WO2018087464A1 - Procède de fabrication de pièces selon une opération de fabrication additive suivie d'une opération de compaction isostatique à chaud - Google Patents

Procède de fabrication de pièces selon une opération de fabrication additive suivie d'une opération de compaction isostatique à chaud Download PDF

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Emile Thomas Di Serio
Lionel DUPERRAY
Frédéric Perrier
Christophe DESRAYAUD
Véronique BOUVIER
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to the technical field of the manufacture of metal parts or composite metal matrix for the realization including, but not limited to, components and equipment for the automotive, aeronautical or medical sector.
  • Additive manufacturing which makes it possible to manufacture parts by melting or sintering of several successive layers is developing, the basic concept being defined in US Pat. No. 4,575,330 dated 1984.
  • Additive manufacturing is defined by ASTM as a process for shaping a workpiece by adding material by stacking successive layers, as opposed to shaping by material removal such as machining. It is also the name given to three-dimensional printing technology. This technology has developed to make metal alloy parts by melting or sintering powder beds or by welding wires. Tests on metal matrix composite materials have shown great promise.
  • the technologies used to cite them in a non-exhaustive way range from selective laser sintering (Sintering) to electron beam melting (Electron Beam Melting) and laser metal sintering (Sintering). metal deposition by laser (Laser Metal Deposition) or laser melting (Selective Laser Melting).
  • the object of the present invention is to provide an improved manufacturing process of metal alloy parts or metal matrix composite material, overcoming the known drawbacks of additive manufacturing.
  • the subject of the present invention is a method for manufacturing a metal alloy or metal matrix composite part, according to which:
  • a preform is produced according to an additive manufacturing operation by adding material in powder form, with a stack of successive layers of powder, and partial melting of at least some layers of powder, the preform thus consisting of solid parts and zones predefined residual powder, said residual powder being unwelded or partially consolidated;
  • the preform is subjected to a hot isostatic compaction operation so as to obtain the final shape of the part.
  • the solid parts of the preform comprise external walls surrounding the zones of residual powder.
  • the solid parts of the preform comprise an internal lattice structure, in which the areas of residual powder are included.
  • the lattice structure forms an alveolar network.
  • the lattice structure has zones of different lattice densities.
  • the hot isostatic compaction operation is carried out with the following parameters: a temperature between 850 and 1000 ° C, preferably between 900 and 950 ° C; a pressure of between 900 and 1100 bar, preferably of the order of 1000 bar; and a time of between 1 and 3 hours, preferably of the order of 2 hours in an inert atmosphere.
  • the invention also relates to a part obtained according to the implementation of the method mentioned above.
  • the invention also relates to a preform made according to an additive manufacturing operation, characterized in that the preform consists of solid parts and predefined residual powder areas, said residual powder being unwelded or partially consolidated.
  • Figure 1 is an elevational view of a preform obtained by implementing the manufacturing method according to the invention
  • Figure 2 is a section of the preform, taken along the line 11-11 in Figure 1;
  • Figures 3 and 4 are other sections of the preform, respectively along the lines III-III and IV-IV in Figure 2;
  • Figure 5 is a perspective view, partially cut away, of the preform of Figures 1 to 4;
  • Figure 6 is an enlarged view, under the electron microscope, of detail VI of Figure 4.
  • Figure 7 is a section of the preform at the beginning of the hot isostatic compaction operation
  • Figure 8 is a section of the part obtained from the preform, at the end of the hot isostatic compaction operation.
  • Figures 9 and 10 are views similar to Figure 3, showing variants of preforms according to the invention.
  • Figures 1 to 8 is illustrated the method of manufacturing a part 1 according to the invention.
  • the piece 1 may be metal alloy, for example based on iron, aluminum, nickel, titanium, chromium or cobalt.
  • the part 1 may be of metal matrix composite material, for example titanium alloy-titanium carbide, aluminum-alumina alloy, or aluminum alloy-silicon carbide.
  • the method according to the invention comprises an additive manufacturing operation, then a hot isostatic compaction operation.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the isostatic compaction operation of this preform 10 to obtain the part 1.
  • the additive manufacturing operation consists in producing the preform 10, by adding material in powder form, with stacking of successive layers of powder, and partial melting of at least some layers of powder. This accelerates the production of the preform 10 and reduces the cost of the additive manufacturing operation, and therefore the cost of the final part 1.
