragments in ball mill with high energy and flash sintering obtained powders - Google Patents
Producing copper alloy used in aeronautics, comprises fragmenting initial alloy to obtain elemental fragments, mechanically synthesizing fragments by grinding the fragments in ball mill with high energy and flash sintering obtained powders Download PDFInfo
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Abstract
Description
La présente invention concerne le domaine des alliages à base de cuivre. La présente invention trouvera son application principalement dans le domaine de la fabrication des alliages à 5 base de cuivre présentant un très haut niveau de caractéristiques mécaniques. L'invention concerne plus particulièrement un procédé, dont les étapes et les paramètres permettent l'obtention d'un alliage présentant un très haut niveau de caractéristiques mécaniques. 10 L'invention concerne également un alliage obtenu par ledit procédé. Traditionnellement, il est connu de l'état de la technique de fabriquer des alliages comprenant à la fois du cuivre et du béryllium. Ces alliages sont reconnus pour présenter des 15 caractéristiques de résistance mécanique et de conductivité électrique exceptionnelles pour un alliage à base de cuivre. Un tel alliage peut par exemple consister en un alliage CuBe2 à 98% de cuivre et 2% de béryllium suivant la norme AMS 4533:C17200 Cependant, le béryllium présente l'inconvénient d'être 20 hautement toxique. En effet, ce métal est susceptible de provoquer une maladie appelée maladie chronique du béryllium, ou bérylliose, qui affecte les poumons et peut évoluer vers une insuffisance cardio-respiratoire grave. De plus, plusieurs études ont montré qu'une exposition au béryllium pouvait 25 entrainer l'apparition de cancers pulmonaires. De ce fait, le béryllium et ses dérivés sont classés en tant que substances cancérigènes. Il est donc nécessaire de remplacer les alliages comprenant du béryllium, tout en conservant un haut niveau de caractéristiques mécaniques. 30 Il existe également des alliages de cuivre sans béryllium présentant des caractéristiques mécaniques équivalentes à celles de l'alliage CuBe2. Un tel alliage peut par exemple comporter, outre du cuivre, du nickel Ni et de l'étain Sn, comme le CuNil5Sn8. Ce dernier est un alliage connu pour présenter un 35 durcissement élevé par décomposition spinodale en combinant des traitements thermiques et des opérations de transformation à froid, mais l'opération de transformation à froid nécessaire pour passer d'une limite élastique de 800 MPa à 1000 MPa ne peut être mise en oeuvre si la dimension remarquable du produit (diamètre et/ou épaisseur) dépasse largement 50 mm. The present invention relates to the field of copper-based alloys. The present invention will find its application mainly in the field of the manufacture of copper-based alloys having a very high level of mechanical characteristics. The invention more particularly relates to a method, the steps and parameters of which make it possible to obtain an alloy having a very high level of mechanical characteristics. The invention also relates to an alloy obtained by said process. Traditionally, it is known from the state of the art to make alloys comprising both copper and beryllium. These alloys are known to exhibit outstanding strength and electrical conductivity characteristics for a copper-based alloy. Such an alloy may for example consist of a CuBe2 alloy with 98% copper and 2% beryllium according to AMS 4533: C17200. However, beryllium has the disadvantage of being highly toxic. Indeed, this metal is likely to cause a disease called chronic beryllium disease, or berylliosis, which affects the lungs and can progress to severe cardiorespiratory failure. In addition, several studies have shown that exposure to beryllium can lead to the development of lung cancers. As a result, beryllium and its derivatives are classified as carcinogens. It is therefore necessary to replace the alloys comprising beryllium, while maintaining a high level of mechanical characteristics. There are also beryllium-free copper alloys having mechanical characteristics equivalent to those of the CuBe2 alloy. Such an alloy may for example comprise, in addition to copper, nickel Ni and tin Sn, such as CuNil5Sn8. The latter is an alloy known to exhibit high spinodal decomposition curing by combining heat treatments and cold-forming operations, but the cold-converting operation required to move from an elastic limit of 800 MPa to 1000 MPa. can not be implemented if the remarkable size of the product (diameter and / or thickness) exceeds 50 mm.
Des procédés permettant de travailler les métaux afin d'obtenir des poudres ou des alliages améliorés sont également connus de l'état de la technique. En particulier, on connait une technique appelée « frittage flash » qui consiste à chauffer une poudre mais sans la mener jusqu'à la fusion. Cette technique combine l'utilisation d'une presse uniaxiale et un passage de courant pulsé de forte intensité et sous faible tension. Des travaux de recherche concernant notamment des poudres métalliques soumises à la technique de frittage flash ont été 15 conduits par des scientifiques (Xie et al., 2003 ; Song et al., 2005 ; Wen et al., 2010). Cependant, les procédés connus de l'état de la technique ne permettent pas d'obtenir un alliage à base de cuivre, présentant un très haut niveau de caractéristiques mécaniques. 20 L'invention offre la possibilité de pallier les divers inconvénients de l'état de la technique en proposant un procédé qui permet d'obtenir un alliage à base de cuivre, constituant une alternative aux alliages cuivre-beryllium existants, et répondant à un certain requis concernant un très haut niveau de 25 caractéristiques mécaniques à atteindre. A cet effet, la présente invention concerne un procédé pour l'obtention d'un alliage cuivreux à très haut niveau de caractéristiques mécaniques à partir d'un alliage initial caractérisé en ce que : 30 on fragmente ledit alliage initial pour obtenir des fragments élémentaires qui correspondent à des morceaux de l'alliage initial, on procède à une étape de mécano-synthèse sur lesdits fragments élémentaires, la mécano-synthèse consistant en un 35 broyage desdits fragments à haute énergie, ledit broyage étant obtenu par chocs mécaniques de billes sur lesdits fragments dans un broyeur, la mécano-synthèse permettant l'obtention de poudres dont les particules présentent des structures cristallines avec une taille nanométrique. on effectue une étape de frittage flash consistant à consolider les poudres obtenues lors de l'étape précédente en les soumettant à un courant de forte intensité, basse tension et haute fréquence. On entend par structure cristalline, ou structure d'un cristal, l'arrangement des atomes dans un cristal, lesdits 10 atomes se répétant périodiquement dans l'espace. Selon un mode de réalisation, la fragmentation dudit alliage est réalisée à partir de pièces brutes, telles que des lingots, des barres ou des tôles. Selon un exemple différent la fragmentation dudit alliage 15 peut être obtenue par pulvérisation de l'alliage liquide. De façon particulièrement intéressante, le procédé selon la présente invention est mis en oeuvre sur un alliage initial cuivre-aluminium-nickel-fer, ou d'un alliage cuivre-nickelaluminium, ou d'un alliage cuivre-nickel-silicium. 20 Préférentiellement, le procédé peut notamment être mis en oeuvre sur un alliage cuivreux CuA111Ni5Fe5 dont la composition massique comporte, outre le cuivre, sensiblement 11% d'aluminium et sensiblement 5% de nickel et sensiblement 5% de fer. De façon particulièrement préférentielle, un additif de 25 broyage est ajouté à la poudre lors de l'étape de mécano-synthèse, ledit additif consistant en un acide organique choisi parmi l'acide stéarique et/ou l'acide oléique. Plus avantageusement encore, ledit additif est ajouté dans une proportion comprise entre 0.1 et 1% du poids de la poudre, 30 et de préférence la proportion d'additif est sensiblement égale à 0.5% du poids de la poudre. Selon un autre exemple de réalisation avantageux, une céramique agglomérée présentant une structure nanométrique est ajoutée à la poudre lors de l'étape de mécano-synthèse, ladite 35 céramique consistant en de l'oxyde d'aluminium A1202 et/ou de l'oxyde de titane TiO2 et/ou de l'oxyde de zirconium Zr02. Methods for working metals to obtain improved powders or alloys are also known from the state of the art. In particular, we know a technique called "flash sintering" which consists of heating a powder but without leading to the merger. This technique combines the use of a uniaxial press and a pulsed current passage of high intensity and low voltage. Research involving, in particular, metal powders subjected to the flash sintering technique has been conducted by scientists (Xie et al., 2003, Song et al., 2005, Wen et al., 2010). However, the methods known from the state of the art do not make it possible to obtain a copper-based alloy having a very high level of mechanical characteristics. The invention offers the possibility of overcoming the various drawbacks of the state of the art by proposing a process which makes it possible to obtain a copper-based alloy, constituting an alternative to existing copper-beryllium alloys, and meeting a certain required for a very high level of mechanical characteristics to be achieved. To this end, the present invention relates to a process for obtaining a cuprous alloy with a very high level of mechanical characteristics from an initial alloy characterized in that: said original alloy is fragmented to obtain elementary fragments which correspond to pieces of the initial alloy, a mechano-synthesis step is carried out on said elementary fragments, the mecanosynthesis consisting of a grinding of said high energy fragments, said grinding being obtained by mechanical shocks of balls on said fragments in a mill, the mechano-synthesis to obtain powders whose particles have crystalline structures with a nanometric size. a flash sintering step is carried out consisting in consolidating the powders obtained in the previous step by subjecting them to a current of high intensity, low voltage and high frequency. By crystalline structure, or structure of a crystal, is meant the arrangement of atoms in a crystal, said atoms periodically repeating themselves in space. According to one embodiment, the fragmentation of said alloy is made from raw parts, such as ingots, bars or sheets. According to a different example, the fragmentation of said alloy can be obtained by spraying the liquid alloy. In a particularly interesting way, the process according to the present invention is carried out on an initial copper-aluminum-nickel-iron alloy, or a copper-nickelaluminium alloy, or a copper-nickel-silicon alloy. Preferably, the process may in particular be carried out on a cuprous alloy CuA111Ni5Fe5 whose mass composition comprises, in addition to copper, substantially 11% of aluminum and substantially 5% of nickel and substantially 5% of iron. In a particularly preferred manner, a grinding additive is added to the powder during the mechano-synthesis step, said additive consisting of an organic acid chosen from stearic acid and / or oleic acid. More preferably, said additive is added in a proportion of between 0.1 and 1% by weight of the powder, and preferably the proportion of additive is substantially equal to 0.5% of the weight of the powder. According to another advantageous exemplary embodiment, an agglomerated ceramic having a nanometric structure is added to the powder during the mechano-synthesis step, said ceramic consisting of aluminum oxide A1202 and / or oxide titanium TiO 2 and / or zirconium oxide ZrO 2.
