Brevet FR2468450A1 — publié le 19810508

La présente invention concerne la compression des poudres céramiques à la presse. Elle s'applique en particulier à la fabrication d'ébauches de combustible pour réacteurs nucléaires, appelées pastilles dans la technique, contenant une matière fissile sous forme d'un oxyde ou d'un carbure. Selon l'invention, dans une presse destinée à la formation de corps à partir d'une poudre céramique par compression de la poudre dans un moule, le moule est formé en partie au moins d'une matière perméable à un fluide et un dispositif est destiné à exercer une pression hydrostatique à l'aide d'un fluide qui imprè- gne le moule alors qu'une pression mécanique est appli- quée à la poudre au moins à une extrémité du moule. La combinaison de la compression mécanique aux extrémités d'un corps et de la pression appliquée par un fluide sur la surface courbe peut simuler la compression isostatique et réduit le rétrécissement dû aux pertes par friction observées lorsqu'une compres- sion mécanique est utilisée seule. Le fluide utilisé peut être un liquide ou un gaz, et la matière du moule peut être le carbure de si- licium formé par frittage réactif, c'est-à-dire du car- bure de silicium formé par frittage d'un corps constitué d'un mélange d'une poudre de carbure de silicium et de carbone, en présence de silicium fondu afin que le car- bone présent dans le corps se transforme en carbure de silicium, comme décrit par exemple dans le brevet français n0 1 530 752. Un tel corps de carbure de sili- cium fritté par réaction contient toujours une certaine quantité de silicium libre formant une phase continue et on peut le rendre perméable à des fluides par trai- tement du corps par un solvant du silicium, par exem- ple l'hydroxyde de sodium. - Il est préférable que seule la partie du moule qui doit contenir la poudre comprimée soit per- méable au fluide. Lorsque le fluide est un liquide, il peut aus- si assurer la lubrification du moule et des éléments as- sociés, exerçant une pression mécanique sur la poudre placée dans le moule. Des exemples de liquides qui con- viennent à cet effet sont l'acide stéarique et certai- nes huiles telles qu'un fluide hydraulique ou une huile- fluide pour machine. Des presses qui peuvent être modifiées pour la mise en oeuvre de l'invention sont bien connues. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de presse selon l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une élévation en coupe mé- diane partielle d'une presse de compression de poudre destinée à former des pastilles de combustible nuclé- aire; et - la figure 2 est une coupe médiane, suivant la ligne II-II, représentant à plus grande échelle que la figure 1 le moule utilisé dans la presse de cette figure. La figure 1 représente une presse destinée à la formation de pastilles en forme de cylindres droits, à l'aide d'une poudre céramique de combustible nucléaire qui peut être le dioxyde d'uranium seul ou mélangé à du dioxyde de plutonium. La presse a une plaque 1 formant socle portant un étrier 3 dans des glissières parallèles 2 et un bloc 4 de support de moule monté de manière qu'il soit immobile sur la plaque 1. Un moule cylindri- que 5 est placé dans le bloc 4 dans lequel il est main- tenu par un élément tubulaire rapporté amovible formé de carbure de silicium fritté par réaction. Comme in- diqué plus clairement sur la figure 2, le moule 5 a une partie centrale 6 qui a été rendue perméable à un fluide par traitement par l'hydroxyde de sodium. Autour de cette partie centrale 6, un anneau 48 formé dans le bloc 4 est rempli d'un fluide sous pression et est relié 24684-0 par un conduit 49 à un multiplicateur de pression (non représenté). Un tel multiplicateur comporte un piston libre aux deux extrémités duquel s'exerce une pression hydraulique, le rapport des pressions étant déterminé par la différence des diamètres des extrémités du piston. Une trémie 7 (figure 1) fournit la matière à une chambre 8 d'alimentation placée à une première extrémité du moule 5. Une zone 9 d'enlèvement de