Brevet FR2528743A1 — publié le 19831223

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de fabrication de pièces minces de forme complexe par compact ion isostatique à chaud. De façon plus précise, elle concerne l'obtention de pièces à paroi mince ne nécessitant pas d'opération d'usinage final sur l'une de leurs surfaces. Ce procédé s'applique en particulier à la réalisation de pièces creuses comportant sur leur paroi interne des renforts, des cadres, des lisses, ou des nervures, par exemple de pièces telles que des pointes avant pour avions comportant des renforts internes pour la fixation d'une trappe d'accès aux équipements situés à l'intérieur de cette pointe avant. Jusqu'à présent des pièces creuses de ce type étaient réalisées par forgeage et par usinage à partir de noyaux de fonderie, ce qui nécessitait des opérations d'usinage longues et coûteuses et l'emploi d'une quantité très importante de matière première par rapport à la pièce finie en raison des pertes dues notamment à l'enlèvement de la mise au mil. Aussi, pour éviter ces inconvénients on a envisagé de fabriquer de telles pièces par métallurgie des poudres, mais ces techniques n'ont pas permis jusqu a présent d'obtenir directement des pièces minces de grandes dimensions et de forme complexe, ayant sur l'une de leurs surfaces un profil correspondant aux cotes définitives de la pièce à fabriquer. La présente invention a précisément pour objet un procédé de fabrication de pièces minces de forme complexe par compact ion isostatique à chaud qui pallie ces inconvénients. Ce procédé consiste à a) - préparer une poudre de matériau frittable ayant une granulométrie de 100 à 1000 ssm, b) - introduire ladite poudre dans un moule comportant deux parties d'épaisseurs différentes choisies de façon telle que la partie du moule ayant l'épaisseur la plus faible soit déformable sous l'action de la pression isostatique tandis que la partie du moule ayant l'épaisseur la plus forte ne soit pas déformable sous l'action de la pres sion isostatique, la partie du moule non déforma ble sous l'action de la pression isostatique ayant un profil tel qu'il correspond aux cotes définitives de la pièce à fabriquer, c) - sceller le moule, d) - soumettre l'ensemble ainsi obtenu à une compres sion isostatique à chaud, et e) - éliminer les deux parties du moule. Grâce à l'utilisation d'un moule en deux parties ayant des comportements différents à la déformation sous l'action de la pression isostatique, on peut obtenir directement une pièce mince présentant les cotes définitives sur la surface qui correspond à la partie non déformable du moule. En revanche, il est généralement nécessaire d'usiner la pièce sur sa surface qui correspond à la partie déformable du moule. Par ailleurs, contrairement aux procédés qui utilisent l'usinage de noyaux de fonderie, on fait une économie importante de matière première puisqu'on limite les opérations d'usinage et les pertes de matière première notamment pour l'obtention de pièces creuses. Selon l'invention, le matériau frittable est avantageusement un métal ou un alliage métallique par exemple du titane, du zirconium, de l'aluminium ou leurs alliages. Le procédé de l'invention se révèle particulièrement avantageux pour la réalisation de pièces minces ayant par exemple des épaisseurs de 1 à 6 mm et compor tant des bossages tels que des renforts, des cadres, des lisses ou des nervures sur ltune de leurs surfaces. Dans ce cas, pour éviter un réusinage de cette surface, la partie du moule non déformable sous l'action de la pression isostatique comprend des zones en creux ayant un profil correspondant aux cotes définitives de ces bossages et la partie du moule déformable sous l'action de la pression isostatique comprend des zones en relief ayant un profil sensiblement inverse de celui des zones en creux aux endroits situés en regard des zones en creux de la partie du moule non déformable sous l'action de la pression isostatique. Ainsi, on est assuré qu'au niveau des bossages où la pièce doit présenter une épaisseur plus importante, on a dans le moule une quantité de poudre suffisante pour que, lors de l'opération de frittage par compression isostatique à chaud, on obtienne un profil satisfaisant sur la partie qui ne sera pas