Plus préférentiellement encore, ladite céramique est ajoutée à la poudre dans une proportion comprise entre 1 et 5% du poids de ladite poudre et de préférence entre 1 et 2%. Selon encore un mode de réalisation différent, des poudres 5 activées ou non activées sont introduites à la poudre traitée lors de l'étape de mécano-synthèse pour obtenir une structure duale comportant une phase dure et une phase ductile, lesdites poudres activées consistant en des poudres qui ont déjà été broyées préalablement par mécano-synthèse et lesdites poudres 10 non activées étant des poudres qui n'ont pas encore été broyées. On entend par phase dure une phase comportant une fraction volumique en particules nanométriques importante tandis que, par opposition, une phase ductile présente une fraction volumique nanométrique faible. 15 De façon particulièrement avantageuse, les poudres activées ou non activées sont introduites à la poudre lors de l'étape de mécano-synthèse dans des proportions comprise entre 10 et 70% du poids de ladite poudre. Selon un exemple de réalisation particulièrement 20 préférentiel du procédé selon la présente invention, l'étape de mécano-synthèse est mise en oeuvre dans un broyeur planétaire comportant au moins un disque rotatif supportant des conteneurs de broyage chargés de fragments élémentaires à traiter, ledit disque rotatif tournant dans un sens à une vitesse de rotation 25 comprise entre 250 et 400 tours/min et les conteneurs de broyage tournant dans le sens inverse à une vitesse de rotation comprise entre 100 et 200 tours/min. De façon intéressante, la durée de l'étape de mécano-synthèse est comprise entre lh et 30h. 30 Selon encore un autre mode de réalisation préférentiel, les paramètres appliqués lors de l'étape de frittage flash sont les suivants : - une pression initiale de 2kN, - une pression de consolidation comprise entre 10 et 25 kN, 35 - une température de consolidation comprise entre 450°C et 950°C, de préférence entre 750°C et 875°C, - une montée en température sensiblement égale à 100°C/min, - une durée de maintien de la température de consolidation comprise entre ls et 900s, de préférence comprise entre 120 et 180 s. More preferably still, said ceramic is added to the powder in a proportion of between 1 and 5% of the weight of said powder and preferably between 1 and 2%. According to yet another embodiment, activated or unactivated powders are introduced to the treated powder during the mechano-synthesis step to obtain a dual structure comprising a hard phase and a ductile phase, said activated powders consisting of powders which have already been ground beforehand by mechanical synthesis and said unactivated powders being powders which have not yet been crushed. The term "hard phase" is understood to mean a phase comprising a nanometric particle volume fraction while, in contrast, a ductile phase has a low nanometric volume fraction. Particularly advantageously, the activated or unactivated powders are introduced into the powder during the mechano-synthesis step in proportions of between 10 and 70% of the weight of said powder. According to a particularly preferred embodiment of the process according to the present invention, the mechano-synthesis step is carried out in a planetary mill comprising at least one rotary disc supporting grinding containers loaded with elementary fragments to be treated, said disc rotary mill rotating in one direction at a rotation speed of between 250 and 400 rpm and grinding containers rotating in the opposite direction at a rotational speed of between 100 and 200 rpm. Interestingly, the duration of the mechano-synthesis step is between 1h and 30h. According to yet another preferred embodiment, the parameters applied during the flash sintering step are the following: an initial pressure of 2kN, a consolidation pressure of between 10 and 25 kN, a consolidation temperature. between 450 ° C. and 950 ° C., preferably between 750 ° C. and 875 ° C., a temperature rise substantially equal to 100 ° C./min, a duration of maintenance of the consolidation temperature of between 1s and 900s. preferably between 120 and 180 s.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement les différentes étapes du procédé, la figure 2 représente le schéma de principe d'un spectromètre de DNPA (Diffusion de Neutrons aux Petits Angles). Other features and advantages of the invention will emerge from the following detailed description of non-limiting embodiments of the invention, with reference to the appended figures in which: FIG. 1 schematically illustrates the various steps of the method, the FIG. 2 represents the schematic diagram of a spectrometer of DNPA (Small-angle Neutron scattering).
Le procédé selon la présente invention concerne notamment des alliages à base de cuivre et comportant également, en particulier mais non limitativement, du nickel et/ou de l'aluminium et/ou d'autres constituants tels que le fer, l'étain, le silicium, le chrome, le manganèse. Le niveau requis en termes de caractéristiques mécaniques à atteindre en appliquant le procédé selon l'invention, par exemple sur un alliage initial, appelé NCS, comportant du cuivre, de l'aluminium, du nickel et du fer, est le suivant : une résistance à la rupture (Rm) comprise sensiblement entre 800 et 1200 MPa (méga Pascals), et/ou une limite conventionnelle d'élasticité correspondant à un allongement à 0.2% (Re 0.2) sensiblement supérieure à 800 Mpa, et/ou une dureté Vickers (HV) sensiblement supérieure à 310, - et/ou un allongement (A%) sensiblement supérieur à 2% De façon particulièrement avantageuse, le procédé selon la présente invention permet à l'alliage NCS auquel il est appliqué 35 de réunir toutes les caractéristiques mécaniques susmentionnées, notamment pour des applications dans le domaine de l'aéronautique. En comparaison, le même alliage NCS élaboré suivant un procédé classique présente des caractéristiques mécaniques plus faibles : une résistance Rm de 900 MPa, une limite conventionnelle d'élasticité Re 0,2 de 680 MPa, une dureté Vickers HV de 255 et un allongement A% de 6%. Ces caractéristiques sont insuffisantes pour un alliage destiné à fabriquer une pièce utilisée dans l'aéronautique. The method according to the present invention relates in particular to alloys based on copper and also including, in particular but not limited to, nickel and / or aluminum and / or other constituents such as iron, tin, nickel and / or aluminum. silicon, chromium, manganese. The required level in terms of mechanical characteristics to be achieved by applying the method according to the invention, for example on an initial alloy, called NCS, comprising copper, aluminum, nickel and iron, is the following: a resistance at rupture (Rm) substantially between 800 and 1200 MPa (mega Pascals), and / or a conventional yield strength corresponding to an elongation at 0.2% (Re 0.2) substantially greater than 800 MPa, and / or a Vickers hardness (HV) substantially greater than 310, and / or an elongation (A%) substantially greater than 2%. Particularly advantageously, the method according to the present invention allows the NCS alloy to which it is applied to combine all the characteristics. mentioned above, in particular for applications in the field of aeronautics. In comparison, the same conventional NCS alloy has lower mechanical properties: a 900 MPa Rm resistance, a 680 MPa Re 0.2 conventional yield strength, a 255 Vickers HV hardness and an A elongation. % of 6%. These characteristics are insufficient for an alloy intended to manufacture a part used in aeronautics.
