Brevet FR2002831A1 — publié le 19691031

-1- la présente invention se rapporte à un procédé d'agglomération à chaud de poudres métalliques en lingots ou en objets de forme prédéterminée. L'invention a pour but la formation d'objets de formes variée 5 à partir de métaus ou d'oryd.es de métaux en poudre, tels que le carbure de tungstène, l'oxyde de béryllium, etc.. ou de combinaisons de matières particulaires métalliques et non métalliques par c que 1'on peut appeler une compression isostatique à chaud, la compression comporte le placement de la poudre dans un récipient ou 10 capsule en verre ou en une autre substance vitreuse ? le récipient ou la capsule ayant une forme interne correspondant essentiellement à la forme des articles finis que l'on désire obtenir à partir de la poudre métallique. Le récipient ou capsule est en une substance vitreuse caps.ble d.e conserver sa forme aux temp erature s nécessai-15 res pour provoquer l'agglomération ou "densification" du métal en poudre qu'il contient, compte tenu de lacompensation apportée au changement de volume lorsque la capsule est sous pression et soumise à la chaleur requise pour l'agglomération de la poudre. L'invention concerne plus particulièrement la densification 20 d'un métal en poudre contenu dans un récipient de verre ou équivalent dont les caractéristiques, par rapport à celles du métal en poudre, sont tel3.es que le verre du récipient conserve sa forme, sans autre déformation que le retrait plastique, jusqu'à ce que le métc.l en poudre développe une résistance mécanique suffisante pour 25 "pouvoir conserver la forme eu verre pendant les retraits et compressions ultérieurs. Le verre peut être commodément soufflé, coulé en barbotine ou pressé dans la forme souhaitée avant d'être rempli de poudre. Les caractéristiques de l'invention apparaîtront plus complè-30 tement do la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement 3.imitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. Sur les d.essins, où 3.es mêmes caractères de référence ont la même signification : 35 la figure 1 représente un vase contenant un pot dans lequel on peut utiliser un chauffage par résistance dans un bain de sel ; la figure 2 représente le vase muni d'un moufle comportant un élément de chauffage par résistance ; 69 05369 2002831 -2- la figure 3 représente le vase muni d'un récipient chauffé par une bobine d'induction ; la figure 4 représente le vase muni d'une bobine d'induction à haute fréquence °, et 5 la figure 5 représente les courbes température/viscosité pour plusieurs types de verre, et les domaines de température utilisables pour chacun d'eus. L^s figures 1 à 4 représentent une capsule ou récipient 18 ou 18' contenant une poudre métallique 20. Le récipient peut avoir 10 n'importe quelle forme souhaitée, de manière à produire un article de forme prédéterminée par "densification" de la poudre métallique qu'il contient. Ce peut être un récipient de verre soufflé, moulé- en pâte ou barbotine ou presse, auquel on a donné sa forme à l'aide du moule. 15 La figure 1 montre le récipient 18 placé sur un support 24 et baignant dans le sel 22 contenu dans le pot de céramique ou de brique 25. Le sel est chauffé électriquement par des électrodes 26 reliées par des fils 30 à une source de courant alternatif, d'ampérage 20 élevé et de tension faible, qui peut passer par un appareil de réglage et d'enregistrement 44. Dans la figure 2, l'isolant 32 entoure un moufle 60 de céramique ou de métal chauffé par une résistance chauffante-62 reliée à une source convenable d'énergie, le moufle entourant le récipient 25 de verre, ou équivalent, 18' qui contient le métal en poudre et qui peut reposer sur une plaque de céramique 17. La figure 3 montre un récipient tabulaire 74, en carbone, graphite ou autre matériau convenable, comportant une enveloppe de céramique 72 qui sert de support à une bobine d'induction 70 refroi-30 die à l'eau, tandis que la figure 4 montre une bobine d'induction - à haute fréquence 80 refroidie à l'eau. Dans chacun des cas représentés par les figures 2, 3 èt 4, ls récipient de verre -peut reposer sur un support de céramique 17 de la façon représentée et il peut baigner dans une atmosphère d'air 35 ou d'un gaz introduit dans le vase 30. Le pot 25 ou les bobines chauffantes des figures 2, 3 et 4 sont entourés par l'isolant thermique 32, l'ensemble se trouvant dans un vase 30 tenant la pression, qui comporte un couvercle ou "im - ».