  • the preform 10 consists of solid parts 11 and areas of residual powder 12, not welded or partially consolidated. More specifically, the solid parts 1 1 comprise outer walls 13 and an internal structure 14 shaped lattice. The walls 13 form a solid shell around the zones 12 and the structure 14. In addition, there is inclusion of the zones 12 within the structure 14.
  • the solid parts 1 1 and residual powder zones 12 are predefined during the definition of the method for obtaining the desired part 1.
  • the hot isostatic compaction operation consists in deforming the preform 10, in order to densify and sinter the unconsolidated powder within the preform 10, in the zones 12.
  • the preform 10 is placed in a hot isostatic compaction chamber 20.
  • the preform 10 is subjected to temperature and pressure constraints for a certain period of time, until the final form of the part 1. In other words, compaction forces F are exerted on the entire periphery of the preform 10.
  • the hot isostatic compaction operation makes it possible to weld the powder in the zones 12 with the solid parts, with a homogeneous bonding of the different layers of the preform. This gives a gain of ductility and fatigue strength.
  • the hot isostatic compaction operation can be carried out with the following parameters:
  • the lattice structure 14 makes it possible to avoid buckling of the walls 13 and to facilitate the conduction of heat to the heart of the preform 10, so as to fuse the powder in the zones 12.
  • the technique used in the invention is advantageous in the sense that the powder is trapped in the predefined zones 12 within the preform 10, the outer walls 13 are welded.
  • the fact of not welding the entire powder allows to have a significant gain in cycle time during manufacture. Indeed, to sinter or melt the powder during additive manufacturing, the laser or the electron beam must scan the entire surface of the preform 10 for each layer. By optimally realizing the powder melting only on the outer contour of the preform 10 to form the walls 13 and on some internal lines of the preform 10 to form the structure 14, the solid parts 1 1 of the preform 10 traps the powder partially consolidated or unconsolidated inside the preform 10.
  • part 1 After deburring or without deburring, part 1 has the functional dimensions to meet the need, without the need for machining other than in functional areas, with restricted tolerance ranges.
  • the welding of the powder during hot deformation is all the more effective on the preforms manufactured in EBM (Electron Beam Melting) because of a manufacturing under vacuum which makes it possible not to trap gas within the material.
  • EBM Electro Beam Melting
  • This technique also advantageously makes it possible to obtain a fine-grained microstructure in a large part of part 1, because of the replacement of the melting of the powder by a solid-phase sintering in zones 12.
  • Grain size is easier to control than for processes that incorporate a material melting step.
  • the microstructure is also equiaxed and without texture, which allows an isotropic mechanical behavior of the part.
  • FIGS. 9 and 10 Other embodiments of a preform 10 according to the invention are shown in FIGS. 9 and 10. Certain elements constituting the preform 10 are comparable to those of the first embodiment described above and, for the sake of simplification, bear the same numerical references.
  • the lattice structure 14 forms a cellular network 15, made of honeycomb. Zones 12 are included in this network 15. Such a structure 14 strengthens the strength of the preform 10, while maintaining maximum lightness.
  • the lattice structure 14 has zones 16, 17 and 18 of different lattice densities.
  • the peripheral zone 16, formed against the outer walls 16, has a maximum lattice density.
  • Intermediate zone 17, formed between zones 16 and 18, has an average lattice density.
  • the central zone 18, formed in the heart of the preform 10, has a minimum lattice density.
  • the part 1 can be adapted in terms of cost, functionality and performance.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en alliage métallique ou en matériau composite à matrice métallique, selon lequel :on réalise une préforme (10) selon une opération de fabrication additive par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre, la préforme (10) étant ainsi constituée de parties solides (11) et de zones de poudre résiduelle (12) prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée;et on soumet la préforme (10) à une opération de compaction isostatique à chaud de manière à obtenir la forme finale de la pièce.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES SELON UNE OPERATION DE FABRICATION ADDITIVE SUIVIE D'UNE OPERATION DE COMPACTION
ISOSTATIQUE A CHAUD L'invention se rattache au domaine technique de la fabrication de pièces métalliques ou en composite à matrice métallique pour la réalisation notamment et non limitativement de composants et équipements pour le secteur automobile, aéronautique ou médical. La fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces par fusion ou frittage de plusieurs couches successives se développe, le concept de base étant défini dans le brevet US 4 575 330 en date de 1984.