Le paramètre Rm est défini comme étant la limite de la résistance à la rupture, c'est-à-dire l'effort de traction à partir duquel l'éprouvette de traction atteint la rupture. La limite conventionnelle d'élasticité Re 0.2% correspond à la contrainte à partir de laquelle un matériau arrête de se déformer d'une manière élastique, réversible, et commence donc à se déformer de manière irréversible. La dureté Vickers, ou HV, d'un alliage est quant à elle mesurée par l'empreinte faite par une pyramide en diamant sous une charge donnée durant 15 secondes. Enfin, l'allongement à la rupture ou allongement pour cent, noté A%, définit la capacité d'un alliage à s'allonger avant de se rompre lorsqu'il est sollicité en traction. Plus particulièrement, les alliages auxquels peut être appliqué le procédé selon la présente invention peuvent être des alliages cuivreux normalisés dont l'une et/ou l'autre caractéristique mécaniques ne répondent pas au niveau requis pour une certaine application. Par exemple, les alliages à base de cuivre sur lesquels peut être mis en oeuvre le procédé afin d'obtenir un alliage présentant des caractéristiques mécaniques exceptionnelles sont notamment: les alliages cuivre-Nickel-aluminium (Cu-Ni-A1) : par exemple, l'alliage dénommé K5 qui comporte environ 80% de cuivre, 14% de nickel et 3% d'aluminium. les alliages cuivre-nickel-silicium (Cu-Ni-Si) : en particulier, l'alliage noté NS30 qui est constitué de 88% de cuivre environ, 7% de nickel, 4% de silicium et également de 1% de chrome. les alliages cuivre-aluminium-nickel-fer (Cu-Al-NiFe) : par exemple, l'alliage NCS qui est composé d'environ 70% de cuivre, 11% d'aluminium, 5% de nickel et 5% de fer. L'alliage sur lequel est appliqué le procédé peut également être le CuA111Ni5Fe5 qui présente une dureté Vickers de 230 ou 270 avec un traitement thermique ou encore le CuA111Ni5Fe5 avec une dureté Vickers de 370 obtenus par un écrouissage à froid. Un tel alliage comporte des proportions de 11% en poids d'aluminium, 5% en poids de nickel, 5% en poids de fer, et le restant de cuivre. Les caractéristiques mécaniques d'un métal ou d'un alliage sont déterminées par la structure microscopique de celui-ci, et en particulier par l'interaction entre les mouvements des dislocations et leur environnement micro-structural. Le but de l'invention est donc d'améliorer les caractéristiques mécaniques d'un alliage en modifiant les mouvements et la nature des dislocations mais sans totalement entraver celles-ci sous peine d'obtenir un alliage trop fragile. Il faut donc introduire, par l'intermédiaire de traitements mécaniques et/ou thermiques, des défauts cristallins à l'intérieur de l'alliage ; ceux-ci peuvent consister en 25 particulier en des nanostructures et/ou des nanoparticules générées in situ ou introduites, telles que des joints de grain, des nanoparticules d'oxydes ou de carbure, des interphases, des dislocations, des substitutions atomiques, des précipités, etc. Ainsi, de façon particulièrement intéressante, le procédé 30 selon la présente invention permet d'obtenir un alliage dans lequel notamment des défauts cristallins ont été introduits afin de faire obstacle à la propagation des dislocations. Le procédé selon la présente invention comporte donc avantageusement une première étape qui consiste en une 35 fragmentation d'un alliage initial permettant d'obtenir des fragments élémentaires. Ces derniers correspondent à des morceaux de l'alliage initial et présentent typiquement une taille comprise sensiblement entre 1 et 10 mm après l'étape de fragmentation. La fragmentation est préférentiellement conduite sur des pièces brutes, qui sont fabriquées à partir de l'alliage initial dont on souhaite améliorer les caractéristiques mécaniques. En particulier, de telles pièces brutes peuvent consister en des lingots bruts de coulée, des barres ou des tôles issues notamment de la transformation de lingots de coulée. The parameter Rm is defined as being the limit of the tensile strength, that is to say the tensile force from which the tensile specimen reaches the rupture. The conventional elastic limit Re 0.2% corresponds to the stress from which a material stops deforming in an elastic, reversible manner, and thus begins to irreversibly deform. The Vickers hardness, or HV, of an alloy is measured by the impression made by a diamond pyramid under a given load for 15 seconds. Finally, the elongation at break or percentage elongation, denoted A%, defines the capacity of an alloy to elongate before breaking when it is stressed in tension. More particularly, the alloys to which the method according to the present invention can be applied may be standardized cuprous alloys of which one and / or the other mechanical characteristics do not meet the level required for a certain application. For example, the copper-based alloys on which the process can be used to obtain an alloy having exceptional mechanical characteristics are in particular: copper-nickel-aluminum alloys (Cu-Ni-Al): for example, the alloy called K5 which comprises about 80% copper, 14% nickel and 3% aluminum. copper-nickel-silicon alloys (Cu-Ni-Si): in particular, the alloy noted NS30 which consists of approximately 88% copper, 7% nickel, 4% silicon and also 1% chromium. copper-aluminum-nickel-iron (Cu-Al-NiFe) alloys: for example, the NCS alloy which is composed of about 70% copper, 11% aluminum, 5% nickel and 5% iron . The alloy on which the process is applied can also be CuA111Ni5Fe5 which has a Vickers hardness of 230 or 270 with a heat treatment or else CuA111Ni5Fe5 with a Vickers hardness of 370 obtained by a cold work hardening. Such an alloy has proportions of 11% by weight of aluminum, 5% by weight of nickel, 5% by weight of iron, and the balance of copper. The mechanical characteristics of a metal or an alloy are determined by the microscopic structure thereof, and in particular by the interaction between dislocation movements and their micro-structural environment. The object of the invention is therefore to improve the mechanical characteristics of an alloy by modifying the movements and the nature of the dislocations but without totally hindering them, otherwise obtaining a too fragile alloy. It is therefore necessary to introduce, through mechanical and / or thermal treatments, crystalline defects within the alloy; these may consist in particular of nanostructures and / or nanoparticles generated in situ or introduced, such as grain boundaries, nanoparticles of oxides or carbides, interphases, dislocations, atomic substitutions, precipitates etc. Thus, in a particularly advantageous manner, the process according to the present invention makes it possible to obtain an alloy in which, in particular, crystalline defects have been introduced in order to prevent the propagation of dislocations. The method according to the present invention thus advantageously comprises a first step which consists of a fragmentation of an initial alloy making it possible to obtain elementary fragments. These latter correspond to pieces of the initial alloy and typically have a size of substantially between 1 and 10 mm after the fragmentation step. The fragmentation is preferably carried out on raw parts, which are manufactured from the initial alloy whose mechanical characteristics are to be improved. In particular, such blanks may consist of raw casting ingots, bars or sheets derived in particular from the transformation of ingots.
Cependant, un tel mode de réalisation n'est pas limitatif de l'invention. Par exemple, en alternative de la fragmentation réalisée sur des pièces solides brutes de l'alliage considéré, les fragments peuvent être obtenus par pulvérisation de métal liquide. However, such an embodiment is not limiting of the invention. For example, as an alternative to the fragmentation carried out on raw solid parts of the alloy in question, the fragments can be obtained by spraying liquid metal.