à réusiner et que sur l'autre surface de la pièce à usiner, on ait une quantité de matériau suffisante pour permettre cet usinage aux cotes définitives. Selon l'invention, lorsque le matériau frittable est un métal ou un alliage métallique, on prépare avantageusement la poudre ayant une granulométrie de 100 à 1000 wa, par la technique de fusion-centrifugation. Cette technique consistê à porter à une température de fusion la surface d'extrémité d'un lingot cylindrique en métal ou en alliage, entraîné en rotation autour de son axe ; ainsi, sous l'action de la force centrifuge, le métal ou l'alliage en fusion est éjecté de la surface d'extrémité du lingot sous la forme de gouttelettes liquides qui, en se refroidissant, se transforment par solidification en particules sphériques ayant pour la plupart un diamètre compris entre 100 et 1000 um. De préférence, pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on utilise une poudre ayant une granulométrie de 100 à 300 Nm. On introduit ensuite la poudre dans l'espace compris entre les deux parties du moule et lorsqu'on utilise une poudre réactive telle que le titane, on soumet l'ensemble à un dégazage par pompage puis on scelle le moule et on l'introduit dans un four de compression isostatique sous atmosphère gazeuse, par exemple sous atmosphère d'argon, afin de réaliser le frittage. La pression et la température utilisées sont choisies en fonction de la nature du matériau. Dans le cas du titane ou des alliages de titane où il est important de conserver la structure biphasée a+ss qui confère des bonnes propriétés mécaniques, il est nécessaire de ne pas dépasser lors des opérations de frittage la température de transformation allotropique de l'alliage. Généralement, on réalise le frittage à une température de 900 à 9800C en utilisant des pressions allant de 50 à 200 MPa. Pour le chauffage de l'ensemble à la température de frittage, on utilise avantageusement une montée en température de 300 à 3300C par heure et l'on maintient l'ensemble à la température de frittage pendant une durée allant de 2 à 4 h, par exemple une durée de trois heures. Pour le refroidissement on descend la température à une vitesse de 300 à 3300C par heure. De même, la montée et la descente en pression sont effectuées progressivement par exemple à des vitesses de l'ordre de 44 MPa/heure au début de l'opération. Selon l'invention, les épaisseurs des deux parties du moule sont choisies en fonction de la pression de frittage utilisées, de la forme locale de la pièce et du matériau dont est constitué le moule pour obtenir uniquement la déformation de l'une des parties du moule. Généralement, pour la fabrication de pièces en titane ou en alliage de titane, la différence d'épaisseur entre les deux parties du moule est d'au moins 0,5 mm lorsqu'on utilise un moule en acier. Dans ce cas, la partie du moule déformable sous l'action de la pression isostatique a avantageusement une épaisseur de 2 à 4 mm et la partie du moule non déformable sous l'action de la pression, une épaisseur de 2,5 à 6 mm. Dans ces conditions, la paroi déformable a une épaisseur suffisante pour qu'après déformation elle ne se perce pas, mais vienne plaquer la poudre contre la partie du moule qui ne se déforme pas. Après l'opération de frittage on élimine le moule par tout moyen approprié, n'affectant pas les caractéristiques de la pièce obtenue. Ceci peut être réalisé par exemple par découpage suivi d'un décapage chimique. Après cette opération, on peut soumettre, si nécessaire, la pièce obtenue à des traitements thermiques classiques pour améliorer ses propriétés. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif comprend un moule en deux parties ayant des épaisseurs différentes, la partie présentant l'épaisseur la plus forte ayant un profil correspondant aux cotes définitives de l'une des surfaces de la pièce à fabriquer. Lorsque la pièce à fabriquer doit comporter des bossages tels que des renforts, des cadres, des lisses ou des nervures, la partie qui présente l'épaisseur la plus forte comporte des zones en creux ayant le profil des bossages à obtenir et la partie du moule présentant l'épaisseur la plus faible comporte des zones en relief ayant un profil sensiblement inverse de celui des zones en creux