La fabrication additive est définie par l'ASTM comme étant un procédé de mise en forme d'une pièce par ajout de matière par empilement de couches successives, en opposition à la mise en forme par enlèvement de matière telle que l'usinage. C'est aussi le nom donné à la technologie d'impression tridimensionnelle. Cette technologie s'est développée pour réaliser des pièces en alliage métallique aussi bien par fusion ou frittage de lits de poudre ou par soudure de fils. Des essais sur les matériaux composites à matrices métalliques se sont révélés très prometteurs.
Les technologies utilisées pour les citer de manière non exhaustive vont du frittage sélectif par laser (Selecting Laser Sintering) à la fusion par faisceau d'électrons (Electron Beam Melting) en passant par le frittage métal au laser (Direct Métal Laser Sintering) ainsi que le dépôt de métal par laser (Laser Métal Déposition) ou la fusion par laser (Sélective Laser Melting).
Ces technologies permettent de fabriquer des pièces qui ont une grande complexité géométrique avec des propriétés mécaniques satisfaisantes au prix d'un temps de cycle qui s'avère souvent long. En effet, pour chaque couche successive un rouleau doit étaler la poudre et le faisceau d'électrons ou laser doit balayer l'intégralité de la surface de chaque couche pour obtenir une bonne cohésion de la poudre. Pour réduire ce temps de cycle, la stratégie des fabricants est d'augmenter la puissance et le nombre de faisceaux pour pouvoir faire fondre ou fritter chaque couche plus rapidement, entraînant ainsi une hausse du prix de la machine de fabrication.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication amélioré de pièces en alliage métallique ou matériau composite à matrice métallique, remédiant aux inconvénients connus de la fabrication additive.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en alliage métallique ou en matériau composite à matrice métallique, selon lequel :
on réalise une préforme selon une opération de fabrication additive par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre, la préforme étant ainsi constituée de parties solides et de zones de poudre résiduelle prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée ; et
on soumet la préforme à une opération de compaction isostatique à chaud de manière à obtenir la forme finale de la pièce.
En réduisant le temps de balayage des couches lors de l'opération de fabrication additive, on réduit le temps de fabrication global de la pièce et on améliore son coût de fabrication.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé selon l'invention, prises isolément ou en combinaison :
- Les parties solides de la préforme comprennent des parois externes entourant les zones de poudre résiduelle.
- Les parties solides de la préforme comprennent une structure interne en treillis, dans laquelle sont incluses les zones de poudre résiduelle.
- La structure en treillis forme un réseau alvéolaire.
- La structure en treillis présente des zones de densités de treillis différentes. - L'opération de compaction isostatique à chaud est réalisée avec les paramètres suivants : une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ; une pression comprise entre 900 et 1 100 bars, de préférence de l'ordre de 1000 bars ; et une durée comprise entre 1 et 3 heures, de préférence de l'ordre de 2 heures dans une atmosphère inerte.
L'invention a également pour objet une pièce obtenue selon la mise en œuvre du procédé mentionné ci-dessus.
L'invention a également pour objet une préforme réalisée selon une opération de fabrication additive, caractérisée en ce que la préforme est constituée de parties solides et de zones de poudre résiduelle prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue en élévation d'une préforme obtenue en mettant en œuvre le procédé de fabrication selon l'invention ;
la figure 2 est une coupe de la préforme, selon la ligne ll-ll à la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont d'autres coupes de la préforme, respectivement selon les lignes lll-lll et IV-IV à la figure 2 ;
la figure 5 est une vue en perspective, partiellement arrachée, de la préforme des figures 1 à 4 ;
la figure 6 est une vue à plus grande échelle, au microscope électronique, du détail VI de la figure 4 ;
la figure 7 est une section de la préforme, au début de l'opération de compaction isostatique à chaud ;
la figure 8 est une section de la pièce obtenue à partir de la préforme, à la fin de l'opération de compaction isostatique à chaud ; et
- les figures 9 et 10 sont des vues analogues à la figure 3, montrant des variantes de préformes conformes à l'invention.
Sur les figures 1 à 8 est illustré le procédé de fabrication d'une pièce 1 conforme à l'invention. La pièce 1 peut être en alliage métallique, par exemple à base de fer, d'aluminium, de nickel, de titane, de chrome ou de cobalt. En variante, la pièce 1 peut être en matériau composite à matrice métallique, par exemple alliage de titane-carbure de titane, alliage d'aluminium-alumine, ou alliage d'aluminium- carbure de silicium.