Il n'est pas nécessaire que les fragments élémentaires aient chacun la composition exacte de l'alliage considéré. Dans ce cas il faudra mélanger des fragments de différentes compositions pour que le mélange ait la composition requise. Il existe plusieurs conditions de fragmentation, et celles-20 ci peuvent nécessiter ou pas un traitement thermique fragilisant préalable. Ce traitement thermique peut consister par exemple en un traitement de trempe. L'étape de fragmentation selon la présente invention permet donc notamment d'obtenir des fragments élémentaires à partir de 25 pièces solides. Avantageusement, il n'est pas nécessaire de mélanger des fragments de différentes compositions, puisque que chaque fragment présente la composition de la pièce solide de départ. D'autre part, la pièce de départ peut être rendue fragile avant fragmentation, ce qui favorise la génération de 30 défauts cristallins dans chaque fragment et la rupture de couches d'oxydes de surface qui seraient susceptibles de gêner les étapes ultérieures du procédé. Les divers types de fragmentation pouvant être appliqués dans le procédé selon la présente invention ont été optimisés et 35 varient en fonction de l'alliage de départ sur lequel est mis en oeuvre le procédé. It is not necessary that the elementary fragments each have the exact composition of the alloy under consideration. In this case, it will be necessary to mix fragments of different compositions so that the mixture has the required composition. There are several fragmentation conditions, and these may or may not require a prior embrittling heat treatment. This heat treatment may for example consist of a quenching treatment. The fragmentation step according to the present invention therefore makes it possible in particular to obtain elementary fragments from solid pieces. Advantageously, it is not necessary to mix fragments of different compositions, since each fragment has the composition of the starting solid part. On the other hand, the starting piece can be made fragile before fragmentation, which favors the generation of crystalline defects in each fragment and the rupture of surface oxide layers which would be likely to hinder the subsequent steps of the process. The various types of fragmentation that can be applied in the process according to the present invention have been optimized and vary depending on the starting alloy on which the process is carried out.
En effet, selon un exemple particulier, le procédé est mis en oeuvre sur des alliages dont les compositions ont été détaillées précédemment et pour lesquels des modes préférentiels du procédé selon l'invention ont été déterminés. Cependant, la mise en oeuvre du procédé sur ce type d'alliage n'est pas limitative de l'invention. En effet, ledit procédé peut également être appliqué à d'autres types d'alliages. Les différents types de fragmentation pouvant être effectués seront détaillés dans les exemples ci-dessous qui 10 décrivent des modes de réalisation préférentiels mais non limitatifs du procédé selon l'invention. La seconde étape du procédé consiste en une étape dite de «mécano-synthèse ». Cette étape de mécano-synthèse consiste en l'application, 15 dans un broyeur, d'une succession de chocs mécaniques de billes sur les fragments élémentaires obtenus par l'étape préliminaire de fragmentation. En cas d'utilisation de fragments élémentaires présentant des compositions différentes, l'étape de mécano synthèse va 20 permettre avantageusement d'assurer la synthèse des poudres. L'application de ces chocs mécanique va permettre l'obtention de poudres micrométriques à partir de fragments élémentaires présentant une taille millimétrique (entre lmm et lOmm). Les poudres obtenues présentent donc des grains de 25 poudre, ou particules, de taille micrométrique ; de plus, lesdites particules présentent des structures cristallines comportant des singularités avec une taille de l'ordre du nanomètre. Les poudres obtenues après l'étape de mécano-synthèse sont donc dénommées poudres micrométriques nanostructurées ou 30 poudres nanostructurées. Avantageusement, la mécano-synthèse permet d'éviter tous risques liés à l'exposition de nanoparticules. Les particules avant mécano-synthèse sont millimétriques (typiquement 1 à lOmm). Après mécano synthèse les poudres sont composées de 35 particules micrométriques qui présentent avantageusement toutes - 10- la même composition ; de plus, lesdites particules sont nanostructurées. Ces poudres obtenues par mécano-synthèse sont caractérisées par une énergie stockée qui conduit à une activation mécanique pouvant faciliter une étape de consolidation ultérieure. Cette étape peut alors être mise en oeuvre à des températures plus faibles et pendant une durée raccourcie. Un autre avantage de la technique de mécano-synthèse réside dans le fait que celle-ci permet d'obtenir des matériaux en des 10 quantités qui s'expriment en kilogrammes, voire en tonnes. De façon avantageuse, l'étape de mécano-synthèse est mise en oeuvre dans un appareillage de type « broyeur planétaire ». Le broyeur planétaire est constitué d'au moins un disque rotatif qui supporte des conteneurs de broyage, encore appelés 15 jarres, dans lesquels sont placés les fragments élémentaires issus de l'étape de fragmentation et qui doivent être broyés sous forme de poudre. Les jarres du broyeur planétaire contiennent avantageusement des billes de broyage qui peuvent notamment être 20 des billes d'oxyde ou des billes en carbure de tungstène ou d'acier dur. Le nombre et le diamètre desdites billes de broyage peuvent varier, en particulier en fonction de l'alliage initial sur lequel est mis en oeuvre le procédé selon la présente invention. Cela permet avantageusement d'optimiser au maximum 25 l'étape de mécano-synthèse. Dans le procédé selon l'invention, préférentiellement, les billes qui servent à broyer les fragments puis la poudre peuvent présenter un diamètre de 15mm et/ou de 12mm et/ou de 8mm et/ou de 4mm. Ainsi, la mécano-synthèse peut être effectuée soit en 30 présence d'un seul type de billes, soit de plusieurs types de billes. Typiquement, chacune des jarres du broyeur est remplie avec la même quantité de poudre qui doit être broyée, par exemple chacune des jarres contient 10g de ladite poudre. 35 Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le broyage est effectué avec une vitesse de rotation du disque rotatif comprise entre 250 et 400 tours/min et selon un sens de rotation particulier. Plus préférentiellement encore, cette vitesse est sensiblement proche de 350 tours/min. Préférentiellement, les conteneurs de broyage dans lesquels est placée la poudre à broyer tournent à une vitesse de rotation comprise entre 100 et 200 tours/min dans le sens inverse du disque de rotation. Pendant cette étape de broyage, les fragments puis les poudres vont continuellement être aplatis, fracturés et soudés. 10 La fracture et la soudure des poudres constituent les étapes critiques pour obtenir un mélange homogène desdites poudres. Les paramètres appliqués lors du procédé selon l'invention, et particulièrement lors de l'étape de fragmentation ou de mécano-synthèse, conduisent à une stabilisation de la 15 nanostructure des poudres obtenues. En effet, la combinaison des vitesses de rotation utilisées lors du présent procédé et des diamètres du disque rotatif, des jarres ou encore des billes de broyage, va générer différentes trajectoires et forces d'impacts qui vont permettre d'atteindre 20 le but recherché, à savoir la réduction de la taille des particules, ou grains, des poudres broyées. De manière avantageuse, l'étape de mécano-synthèse est mise en oeuvre pendant une durée pouvant varier entre lh et 30h. Une telle durée permet d'obtenir une structure optimale des poudres 25 broyées. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, un additif de broyage est ajouté à la poudre qui est en cours de broyage lors de l'étape de mécano-synthèse. Cet additif de broyage consiste en un acide organique choisi parmi l'acide 30 oléique et/ou l'acide stéarique. Plus particulièrement, l'acide oléique est un acide gras mono-insaturé tandis que l'acide stéarique est un acide gras saturé. Lors de l'étape de mécano synthèse, certains alliages 35 présentant une structure ductile, c'est-à-dire avec une capacité à se déformer plastiquement sans se rompre, ont tendance à - 12 - s'agglomérer aux médias du broyeur (billes et conteneurs) et à s'agréger pour former des particules de taille importante, pouvant atteindre plusieurs millimètres de diamètre. L'additif de broyage doit donc permettre d'éviter une telle agrégation, qui consiste en un soudage à froid des particules. Ainsi, en présence d'additif, les poudres obtenues sont plus fines. De façon particulièrement préférentielle, ces acides organiques sont ajoutés à la poudre traitée, dans les conteneurs du broyeur planétaire, dans une proportion comprise entre 0.1% et 1% du poids de ladite poudre traitée. Plus préférentiellement encore, la proportion en acide organique ajoutée est sensiblement proche de 0.5% du poids de la poudre traitée. De façon particulièrement avantageuse, ces acides organiques vont entrainer la formation d'un film d'une part à la surface des grains de la poudre, et d'autre part sur la face interne des jarres ou conteneurs de broyage ainsi qu'à la surface des billes de broyage. La formation d'un tel film entraine un changement dans la nature chimique des surfaces qu'il recouvre. Cela va permettre avantageusement d'éviter la soudure à froid des grains, de la poudre mais également de ralentir le processus d'agglomération des grains entre eux. Ainsi, les poudres obtenues sont plus fines ce qui va participer à l'amélioration des caractéristiques mécaniques de l'alliage traité. Indeed, according to a particular example, the process is carried out on alloys whose compositions have been detailed above and for which preferred modes of the method according to the invention have been determined. However, the implementation of the method on this type of alloy is not limiting of the invention. Indeed, said method can also be applied to other types of alloys. The various types of fragmentation that can be carried out will be detailed in the examples below which describe preferred but non-limiting embodiments of the method according to the invention. The second step of the process consists of a step called "mechano-synthesis". This mechano-synthesis step consists in the application, in a mill, of a succession of mechanical shocks of beads on the elementary fragments obtained by the preliminary fragmentation step. In case of use of elementary fragments having different compositions, the mechano-synthesis step will advantageously make it possible to ensure the synthesis of the powders. The application of these mechanical shocks will make it possible to obtain micrometric powders from elementary fragments having a millimetric size (between 1 mm and 10 mm). The powders obtained thus