« « ... BAD OFHGfNAi -4 69 05369 2002831 dispositif de fermeture 36 fixe au vase par un anneau fileté 38, le couvercle .-'tant ajusté au va?e ;o-.r de? joints convenables, le vase est muni Le récipient rempli et scellé peut être ■or-Schauffe jusqu'au 10 point de .'-iformation sans charge afin de réduire le choc, à la. suite de quoi, dans le eus d'un appareillage tel que représente sur la fi pare 1 , le rsciaient ..et placé dans le bain de sel fondu 22. Le vase est ensuite fermé et éventuellement rempli d'air ou de £?az à haute pression. Le récipient de verre et la poudre de met 15 peuvent de ce fait être soumis à une pression différentielle due à la fois vu vide existant à l'intérieur du récipient et à la pression du •'-:'-z introduit. Le récipient est soumis à une pression identique dans toutes les directions, et pcrace à la plasticité du verre à la température de compression, la poudre est soumise à, 20 des forces r':3 compression qui 1 ' ^lomèrent en une forme correspondant à 1... paroi interne du récipient. au bout ô'une période de temps convenable à la température et à la pression choisies, le vase 30 est ouvert à la pression atmosphérique, le couvercle est enlevé et l'objet a En pratique, le récipient de verre, dont 1-* forme interne correspond à celle que l'on veut obtenir, et qui peut dans une certaine mesure changer de volume pendant la "densification", est rempli de 1' poudre métallique, puis, aprèe qu'on y nit fait 35 le vide à l'aide d'une pompe à vide convenable, il est hermétique-mont scellé . Le verre ou autre matière vitreuse doit être choisi en fonction de 1\. température de compression désirée. On estime que le verre employé ne doit pas avoir, à !.. température de 8AD ORietfNJi- 69 05369 2002831 4 compression, une viscosité supérieure à 10^ poises. La tableau ci-dessous donne un certain nombre de types de verre utilisables wec leurs domaines opérationnels, en degrés Celsius. 5 Type de verre Domaine opérationnel °C (1) Silicate de plomb alcalin 410-630 (2) Borosilicate ("Pyrex") 550-900 (3) Silicate d'aluminium 700-980 (4) à 96f° de silice ("Vycor'O" 890- plus de 1600 10 (5) Silice fondue 1130- plus de 1600 Les caractéristiques de viscosité dans le domaine de température approprié sont indiquées par les courbes 1, 2, 3, 4 et 5 de la figure 5, la courbe 1 étant celle du verre de silicate 15 de plomb alcalin, mentionné ci-dessus, (abscisses : températures en degrés centigrades ; ordonnées : logarithme de la viscosité exprimée en poises ; A : point de ramollissement ; B : point de recuit ; G, point de déformation sans charge ). Or. remarquera que pour ce verre, le domaine de température compris entre le point de 6 5 20 recuit et une limite inférieure d'environ 10 poises, ainsi que le montrent sur la figure 5 la bande de point de recuit 6 et lu bande de limite inférieure 7, est d'environ 410 à 630 degrés centigrades. 2n-dessous de la "limite inférieure, 3_e verre adhère aux autres objets et pénétrerait aussi dans la surface de la 25 masse en poudre, provoquant la formation d'une couche contaminée. Si le verre est chauffé au voisinage de 10^ poises, ou moins, il risque de couler au point d'exposer le noyau métallique directement av. s.9.2 de compression, détruisant de ce fait la pression différentielle nécessaire à la réussite de la compression. 30 Un verre ayant un domaine de température opérationnel compris ontr-e 410 et 630°C , convient à la compression des laitons, de 1'aluminium et de ses alliages, ainsi que du magnésium et de ses alliages. Un verre dont les caractéristiques viscosité-température 35 sont illustrées par la courbe 4 pour 96 $ de silice, et qui contient environ 3 % d'oxyde borique et 1 $ d'autres oxydes, est utilisable pour la compression du super alliage "Udimet 700" (nÀstroloyM). Cette poudie comprend de l'aluminium, du titane, dit molybdène, BAD OPÏQINAL 69 05369 2002831 5 du chrome, du cobalt et du nickel dans les proportions nominales suivantes : Al Ti Mo Cr Co îli O(ppm) Dimension particulaire 4,5 3,5 5 15 18 Complément 490 0,149" 5 Cette poudre est introduite dans un tube "Vycor" standard d'un diamètre extérieur de 30 mm et d'une loiiguerur