FR3047189A1 - Procede de fabrication d'une piece frittee obtenue par mise en forme d'une poudre - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece frittee obtenue par mise en forme d'une poudre Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce frittée obtenue à partir d'une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique ou d'un mélange de plusieurs poudres, le procédé comportant les étapes suivantes : la préparation d'une composition comprenant au moins un liant et une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique (étape E1) ou un mélange de plusieurs poudres, la mise en forme de la composition de manière à obtenir une préforme de la pièce à fabriquer (étape E2), le placement de la préforme (étape E3) sur des moyens de maintien situés dans une première chambre d'un dispositif de déliantage par solvant afin de réaliser un déliantage par solvant (étape E4) de la préforme, et le frittage de la préforme (étape E6).

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces frittées obtenues par mise en forme de poudres.
On connaît par exemple les procédés de moulage par injection de poudre (« Powder Injection Molding »), d'extrusion ou de « tape casting », qui mettent notamment en oeuvre la mise en forme d'une poudre mélangée à un liant.
De tels procédés comprennent généralement une étape de préparation d'une composition d'injection (aussi appelée «feedstock») à base de poudre métallique ou céramique et d'au moins un liant (par exemple une résine thermoplastique), une étape de mise en forme de la composition d'injection afin de réaliser une préforme de la pièce à fabriquer (par exemple par injection dans un moule ou par extrusion), une étape d'élimination sélective du liant présent dans la préforme ou déliantage, et une étape de frittage de la préforme obtenue après déliantage afin de la densifier. L'étape de déliantage peut être effectuée notamment par voie solvant et/ou par voie thermique. Le déliantage par solvant consiste à extraire le liant (ou les liants) par immersion dans un bain de solvant (par exemple : eau, éthanol, propanol, hexane, etc.), dans lequel le liant se dissout. Le déliantage thermique consiste quant à lui à soumettre la préforme à différentes températures pour que les dernières traces de liants soient dégradées et éliminées de l'ébauche.
Après plusieurs heures, le déliantage par voie solvant n'est généralement plus efficace car la limite de solubilité (ou la concentration limite) du liant (ou des liants, le cas échéant) dans le solvant a été atteinte, et le solvant est contaminé. Il faut alors remplacer le solvant régulièrement pour obtenir un déliantage par solvant suffisant, ce qui augmente les coûts et la durée d'un cycle de déliantage par solvant, et donc du procédé de fabrication de la pièce.
Il existe donc un besoin pour disposer d'un procédé de fabrication d'une pièce frittée obtenue à partir de la mise en forme d'une poudre, qui ne présente pas les inconvénients précités.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'une pièce frittée obtenue à partir d'une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique ou d'un mélange de plusieurs poudres, le procédé comportant les étapes suivantes : - la préparation d'une composition comprenant au moins un liant et une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique ou un mélange de plusieurs poudres ; - la mise en forme de la composition de manière à obtenir une préforme de la pièce à fabriquer ; - le placement de la préforme sur des moyens de maintien situés dans une première chambre d'un dispositif de déliantage par solvant afin de réaliser un déliantage par solvant de la préforme, le dispositif comprenant : - une deuxième chambre contenant un solvant liquide apte à dissoudre le liant présent dans la préforme, - des moyens de chauffage pour évaporer le solvant liquide contenu dans la deuxième chambre, - un canal d'évaporation débouchant à une extrémité dans la première chambre et à une autre extrémité dans la deuxième chambre, le solvant gazeux évaporé dans la deuxième chambre étant acheminé depuis la deuxième chambre vers la première chambre par ledit canal d'évaporation, - des moyens d'équilibrage de la pression à l'intérieur de la première chambre avec une pression extérieure, - des moyens de condensation situés dans la première chambre pour condenser le solvant gazeux acheminé par le canal d'évaporation dans la première chambre, le solvant liquide condensé par les moyens de condensation étant retenu partiellement par les moyens de maintien de manière à immerger au moins partiellement la préforme et à dissoudre au moins une partie du liant présent dans la préforme dans ledit solvant liquide, - un canal de retour débouchant à une extrémité dans la première chambre et à une autre extrémité dans la deuxième chambre, le solvant liquide condensé étant acheminé depuis la première chambre vers la deuxième chambre par ledit canal de retour ; et - le frittage de la préforme.
