Brevet FR2661847A1 — publié le 19911115

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES OU DE REVETEMENTS DE PIECES. L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces ou de revêtements de pièces à partir de particules sous forme de poudre, de sphères ou de bâtonnets. La fabrication de pièces ou de revêtements de pièces à partir de particules de poudre, sous l'effet de la gravité, est connue par la métallurgie des poudres et les techniques de revêtements Dans ce cas, la nécessité de surmonter la pesanteur lors de l'application des particules pour constituer un revêtement ou lors du moulage des particules pour former une pièce, constitue un inconvénient Cela peut se faire par une forte accélération des particules, comme par exemple dans le cas du procédé de projection à la flamme, les particules étant toutefois dans ce cas déformées lors de leur impact, ce qui constitue également un inconvénient La pesanteur peut être surmontée par suspension dans un milieu liquide, comme dans le cas de la coulée en barbotine ou du dépôt électrolytique de revêtements de dispersion, tels que des couches de Ni Cr Al Y Un inconvénient de ces procédés réside dans le fait que les particules en suspension ne peuvent être chauffées à des températures de frittage Une agglomération de particules par exemple en forme de bâtonnets, de tiges ou de fibres courtes, à orientation perpendiculaire à une surface à revêtir, ne peut être réalisée par le biais des procédés connus avec mise en suspension des particules Un dépôt régulier de tous les côtés sur, par exemple, un substrat, une matrice ou une pièce, est influencé de manière néfaste par la pesanteur. Le but de l'invention consiste à fournir un procédé du type de celui mentionné en introduction, qui permet une agglomération libre de déformation, de particules sous forme de poudre, de sphères ou de bâtonnets pour constituer une pièce ou un revêtement de pièce, et qui agit de manière régulière sur tous les côtés ou de manière régulière sur un seul côté, par rapport à une pièce, une matrice ou un substrat. Ce but est atteint pour un procédé de fabrication en apesanteur, de pièces ou de revêtements de pièces caractérisé en ce que des particules sont maintenues sous la forme d'un nuage de particules dans un volume limité, que le nuage de particules est chauffé et que les particules chauffées du nuage de particules sont agglomérées entre-elles ou déposées sur une matrice pour former respectivement une pièce ou un revêtement de pièce. Un avantage du procédé réside dans le fait qu'à l'inverse des procédés connus avec particules en suspension, les particules peuvent, avant l'agglomération ou le dépôt, être chauffées uniformément à des températures élevées d'une valeur quelconque, avec une dispersion de température minimale entre les diverses particules Un autre avantage réside dans le fait que des particules sous forme de poudre, dans le nuage de particules peuvent être transformées en une forme globulaire, par fusion des particules Grâce à des processus de refroidissement contrôlés, à la suite de la fusion de matériaux sous forme de poudre, il est également possible que les gouttelettes globulaires se cristallisent pour donner des particules en forme de bâtonnets, de tiges, de fibres courtes ou de forme dendritiques, qui peuvent former après l'agglomération ou le dépôt orientés qui suivent, des pièces ou des revêtements de pièces à structure laminaire ou colonnaire. Selon une mise en oeuvre préférée du procédé, il est prévu que les particules du nuage de particules sont revêtues en apesanteur, au moyen d'un procédé "CVD" (dépôt chimique en phase vapeur) ou "PVD" (dépôt physique en phase vapeur) , avant l'agglomération ou le dépôt Cela présente l'avantage qu'un matériau formant noyau relativement mou, tel que par exemple du graphite, peut être enveloppé par un revêtement métallique, avant l'agglomération ou le dépôt Par ailleurs, un matériau d'isolation thermique, électriquement non conducteur, en guise de noyau, par exemple de l'oxyde de zirconium, peut être enveloppé par un revêtement électriquement conducteur. Une autre mise en oeuvre préférée du procédé prévoit qu'une matrice ou une pièce à revêtir soient positionnées dans le nuage de particules ayant été chauffé, et que les particules, par charge électro- statique, soient déposées de manière régulière sur