de par exemple 15 cm, dans lequel on fait un vide de 1 micron avant d_e le sceller. Plusieurs ^e ces tubes p3„acés dans un autoclave sont chauffés à 1288°C, stabilises, puis soumis à une pression de 1000 bars pendant 10 une heure ou moins. Après refroidissement, on sort les tubes de l'autoclave et on sépare le verre du noyau de métal en tapant doucement il ' ensemble contre une surface dure. L'enlèvement du verre peut être comparé à l'enlèvement de la coquille d'un oeuf dur. Un examen à l'oeil nu 15 ne permet pas de distinguer d.e verre adhérant au bloc de métal. La masse volumique des pièces ainsi formées a été déterminée comme étant de 8,02g/cm"'> , c'est-à-dire 100 ^ de la densité théorique. Ceci fut confirmé par un examen par pénétration d'une substance fluorescente et par Lin examen métallo graphique. Des 20 sections furent découpées, puis soumises à un traitement ther-moque : 1177°C - 4 heures - refroidissement à l'air 1! Il tî ît u rt 1079°C - 4 heures 843°C -24 heures 25 760°C -16 heures Leurs propriétés furent ensuite déterminées. D'autres sections furent forgées à plat sous une presse mécanique , perpendiculairement à leur axe longitudinal, à 1107°C. Des réductions successives de 20 $, 20 et 40 % furent effectuées 30 chacune en une fois, sans cassure. Les échantillons furent ensuite soumis au traitement thermique ci-dessus et examinés. D'autre part, on procéda , de la manière ci—dessus décrite, à la préparation de blocs compacts ayant un diamètre de 5,7 cm et une longueur'd ' environ 7,5 cm, que l'on soumit ensuite à une 35 extrusion à 1079°C, de manière à réduire leur diamètre à 2,2 cm. (rapport d'extension : 6,6/1). les échantillons furent ensuite soumis au traitement thermique ci-dessus, puis examinés. Les 69 05369 2002831 examens fournirent les résultats suivants : Tableau des propriétés des blocs d' "ïïdimet 700". CHARGE DE RUPTURE ; ESSAI "DE TRACTION Dimension Dureté à 980°C / 1260kg/cm2! à 704'SC des Rock-5 ETAT Heures Al# CS % |BL(kg/cm ) LE _ KLfo CS^ —— —— — — y . , ■ i . -7— p\ ■ ■■ gï*a,xns wej_± ; (kg7ïïm ) (ASTM) Soumis à traite- .65,8 6,6 5,6 11.900 43,7 12,0 13,1 2 40 ment ther mique 10 Soumis à traitement .. . NON DETER-thermique 12.400 47,7 22,3 22,7 6 40 . „ , MINES puis forge Extrudé et 15 soumis à 69,1 7,3 8,1 12.200 48,8 38 35,1 7 ' 41 traitement thermique 20 25 30 CS = Coefficient de striction RL=Résistance limite à la rupture Al = Allongement LE=Limite élastique Une caractéristique de la présente technique réside dans le fait que la compression peut être effectuée à une température comprise entre celles du liquidus et du solidus, si bien qu'il se produit un début de fusion pendant que la masse est soumise à la pression extérieure. La température de compression de 1288°C de l'exemple ci-dessus se trouve comprise entre le liquidus et le solidus de l'alliage "Udimet 700" utilisé. On estime que dans ces conditions la phase liquide formée à cette température, qui renferme un borure , fait fondre la pellicule d'oxyde se trouvant à la surface de chaque particule de la poudre, permettant ainsi un contact métal-métal entre les particules, ce qui résulte en une véritable liaison métallique. On estime que l'oxyde qui se trouve à la surface de chaque particule se dissout dans la phase liquide. 69 05369 2002831 7 Au refroidissement, le récipient vitreux tombe en morceaux , compensant le retrait de la phase fondue naissante lors de sa solidification, et éliminant ainsi la microporosité qui prédomine dans les blocs qui sont agglomérés ou frittés en phase liquide. 5 Des tentatives antérieures de compression à chaud de poudres de superalliages avaient été effectuées en dessous de la température du solidus. Les blocs compacts obtenus présentaient un oxyde de surface provenant des particules de la poudre d'origine et préjudiciable à leurs propriétés, étant donné que cette pellicule 10 d'oxyde empêche la formation d'une liaison métallique solide. De plus, le travail à chaud, non plus que le laminage, l'extension ou le forgeage, etc. ne peuvent rompre cette pellicule, et les particules ne perdent jamais leur identité d'origine dans la masse comprimée. 15 Le travail à chaud déforme les particules, mais ne détruit pas la pellicule d'oxyde. Un traitement d'affinage après un travail à chaud a pour effet de provoquer une recristallisation à 3-'intérieur- de chaque particule initiale, mais non à travers la pellicule d'oxyde qui entoure la particule. 