Le procédé selon l'invention est d'abord remarquable en ce que l'étape de déliantage par solvant est réalisée dans un dispositif particulier. Dans ce dispositif, le solvant utilisé pour délianter la préforme circule en circuit fermé entre la première chambre et la deuxième chambre, ce qui limite les coûts dus à son remplacement. En d'autres termes, la solution proposée par l'invention permet de recycler le solvant lors du déliantage de la préforme, ce qui réduit aussi la quantité de déchets chimiques générés par le procédé de fabrication.
En outre, le dispositif de déliantage par solvant permet de réduire la durée du cycle de déliantage par solvant. En effet, la préforme maintenue dans le dispositif baigne dans un solvant qui a été évaporé et condensé, et qui est donc exempt de liant dissout. Ainsi, la limite de solubilité du liant dans le solvant n'a pas le temps d'être atteinte autour de la préforme, et le rendement de la dissolution du liant est toujours au plus haut. L'étape de déliantage par solvant est également plus sûre, le dispositif empêchant les fuites de solvant à l'extérieur en le condensant dans la première chambre. En outre, les moyens d'équilibrage de la pression permettent de réduire les risques de surpressions au sein du dispositif.
De préférence, le procédé comporte en outre, avant le frittage de la préforme, un déliantage thermique de la préforme. Le déliantage thermique peut être réalisé avantageusement dans la même enceinte que celle utilisée pour le frittage.
De préférence également, le solvant contenu dans la deuxième chambre est chauffé à une température de chauffe supérieure à une température d'évaporation du solvant, ladite température de chauffe étant inférieure à une température d'évaporation de chaque liant. Ainsi, on évite que du liant dissout se trouvant dans la deuxième chambre, ne retourne dans la première chambre dans laquelle est placée la préforme.
De préférence encore, la première chambre est maintenue à une température inférieure à une température d'évaporation du solvant et supérieure à une température ambiante. Cela permet d'augmenter le rendement de la dissolution du liant dans le solvant.
Selon un exemple de réalisation, le canal d'évaporation traverse les moyens de maintien et débouche au-dessus des moyens de maintien dans la première chambre. Par « au-dessus » on entend à une altitude supérieure à celle des moyens de maintien (relativement à un support sur lequel le dispositif est posé). Ainsi, le solvant évaporé ne rencontre jamais le solvant « sale », c'est-à-dire chargé de liant dissout, qui traverse les moyens de maintien et retourne dans la deuxième chambre. Cela assure que le solvant qui se condense est quasi-pur et augmente le rendement du déliantage par solvant.
Selon un exemple de réalisation, les moyens d'équilibrage de la pression comprennent une soupape communiquant avec la première chambre d'une part, et avec l'extérieur du dispositif de déliantage par solvant d'autre part.
Les moyens de maintien peuvent comprendre une plaque percée, une grille ou une membrane poreuse. Ces moyens de maintien seront dimensionnés de façon à retenir partiellement le solvant condensé pour immerger au moins partiellement la préforme dans le solvant condensé, tout en soutenant la préforme dans la première chambre. L'invention vise également un procédé tel que celui décrit ci-dessus dans lequel la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un aéronef ou dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est un ordinogramme représentant les principales étapes d'un procédé selon l'invention, et - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif de déliantage par solvant.
Description détaillée de l'invention
Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit en référence à l'ordinogramme de la figure 1. Un tel procédé de fabrication d'une pièce frittée à partir d'une poudre mise en forme permet notamment de réduire la quantité de solvant nécessaire durant une étape de déliantage par solvant, et ainsi de réduire les coûts de chaque cycle de fabrication.
De façon connue en soi, dans un procédé de fabrication de pièces frittées à partir de poudres mises en forme, on doit disposer d'une poudre d'un métal, d'un alliage métallique, ou d'une céramique ou d'un mélange de plusieurs poudres, et d'un liant ou d'un mélange de liants.
Le liant peut, de façon connue en soi, comporter un composé par exemple choisi parmi : les paraffines, les résines thermoplastiques, le gel d'agar, la cellulose, le polyéthylène, le polyéthylène glycol, le polypropylène, l'acide stéarique, le polyoxyméthylène, et leurs mélanges.