aux endroits situés en regard des zones en creux de la partie du moule ayant l'épaisseur la plus forte. Les deux parties du moule sont réalisées en matériau ne réagissant pas avec le matériau frittable, notamment dans les conditions de température et de pression utilisées pour le frittage sous pression isostatique. Par ailleurs, on utilise un matériau qui puisse être éliminé facilement après l'opération de frittage. Lorsque la pièce à fabriquer est en titane ou en alliage de titane, on peut réaliser les deux parties du moule en acier soudable peu carboné ayant un coefficient de dilatation approprié, Ce matériau peut être éliminé facilement par découpage et décapage chimique après frittage de la pièce. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente schématiquement le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, - la figure 2 illustre la réalisation de la partie in terne du moule de la figure 1, et - la figure 3 illustre une partie de la pièce obtenue selon l'invention après usinage de sa surface exter ne. On décrit, ci-après, la réalisation d'une pièce creuse en alliage de titane TA6V (alliage à 90% de titane, 6% d'aluminium et 4% de vanadium) qui est utilisable, comme pointe avant pour avion devant comporter une trappe d'accès aux équipements situés à l'intérieur de cette pointe avant. Pour réaliser cette pièce creuse, on utilise un moule en deux parties réalisées en acier soudable peu carboné, par exemple en acier E26 ou encore en acier du type XC 125 ou XC 18S. Sur la figure 1 qui représente le dispositif utilisé pour préparer cette pièce en titane, on voit que'le moule comprend une partie interne 1 d'épaisseur el et une partie externe 3 d'épaisseur e2 inférieure à el ; ces deux parties sont soudées entre elles à leur extrémité inférieure 4 qui correspond à l'ouverture de la pièce à fabriquer, et la partie externe 3 du moule comprend à son extrémité supérieure un orifice 5 pour l'introduction de la poudre. Comme on peut le voir sur la figure, la partie interne 1 du moule comporte des zones en creux la, lb dont le profil correspond aux bossages que l'on doit obtenir sur la paroi interne de la pièce à fabriquer et la partie externe 3 du moule comporte des zones en relief 3a, 3b ayant sensiblement un profil inverse de celui des zones en creux la et lb, aux endroits situés en regard des zones la et lb. Dans cet exemple, la partie interne 1 du moule a une épaisseur el de 4 mm alors que la partie externe 3 du moule a une épaisseur e2 de 3 sm. Ce moule en deux parties peut hêtre fabriqué par formage par explosion en matrice fermée, comme cela est représenté sur la figure 2 qui illustre le formage par explosion de la partie interne 1 de ce moule. Pour cette opération de formage, on part d'une tôle d'acier 11 roulée et soudée longitudinalement et d'un bol de raccordement 13 soudé à l'extrémité supérieure de la tôle 11 de façon à former une ébauche fermée à sa partie supérieure, puis on dispose à l'intérieur de l'ébauche un cordeau détonant 15. On place ensuite l'ensemble dans une matrice 17 en deux parties, réalisée par exemple en béton et ayant un profil correspondant à celui du moule interne 1. Sur la partie gauche de la figure 2, on a représenté la disposition relative de l'ébauche 11, 13 et de la matrice 17 en début d'opération. Après fermeture hermétique de la matrice 17, on fait exploser le cordeau détonant, ce qui provoque l'application de l'ébauche (11,13) sur la matrice et l'obtention du profil voulu comme cela est représenté sur la partie droite de la figure 2. On désolidarise ensuite les deux parties de la matrice 17 pour sortir la pièce formée constituant la partie interne 1 du moule. Pour réaliser une pièce en alliage de titane TA6V dans le dispositif de la figure 1, on prépare tout d'abord une poudre ayant la granulométrie voulue. Dans ce but, on utilise la technique de fusion centrifugation en portant à la température de fusion au moyen d'un faisceau d'électrons la surface d'extrémité d'un lingot cylindrique de TA6V de 50 mm de diamètre, entraîné en rotation autour de son axe à une vitesse de 1000 à 4500 tours/min., en opérant sous un vide secon daire de 10 5 Torr.Sous l'action de la force centrifu- ge, l'alliage de titane en fusion est éjecté de la surface