20 La compression à chaud dans la zone de fusion naissante, c'est-à-dire, au-dessus du solidus et en dessous du liquidus, a pour résultat de faire perdre leur identité aux particules ini-tia3.ec, en même temps que la croissance des grains se trouve retardée par le fait que la fraction des particules qui restent 25 à l'état solide servent de noyaux aux grains du b3.oc final. En résumé, cette technique produit des blocs moulés gros ou petits, de grain extrêmement fin, qui possèdent des propriétés supérieures au;: blocs moulés classiques et sont plus faciles à. travailler à chaud. 30 La technique de fusion naissante n'est pas seulement appli cable au procédé de compression isostatique à l'aide d'un récipient vitreux, mais petit être uti3.isée dans le procédé classique de compression isostatique à l'aide de récipients métalliques, et dans le ■-accédé classique de compression unidirectionnelle à chaud. 35 Ce dernier est limité par la complexité des formes qui peuvent être obtenues. La technique de compression dans la zone de fusion naissante est applicable à tous les alliages et non seulement aux super - BAP ORIGINAL 69 05369 2002831 s alliages. Dans le cas des alliages dont la phase liquide naissante ne peut fondre l'oxyde qui entoure les particules, on peut pro -céder sans risque à une addition de "bore, afin de provoquer la fusion par formation d'une phase borure. 5 Dans l1isocompression classique mettant en oeuvre un.réci pient d'acier ou d'un autre métal, la poudre doit être précomprimée à température ambiante dans la forme à obtenir jusqu'à une densité d'environ 80 % et le récipient d'acier est construit autour, la précompression est nécessitée par le fait que le pot d'acier 10 ne peut se contracter dans les proportions requises lorsque l'on part d'une poudre de densité faible pour aboutir à un bloc de densité forte (la densité varie environ de 50 .$ pour la poudre en vrac à 100 % pour le compact) sans donner lieu à des ondulations importantes. Ces ondulations ont pour résultat que la sur--P^ce du bloc se trouve ridée, la précompression est dans ce cas utilisée pour réduire le retrait exigé du récipient. Tout ce qui précède est dû au fait que le récipient en acier, ou autre métal., ne peut pas facilement donner lieu à une déformation plastique --ar cisaillement, le récipient vitreux, par ."*0 contre, accomplit très facilement une telle déformation plastique, si bien que l'on peut obtenir sans précompression des blocs non ridés, en surface. Dans l'exemple de compression décrit ci-dessus pour l'"Udimet 700" il n'y eut pas formation de rides, bien que cependant la 25 poudre eût été cliJir.^ée dans le récipient de verre à line densité de 55 ^ et comorimes jusqu'à une densité de 100 $. Le procédé devrait en apparence ne pas fonctionner, étant donne qu'au dessus du point de recuit du verre, le récipient et son contenu devraient se déformer sous leur propre poids. On 30 pourrait alors s'attendre dans la tentative d'obtenir une forme donnée , à ce que ? 3 récipient en verre se déforme soxis l'effet des forces de pesanteur, et que l'on obtienne une pièce déformée. Le facteur qui empêche cette situation de se réaliser résulte du fait qu'une foie que la poudre a dépassé le point e recuit , le bloc de métal déve3.oppe une résistance mécanique suffisante pour que ce soit le bloc de métal qui maintienne la forme du verre et non le verre qui maintienne le bloc de métal. Le développement de la résistance du b3.oc peut être obtenu y- ,1^- WORKSWIAL 69 05369 2002-831 9 par application d'une pression supérieure à la pression atmosphérique, une fois que la température a dépassé le point de déformation sous charge du verre utilisé, la pression appliquée-est fonction des caractéristiques de compression de la poudre métal-5 lique aussi bien que des limitations de pression de l'autoclave utilisé. Certaines combinaisons verre-poudre de métal, telles que "Pyrex" et poudre de fer, ne nécessitent pas pour garder leur forme l'application d'une pression supérieure à la pression atmos-10 phérique. Le procédé est applicable à des métaux tels que le béryllium, les superalliages, le titane, etc.., à des composés métalliques 