Le procédé selon l'invention comprend une opération de fabrication additive, puis une opération de compaction isostatique à chaud.
Sur les figures 1 à 6 est illustrée une préforme 10 obtenue à la fin de l'opération de fabrication additive.
Sur les figures 7 et 8 est illustrée l'opération de compaction isostatique de cette préforme 10 pour obtenir la pièce 1.
L'opération de fabrication additive consiste à réaliser la préforme 10, par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre. Cela permet d'accélérer la réalisation de la préforme 10 et de réduire le coût de l'opération de fabrication additive, et donc le coût de la pièce 1 finale. Ainsi, la préforme 10 est constituée de parties solides 1 1 et de zones de poudre résiduelle 12, non soudée ou partiellement consolidée. Plus précisément, les parties solides 1 1 comprennent des parois externes 13 et une structure interne 14 conformée en treillis. Les parois 13 forment une coque solide autour des zones 12 et de la structure 14. En outre, il y a inclusion des zones 12 au sein de la structure 14. Les parties solides 1 1 et zones de poudre résiduelle 12 sont prédéfinies lors de la définition du procédé permettant d'obtenir la pièce 1 souhaitée. Autrement dit, la répartition des parties 1 1 et zones 12 au sein de la pièce 1 n'est pas obtenue de manière accidentelle ou aléatoire. L'opération de compaction isostatique à chaud consiste à déformer la préforme 10, afin de densifier et fritter la poudre non consolidée au sein de la préforme 10, dans les zones 12.
En pratique, la préforme 10 est placée dans une enceinte 20 de compaction isostatique à chaud. La préforme 10 est soumise à des contraintes de température et de pression pendant une certaine durée, jusqu'à obtenir la forme finale de la pièce 1. En d'autres termes, des forces de compaction F sont exercées sur toute la périphérie de la préforme 10.
L'opération de compaction isostatique à chaud permet de souder la poudre dans les zones 12 avec les parties solides, avec une liaison homogène des différentes couches de la préforme. On obtient ainsi un gain de ductilité et de tenue en fatigue.
A titre d'exemple, l'opération de compaction isostatique à chaud peut être réalisée avec les paramètres suivants :
une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ;
une pression comprise entre 900 et 1 100 bars, de préférence de l'ordre de 1000 bars ; et
une durée comprise entre 1 et 3 heures, de préférence de l'ordre de 2 heures dans une atmosphère inerte.
Lors de l'opération de compaction, la structure 14 en treillis permet d'éviter le flambage des parois 13 et de faciliter la conduction de chaleur jusqu'au cœur de la préforme 10, de manière à fusionner la poudre dans les zones 12.
La technique utilisée dans l'invention est avantageuse au sens où la poudre est emprisonnée dans les zones 12 prédéfinies au sein de la préforme 10, dont les parois externes 13 sont soudées.
Le fait de ne pas souder l'intégralité de la poudre permet d'avoir un gain important en temps de cycle lors de la fabrication. En effet, pour fritter ou faire fondre la poudre lors de la fabrication additive, le laser ou le faisceau d'électrons doit balayer l'intégralité de la surface de la préforme 10 pour chaque couche. En réalisant de manière optimisée la fusion de poudre uniquement sur le contour extérieur de la préforme 10 pour former les parois 13 et sur certaines lignes internes de la préforme 10 pour former la structure 14, les parties solides 1 1 de la préforme 10 emprisonne la poudre partiellement consolidée ou non consolidée à l'intérieur de la préforme 10.
La compaction de cette préforme 10 permet ensuite d'obtenir la pièce 1 finale. Après ébavurage ou sans ébavurage, la pièce 1 présente les dimensions fonctionnelles pour répondre au besoin, sans nécessiter d'usinages supplémentaires autres que dans les zones fonctionnelles, avec des intervalles de tolérance restreints.
La soudure de la poudre lors de la déformation à chaud est d'autant plus efficace sur les préformes fabriquées en EBM (Electron Beam Melting) du fait d'une fabrication sous vide qui permet de ne pas emprisonner de gaz au sein du matériau.