have grains of powder, or particles, of micrometric size; in addition, said particles have crystalline structures having singularities with a size of the order of one nanometer. The powders obtained after the mechano-synthesis step are therefore called nanostructured micrometric powders or nanostructured powders. Advantageously, the mechano-synthesis makes it possible to avoid all risks related to the exposure of nanoparticles. The particles before mechano-synthesis are millimetric (typically 1 to 10 mm). After mechanical synthesis the powders are composed of micrometric particles which advantageously all have the same composition; in addition, said particles are nanostructured. These powders obtained by mechano-synthesis are characterized by a stored energy which leads to a mechanical activation that can facilitate a subsequent consolidation step. This step can then be carried out at lower temperatures and for a shorter time. Another advantage of the mechano-synthesis technique lies in the fact that it makes it possible to obtain materials in quantities which are expressed in kilograms, or even in tons. Advantageously, the mechano-synthesis step is carried out in a "planetary mill" apparatus. The planetary mill consists of at least one rotating disc which supports grinding containers, also called jars, in which are placed the elementary fragments from the fragmentation step and which must be ground into powder form. The jars of the planetary mill advantageously contain grinding balls which may in particular be oxide balls or balls of tungsten carbide or hard steel. The number and the diameter of said grinding balls can vary, in particular according to the initial alloy on which the method according to the present invention is implemented. This advantageously makes it possible to optimize the mechano-synthesis step as much as possible. In the process according to the invention, preferably, the balls which serve to grind the fragments and then the powder may have a diameter of 15 mm and / or 12 mm and / or 8 mm and / or 4 mm. Thus, the mechanosynthesis may be carried out either in the presence of a single type of bead or of several types of bead. Typically, each of the jars of the mill is filled with the same amount of powder that is to be milled, for example each jar contains 10 g of said powder. According to a particularly advantageous embodiment, the grinding is carried out with a speed of rotation of the rotating disc of between 250 and 400 revolutions / min and in a particular direction of rotation. More preferably still, this speed is substantially close to 350 rpm. Preferably, the grinding containers in which the grinding powder is placed rotate at a rotation speed of between 100 and 200 revolutions / min in the opposite direction of the rotation disc. During this grinding step, the fragments and then the powders will continuously be flattened, fractured and welded. Fracture and powder welding are the critical steps to obtain a homogeneous mixture of said powders. The parameters applied during the process according to the invention, and particularly during the fragmentation or mechano-synthesis step, lead to a stabilization of the nanostructure of the powders obtained. Indeed, the combination of the rotational speeds used in the present process and the diameters of the rotating disk, jars or grinding balls, will generate different trajectories and impact forces that will achieve the desired goal, namely the reduction of the size of the particles, or grains, crushed powders. Advantageously, the mechano-synthesis step is carried out for a duration that can vary between 1 h and 30 h. Such a duration makes it possible to obtain an optimal structure of the ground powders. According to a particularly advantageous embodiment, a grinding additive is added to the powder which is being grinded during the mechano-synthesis step. This grinding additive consists of an organic acid selected from oleic acid and / or stearic acid. More particularly, oleic acid is a monounsaturated fatty acid while stearic acid is a saturated fatty acid. During the mechano-synthesis step, certain alloys having a ductile structure, that is to say with an ability to deform plastically without breaking, tend to agglomerate with the media of the mill (balls). and containers) and to aggregate to form large particles, up to several millimeters in diameter. The grinding additive must therefore make it possible to avoid such aggregation, which consists of a cold welding of the particles. Thus, in the presence of additive, the powders obtained are finer. In a particularly preferred manner, these organic acids are added to the treated powder in the planetary mill containers in a proportion of between 0.1% and 1% by weight of the said treated powder. More preferably still, the proportion of organic acid added is substantially close to 0.5% of the weight of the treated powder. In a particularly advantageous manner, these organic acids will cause the formation of a film on the one hand on the surface of the grains of the powder, and on the other hand on the inner surface of the jars or grinding containers as well as on the surface. grinding balls. The formation of such a film causes a change in the chemical nature of the surfaces it covers. This will advantageously prevent the cold welding of the grains, the powder but also slow down the process of agglomeration of grains between them. Thus, the powders obtained are thinner which will contribute to the improvement of the mechanical characteristics of the treated alloy.
Cependant, il était également très important d'optimiser la quantité d'acide organique ajoutée à la poudre. En effet, si l'on ajoute une quantité inadaptée de cet acide, en particulier une quantité trop importante dudit acide organique, celui-ci est alors susceptible de gêner le broyage des poudres. Cela s'explique par le fait que la présence d'un film à la surface des billes, des poudres et des conteneurs de broyage, modifie les coefficients de friction des surfaces et une quantité trop importante d'acide organique peut gêner le bon déroulement du broyage des poudres. However, it was also very important to optimize the amount of organic acid added to the powder. Indeed, if we add an unsuitable amount of this acid, in particular too much of said organic acid, it is then likely to interfere with the grinding of the powders. This is explained by the fact that the presence of a film on the surface of the balls, powders and grinding containers modifies the friction coefficients of the surfaces and a too large amount of organic acid can hinder the smooth running of the surface. grinding powders.
De façon avantageuse, on procède à un premier temps de broyage, ou mécano-synthèse, en l'absence d'acide organique puis - 13 - à un second temps de broyage pendant lequel la poudre broyée est mélangée, dans le conteneur de broyage, audit acide. En particulier, le moment de l'introduction de l'acide organique à la poudre broyée correspond à une durée de broyage 5 variant de 4 à 20h. Autrement dit, l'acide organique est ajouté à la poudre lorsque celle-ci a déjà subi un broyage pendant une durée allant de 4h à 20h. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon la présente invention, il est également avantageux, dans le but 10 d'augmenter encore les caractéristiques mécaniques, d'ajouter des céramiques agglomérées présentant une structure nanométrique à la poudre en cours de broyage lors de l'étape de mécano-synthèse. Lesdites céramiques consistent préférentiellement en des oxydes agglomérés de structure nanométrique et/ou en des 15 carbures. En effet, les poudres nanostructurées peuvent présenter une instabilité structurale inhérente à leur structure. Il convient alors, pour stabiliser ces poudres nanostructurées, de ralentir ou arrêter la croissance de la taille des grains. Pour cela, il 20 est avantageux d'introduire des céramiques à la poudre broyée durant l'étape de mécano-synthèse. Préférentiellement, ces céramiques ajoutées consistent en de l'oxyde d'aluminium A1202 et/ou de l'oxyde de titane TiO2 et/ou de l'oxyde de zirconium Zr02. 25 Ces oxydes vont participer à la formation d'inclusions de seconde phase qui vont agir comme des sites d'arrêt pour les joints de grain. Ainsi, grâce à l'ajout des céramiques, notamment des oxydes, la croissance de la taille des grains va être 30 considérablement ralentie. Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon la présente invention, les céramiques sont ajoutées dans une proportion préférentielle comprise entre 1 et 5% du poids de la poudre broyée. Plus préférentiellement encore, cette proportion 35 est sensiblement comprise entre 1 et 2%. - 14 - Selon encore un autre exemple de réalisation avantageux du présent procédé, des poudres activées ou non activées peuvent également être ajoutées à la poudre qui est broyée durant la mécano-synthèse. Advantageously, a first milling time, or mechano-synthesis, is carried out in the absence of organic acid and then at a second milling time during which the milled powder is mixed in the milling container. acid audit. In particular, the time of introduction of the organic acid to the ground powder corresponds to a grinding time varying from 4 to 20 hours. In other words, the organic acid is added to the powder when it has already undergone grinding for a period of 4h to 20h. According to another embodiment of the process according to the present invention, it is also advantageous, with the aim of further increasing the mechanical characteristics, to add agglomerated ceramics having a nanometric structure to the powder being grinded during the process. step of mechano-synthesis. Said ceramics preferably consist of agglomerated oxides of nanometric structure and / or carbides. Indeed, the nanostructured powders may have a structural instability inherent in their structure. It is then necessary, to stabilize these nanostructured powders, to slow down or stop the growth of the grain size. For this, it is advantageous to introduce ceramics to the milled powder during the mechano-synthesis step. Preferably, these added ceramics consist of aluminum oxide Al 2 O 2 and / or titanium oxide TiO 2 and / or zirconium oxide ZrO 2. These oxides will participate in the formation of second phase inclusions which will act as stopping sites for the grain boundaries. Thus, thanks to the addition of ceramics, in particular oxides, the growth of the grain size will be considerably slowed down. According to a particular embodiment of the process according to the present invention, the ceramics are added in a preferential proportion of between 1 and 5% of the weight of the ground powder. More preferably still, this proportion is substantially between 1 and 2%. According to yet another advantageous embodiment of the present process, activated or unactivated powders may also be added to the powder which is ground during the mechano-synthesis.