'tels que le carbure de tungstène ou l'oxyde de béryllium, ainsi qu'à des combinaisons de métaux et de composés non-métalliques, etc. 15 II résulte de ce qui précède que le procédé permet d'obtenir des formes creuses, telles que des ébauches de tubes,' des hémis-->ipres creux, des articles solides façonnés tels que des ébauches e disques pour turbines, des aubes de turbine et n'importe quelle autre forme pour laquelle on peut utiliser un récipient de verre, 20 ou d'une autre substance vitreuse qui, exposée à la chaleur, se comporte comme un verre. Les objets ainsi formés peuvent être de la forme précise désirée, ou d'une forme assez voisine pour nécessiter un minimum d'usinage ou d'un autre traitement de surface. 25 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 3AD ORK3INAL 69 05369 10 2002831 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un objet compact à partir d'une poudre d'un métal ou d'un composé métallique, ou encore d'un mélange de poudres de ces corps, caractérisé par le.fait que l'on 5 incroduio Ici poudre dans un récipient vitreux de capacité approximativement égale à la quantité de poudre introduite;' que l'on scelle hermétiquement le récipient à line pression inférieure à la pression atmosphérique ; que l'on porte.le récipient et son contenu, .en les soumettant à une pression différentielle, à une température 10 suffisante pour provoquer l'agglomération de la poudre et pour rendre le récipient plastique ; que l'on refroidit ensuite le récipient et son contenu, et que l'on sépare le récipient vitreux de l'objet aggloméré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le 1 5 fait que le récipient a une configuration interne correspondant 'en général à la forme de l'objet compact désiré. 3. Procédé selon la revendication 1,-caractérisé par le fait que le récipient est en verre. 4. Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé 20 par le fait que le récipient et son contenu sont soumis à un .pré-chauffage, puis placés dans un bain de sel fondu chaud et soumis à une température suffisante pour provoquer l'agglomération de la, poudre. ■ 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le 25 fait que la poudre renferme du béryllium. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la poudre renferme du carbure de tungstène. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la poudre est *un superalliage à base de nickel. 30 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le poudre renferme du titane. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la poiidre renferme un alliage à base de cobalt. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait 35 que la. poudre est celle d'un alliage métallique et renferme également un borure qui, dans des conditions de fusion naissante, dissout les oxydes qui recouvrent la surface des particules de la poudre, provoquant la liaison de ces dernières. *■ V - * - - BAD ORIGINAL 69 05369 2002831 n 11. Procéda selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le récipient vitrera: est modelé par soufflage en une forme prédéterminée, avant d'être empli de poudre et scellé hermétiquement . par le fait que le récipient et la poudre sont placés dans un four et soumis à une température suffisante pour provoquer 1'agglomération de la poudre. 13. Procédé de production d'un objet compact à partir d'une 10 poudre d'un métal ou d'un composé métallique ou encore d'un mélange de poudres de ces corps, caractérisé par le fait que la poud.re est soumise, en atmosphère neutre , à une pression et une température suffisantes pour- provoquer un. début de fusion du borure afin de dissoudre les oxydes se trouvant sur les particules de poudre afin 15 de provoquer la liaison des particules. 14. Procédé selon la revendication 13» caractérisé par le fait que la poudre est un superalliage à base de nickel. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la poudre renferme du béryllium. 20 16. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la poudre renferme du carbure de tungstène. 17. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la poudre renferme du titane. 18. Procédé scion la revendic tion 13, caractérisé par 25 le fait que la poudre renferme un alliage à base de cobalt. 5 12. Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé BAD ORIGINAL