Brevet FR2653783A1 — publié le 19910503

L'invention concerne un procédé pour la fabrication par la métallurgie des poudres de pièces (poudres frittées) moulées à contours compliqués, à partir de composés intermétalliques d'au moins un métal à bas point de fusion et un métal à haut point de fusion. Un procédé du type indiqué précédemment est connu d'après WO 86/04840. Ce procédé connu a l'inconvénient que la poudre à fritter est constituée de particules intermétalliques dures, de sorte que pour le formage proche des contours finals, il faut ajouter des liants tels que cires, matières thermoplastiques ou thermodurcissables. Ces liants provoquent de façon désavantageuse un retrait important de 10 à 20 %. Un travail d'enlèvement de copeaux sur le corps cru, pour l'élaboration d'une forme à contours proches des contours finals avec une grande précision des mesures, n'est pas possible. Le but de l'invention est de fournir un procédé du type indiqué au début, pour la fabrication par la métallurgie des poudres de pièces moulées, la pièce de construction étant à travailler de façon économique, sans addition de liants, avec un faible degré de retrait, pour donner une forme à contours proches des contours finals. Le but est atteint par les étapes du procédé suivantes: a) frittage d'un mélange de poudres constitué des métaux élémentaires du composé intermétallique à former, à des températures de 75-100 % de la température de fusion de métal ayant le point de fusion le plus bas, pour l'obtention d'un corps fritté compact ayant une densité d'au moins 95 % de la densité théorique des métaux, b) travail proche des contours finals du corps fritté, pour l'obtention d'une pièce moulée, c) enrobage de la pièce moulée avec le composant à haut point de fusion du composé intermétallique à former, d) compression-réaction isostatique à chaud de la pièce moulée enrobée, à la température de réaction pour la formation du composé intermétallique. Avec ce procédé, on met à profit la bonne aptitude au travail des composants métalliques d'un composé intermétallique dur, difficile à travailler. A partir de ces composants métalliques, on obtient par frittage de préférence une ébauche ou un produit semi- ouvré, de sorte qu'une matrice pouvant être travaillée par enlèvement de copeaux est formée à partir du composant à point de fusion le plus bas, dans lequel sont noyés les composants à hauts points de fusion, ayant des tailles de particules de poudre de 0,2 à 15 x 10-6m. On peut par conséquent utiliser avantageu- sement tous les procédés de travail pour une pièce à former à partir de composés intermétalliques, qui n'étaient jusqu'à présent possibles que pour les composants métalliques. L'enrobage de la pièce moulée avec le composant à haut point de fusion offre l'avantage que lors de la compression-réaction isostatique à chaud subséquente, aucune matrice de compression compacte n'est requise, de sorte que des contours finals compliqués peuvent être pressés isostatiquement à chaud et le retrait de volume lors de la formation du composé intermétallique peut s'effectuer sans formation de pores de diffusion. Dans un mode de réalisation préféré du procédé, on ajoute à la poudre de métaux élémentaires une poudre du composé intermétallique, à raison de jusqu'à 50 % du poids total du mélange de poudres. Cela offre l'avantage, d'une part, de ne pas limiter de façon importante les possibilités de travail, et d'autre part de permettre d'atteindre une plus haute résistance mécanique du corps fritté compact et de fournir des germes de réaction pour la formation du composé intermétallique lors de la compression isostatique à chaud subséquente. Une plage préférée d'une addition de poudre constituée du composé intermétallique à former se situe entre 2 et 30 % en poids du poids total du mélange de poudres. Dans cette plage, on peut réduire considérablement les durées de la compression-réaction isostatique à chaud subséquente. En plus d'additifs pulvérulents constitués de composés intermétalliques en tant que germes de réaction ou pour la diminution des temps de fabrication lors de la compression isostatique à chaud, on peut également ajouter à la poudre des additifs, à raison de jusqu'à 30 % en poids du poids total de la poudre, sous forme de particules céramiques à tailles de grains inférieures à 1 pm, ou de fibres courtes céramiques, pour l'amélioration de la résistance au fluage ou de la résistance à l'oxydation et/ou de la résistance à la corrosion de la pièce de construction. Des additifs céramiques préférés sont constitués de A1203, Er2O3, TiC ou TiB2 à raison de 30 % en poids sous forme de particules à taille de grain inférieures à 1 x 10_6m. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps fritté compact est fritté sous forme d'une ébauche ou d'un produit semi-ouvré. Selon une autre caractéristique de l'invention, on effectue le frittage, en un corps fritté compact, dans un récipient dans lequel on a fait le vide. Selon une autre caractéristique de l'invention, on parvient à la forme proche du contour final par travail d'enlèvement de copeaux ou usinage électrochimique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enrobage de la pièce moulée à contours proche des contours finals est effectué dans un récipient dans lequel on a fait le vide. Selon une autre caractéristique de l'invention, on effectue l'enrobage par dépôt en phase vapeur, pulvérisation ou projection au plasma. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pièce moulée aux contours proche des contours finals est enrobés de métal à bas point de fusion, en une épaisseur de 0,05-1 mm, de préférence de 0,1-0,5 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, on effectue la compression-réaction isostatique à chaud sous atmosphère d'argon et sous une pression comprise entre 100 MPa et 300 MPa. Afin d'éviter des inclusions de gaz dans le corps fritté compact, on effectue l'étape de frittage de préférence dans un récipient pouvant être mis sous vide. Des pores remplis de gaz ou des inclusions de gaz de ce type mettent en danger le mince enrobage lors du frittage réactif isostatique à chaud subséquent. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on aboutit à la forme à contours proches des contours finals par un usinage électrochimique ou par un travail d'enlèvement de copeaux. Ces procédés de travail peuvent être utilisés d'autant plus avantageusement que le corps fritté compact n'est pas encore constitué du composé intermétallique à former, ce par quoi en particulier la durée d'utilisation des outils est prolongée de façon économique, ou, respectivement, le temps d'usinage électrochimique est réduit. La compression-réaction isostatique à chaud sera avantageusement effectuée sans matrice de compression, mais simplement sous gaz de compression. Pour un transfert uniforme de la pression sur le corps fritté travaillé à contours proches des contours finals, on applique par dépôt en phase vapeur, pulvérisation ou projection au plasma un enrobage de 0,05 à 1 mm d'épaisseur, de préférence de 0,1 à 0,5 mm d'épaisseur de la pièce moulée avec le composant à haut point de fusion du composé intermétallique à former, de préférence dans un récipient dans lequel on a fait le vide. L'enrobage relativement mince offre l'avantage que le formage proche des contours finals n'est pas altéré de façon importante. Avec cet enrobage, en tenant compte du retrait de volume dû au frittage, réaction donnant une pièce moulée à base de composés intermétalliques, on parvient au contour final. L'utilisation du composant à point de fusion le plus bas du composé intermétallique, en tant que matériau d'enrobage, offre l'avantage que lors du frittage-réaction, le matériau d'enrobage dans la surface de contact réagit avec la pièce moulée et il se forme un étroit assemblage entre enrobage et pièce moulée, de sorte que le matériau d'enrobage représente en même temps une finition de la surface adhérant solidement. Les assez fortes épaisseurs de l'enrobage de jusqu'à 1 mm sont nécessaires lorsque la surface est destinée par exemple à être ultérieurement rodée ou polie. L'enrobage dans un récipient mis sous vide empêche de façon avantageuse qu'apparaissent sous l'enrobage des inclusions de gaz qui pourraient provoquer un gonflement ou un éclatement partiel de l'enrobage lors de la compression-réaction isostatique à chaud. Dans le cas d'assez fortes épaisseurs de l'enrobage, allant jusqu'à 1 mm, on utilise de préférence la projection au plasma, d'autant plus que dans le cas de contours finals compliqués, celle-ci est en outre plus avantageuse à utiliser que le dépôt en phase vapeur et la pulvérisation. En fonction du composé intermétallique à former, la compression-réaction isostatique à chaud est effectuée dans la plage de pressions comprise entre 100 MPa et 300 MPa. A cet effet, on maintient avantageusement dans le récipient une atmosphère de gaz inerte, tel que l'argon. Dans le cas des basses pressions, il y a le risque que le relativement mince enrobage ne supporte pas la pression de vapeur des composants à bas points de fusion des composés intermétalliques. La présente invention est illustrée à l'aide des exemples descriptifs et non limitatifs ci-après. Exemple 1 En premier, on mélange énergiquement une poudre de titane pulvérulent ayant une taille de grains inférieure à 30 x 10-6m et d'aluminium pulvérulent ayant une taille de grains inférieure à 30 x 10-6m, à raison de 50 % en mole de titane et 50 % en mole d'aluminium, de manière à parvenir à une répartition uniforme des deux éléments dans le mélange. On chauffe ce mélange de poudres à une température de 75 % de la température de fusion de l'aluminium, dans un moule de frittage, pour aboutir à une ébauche de Ti/Al, par exemple à un corps fritté parallélépipêdique. On fait ensuite le vide dans le récipient. A partir de ce corps fritté parallélépipêdique, on fabrique, par forgeage, travail par enlèvement de copeau et/ou perçage électrochimique, une pièce de construction finie, à contours proches des contours finals à savoir une aube de turbine avec emplanture d'aube et canaux d'air de refroidissement. On remplit les canaux d'air de refroidissement avec des baguettes de quartz et on