Les poudres activées consistent en des poudres qui ont déjà subit une étape de mécano-synthèse. Avantageusement, cette étape de mécano-synthèse permettant d'obtenir les poudres activées est d'une durée plus courte, typiquement 2h. Au contraire, les poudres non activées n'ont pas subit d'étape préalable de broyage par mécano-synthèse. La mise en contact entre la poudre broyée et la poudre activée ou non activée se fait préférentiellement au cours de l'étape de mécano-synthèse. Cependant, un tel mode de réalisation n'est pas limitatif ; en effet, une telle mise en contact peut également avoir lieu à un autre moment du procédé, notamment au cours du remplissage du conteneur à frittage. L'introduction de ces poudres activées ou non permet d'obtenir une structure duale. Pour mémoire, la structure duale d'un alliage est une structure dans laquelle une distinction peut être faite entre une phase dure, appelée la martensite, et une phase ductile, la ferrite. La présence d'une structure duale au sein de l'alliage par introduction de poudres activées ou non permet encore d'augmenter les caractéristiques mécaniques de l'alliage obtenu. The activated powders consist of powders that have already undergone a mechano-synthesis step. Advantageously, this mechano-synthesis step making it possible to obtain the activated powders is of shorter duration, typically 2 hours. On the other hand, the unactivated powders have not undergone a prior grinding step by mechano-synthesis. The contact between the milled powder and the activated or non-activated powder is preferentially done during the mechano-synthesis step. However, such an embodiment is not limiting; indeed, such contacting can also take place at another time of the process, especially during the filling of the sintering container. The introduction of these activated powders or not allows to obtain a dual structure. For the record, the dual structure of an alloy is a structure in which a distinction can be made between a hard phase, called martensite, and a ductile phase, ferrite. The presence of a dual structure within the alloy by introduction of activated powders or not further increases the mechanical characteristics of the alloy obtained.
Préférentiellement, les poudres activées ou non activées sont ajoutées à la poudre broyée, par exemple dans le conteneur de broyage, dans une proportion comprise entre 10 et 70% du poids de ladite poudre broyée. L'étape de mécano-synthèse est donc une étape essentielle du procédé selon la présente invention. Elle permet de façon avantageuse, d'obtenir des poudres présentant une nanostructure, c'est-à-dire une certaine proportion de particules présentant des nanostructures dont la taille est de l'ordre du nanomètre, voire de la dizaine de nanomètre. Ces nanostructures sont avantageusement conservées, au moins en partie, lors de la mise - 15 - en oeuvre de l'étape suivante du procédé, qui consiste en une consolidation. La troisième étape du présent procédé consiste donc en la consolidation des poudres nanostructurées, également appelée 5 « frittage-flash ». Cette étape permet une densification de la poudre obtenue après le broyage par mécano-synthèse, mais sans mener ladite poudre jusqu'à la fusion. Sous l'effet de l'énergie, les grains vont se souder entre eux, sans aller jusqu'à la fusion, permettant ainsi la cohésion de la pièce et 10 la consolidation des poudres. Le frittage flash, également appelé SPS pour Spark Plasma Sintering, est particulièrement avantageux par rapport à un frittage traditionnel à chaud car il propose des temps de travail réduits et donc une meilleure conservation des 15 nanostructures développées durant la mécano-synthèse. Le principe de la technique de frittage flash repose sur l'utilisation d'une presse uni-axiale et sur la combinaison de celle-ci avec le passage d'un courant pulsé de forte intensité, pouvant être compris entre 5000 et 15000A, et sous faible 20 tension, typiquement inférieure à 50V, de préférence de l'ordre de 10 à 20V. Le frittage flash est également préférentiellement réalisé à haute fréquence, par exemple de l'ordre de 1000Hz. La pression appliquée lors de cette étape de frittage flash, également appelée pression de consolidation, est 25 relativement faible, de préférence comprise entre 10 et 25kN et plus préférentiellement encore entre 16 et 23kN. Préférentiellement, le frittage flash est réalisé sous vide par courant pulsé directement à travers les poudres issues de la mécano-synthèse. 30 Un des avantages de la mise en oeuvre d'une étape de frittage flash réside dans le fait que cette étape est très rapide ; en effet, la densification des grains de la poudre est effectuée à l'échelle de la minute. Au contraire, les procédés classiques de densification nécessitent en général 35 approximativement lh pour permettre une consolidation de l'alliage. - 16 - Ainsi, de façon particulièrement préférentielle, l'étape de frittage flash est mise en oeuvre sur les poudres obtenues après l'étape de mécano-synthèse pendant une durée comprise sensiblement entre 1 et 900 secondes et plus préférentiellement encore entre 120 et 180 secondes. Une telle durée de maintien de la température de consolidation permet d'obtenir un alliage présentant des caractéristiques mécaniques optimales. A ce propos, la température de consolidation appliquée durant cette étape de frittage flash est avantageusement comprise entre 450°C et 950°C, et plus avantageusement encore, cette température de consolidation est comprise entre 750°C et 875°C. Selon un exemple de réalisation particulièrement 15 intéressant de l'étape de frittage flash, la montée en température est sensiblement de 100°C/min. Préférentiellement, la pression des pistons initiale appliquée lors de la consolidation par frittage est de 2 kN. Selon un mode préféré, pour procéder à l'étape de frittage 20 flash, on remplit manuellement un conteneur de graphite présentant un diamètre de 20 mm avec une masse de poudre broyée, issue de l'étape de mécano-synthèse, ladite masse étant préférentiellement comprise entre 5 et 10g. De façon avantageuse, des étapes intermédiaires peuvent 25 être introduites au cours du processus de consolidation des poudres par frittage flash. Par exemple, un dégazage peut être effectué, celui-ci correspondant à une mise en pression retardée. Il est également prévu de pouvoir réaliser un maintien en pallier de température, notamment à une température 30 sensiblement proche de 450°C, pendant une durée approximative de 3 min et à une pression de 5kN. Enfin, il est possible de mettre en oeuvre une phase de montée en température, sans appliquer de pression, et d'appliquer uniquement une pression finale lorsque la température maximale est atteinte. 35 Le procédé selon la présente invention est donc tout particulièrement intéressant car il permet, une fois l'étape de - 17 - mécano-synthèse terminée, l'obtention de poudres nanostructurées, c'est-à-dire comportant des particules présentant des structures cristallines allant sensiblement du nanomètre à une dizaine de nanomètre. La présence de cette 5 nanostructure, qui est avantageusement conservée durant l'étape ultérieure de consolidation par frittage flash, et qui peut être renforcée par la présence des nanoparticules de céramique, permet d'obtenir un alliage qui présente de très hautes caractéristiques mécaniques, très supérieures à celles du même 10 alliage élaboré de façon traditionnelle. Les nanostructures des alliages non dopés, c'est-à-dire obtenus par le procédé selon l'invention mais sans ajout de céramiques, ont été étudiées par la technique de Diffusion de Neutrons aux Petits Angles (DNPA) qui permet de détecter des 15 particules ou des fines inhomogénéités à l'échelle du nanomètre. Pour les alliages métalliques, la technique de DNPA permet d'obtenir des informations statistiques quantitatives, par exemple la taille moyenne et distribution de tailles, la forme, ou encore la fraction volumique, sur des particules de taille 20 nanométrique dans des échantillons de dimensions macroscopiques, de l'ordre du centimètrecube. Cette technique est particulièrement intéressante pour l'étude de matériaux obtenus par mécano-synthèse car elle permet de suivre l'évolution de la nanostructure à chaque étape de 25 l'élaboration c'est-à-dire après broyage ou après traitement de consolidation par frittage flash. Le principe de la technique est le suivant : si un faisceau monochromatique de neutrons thermiques est envoyé sur un échantillon solide contenant des hétérogénéités ou des 30 nanoparticules, le faisceau transmis est élargi, et cet élargissement est en gros inversement proportionnel à la dimension moyenne des particules. La technique de DNPA a été mise en oeuvre notamment sur les alliages NCS et K5, dont les compositions sont détaillées 35 précédemment, après que ceux-ci aient été soumis aux différentes - 18 - étapes du procédé selon la présente invention décrites ci-dessus. Plus particulièrement, cette technique a permis de suivre l'évolution de la structure interne de l'alliage, au cours des différentes étapes du procédé, et particulièrement lorsque l'alliage est à l'état brut (avant mécano-synthèse), puis à l'état de poudre (après mécano-synthèse) et enfin à l'état consolidé (après l'étape de frittage-flash). Le schéma de principe d'un spectromètre de DNPA est 10 représenté sur la figure 2 annexée. Les premières séries de mesures ont été effectuées sur des échantillons dont la taille et le pourcentage de nanoparticules sont connus. Ceci a permis de valider