pastilles est pla- cée à l'autre extrémité du moule 5 et les pastilles formées, lorsqdelles quittent le moule 5, peuvent tom- ber hors de cette zone, en dehors de l'axe du moule et sont retirées vers une réserve non représentée afin qu'elles n'interfèrent pas avec la formation des pas- tilles suivantes Le bloc 4 a une ouverture 10 formant portée pour un plongeur 11 qui peut coulisser afin qu'il pé- nètre dans la chambre 8 d'alimentation et la traverse, qu'il pénètre dans le moule 5 et le traverse et qu'il parvienne à la zone 9. Deux joints toriques 12 d'étan- chéité sont placés dans l'ouverture 10 de passage du plongeur 11. Le bloc 4 a aussi une ouverture 13 for- mant portée pourun plongeur 14 et deux joints toriques d'étanchéité coopérant avec ce plongeur 14 qui peu- coulisser afin qu'il prenne diverses positions dans le moule 5, la zone 9 et l'ouverture 13. L'étrier 3 porte un vérin 19 ayant une tige 29 de piston. Le vérin 19 est placé sur le même axe que le moule 5 et il peut être réglé axialement lors de la mise en oeuvre initiale, par une tige filetée 20 qui passe dans une ouverture 22 formée dans un premier bras 23 de l'étrier 3, et qui est fixée par des écrous 21. L'autre bras 24 de l'étrier 3 porte de manière analogue un vérin 25 ayant une tige 33 de piston. Le vérin 25 est placé sur le même axe que le vérin 19 et il est aussi réglable axialement de manière analo- gue sous la commande d'une tige filetée 26 qui passe dans une ouverture 27 formée dans le bras 24 et qui y est fixée par des écrous 28. La tige 29 du piston du vérin 19 est fixée par un raccord démontable 30 au plongeur 11, et un soufflet 31 qui coopère de façon étanche, à une première extrémité, avec le bloc 4 et, à l'autre extrémité, avec une partie 32 de l'ensemble comprenant le vérin 19 etle plongeur 11, empêche les fuites d'une poudre précieuse et/ou qui présente des risques hors de la chambre 8 d'alimentation et pou- vant s'échapper par les joints toriques 12. De manière analogue, la tige 33 du piston du vérin 25 est fixée par un raccord démontable 34 au plongeur 14, et un soufflet 35 coopérant de façon étanche à une première extrémité avec le bloc 4 et à l'autre extrémité avec une partie 36 de l'ensemble comprenant le vérin 25 et le plongeur 14, joue le même rôle que le soufflet 31. La plaque 1 formant socle a un vérin 37 qui a une tige 39 de piston fixée à une patte 38 de la plaque 1. La tige 39 du vérin 37 est fixée à un autre vérin 40 dont la tige 41 de piston est fixée à une patte 42 de l'étrier 3. Le vérin 37 a une tige filetée 43 et des écrous 44 qui permettent le réglage à la po- sition convenable, et la tige 41 du vérin 40 est file- tée vers son extrémité qui peut être vissée dans la patte 42 et fixée dans toute position axiale voulue, lors-du réglage initiale, par un écrou 45 de blocage. Il faut noter que, lors de la commande des vérins 19, 25, 37 et 40 suivant des séquences particu- lières (chaque vérin a deux positions appelées "en re- trait" ou "avancée" selon le cas), les plongeurs 11 et 14 peuvent occuper diverses positions dans le bloc 4 et l'un par rapport à l'autre. On décrit maintenant une séquence de fonctionnement. D'abord, le vérin 19 est mis en retrait, le vérin 25 aussi et les vérins 37 et 40 sont avancés. Les plongeurs il et 14 ont alors des positions telles que le plongeur il se trouve sur le côté de la chambre 8 d'alimentation et permet à la poudre de la trémie 7 de remplir cette chambre 8; le plongeur 14 occupe à peu près entièrement le moule 5. Dans cette position, l'em- placement axial du plongeur 11 peut être réglé d'une petite quantité par variation de la quantité de poudre qui est prélevée pour la compression. Ce réglage est effectué en général pour un lot complet de fabrication et non entre les séquences, à moins que les ébauches comprimées se trouvent en dehors des plages de tolé- rances. L'opération suivante est la mise en retrait du vérin 37 alors que les autres vérins conservent leur position antérieure. De cette manière, le plongeur 11 pénètre dans le moule 5 en entraînant la charge 