Brevet FR2796322A1 — publié le 20010119

PIECE MECANIQUE APTE A ETRE THERMALISEE PAR LA CIRCULATION INTERNE D'UN FLUIDE, ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE PIECE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une pièce mécanique apte à être thermalisée par la circulation interne d'un fluide, et un procédé de fabrication d'une telle pièce. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE I1 est connu de créer des cavités internes dans des pièces mécaniques qui, en service, peuvent recevoir des flux thermiques importants sur leur surface, pour permettre une circulation interne de fluide (liquide ou gaz) afin d'éviter une surchauffe catastrophique. Les techniques d'usinage conventionnel (perçage, tournage,...) permettent de créer de telles cavités internes. Mais, ces cavités sont en général rectilignes et ne peuvent suivre les profils de surface de la pièce à refroidir. De plus, de telles techniques ne peuvent être employées dans de nombreux cas, ce qui nécessite d'utiliser des techniques plus lourdes. Ainsi, l'usinage de cavités dans une paroi mince hémisphérique est impossible. Pour refroidir une telle pièce, on ne peut alors qu'effectuer la, flexion d'une plaque mince percée. Une autre solution pour créer de telles cavités consiste à utiliser la technique de compression isostatique à chaud ou CIC (en anglais Hot Isostatic Pressing ou HIP). Celle-ci est utilisée, en particulier, pour fabriquer des pièces parfaitement denses à partir d'une poudre métallique ou céramique ou pour souder par diffusion des matériaux massifs plus de la poudre. Cette technique consiste à porter simultanément la poudre et/ou les matériaux massifs à haute température et à haute pression. La compression étant assurée par l'intermédiaire d'un fluide (généralement de l'argon), la poudre doit être enfermée dans un conteneur (généralement métallique) dégazé et obturé pour être parfaitement étanche. Lors de la compression isostatique à chaud, la mise en pression de l'extérieur du conteneur permet de réduire son volume ce qui comprime la poudre et/ou les matériaux massifs jusqu'à la disparition totale de toute porosité. On peut alors disposer à l'intérieur du conteneur un ou plusieurs inserts pleins, de forme adaptée. Lors de la compression isostatique à chaud, la poudre et/ou les matériaux massifs viennent se densifier contre ces inserts et reproduire (en négatif) leur forme. A l'issue de la compression isostatique à chaud et après élimination du conteneur (par exemple par usinage), l'élimination des inserts permet d'obtenir une pièce dont certaines des formes reproduisent celles des inserts. Mais une telle technique, qui nécessite l'enlèvement ultérieur des inserts, ne permet pas de réaliser des pièces complexes présentant un réseau interne continu de canalisations permettant la circulation d'un fluide. L'invention a pour objet un procédé permettant de réaliser de telles pièces. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mécanique, apte à être thermalisée par la circulation interne d'un fluide, dans lequel on porte une poudre, disposée dans un conteneur, à haute température et haute pression selon la méthode de compression isostatique à chaud, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable d'introduction d'au moins un insert creux dans la poudre de manière à ce qu'il débouche de part et d'autre de ce conteneur. Avantageusement, ledit procédé comporte une étape d'élimination dudit insert par démontage mécanique, érosion ou dissolution chimique et une étape de découpe de la pièce après fabrication. La présente invention concerne également une pièce mécanique apte à être thermalisée par la circulation interne d'un fluide, et fabriquée par la méthode de compression isostatique à chaud, comportant au moins un insert creux, continu, non rectiligne qui débouche à la surface extérieure de celle-ci. La présente invention présente de nombreux avantages # elle rend possible la fabrication de pièces qui était impossible auparavant : par exemple celle de toute pièce refroidie par une circulation dans une cavité non rectiligne, # elle permet, au moyen d'outils de simulation numérique, de fabriquer des pièces dont la section de cavité n'est pas circulaire, mais peut être de forme ellipsoïdale par exemple, pour augmenter la surface d'échange, # de par sa facilité de mise en oeuvre, elle permet de fabriquer des pièces, même de forme très complexes, en une seule opération de compression isostatique " à chaud. Ceci procure des avantages indéniables en termes de qualité,' et de coût de réalisation, # la liberté de réaliser une cavité de n'importe quelle forme permet d'optimiser l'évacuation des calories et/ou de diminuer l'encombrement de la pièce. L'invention peut être utilisée pour fabriquer tout type de pièce nécessitant un refroidissement dû à des conditions sévères d'utilisation. Parmi les applications possibles, on peut citer les disques de freinage ou d'embrayage pour l'industrie automobile, les moules de plasturgie ou les poinçons pour la forge, les dispositifs d'évacuation de chaleur refroidis par des canalisations internes complexes (creusets froids, premières parois de réacteurs de fusion, systèmes de refroidissement pour composants électroniques...). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1 à 3 illustrent un exemple de réalisation du procédé de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION Le procédé de l'invention consiste à utiliser la technique de compression isostatique à chaud pour effectuer la mise en forme de pièces de formes complexes munies de cavités, à partir de poudres métalliques ou céramiques disposées dans un conteneur, en introduisant dans la poudre un ou plusieurs inserts creux, par exemple des tubes creux, ayant la forme de ces cavités suivant un profil de circulation de fluide que l'on cherche à obtenir. Ces inserts traversent le conteneur de compression isostatique à chaud et débouchent de part et d'autre sur l'extérieur de celui-ci. De ce fait, le gaz qui assure la pression dans l'enceinte remplit les inserts et évite leur écrasement lors du cycle compression isostatique à chaud puisque les pressions à l'intérieur et à l'extérieur de ces inserts sont égalisées. En fin de compression isostatique à chaud les inserts peuvent rester soudés sur la pièce finale. La cavité de la pièce obtenue correspond alors à la partie intérieure de ces inserts. On peut également éliminer ceux-ci par démontage mécanique, érosion ou dissolution chimique. La cavité obtenue correspond alors à la forme des inserts. Lors de la compression isostatique à chaud, le (ou les) insert(s) se déforment légèrement. Cette déformation peut être anticipée par modélisation numérique. De ce fait, on peut positionner et dimensionner le (ou les) insert(s) de manière à obtenir une section déformée d'insert donné. Ceci est particulièrement intéressant quand on cherche à augmenter la surface d'échange de l'insert â débit de fluide constant. Le procédé de l'invention peut être couplé avec un procédé de découpe par fil, qui permet de fabriquer en une seule étape, par exemple une paroi hémisphérique refroidie par une série de tubes de circulation comme dans l'exemple de réalisation considéré ci-dessous. Des matériaux autres que de l'acier peuvent être utilisés tant pour la poudre que pour les inserts. En particulier, des tubes en céramique peuvent être intéressants pour des applications nécessitant une circulation de fluides corrosifs. Dans un exemple de réalisation, le procédé de l'invention permet de fabriquer une pièce hémisphérique en acier inoxydable de type 316 comportant des cavités internes débouchant de part et d'autre de ladite pièce. Ces cavités ont la forme de tubes dont le nombre est de l'ordre de la dizaine et le diamètre compris entre 2 cm et 3 cm. Cette pièce est conçue pour recevoir une densité de flux de chaleur très importante au niveau du centre de la face hémisphérique, on augmente donc la densité de tubes dans cette zone médiane. Pour assurer une bonne évacuation de la chaleur, on réalise ainsi une deuxième rangée de tubes. . Pour réaliser cette pièce on part d'un conteneur axi-symétrique 10 illustré sur la figure 1. Ce conteneur 10 comprend un queusot 14 qui permet le remplissage de poudre et le dégazage avant obturation. Deux serpentins creux 11 et 12 en acier inoxydable sont insérés dans le conteneur 10 comme illustré sur la figure 2. L'ensemble est rempli de poudre d'acier 13, fermé et dégazé. L'opération de compression isostatique à chaud avec une température T de l'ordre de 1000 C et une pression P d'environ 100 MPa permet de densifier la poudre sans écraser les tubes, même s'ils se déforment un peu. L'ensemble est usiné dans les zones demi-finies et est découpé en deux parties, afin de produire deux parois hémisphériques refroidies. Enfin, la pièce est découpée par électroérosion le long d'un diamètre afin d'obtenir la pièce désirée illustrée sur la figure 3. Dans cet exemple de réalisation, les tubes ne sont pas enlevés. Une telle pièce peut avoir les dimensions suivantes : longueur L - 1 m, diamètre - 50 cm ; longueur des tubes 1 = 20 m. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique, apte à être thermalisée par la circulation interne d'un fluide, dans lequel on porte une poudre, disposée dans un conteneur (10), à haute température et haute pression selon la méthode` de compression isostatique à chaud, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable d'introduction d'au moins un insert creux (11, 12) dans la poudre de manière à ce qu'il débouche de part et d'autre de ce conteneur (10). 2. Procédé selon la revendication 1, qui comporte une étape d'élimination dudit insert par démontage mécanique, érosion ou dissolution chimique. 3. Procédé selon la revendication 1, qui comporte une étape de découpe de la pièce après fabrication. 4. Pièce mécanique apte à être thermalisée par la circulation interne d'un fluide, et fabriquée par la méthode de compression isostatique à chaud, comportant au moins un insert creux (11, 12), continu, non rectiligne qui débouche à la surface extérieure de celle-ci. 5. Pièce mécanique selon la revendication 4, comportant deux inserts (11, 12) formant deux serpentins creux en acier inoxydable.