Une première étape El du procédé consiste à préparer une composition comprenant au moins un liant et une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique (ou un mélange de plusieurs poudres, par exemple : un mélange de poudres métalliques ou en alliage métallique, ou encore de plusieurs poudres céramiques). La composition peut être préparée en mélangeant tous ses constituants, ou en plusieurs étapes en mélangeant successivement chaque liant à la poudre, à des températures de mélange adaptées à chaque liant. Par exemple, un premier liant peut être mélangé à 80°C avec la poudre, puis un deuxième liant est ajouté à 150°C, et un troisième liant à 180°C, la composition étant ensuite mise en forme à cette température.
La mise en forme de la composition (étape E2) peut être réalisée de plusieurs façons connues, par exemple par injection dans un moule régulé en température, par extrusion, par « tape casting », etc. Après refroidissement, la composition d'injection devient plastique pour former une préforme de la pièce à réaliser. On parle ainsi d'une préforme à I' « état vert ». L'étape suivante consiste à délianter la préforme, c'est-à-dire à éliminer sélectivement le liant (ou le mélange de liants) présent dans la préforme. Conformément à l'invention, on réalise d'abord le déliantage par solvant de la préforme, c'est-à-dire que le liant va être dissout dans un solvant adapté. Pour ce faire, on dispose d'un dispositif de déliantage par solvant 1 tel que celui illustré sur la figure 2.
Le dispositif 1 comprend une première chambre 2 dans laquelle sont positionnés des moyens de maintien 3 prenant ici la forme d'une grille 3 occupant toute la section de la chambre. La grille 3 est fixée à mi-hauteur dans la chambre et est maintenue en position horizontale. En variante, les moyens de maintien 3 peuvent être une plaque percée, une membrane poreuse, etc.
Des préformes 4 sont placées sur la grille 3 (étape E3). Dans l'exemple illustré, les préformes 4 sont des préformes d'aubes destinées à être utilisées dans une turbomachine aéronautique (par exemple des aubes de redresseur).
Le dispositif 1 comprend également une deuxième chambre 5 contenant un solvant 6 liquide, qui est apte à dissoudre le liant (ou au moins un liant) présent dans les préformes 4. Le solvant peut par exemple être choisi parmi : eau, éthanol, propanol, hexane, éther, etc. La deuxième chambre 5 est située au-dessous (ou à une altitude plus faible) de la première chambre 2.
La deuxième chambre 5 est chauffée par des moyens de chauffage 7 de sorte que le solvant soit porté à une température supérieure à la température d'évaporation du solvant 6, et inférieure à la température d'évaporation de chaque liant présent dans les préformes 4. De la sorte, seul le solvant présent dans la deuxième chambre 5 est évaporé.
Un canal d'évaporation 8 relie les première 2 et deuxième 5 chambres en débouchant dans la première chambre 2 à une extrémité et dans la deuxième chambre 5 à une autre extrémité. Ce canal 8 est destiné à acheminer le solvant gazeux qui s'est évaporé dans la deuxième chambre 5 vers la première chambre 2. Dans l'exemple illustré, le canal d'évaporation 8 débouche au-dessus de la grille 3 dans la première chambre, et traverse la grille 3.
Les flèches continues sur le schéma de la figure 2 symbolisent le trajet d'un liquide, les flèches en pointillés symbolisent quant à elles le trajet d'un gaz.
La première chambre 2 comprend également des moyens de condensation 9 situés au sommet de celle-ci (ou à son extrémité supérieure) et prenant ici la forme d'une paroi 9 creuse présentant des aspérités 9c orientées vers l'intérieur de la première chambre 2. La paroi creuse 9 contient un fluide de refroidissement (par exemple de l'eau froide) qui circule en continu afin de la refroidir, et pour assurer la condensation du solvant évaporé sur la paroi 9. Le fluide de refroidissement pénètre dans la paroi 9 par une entrée 9a et en sort par une sortie 9b, sans être en contact avec l'intérieur de la première chambre 2. Les aspérités 9c présentes sur la paroi permettent d'augmenter la surface sur laquelle le solvant évaporé peut se condenser.
Le solvant gazeux qui a été évaporé dans la deuxième chambre 5 et acheminé dans la première chambre 2 se condense sur la paroi 9 et tombe sur la grille 3. La grille 3 est configurée pour pouvoir retenir partiellement le solvant qui tombe, afin d'immerger au moins partiellement les préformes 4 dans le solvant liquide condensé. Le solvant liquide peut alors dissoudre du liant présent dans les préformes 4, avant de traverser la grille 3.