46 de poudre devant lui, et il chasse le plongeur 14 pres- qu'en dehors du moule 5, mais la distance séparant les plongeurs est la même que dans la première étape. L'étape suivante comprend l'avance simulta- née des vérins 19 et 25 alors que les vérins 37 et conservent la même position. En conséquence, les plongeurs 11 et 14 se déplacent l'un vers l'autre et compriment la charge de poudre sous forme d'une pas- tille 47. Pendant cette étape et pendant le temps de repos qui suit normalement afin que la compression atteigne un état d'équilibre, une pression hydrostati- que est aussi appliquée à la charge de poudre, par l'intermédiaire du conduit 49, de l'anneau 48 et de la partie 6 du moule qui est perméable au fluide afin que toute la surface de la poudre comprimée soit sou- mise à une pression pratiquement uniforme, la pression appliquée à la surface cylindrique étant proche de celle qui est appliquée aux surfaces d'extrémité mais n'étant pas supérieure. Cette caractéristique est ex- pliquée plus en détail dans la suite du présent mémoire. Ensuite, la pastille comprimée 47 est éjectée dans la zone collectrice 9 par commande du vérin 40 qui est mis en retrait. Initialement, le vérin 25 est maintenu en position avancée afin que la pastille 47 continue à être serrée lors de son éjection mais, à la fin du re- trait du vérin 40, le vérin 25 est mis en retrait et libère la pastille 47 qui peut tomber hors de la-zone 9. Il s'agit de la position représentée sur la figure 1. Enfin, le vérin 19 est ramené en retrait et les vérins 37 et 40 avancent si bien que les plon- geurs Il et 14 reviennent aux positions qu'ils occu- paient au début de la séquence. Celle-ci se répète alors. L'application de la pression hydrostatique est synchronisée sur la séquence de fonctionnement des. vérins dans la presse afin qu'elle corresponde à la partie du cycle de compression pendant laquelle une char- ge de poudre est comprimée et la pression appliquée aux surfaces d'extrémité de l'ébauche dépasse un seuil pré- déterminé. Cette synchronisation peut être obtenue par autorisation de la transmission de la pression au cir- cuit hydrostatique (par l'intermédiaire d'une soupape de régulation par exemple) pour la pression de seuil ou légèrement avant que celle-ci soit atteinte, la pression nécessaire étant créée dans le circuit hydro- statique à l'aide d'un multiplicateur de pression. Le fluide qui imprègne le moule de la presse peut être un liquide choisi afin qu'il assure aussi la lubrification du moule. Le liquide lubrifie essentielle- ment la surface courbe de la poudre comprimée, mais une partie passe par exsudation sur les extrémités des plongeurs qui coulissent dans le moule, et le moule peut être enduit de lubrifiant lors du déplacement des plongeurs. REVEND ICATIONS 1. Procédé de formation de corps à l'aide d'une poudre céramique, par compression de la poudre dans un moule, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'une pres- sion hydrostatique est appliquée par l'intermédiaire d'un fluide qui imprègne le moule alors qu'une pression mécanique est appliquée à la poudre au moins à une ex- trémité du moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide assure aussi la lubrification du moule. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la poudre céramique est formée de dioxyde d'uranium. 4. Presse destinée à la formation de corps à partir d'une poudre céramique, par compression de la poudre dans un moule, ladite presse étant caractérisée en ce que le moule (5) comporte au moins une partie (6) formée d'une matière perméable à un fluide, et un dis- positif (48, 49) est destiné à appliquer une pression hydrostatique transmise par un fluide qui imprègne le moule alors qu'une pression mécanique est appliquée à la poudre au moins à une extrémité du moule. 5. Presse selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moule (5) est formé de carbure de silicium préparé par frittage réactif et rendu perméable aux fluides en partie par enlèvement partiel de la phase continue formée par du silicium libre.