enrobe la pièce avec du titane, en une épaisseur de 0,5 mm, par projection au plasma, en faisant au préalable le vide dans le récipient. Après un frittage-réaction isostatique à chaud à 1300 C pendant 3 heures et sous une pression de 200 MPa, on retire de l'unité haute pression la pièce de construction constituée du composé intermétallique TiAl, ayant subi un retrait jusqu'aux dimensions finales et on élimine les baguettes de quartz par attaque au moyen d'acide fluorhydrique. Exemple 2 En premier lieu, on prépare, à partir de % en mole de titane et 75 % en mole de poudre d'aluminium, un mélange de poudres ayant une taille de grains inférieure à 30 x 10-6m et on y ajoute 5 % en poids, par rapport au poids total du mélange de poudres d'aluminium et de titane, d'une poudre de la phase intermétallique TiAl3, ayant une taille de grains inférieure à 1 x 10-6m. On procède ensuite comme dans l'exemple 1. Lors de la compression- réaction isostatique à chaud, on applique seulement une pression de 200 MPa, pendant 2 heures à 1 2500C, et on retire de l'unité haute pression une pièce de construction constituée du composé intermétallique TiAl3. Exemple 3 On mélange d'abord une poudre à partir de 21 % en poids d'Al ayant une taille de grains inférieure à 30 x 10-6m, 5 % en poids de Al3Ti ayant une taille de grains inférieure à 1 x 10-6m % en poids de A1203 ayant une taille de grains inférieure à 1 x 10-6m et le reste étant constitué de Ti ayant une taille de grains inférieure à 30 x 10-6m. Dans cet exemple, le faible écart du rapport stoechiométrique entre l'aluminium et le titane fait qu'après la compression-réaction isostatique à chaud, la pièce de construction présente une ductilité améliorée. Avec l'addition d'un composé céramique, sous forme de la poudre de A1203 ayant une taille de grains inférieure à 1 x 10-6m, la résistance de la pièce de construction au fluage à haute température d'opération est accrue. Après la préparation du mélange de poudres, on procède comme dans l'exemple 2, avec le résultat que l'on peut retirer de l'unité haute pression une pièce de construction à base du composé intermétallique TiAl, durci par dispersion de particules de céramique et ayant une résistance accrue au fluage. R E V E N D I C A T ION S 1 ) Procédé pour la fabrication par la métallurgie des poudres de pièces moulées à contours compliqués, à partir de composés intermétalliques d'au moins un métal à bas point de fusion et un métal à haut point de fusion, caractérisé par les étapes de procédé suivantes: a) frittage d'un mélange de poudres constitué des métaux élémentaires du composé intermétallique à former, à des températures de 75-100 % de la température de fusion de métal ayant le point de fusion le plus bas, pour l'obtention d'un corps fritté compact ayant une densité d'au moins 95 % de la densité théorique des métaux, b) travail proche des contours finals du corps fritté, pour l'obtention d'une pièce moulée, c) enrobage de la pièce moulée avec le composant à haut point de fusion du composé intermétallique à former, d) compression-réaction isostatique à chaud de la pièce moulée enrobée, à la température de réaction pour la formation du composé intermétallique. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajoute, au mélange de poudres de métaux élémentaires, une poudre du composé intermétallique à former, à raison de 50 % en poids du poids total du mélange de poudres. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on ajoute, au mélange de poudres de métaux élémentaires, de préférence, une poudre du composé intermétallique à former, à raison de 2-30 % en poids du poids total. ) Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on ajoute, au mélange de poudres de métaux élémentaires et de composés intermé- talliques, une poudre de matériau céramique, de préférence A1203, Er2O3, TiC ou TiB2, à raison de 30 % en poids sous forme de particules à taille de grain inférieure à 1 x 10-6m. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps fritté compact est fritté sous forme d'une ébauche ou d'un produit semi-ouvré. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on effectue le frittage, en un corps fritté compact, dans un récipient dans lequel on a fait le vide. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on parvient à la forme proche du contour final par travail d'enlèvement de copeaux ou usinage électrochimique. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enrobage de la pièce moulée à contours proche des contours finals est effectué dans un récipient dans lequel on a fait le vide. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on effectue l'enrobage par dépôt en phase vapeur, pulvérisation ou projection au plasma. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pièce moulée aux contours proche des contours finals est enrobés de métal à bas point de fusion, en une épaisseur de 0,05-1 mm, de préférence de 0,1-0,5 mm. 11 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on effectue la compression-réaction isostatique à chaud sous atmosphère d'argon et sous une pression comprise entre 100 MPa et 300 MPa.