On notera qu'il est possible de réguler la température de la première chambre 2 afin d'améliorer le processus de déliantage. Pour réguler cette température, on peut par exemple placer le dispositif 1 dans une enceinte régulée en température telle qu'une étuve. A titre d'exemple, quand le solvant est constitué par de l'eau et le liant à dissoudre est du polyéthylène glycol (PEG), il est avantageux de réguler la température de la première chambre à environ 60°C.
Un canal de retour 10 débouchant à une extrémité dans la première chambre 2 et à une autre extrémité dans la deuxième chambre 5, permet de collecter le solvant liquide qui a traversé la grille 3 (ce solvant est également chargé de liant dissout), et de le ramener vers la deuxième chambre 5. Le solvant 6 contenu dans la deuxième chambre 5 comprend alors également du liant dissout.
La première chambre 2 peut comprendre une partie fixe 2a et une partie amovible 2b (ou un couvercle 2b, comprenant ici les moyens de condensation 9), les deux parties étant fixées l'une à l'autre par des moyens de fixation 2c assurant l'étanchéité du dispositif. Les moyens de fixation 2c sont situés au-dessus de la grille 3 de façon à pouvoir placer et extraire facilement les préformes 4 dans le dispositif 1, et au-dessus d'une zone dans laquelle le solvant est retenu par la grille 3. Dans une variante non représentée, la première chambre 2 peut être constituée d'un bloc unique qui comprend une porte permettant de placer les préformes 4 dans la première chambre.
Enfin, des moyens d'équilibrage 11 de la pression à l'intérieur de la première chambre 2 avec la pression extérieure (typiquement, la pression atmosphérique) sont également prévus, afin d'éviter les surpressions dans le dispositif 1. Dans l'exemple illustré, ces moyens consistent en une soupape 11 traversant la paroi 9 et communiquant avec la première chambre 2 d'une part, et avec l'extérieur du dispositif 1 d'autre part.
Avec un tel dispositif 1, le solvant liquide qui est utilisé pour dissoudre le liant est toujours quasi-pur. En effet, la température utilisée pour chauffer la deuxième chambre 5 est supérieure à la température d'évaporation du solvant, et inférieure à la température d'évaporation de chaque liant. Ainsi, la limite de solubilité du liant n'est jamais atteinte au moment de la dissolution du liant dans le solvant (retenu par les moyens de maintien 3), et les performances du déliantage par solvant sont toujours maximales. En outre, le dispositif 1 fonctionne en cycle fermé de solvant, ce qui permet de limiter les quantités de solvant nécessaire en le recyclant tout au long du déliantage, et ainsi de réduire les coûts associés à l'étape de déliantage par solvant.
La préforme déliantée par solvant peut ensuite être placée dans un four afin de finaliser le déliantage par un déliantage thermique (étape E5). Le déliantage thermique peut être réalisé dans la même enceinte que celle qui sera utilisée pour l'étape ultérieure de frittage. De façon connue en soi, le déliantage thermique peut consister à imposer dans le four une succession de paliers de températures (dépendant du nombre de liants présents dans la préforme) auxquels les liants sont dégradés ou évaporés.
Une fois le déliantage de la préforme terminé, on peut réaliser le frittage (étape E6) de la préforme à une température de frittage adaptée à la poudre utilisée, afin d'obtenir la pièce finale frittée.
Un procédé selon l'invention est particulièrement adapté à la fabrication d'une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc.
Exemple
Une aube de redresseur de turbomachine aéronautique a été réalisée par le procédé décrit ci-dessous.
On prépare une composition d'injection sous forme de granulés comprenant 60% en volume d'une poudre d'un alliage du type TA6V (de granulométrie D9o<35pm, atomisée sous argon) et 40% en volume d'un mélange de liants comprenant du polyéthylène, du polyéthylène glycol et du polyprolylène.
La composition est chauffée à 190°C dans une unité d'injection d'une presse, puis injectée dans un moule ayant la forme de la préforme d'aube à fabriquer. Le moule est ensuite refroidi à une température de 50°C, puis la préforme obtenue est démoulée. On supprime les bavures et les carottes dues à l'injection sur la préforme obtenue. On notera que le moule présente des dimensions supérieures à celles de l'aube à fabriquer, car la préforme d'aube est susceptible de se rétracter au cours du refroidissement du moule, ainsi qu'au cours de sa densification lors de l'étape de frittage.