la technique utilisée dans les alliages cuivreux. Ces alliages « témoins » testés sont un 15 alliage Cu-0.7%Cr-0.05%Zr à durcissement structural ainsi qu'un alliage Cu-A1203 à dispersoïdes. Les résultats de ces analyses ont permis de montrer que, pour les alliages testés K5 et NCS non dopés, c'est-à-dire dans lesquels il n'y a pas eu ajout de céramiques, le signal diffusé 20 est très important et résulte de la distribution de tailles d'objets nanostructurées différentes. Les résultats relatifs à chacun des alliages sont détaillés dans les exemples suivants, qui sont destinés à illustrer les modes de réalisation préférentiels du procédé selon la présente invention et ne sont 25 en aucun cas limitatifs de l'invention. Exemple 1 : Application du procédé sur l'alliage NCS non dopé 30 A partir de lingots bruts obtenus avec l'alliage noté NCS dont la composition est listée précédemment, une étape de prébroyage est réalisée en effectuant un usinage par fraisage. Cet usinage conduit à la formation de copeaux qui présentent une forme de serpentins dont la longueur totale varie entre 60 et 35 100 mm pour une largeur approximative de 5mm. Ces serpentins sont ensuite fragmentés avec un broyeur à couteaux (Fritsch - - 19 - Labo NRG), et la dimension des fragments obtenus varie entre 1*lmm2 et 7*7mm2, typiquement 2*4mm2. L'épaisseur de ces fragments est inférieure à lmm. Le rendement de l'étape de fragmentation est supérieur à 99.5%. Preferably, the activated or unactivated powders are added to the ground powder, for example in the grinding container, in a proportion of between 10 and 70% by weight of said ground powder. The mechano-synthesis step is therefore an essential step of the method according to the present invention. It advantageously makes it possible to obtain powders having a nanostructure, that is to say a certain proportion of particles having nanostructures whose size is of the order of one nanometer or even ten nanometers. These nanostructures are advantageously preserved, at least in part, during the implementation of the next step of the process, which consists of a consolidation. The third step of the present process therefore consists of the consolidation of the nanostructured powders, also called "flash sintering". This step makes it possible to densify the powder obtained after grinding by mechano-synthesis, but without conducting said powder until melting. Under the effect of energy, the grains will weld together, without going to the fusion, thus allowing the cohesion of the part and the consolidation of the powders. Flash sintering, also called SPS for Spark Plasma Sintering, is particularly advantageous compared with traditional hot sintering because it offers reduced working times and therefore better conservation of the nanostructures developed during the mechano-synthesis. The principle of the flash sintering technique is based on the use of a uni-axial press and on the combination of this one with the passage of a pulsed current of high intensity, which can be between 5000 and 15000A, and under low voltage, typically less than 50V, preferably of the order of 10 to 20V. Flash sintering is also preferably carried out at high frequency, for example of the order of 1000 Hz. The pressure applied during this flash sintering step, also called consolidation pressure, is relatively low, preferably between 10 and 25 kN and even more preferably between 16 and 23 kN. Preferably, the flash sintering is carried out under vacuum by pulsed current directly through the powders resulting from the mechano-synthesis. One of the advantages of implementing a flash sintering step is that this step is very fast; in fact, the densification of the grains of the powder is carried out on a scale of one minute. In contrast, conventional densification methods generally require approximately 1 h to allow consolidation of the alloy. Thus, in a particularly preferred manner, the flash sintering step is carried out on the powders obtained after the mechano-synthesis step for a duration of substantially between 1 and 900 seconds and even more preferably between 120 and 180. seconds. Such a holding time of the consolidation temperature makes it possible to obtain an alloy having optimum mechanical characteristics. In this regard, the consolidation temperature applied during this flash sintering step is advantageously between 450 ° C. and 950 ° C., and more advantageously still, this consolidation temperature is between 750 ° C. and 875 ° C. According to a particularly interesting embodiment of the flash sintering step, the rise in temperature is substantially 100 ° C / min. Preferably, the initial piston pressure applied during consolidation by sintering is 2 kN. According to a preferred embodiment, in order to carry out the flash sintering step, a graphite container having a diameter of 20 mm is manually filled with a ground powder mass, resulting from the mechano-synthesis step, said mass being preferentially between 5 and 10g. Advantageously, intermediate steps can be introduced during the powder consolidation process by flash sintering. For example, degassing can be performed, which corresponds to a delayed pressurization. It is also planned to be able to maintain a temperature range, especially at a temperature substantially close to 450 ° C, for a period of approximately 3 min and a pressure of 5kN. Finally, it is possible to implement a temperature rise phase, without applying pressure, and to apply only a final pressure when the maximum temperature is reached. The method according to the present invention is therefore particularly interesting because it allows, once the mechano-synthesis step is complete, obtaining nanostructured powders, that is to say comprising particles having structures. crystalline particles ranging substantially from nanometer to about ten nanometers. The presence of this nanostructure, which is advantageously preserved during the subsequent consolidation step by flash sintering, and which can be reinforced by the presence of the ceramic nanoparticles, makes it possible to obtain an alloy which has very high mechanical characteristics, very higher than those of the same alloy developed in the traditional way. The nanostructures of the undoped alloys, that is to say obtained by the process according to the invention but without the addition of ceramics, have been studied by the technique of Neutron scattering with small angles (DNPA) which makes it possible to detect particles or fine inhomogeneities at the nanometer scale. For metal alloys, the DNPA technique makes it possible to obtain quantitative statistical information, for example the mean size and size distribution, the shape, or the volume fraction, on nanoscale particles in samples of macroscopic dimensions. , of the order of centimetercube. This technique is particularly interesting for the study of materials obtained by mechano-synthesis because it makes it possible to follow the evolution of the nanostructure at each stage of the elaboration, that is to say after grinding or after consolidation treatment. flash sintering. The principle of the technique is as follows: if a monochromatic beam of thermal neutrons is sent onto a solid sample containing heterogeneities or nanoparticles, the transmitted beam is enlarged, and this broadening is roughly inversely proportional to the average particle size . The DNPA technique has been implemented in particular on the NCS and K5 alloys, the compositions of which are detailed above, after these have been subjected to the various steps of the process according to the present invention described above. More particularly, this technique made it possible to follow the evolution of the internal structure of the alloy, during the various stages of the process, and particularly when the alloy is in the raw state (before mechano-synthesis), then at the state of powder (after mechano-synthesis) and finally in the consolidated state (after the step of sintering-flash). The schematic diagram of a DNAP spectrometer is shown in appended FIG. The first series of measurements were performed on samples whose size and percentage of nanoparticles are known. This allowed to validate the technique used in copper alloys. These "control" alloys tested are a Cu-0.7% Cr-0.05% Zr alloy with structural hardening and a Cu-A1203 dispersoid alloy. The results of these analyzes have made it possible to show that, for the undoped K5 and NCS tested alloys, that is to say in which there was no addition of ceramics, the diffused signal is very important and results the distribution of sizes of different nanostructured objects. The results relating to each of the alloys are detailed in the following examples, which are intended to illustrate the preferred embodiments of the method according to the present invention and are in no way limiting of the invention. EXAMPLE 1 Application of the Process to the Undoped NCS Alloy From raw ingots obtained with the NCS-listed alloy whose composition is listed above, a pre-milling step is carried out by machining by milling. This machining leads to the formation of chips that have a shape of coils whose total length varies between 60 and 100 mm for an approximate width of 5 mm. These coils are then broken up with a knife mill (Fritsch - Labo NRG), and the size of the fragments obtained varies between 1 * lmm2 and 7 * 7mm2, typically 2 * 4mm2. The thickness of these fragments is less than 1 mm. The yield of the fragmentation step is greater than 99.5%.