d'extrémité du lingot sous la forme de gouttelettes liquides qui en se refroidissant se transforment par solidification en particules sphériques ayant pour la plupart un diamètre compris entre 100 et 1000 Wm et on isole la fraction de poudre ayant une granulométrie de 100 à 300 wm. On obtient ainsi une poudre à teneur faible en impuretés, telles que C, H2, N2 et O2 que l'on stocke avec précautions en container étanche sous atmosphère neutre. Après cette opération, comme représenté sur la partie gauche de la figure 1, on introduit sous vide par l'orifice 5 la poudre de TA6V dans l'espace 7 situé entre les parties interne 1 et externe 3 du moule, après avoir dégazé celui-ci. On dégaze ensuite la poudre par mise sous vide et on scelle le moule par soudage de l'orifice 5. On introduit alors l'ensemble dans un four de frittage 9 sous pression d'argon, on élève la température à 9700C à une vitesse d'environ 300 à 3300C par heure et on élève la pression d'argon à 100 MPa en trois heures à une vitesse d'environ 44 MPa/h pour les deux premières heures. On maintient l'ensemble à la température de 9700C sous la pression de 100 MPa pendant 3 heures et on diminue progressivement la température et la pression en 3 heures en adoptant des vitesses de descente analogues à celles utilisées pour la montée en température et en pression. Après cette opération, comme cela est représenté sur la partie droite de la figure 1, grâce à la différence d'épaisseurs entre les deux parties 1 et 3 du moule, la poudre est appliquée sur la partie interne 1 du moule et la pièce obtenue 8 présente ainsi sur sa surface interne un profil correspondant aux cotes définitives. Après cette opération, on sort le moule du four de frittage et on élimine celui-ci par découpage et décapage chimique. La pièce obtenue présente ainsi une paroi interne qu'il n'est pas nécessaire de réusiner. En revanche, il est nécessaire de procéder à certains usinages de la paroi externe pour permettre le montage de la pièce sur l'avion et pour y inclure la trappe d'accès aux équipements situés à l'intérieur. Sur la figure 3, on a représenté une partie de la pièce 8 ainsi obtenue qui comprend un bossage 8b correspondant au renflement lb du moule interne 1 et un bossage 8a correspondant à la partie en creux la du moule 1. On usine la paroi externe de la pièce 8 au niveau du bossage 8b de façon à pouvoir y inclure une vis de fixation 21. On découpe ensuite la partie correspondant à la trappe d'accès qui se situe sensible ment au niveau du bossage 8a et on usine le bossage 8a qui constitue le cadre de fixation de la trappe pour le munir de moyens appropriés 23, permettant le montage de la trappe 25. Après ces différentes opérations on réusine la totalité de la paroi externe de la pièce 8 pour qu'elle présente les cotes voulues. La trappe d'accès peut être réalisée dans un dispositif analogue à celui de la figure 1 par frittage sous pression isostatique en utilisant un moule en deux parties de forme appropriée. Après l'opération de frittage, par compression isostatique à chaud, selon l'invention, l'usinage est facile à réaliser ; le copeau est fin car le frottement entre la pièce et l'outil d'usinage est plus faible que pour les pièces forgées en TA6V, ce qui permet d'adopter une vitesse de coupe plus élevée. Les caractéristiques mécaniques de la pièce ont été déterminées sur une pièce de 4 mm d'épaisseur et l'on obtient les résultats donnés dans le tableau qui suit. TABLEAU Ti 6 Al 4 V Limite de Limite élas-1 Au% rupture Rm tique R (MPa) (MPa) Pièce obtenue selon l'invention (9500C, 937 j 843 9 l02a > ~~~~ Pièce forgée 953 871 11 Pièce de fonderie > 900 > 800 5 Dans ce tableau, on a indiqué également les résultats obtenus avec des pièces analogues réalisées à partir d'ébauches coulées ou forgées.On a également déterminé l'allongement à la rupture Ar(%) et la striction Z de la pièce obtenue selon l'invention et on a obtenu les résultats suivants - Ar t - 12,7 - Z t 3 24 t Au vu de ces résultats, on constate que le procédé de l'invention permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques améliorées par rapport aux pièces de fonderie. On contrôle également les caractéristiques métallurgiques de la pièce par observation au microscope optique. Ainsi, on