Cette technique permet aussi avantageusement d'obtenir une microstructure à grains fins dans une grande partie de la pièce 1 , du fait du remplacement de la fusion de la poudre par un frittage en phase solide dans les zones 12.
En effet, une croissance des grains par épitaxie sur la couche inférieure a été observée lors de la fabrication additive d'alliage de titane. Cette croissance entraîne une microstructure avec des grains assez grossiers qui n'est pas bonne pour les propriétés mécaniques.
Sans fusion de la poudre, nous avons une conservation de la finesse de la microstructure. Les zones 12 non soudées de la préforme 10 donnent donc des zones avec une microstructure très fine sur la pièce 1 finale vu que la soudure s'effectue en phase solide lors de l'étape de compaction. Cette structure fine qui ne comporte pas de texture cristallographique est très bonne pour les propriétés mécaniques statiques et cycliques de la pièce.
Les grains ont une taille plus facile à maîtriser que pour les procédés qui intègrent une étape de fusion du matériau. La microstructure est aussi equiaxe et sans texture, ce qui permet un comportement mécanique isotrope de la pièce.
En outre les contraintes résiduelles de fabrication devraient être minimisées. En effet, les contraintes internes sont en général plus faibles dans une structure lattice ou en treillis, en comparaison avec une pièce de géométrie externe équivalente mais massive. Par la suite, l'opération de compaction a aussi tendance à limiter, voir diminuer, les contraintes résiduelles
Les avantages et les résultats inattendus dans la mise en œuvre de l'invention, ainsi mis en valeur, constituent un développement considérable dans le traitement des pièces métalliques ou en composites à matrice métallique issues de la fabrication additive.
D'autres modes de réalisation d'une préforme 10 selon l'invention sont montrés aux figures 9 et 10. Certains éléments constitutifs de la préforme 10 sont comparables à ceux du premier mode de réalisation décrit plus haut et, dans un but de simplification, portent les mêmes références numériques.
Sur la figure 9, la structure 14 en treillis forme un réseau alvéolaire 15, en nid d'abeilles. Les zones 12 sont incluses dans ce réseau 15. Une telle structure 14 permet de renforcer la résistance de la préforme 10, tout en conservant une légèreté maximale.
Sur la figure 10, la structure 14 en treillis présente des zones 16, 17 et 18 de densités de treillis différentes. La zone périphérique 16, formée contre les parois externes 16, présente une densité de treillis maximale. La zone intermédiaire 17, formée entre les zones 16 et 18, présente une densité de treillis moyenne. La zone centrale 18, formée au cœur de la préforme 10, présente une densité de treillis minimale.
Par ailleurs, le procédé, la pièce 1 et/ou la préforme 10 peuvent être différents des figures 1 à 10 sans sortir du cadre de l'invention.
En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d'entre elles, combinées entre elles.
Ainsi, la pièce 1 peut être adaptée en termes de coût, de fonctionnalités et de performance.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Procédé de fabrication d'une pièce (1 ) en alliage métallique ou en matériau composite à matrice métallique, selon lequel :
- on réalise une préforme (10) selon une opération de fabrication additive par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre, la préforme (10) étant ainsi constituée de parties solides (1 1 ) et de zones de poudre résiduelle (12) prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée ; et
on soumet la préforme (10) à une opération de compaction isostatique à chaud de manière à obtenir la forme finale de la pièce (1 ).
2- Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les parties solides (1 1 ) de la préforme (10) comprennent des parois externes (13) entourant les zones de poudre résiduelle (12).
3- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les parties solides (1 1 ) de la préforme (10) comprennent une structure (14) interne en treillis, dans laquelle sont incluses les zones de poudre résiduelle (12).
4- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure (14) en treillis forme un réseau alvéolaire (15).
5- Procédé selon l'une quelconques des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la structure (14) en treillis présente des zones (16, 17, 18) de densités de treillis différentes. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'opération de compaction isostatique à chaud est réalisée avec les paramètres suivants :
une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ; une pression comprise entre 900 et 1 100 bars, de préférence de l'ordre de 1000 bars ; et
une durée comprise entre 1 et 3 heures, de préférence de l'ordre de 2 heures dans une atmosphère inerte.
7 - Pièce (1 ) obtenue selon la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8- Préforme (10) réalisée selon une opération de fabrication additive, caractérisée en ce que la préforme (10) est constituée de parties solides (1 1 ) et de zones de poudre résiduelle (12) prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée.
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