tous les côtés de la matrice ou de la pièce Cela présente l'avantage, qu'à l'aide de la matrice chargée de manière électrostatique, il devient à présent possible de fabriquer des pièces creuses avec une épaisseur de paroi régulière et un contour extérieur compliqué, telles que par exemple des aubes de turbine ou de compresseur pour la construction de propulseurs Lors du dépôt du nuage de particules sur une pièce, il se forme de manière régulière sur tous les côtés, des revêtements présentant une épaisseur de couche d'une grande constance. Grâce à une opération suivante de frittage, de préférence les particules agglomérées peuvent subir une compression pour former une pièce compacte, ou bien les particules déposées peuvent subir une compression pour former un revêtement compact Une telle opération de frittage augmente de manière avantageuse, la résistance des produits fabriqués. Si les particules agglomérées ou déposées sont chauffées de préférence jusqu'à la fusion, il se forme des pièces ou des revêtements de pièces comprimés de manière compacte, présentant l'avantage d'une grande précision de l'épaisseur. Selon un développement avantageux du procédé, le volume du nuage de particules est limité par un réservoir, et les particules ayant été chauffées sont déposées au moyen d'un courant de gaz, sur la surface extérieure ou à l'intérieur d'une matrice mise en forme au préalable Pour cela, la matrice est avantageusement constituée d'un matériau perméable au gaz, de sorte que les particules se déposent sur sa surface extérieure, lorsque le courant de gaz est conduit au travers de la matrice à partir de l'extérieur Si le courant de gaz est conduit au travers d'une matrice creuse, de l'intérieur vers l'extérieur, alors les particules se déposent sur la surface intérieure Après une compression des particules déposées, pour former une pièce compacte autoporteuse, la matrice peut de préférence être retirée Si toutefois, la matrice est retirée avant la compression des particules déposées, on obtient une pièce allégée, qui peut également faire office de filtre Les pores peuvent être remplis pour former un cops compact, par une autre opération de traitement de la matière, par exemple au moyen d'un procédé "CVD" (dépôt chimique en phase vapeur), ''PVD"I (dépôt physique en phase vapeur) ou un procédé de trempage à chaud. Si la matrice est de préférence réalisée sous la forme d'un substrat, il est possible à l'aide du courant de gaz au travers du nuage de poudre, de déposer les particules sur le substrat et de lier les particules au substrat pour constituer une pièce revêtue Une telle pièce composite peut avantageusement être utilisée comme semi-produit. Le nuage de particules peut se composer de préférence, de sphères creuses, de sphères pleines ou de sphères pleines enveloppées présentant un diamètre compris entre 50 Nom et 100 Am On obtient ainsi avantageusement une structure globulaire dans la texture de la pièce qui se forme ou du revêtement de pièce. En guise de matériau pour les sphères creuses, on utilisera de préférence, un alliage à base de titane, nickel ou cobalt Si l'on utilise des sphères creuses de diamètres sensiblement identiques, il devient possible de réaliser à partir de ces alliages, des matériaux de construction légers à faible poids spécifique à empilement de sphères très dense, qui présentent des valeurs de résistance particulièrement élevées dans des directions préférentielles et qui possèdent un rapport résistance/densité favorable De tels matériaux peuvent également être utilisés de manière avantageuse en guise de matrice de remplissage ou de support dans des éléments fortement sollicités de turbine à gaz. A l'aide de nuages de particules se présentant de préférence sous la forme de sphères pleines ou creuses en céramique, telles que par exemple des sphères en oxyde de zirconium ou en oxyde d'aluminium, il est possible d'obtenir des revêtements d'isolation thermique Si ces sphères sont enveloppées par des métaux, de préférence par un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt, il est possible de fabriquer des revêtements résistant à l'usure et d'isolation thermique, notamment destinés à la construction de propulseurs, ces revêtements présentant simultanément de très bonnes propriétés de fonctionnement d'urgence, dans le cas de noyaux de graphite globulaires. Une autre