remarque que le matériau est sain et qu'il est essentiellement constitué d'une structure de Widmanstàtten qui correspond à un mince liseré de phase ss séparant des plaquettes de phase a. Lorsqu'on observe au microscope électronique, la microstructure se révèle plus complexe et présente à l'interface des phases a et F une autre phase appelée L de 0,3 à 0,4 wn de large. Il est à noter que pour la réalisation de cette pièce, on a utilisé une quantité de poudre de 8 kg pour obtenir un produit usiné de 5 kg. Si l'on avait réalisé la même pièce par les techniques classiques de réalisation d'ébauches à partir de noyaux de fonderies, on aurait dû utiliser 60 kg de matière. Ainsi, le procédé de l'invention permet d'économiser une quantité importante de matière première, ce qui se révèle très intéressant lorsqu'il s'agit de matières coûteuses ou difficiles à réutiliser après usinage. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces minces (8) de forme complexe, par compact ion isostatique à chaud, caractérisé en ce qu'il consiste a) - à préparer une poudre de matériau frittable ayant une granulométrie de 100 à 1000 'lin, b) - à introduire ladite poudre dans un moule compor tant deux parties (1 et 3) d'épaisseurs différen tes choisies de façon telle que la partie (3) du moule ayant l'épaisseur la plus faible soit dé formable sous l'action de la pression isostatique tandis que la partie (1) du moule ayant l'épais seur la plus forte ne soit pas déformable sous l'action de la pression isostatique, la partie (1) du moule non déformable sous l'action de la pression isostatique ayant un profil tel qu'il correspond aux cotes définitives de la pièce (8) à fabriquer, c):: à sceller le moule, d) - à soumettre l'ensemble ainsi obtenu à une com pression isostatique à chaud, et e) - à éliminer les deux parties du moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on usine la pièce sur sa surface qui correspond à la partie déformable (3) du moule. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau frittable est un métal ou un alliage métallique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau frittable est un alliage de titane. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 de fabrication de pièces minces comportant des bossages, caractérisé en ce que la partie du moule non déformable sous l'action de la pression isostatique comprend des zones en creux (la, lb) ayant un profil correspondant aux cotes définitives de ces bossages et la partie du moule déformable sous l'action de la pression isostatique comprend des zones en relief (3a, 3b) ayant un profil sensiblement inverse de celui des zones en creux (la, lb) aux endroits situés en regard des zones en creux (la, lb) de la partie du moule non déformable sous l'action de la pression isostatique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, de fabrication de pièces minces de forme complexe en titane ou en alliage de titane, caractérisé en ce que l'on réalise la compression isostatique, sous atmosphère d'argon à une température de 900 à 9800C, sous une pression de 50 à 200 MPa. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moule est réalisé en acier. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la différence d'épaisseur entre les deux parties du moule (1 et 3) est d'au moins 0,5 mm. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie du moule (3) déformable sous l'action de la pression isostatique est de 2 à 4 mm. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moule en deux parties (1 et 3) ayant des épaisseurs différentes, la partie (1) présentant l'épaisseur laplus forte ayant un profil correspondant aux cotes définitives de l'une des surfaces de la pièce à fabriquer. 11. Dispositif selon la revendication 10, pour la fabrication de pièces devant présenter des bossages, caractérisé en ce que la partie du moule (1) qui présente l'épaisseur la plus forte comporte des zones en creux (la, lb) ayant le profil des bossages à obtenir et la partie du moule (3) présentant l'épaisseur la plus faible comporte des zones en relief (3a, 3b) ayant un profil sensiblement inverse de celui des zones en creux, aux endroits situés en regard des zones en creux (la, lb) de la partie du moule (1) ayant l'épaisseur la plus forte.