Une masse de 10g de ces fragments subit ensuite un broyage dans un broyeur planétaire de type « Vario Mill » de chez Fritsch. Le conteneur de broyage présente un rayon de 32.5mm. Des billes d'acier sont ajoutées dans ledit conteneur de broyage. Plus particulièrement, en ce qui concerne l'alliage 10 NCS, 5 billes d'acier présentant un diamètre de 15 mm sont ajoutées. Les conditions de broyage appliquées sont alors les suivantes : la vitesse de du le plateau de rotation du broyeur tourne à une vitesse de rotation de 350 tours/min dans un sens 15 défini et les conteneurs de broyage tournent dans le sens inverse à une vitesse de 200 tours/min. Le broyage dure 12h. Durant l'étape de broyage, de l'acide stéarique est ajouté dans une proportion de 0.5% en poids de la poudre broyée, soit environ 0.05g d'acide stéarique. Celui-ci est introduit à la 20 poudre broyée 4h après le début du broyage desdites poudres Les conditions de frittage flash appliquées sont les suivantes : une pression initiale des pistons de 2kN une pression de consolidation de 15 à 23kN 25 une température de consolidation de 700 à 800°C une montée en température sensiblement égale à 100°C/min une durée de maintien de la température de 120 et 180 s. 30 Les échantillons obtenus sont alors analysés selon la technique de DNPA. Les résultats obtenus sont les suivants : à l'état consolidé après frittage, on obtient deux distributions de taille présentant une forme sphérique : la première centrée entre 11,8 nm et 15,8 nm et la seconde centrée entre 0,9 nm et 35 2,1 nm. Les proportions respectives de ces particules sont -20- comprises entre 0,03% et 0,081% pour la première distribution et entre 0,024 et 0,11% pour la seconde. A mass of 10 g of these fragments is then milled in a planetary mill type Vario Mill from Fritsch. The grinding container has a radius of 32.5mm. Steel balls are added to said grinding container. More particularly, with respect to the NCS alloy, 5 steel balls having a diameter of 15 mm are added. The grinding conditions applied are then as follows: the speed of the mill rotation plate rotates at a rotation speed of 350 rpm in a defined direction and the grinding containers rotate in the opposite direction at a speed of 200 rpm. The grinding lasts 12 hours. During the grinding stage, stearic acid is added in a proportion of 0.5% by weight of the ground powder, ie approximately 0.05 g of stearic acid. This is introduced to the milled powder 4 hours after the grinding of said powders has started. The flash sintering conditions applied are as follows: an initial pressure of the pistons of 2kN a consolidation pressure of 15 to 23kN a consolidation temperature of 700 at 800 ° C a rise in temperature substantially equal to 100 ° C / min a temperature holding time of 120 and 180 s. The samples obtained are then analyzed according to the DNPA technique. The results obtained are as follows: in the consolidated state after sintering, two size distributions having a spherical shape are obtained: the first centered between 11.8 nm and 15.8 nm and the second centered between 0.9 nm and 35 nm. 2.1 nm. The respective proportions of these particles are between 0.03% and 0.081% for the first distribution and between 0.024 and 0.11% for the second.
Exemple 2 : Application du procédé sur l'alliage K5 non dopé A partir de lingots bruts obtenus avec l'alliage noté K5, une étape de fragmentation est réalisée en effectuant un usinage par fraisage. Des fragments présentant une forme hélicoïdale 10 sont alors obtenus, lesquels présentent une longueur approximative de lOmm pour une largeur d'environ 2 à 3mm et une épaisseur inférieure à lmm. Les fragments d'alliage K5 sont directement utilisables pour être broyés. Une masse de 10g de ces fragments subit ensuite un broyage 15 dans un broyeur planétaire de type « Vario Mill » de chez Fritsch. Le conteneur de broyage présente un rayon de 32.5mm. Des billes d'acier sont ajoutées dans ledit conteneur de broyage. Plus particulièrement, en ce qui concerne l'alliage K5, 5 billes d'acier présentant un diamètre de 15 mm ainsi que 20 25 billes de 4 mm sont ajoutées. Les conditions de broyage appliquées sont équivalentes à celles mises en oeuvre dans l'exemple 2. Durant l'étape de broyage, de l'acide stéarique est ajouté dans une proportion de 0.5% en poids de la poudre broyée, soit 25 environ 0.05g d'acide stéarique. Celui-ci est introduit à la poudre broyée après 4h ou après 8h ou après 10h de broyage. Les conditions de frittage flash appliquées sont les suivantes : une pression initiale des pistons de 2kN 30 une pression de consolidation de 15 à 23kN une température de consolidation de 750 à 850°C une montée en température sensiblement égale à 100°C/min une durée de maintien de la température de 120 à 35 180sec. -21- Après analyse par DNPA, les résultats obtenus sont les suivants : à l'état consolidé, c'est-à-dire après l'étape de frittage, on obtient une première distribution de taille présentant une forme ellipsoïdale dont le rayon moyen équivalent 5 a été calculé : le rayon des particules obtenues est compris entre 12,6 nm et 14,1 nm. La proportion de ces particules ellipsoïdales est comprise entre 0.03% et 0.06% La seconde distribution obtenue concerne des particules sphériques dont le rayon est compris entre 1,9 nm et 2,3 nm. La proportion de ces 10 particules sphériques de l'ordre de 0.04% à 0.09%. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 15 EXAMPLE 2 Application of the Process to the Undoped K5 Alloy From rough ingots obtained with the alloy denoted K5, a fragmentation step is carried out by performing machining by milling. Fragments having a helical shape 10 are then obtained, which have an approximate length of 10 mm for a width of about 2 to 3 mm and a thickness of less than 1 mm. The K5 alloy fragments are directly usable for crushing. A mass of 10 g of these fragments is then milled in a planetary mill of the "Vario Mill" type from Fritsch. The grinding container has a radius of 32.5mm. Steel balls are added to said grinding container. More particularly, with respect to the K5 alloy, 5 steel balls with a diameter of 15 mm and 20 balls of 4 mm are added. The grinding conditions applied are equivalent to those used in Example 2. During the grinding step, stearic acid is added in a proportion of 0.5% by weight of the ground powder, ie approximately 0.05 g of stearic acid. This is introduced to the ground powder after 4 hours or after 8 hours or after 10 hours of grinding. The flash sintering conditions applied are as follows: an initial pressure of the pistons of 2kN a consolidation pressure of 15 to 23kN a consolidation temperature of 750 to 850 ° C a rise in temperature substantially equal to 100 ° C / min a duration maintaining the temperature of 120 to 180sec. After analysis by DNPA, the results obtained are as follows: in the consolidated state, that is to say after the sintering step, a first size distribution having an ellipsoidal shape whose mean radius is obtained equivalent 5 was calculated: the radius of the particles obtained is between 12.6 nm and 14.1 nm. The proportion of these ellipsoidal particles is between 0.03% and 0.06%. The second distribution obtained concerns spherical particles whose radius is between 1.9 nm and 2.3 nm. The proportion of these spherical particles of the order of 0.04% to 0.09%. Of course, the invention is not limited to the examples illustrated and described above which may have variants and modifications without departing from the scope of the invention. 15
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