configuration préférée de l'invention, prévoit de mettre en oeuvre en guise de particules, des tubes, des bâtonnets ou des bâtonnets enveloppés présentant un diamètre de 10 Am à 1000 pm et d'une longueur de 50 Am à 2000 Am; en ce qui concerne les tubes on utilisera des tubes métalliques de préférence en un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt, et pour ce qui est des bâtonnets on utilisera des bâtonnets en céramique, de préférence de l'oxyde de zirconium ou d'aluminium Si l'on utilise des bâtonnets enveloppés, en graphite ou en céramique, l'enveloppe sera de préférence constituée d'un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt. Avec de tels nuages de particules, il est possible de fabriquer, dans le cas d'une polarisation appropriée des particules en forme de bâtonnets, des structures alvéolaires ou colonnaires basaltiques, fibreuses ou du type brosse comme revêtements de pièces, qui trouvent leur application notamment en tant que couches d'effleurement dans la construction de propulseurs. L'invention va maintenant être décrite plus en détail au regard des dessins annexés qui montrent: Fig 1 une agglomération sans déformation, de particules en forme de sphères, sur une matrice poreuse, Fig 2 une orientation du type brosse, de particules en forme de bâtonnets sur une surface de dépôt chargée électriquement, Fig 3 une agglomération du type alvéolaire de particules en forme de petits tubes. Fig 4 un dispositif pour la formation d'un nuage de particules chauffé et pour réaliser le dépôt sous la forme d'une pièce ou d'un revêtement de pièce, Fig 5 un dispositif pour la formation d'un nuage de particules chauffé, et pour former une pièce creuse ou un revêtement de pièce creuse, Fig 6 un dispositif pour la formation d'un nuage de particules chauffé, et pour le revêtement partiel dans l'espace, d'une pièce. La figure 1 montre une agglomération sans déformation, de particules ( 1) en forme de sphères, sur une matrice poreuse ( 2) Ces particules sont chauffées à la température de frittage, en étant par exemple en suspension en apesanteur, dans un nuage de particules ( 11) Ensuite, elles dérivent dans la direction de la flèche ( 32) sur la matrice ( 2), par enclenchement d'un courant de gaz, et s'agglomèrent entre-elles avec une faible vitesse d'impact Si toutes les particules ( 1) en forme de sphères présentent sensiblement le même diamètre, il se forme, selon un empilement de sphères des plus dense, une couche ( 3) ou une pièce de forme correspondante à celle de la matrice ( 2). Si les particules ( 1) en forme de sphères sont constituées par des sphères de graphite à enveloppe métallique, il se forme au cours du f rittage et de la compression qui suivent, un élément de construction léger ou une couche ( 3) présentant une résistance mécanique élevée et un faible poids spécifique. Dans le nuage de particules ( 11) en suspension en apesanteur, des particules de graphite pur en forme de sphères peuvent tout d'abord également être enveloppées par un métal au moyen d'un procédé "CVD" (dépôt chimique en phase vapeur) ou "PVD" (dépôt physique en phase vapeur) , ou bien des particules de graphite possédant une enveloppe peuvent subir une augmentation d'épaisseur de leur enveloppe à l'aide d'un procédé de dépôt de métal dans le nuage de particules ( 11), avant que ne soit enclenché un courant de gaz de transport dans la direction de la flèche ( 32). La figure 2 montre une orientation ( 4) du type brosse, de particules en forme de bâtonnets ( 5) sur une surface de dépôt ( 6) chargée électriquement Pour cela, les particules ( 5) en forme de bâtonnets sont tout d'abord chargées électriquement dans le nuage de particules, et ensuite la surface de dépôt ( 6) est soumise à un potentiel électrique, de sorte qu'il se forme une couche à structure du type brosse, qui peut être utilisée comme joint d'étanchéité du type à brosse ou comme surface d'effleurement. Si les particules ( 5) en forme de bâtonnets sont constituées par des fibres courtes du type monocristal, il est possible de former une couche ( 7) à structure colonnaire, particulièrement uniforme. La figure 3 montre une agglomération alvéolaire ( 8) de particules ( 9) en forme de petits tubes, sur une surface de dépôt ( 6) De telles particules ( 9) sont tout d'abord formées dans un nuage de particules de bâtonnets de graphite; pour