La préforme est placée sur les moyens de maintien 3 d'un dispositif 1 de déliantage par solvant. Le déliantage par solvant est ensuite réalisé pour éliminer notamment le polyéthylène glycol (PEG) de la préforme. Le cycle de déliantage par solvant du PEG est d'environ 12 heures pour une pièce de 4 mm d'épaisseur, lorsque la première chambre est régulée à une température de 60°C.
Le solvant utilisé pour le déliantage est de l'eau pure. Il faut donc chauffer la deuxième chambre à une température supérieure à 100°C pour évaporer l'eau, typiquement 105°C.
La préforme est ensuite retirée du dispositif 1, puis séchée 1 heure à 70°C dans une étuve.
Après séchage, la préforme est disposée sur une plaque en zircone dans un four sous atmosphère d'argon à 20 mbar de pression. On effectue plusieurs paliers de déliantage thermique, puis un palier de frittage. Le cycle des températures dans le four est le suivant : - augmentation de la température depuis l'ambiante jusqu'à 200°C par une rampe de montée en température à 5°/min, - augmentation de la température jusqu'à 350°C par une rampe de montée en température à 2°C/min, - maintien de la température à 350°C pendant 1 heure, - augmentation de la température jusqu'à 470°C par une rampe de montée en température à 2°C/min, - maintien de la température à 470°C pendant 1 heure, - augmentation de la température jusqu'à 1250°C par une rampe de montée en température à 5°C/min, - maintien de la température à 1250°C pendant 3 heures (palier de frittage), et - diminution de la température à 80°C par une rampe de descente en température à 10°C/min.
La pièce obtenue est refroidie, puis extraite du four.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d'une pièce frittée obtenue à partir d'une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique ou d'un mélange de plusieurs poudres, le procédé comportant les étapes suivantes : - la préparation d'une composition comprenant au moins un liant et une poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique ou un mélange de plusieurs poudres (étape El) ; - la mise en forme de la composition de manière à obtenir une préforme de la pièce à fabriquer (étape E2) ; - le placement (étape E3) de la préforme (4) sur des moyens de maintien (3) situés dans une première chambre (2) d'un dispositif de déliantage par solvant (1) afin de réaliser un déliantage par solvant (étape E4) de la préforme, le dispositif comprenant : - une deuxième chambre (5) contenant un solvant liquide (6) apte à dissoudre le liant présent dans la préforme, - des moyens de chauffage (7) pour évaporer le solvant liquide contenu dans la deuxième chambre, - un canal d'évaporation (8) débouchant à une extrémité dans la première chambre et à une autre extrémité dans la deuxième chambre, le solvant gazeux évaporé dans la deuxième chambre étant acheminé depuis la deuxième chambre vers la première chambre par ledit canal d'évaporation, - des moyens d'équilibrage (11) de la pression à l'intérieur de la première chambre avec une pression extérieure, - des moyens de condensation (9) situés dans la première chambre pour condenser le solvant gazeux acheminé par le canal d'évaporation dans la première chambre, le solvant liquide condensé par les moyens de condensation étant retenu partiellement par les moyens de maintien de manière à immerger au moins partiellement la préforme et à dissoudre au moins une partie du liant présent dans la préforme dans ledit solvant liquide, - un canal de retour (10) débouchant à une extrémité dans la première chambre et à une autre extrémité dans la deuxième chambre, le solvant liquide condensé étant acheminé depuis la première chambre vers la deuxième chambre par ledit canal de retour ; et - le frittage de la préforme (étape E6).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre, avant le frittage de la préforme, un déliantage thermique de la préforme (étape E5).
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le solvant contenu dans la deuxième chambre (5) est chauffé à une température de chauffe supérieure à une température d'évaporation du solvant, ladite température de chauffe étant inférieure à une température d'évaporation de chaque liant.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première chambre (2) est maintenue à une température inférieure à une température d'évaporation du solvant et supérieure à une température ambiante.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le canal d'évaporation (8) traverse les moyens de maintien (3) et débouche au-dessus des moyens de maintien dans la première chambre (2).
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens d'équilibrage de la pression comprennent une soupape (11) communiquant avec la première chambre (2) d'une part, et avec l'extérieur du dispositif de déliantage par solvant d'autre part.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de maintien (3) comprennent une plaque percée, une grille ou une membrane poreuse.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique.
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