cela, les bâtonnets sont d'abord enveloppés par des procédés "CVD" (dépôt chimique en phase vapeur) ou "PVD" (dépôt physique en phase vapeur), puis le noyau de carbone est extrait par oxydation Les enveloppes restantes en forme de petits tubes sont ensuite chargées électriquement dans le nuage de particules, puis après que la surface de dépôt ( 6) ait été chargée électriquement, y sont déposées sous la forme de couche ( 35) à structure alvéolaire basaltique, qui se prête à la réalisation d'une couche d'isolation thermique lorsque les particules ( 9) en forme de petits tubes sont réalisées en un matériau céramique, par exemple en oxyde de zirconium, ou bien à la réalisation d'une couche d'effleurement lorsque les particules ( 9) en forme de petits tubes sont réalisées en des métaux présentant une grande résistance à l'usure. La figure 4 montre un dispositif ( 10) destiné à la formation d'un nuage de particules chauffé ( 11) et à la formation d'une pièce ( 12) ou d'un revêtement de pièce par dépôt Le dispositif ( 10) comprend un réservoir ( 13) comportant une ouverture d'entrée ( 14) susceptible d'être obturée, destinée par exemple à l'entrée de gaz et/ou de particules de poudre Une surface de dépôt ( 6) est raccordée de manière fonctionnelle à une source de tension ( 15), par l'intermédiaire d'un commutateur ( 16) Le nuage de particules ( 11), après avoir été transporté dans le réservoir ( 13) selon la direction de la flèche ( 32), au travers de l'ouverture d'entrée ( 14), peut être chauffé soit de manière inductive, soit par rayonnement thermique Pour le chauffage par rayonnement thermique, les parois du réservoir, ou des parties de celles-ci, sont par exemple chauffées jusqu'à la température de chauffe Après avoir atteint la température prédéfinie, la surface de dépôt ( 6) est chargée électriquement après mise au potentiel par le commutateur ( 16), et les particules du nuage de particules ( 11) s'y déposent. La figure 5 montre un dispositif 18 destiné à la formation d'un nuage de particules chauffé ( 11) et à la formation d'une pièce creuse ( 17) ou d'un revêtement de pièce creuse Pour cela, le dispositif ( 18) comporte sur un réservoir ( 20), une ouverture d'entrée ( 14) ainsi qu'une ouverture de sortie ( 19) pour un gaz porteur et des particules de poudre L'ouverture d'entrée ( 14) et l'ouverture de sortie ( 19) peuvent être obturées au moyen de vannes d'arrêt ( 21) et ( 22) Sur l'ouverture de sortie ( 19) est bridée une matrice ( 34) perméable au gaz dans la direction des flèches ( 33), destinée au dépôt de la pièce creuse ( 17) et sur le côté intérieur de laquelle viennent se déposer, après ouverture de la vanne d'arrêt de sortie ( 21), les particules du nuage de particules ( 11) qui a été chauffé entre temps. La figure 6 montre un dispositif ( 23) destiné à la formation d'un nuage de particules chauffé ( 11) ainsi qu'au revêtement partiel dans l'espace, d'une pièce ( 24) Le dispositif ( 23) est constitué par un réservoir ( 25) qui comporte un sas de pièce ( 31) et une ouverture d'entrée ( 14) pour la pénétration selon la flèche ( 32), d'un gaz porteur, ainsi que pour des particules de poudre Un manipulateur de pièces ( 26) porte la pièce ( 24), qui dans l'exemple présent est une aube de turbine à gaz ( 27) Aussi bien le pied de l'aube ( 28) que la pointe de l'aube ( 29) sont noyés dans un matériau de protection La pièce ( 24) peut être il raccordée à une source de tension ( 15), par l'intermédiaire du manipulateur de pièce ( 26) et du commutateur ( 30) Lors du chauffage du nuage de particules ( 11), la pièce ( 24) se trouve en-dehors du réservoir ( 25), et est introduite au travers du sas de pièce ( 31), dans le réservoir ( 25), à l'aide du manipulateur de pièce ( 26), lorsque le nuage de particules ( 11) a atteint une température d'une valeur prédéterminée Par la mise en circuit de la source de tension ( 15) au moyen du commutateur ( 30), les particules du nuage de particules ( 11) se déposent de manière régulière sur tous les côtés de l'aube de turbine à gaz ( 27) en formant un revêtement. REVENDICATIONS. 1 Procédé de fabrication en apesanteur, de pièces ou de revêtements de pièces, caractérisé en ce que des particules ( 1, 5, 9) sont maintenues sous la forme d'un nuage de particules ( 11) dans un volume limité, en ce que le nuage de particules ( 11) est chauffé et que les particules chauffées du nuage de particules ( 11) sont agglomérées entre-elles ou déposées sur une matrice ( 2, 34) pour former respectivement une pièce ( 12, 17) ou un revêtement de pièce ( 3, 7, 35). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules ( 1, 5, 9) du nuage de particules ( 11) sont revêtues, au moyen d'un procédé "CVD" (dépôt chimique en phase vapeur) ou "PVD" (dépôt physique en phase vapeur), avant l'agglomération ou le dépôt. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une matrice ( 2) est positionnée dans le nuage de particules ( 11), et en ce que les particules, par charge électro-statique, sont déposées de manière régulière sur tous les côtés de la matrice ( 2). 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules ( 1, 5, 9) déposées subissent une compression par frittage pour former une pièce compacte ( 12, 17) ou un revêtement de pièce compact ( 3, 7, 35). Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules ( 1, 5, 9) sont comprimées par fusion pour constituer une pièce compacte ( 12, 17) ou un revêtement compact ( 3, 7, 35). 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le volume du nuage de particules ( 11) est limité par un réservoir ( 13, 20, ), et les particules ( 1, 5, 9) ayant été chauffées sont déposées au moyen d'un courant de gaz, sur la surface extérieure ou à l'intérieur d'une matrice ( 2, 3, 4) mise en forme au préalable. 7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice ( 2, 34) est retirée avant ou après une compression des particules déposées qui forment une pièce ( 12, 17, 24) ou un revêtement ( 3, 7, 35). 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice ( 2) forme substrat, et en ce que des particules chauffées ( 1, 5, 9) sont déposées sur le substrat et sont liées au substrat pour constituer une pièce revêtue. 9 Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 6 ou 7, caractérisé en ce que les particules déposées ( 1, 5, 9) sont liées entre-elles pour constituer une pièce allégée poreuse. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de particules ( 1), des sphères creuses ou des sphères pleines enveloppées présentant un diamètre compris entre 50 pm et 100 Am. 11 Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de sphères creuses, des sphères creuses métalliques de préférence en un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt. 12 Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de sphères pleines ou creuses, des sphères en céramique, telles que des sphères en oxyde de zirconium ou en oxyde d'aluminium. 13 Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de sphères pleines enveloppées, des sphères comportant un noyau en graphite ou en céramique, et une enveloppe en métal, de préférence un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt. 14 Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de particules ( 9), des tubes, des bâtonnets ou des bâtonnets enveloppés présentant un diamètre de 10 pm à 1000 Am, et une longueur de 50 AX à 2000 Nom. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 ou 14, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de tubes, des tubes métalliques, de préférence en un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt. 16 Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 ou 14, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de bâtonnets, des bâtonnets en céramique, de préférence en oxyde de zirconium ou en oxyde d'aluminium. 17 Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 ou 14, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre en guise de bâtonnets enveloppés, des bâtonnets en graphite ou en céramique comportant une enveloppe de préférence en un alliage à base de titane, de nickel ou de cobalt. 18 Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, ou 6 à 11 ou bien 15, pour la fabrication de matériau de construction léger présentant une grande résistance et une structure alvéolaire globulaire ou basaltique. 19 Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, 12, 14, 16 ou 17, pour la fabrication de revêtements faisant office de revêtements d'isolation thermique pour la construction de propulseurs. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 17, pour la fabrication de revêtements à structure basaltique ou globulaire, faisant office de couches d'effleurement dans la construction de propulseurs.