Brevet FR2840969A1 — publié le 20031219

la gaine doit etre sollicitee. La presente invention a pour objet: - un nouveau materiau, dense, autolubrifiant a see, qui presente une resistance mecanique interessante dans le domaine des temperatures moyennes a elevees; - les pieces mecaniques en ledit materiau; - un procede d'elaboration audit materiau. De nombreuses fonctions des turbomachines dolvent etre assurees par des produits de frottement a teas coefficient de frottement, da ns des zones ou la lubrification convention nel le (qui com bi ne porosite du materiau en cause et emploi d'huile et/ou graisse) est impossible. Une bonne part de ces fonctions est a assurer par de petites pieces mecaniques de formes plus ou moins complexes (telles les douilles dans lesquelles tournent les pivots d'aubes a calage variable), soumises a de forts niveaux de temperature et de contrainte. Les domaines de temperatures cites basses (moins de 300 C) font appel a des materiaux organiques et ceux de temperatures cites hautes (plus de 600 C) a des materiaux metalliques, principalement des bases cobalt (si les teas coefficients de dilatation vent secondaires) ou a des ceramiques. Les domaines intermediaires, de temperatures moyennes a elevees, ne vent approches que par des carbones, dont la fragilite limite tres fortement l'emploi. L'invention, presentement en cause, a ete developpee dans un tel contexte, pour proposer de petites pieces mecaniques, autolubrifiantes dans leur masse, 3 hautes caracteristiques mecaniques et teas coefficient de dilatation thermique, capables de fonctionner a see, dans un domaine de temperatures moyennes a elevees (300 C grande taille. Lesdites pieces mecaniques (second objet de ['invention presentement revendiquee), de par le materiau les constituent ([edit materiau constituent lui, le premier objet de ['invention presentement revendiquee) , presentent un compromis tres interessant de bonne tenue mecanique a chaud et d'un faible coefficient de frottement, qui peut etre maintenu dans le temps (dans la mesure ou la couche de surface auto lubrifiante est renouvelee en cours de fonctionnement, dans la mesure ou le materiau est autolubrifiant dans sa masse). La surface desdites pieces comporte sufffisamment d'elements lubrifiants et la proportion desdits elements lubrifiants est avantageusement homogene dans le volume desdites pieces. Le materiau original en cause, les semi-produits et produits (pieces meca n iq ues, ci-dessus) en led it materiau vent ava ntageusement obtenus par des techniques de metallurgic des poudres. Leur procede d'obtention, mis en oeuvre par les inventeurs, constitue le dernier objet de ['invention presentement revendiquee. Le nouveau materiau de ['invention est un materiau: - dense: sa densite est superieure ou egale a 90 %; c'est-a dire, en d'autres termes, sa porosite residuelle est au maximum de 10 %; - autolubrifiant a sec dans sa masse: il presente un coefficient de frottement inferieur a 0,3; - qui presente, dans le domaine des temperatures moyennes a elevees: de 300 a 600 C, une bonne resistance mecanique: Rm > 400 MPa (ladite resistance mecanique etant definie de fason classique, familiere a l'homme de ['art, comme la limite de rupture statique); - constitue d'une matrice, apte a lui conferer la bonne resistance mecanique indiquee ci-dessus, dans le volume de laquelle on trouve des particules de lubrifiant solide, apses a conferer audit materiau ses proprietes lubrifiantes a sec. Lesdites particules sont, selon une variante avantageuse, uniformement reparties dans ledit volume. La porosite residuelle du materiau, qui resulte de son procede d'elaboration (voir plus loin) est falble ( et ou aucun effet reservoir d'huile ou de graisse n'est recherche. Ledit materiau a un coefficient de dilatation thermique teas, generalement inferieur a 12 lo-6, compatible avec son utilisation dans le domaine intermediaire de temperature (300 C Le lubrifiant solide intervenant (il n'est pas exclu du cadre de ['invention de faire intervenir au moins deux types de lubrifiant solide) est evidemment stable aux temperatures d'elaboration et d'utilisation du materiau. Il doit rester integre, apte a exercer-son action lubrifiante et notamment ne pas reagir avec la matrice au sein de laquelle il intervient. Il consiste avantageusement en du nitrure de bore ou du graphite. Il doit par ailleurs intervenir sous une forme compatible avec le procede d'elaboration du materiau. Il peut ainsi intervenir pre-conditionne, pre-agglomere, pre-allie... Au sein du materiau de ['invention, les particules de lubrifiant sol ide ont genera lement u n diametre equivalent (i l peut s'ag i r de particules spheriques ou anguleuses) compris entre 5 et 100 um. Lesdites particules de lubrifiant solide interviennent avantageusement isolees. Il ne saurait toutefois etre exclu d'en trouver, regroupees, en petites colonies. Lesdites colonies doivent bien evidemment rester petites, pour respecter l'homogeneite du materiau. De telles petites colonies vent susceptibles de presenter un diametre equivalent d'au plus 200'um. L'homme du metier comprend aisement l'interet qu'il y a 3 optimiser la mise ceuvre du procede d'elaboration du materiau de ['invention, pour minimiser, eviter la formation de ces colonies ou agglomerate. Les particules de lubrifiant solide interviennent generalement a un taux compris entre 1 et 30 % en volume du materiau en cause. Wiles interviennent bien evidemment en une quantite necessaire (> 1 % en volume) a l'obtention de l'effet escompte (pour conferer des proprietes a utol u brifiantes a u materiau) ma is aussi en u ne qua ntite raison na ble ( tenue mecanique a chaud/faible coeffficient de frottement. Lesdites particules de lubrifiant solide interviennent avantageu sement a un taux compris entre 10 et 20 % en volume. La matrice du materiau de ['invention consiste avantageusement en un acier ou un super-alliage metallique, plus particulierement en: - un acier inoxydable martensitique (par exemple de type Z5CNU17 ou 17-4PH), - un alliage a base de cobalt (par exemple de type KC20WN ou KC25NW, HS25, HS3 1), - du nickel (Ni) ou un alliage a base de nickel (par exemple de type NiCr, NK17CDAT (Astroloy)). Ladite matrice, comme deja indique, garantit les proprietes de resistance mecanique du materiau. Le materiau de ['invention consiste avantageusement: - en un acier inoxydable martensitique (par exemple, des types precises ci-dessus) renfermant des particules de nitrure de bore; - en un alliage a base de cobalt (par exemple des types precises ci-dessus) renfermant des particules de nitrure de bore et/ou de graphite (on a vu ci-dessus que ['intervention de plusieurs types de lubrifiant solide au sein d'une meme matrice n'est pas exclue); - en du nickel ou un alliage a base de nickel (par exemple, des types precises ci-dessus) renfermant des particules de graphite. Le materiau de ['invention est susceptible d'etre obtenu par des techniques de metallurgic des poudres. On precise ci-apres un procede d'elaboration audit materiau qui repose sur de telles techniques. Selon son deuxieme objet, la presente invention concerne des pieces metalliques, de forme plus ou moins complexe, en ledit nouveau materiau de ['invention. II est en effet possible (voir plus loin) d'obtenir, avec ledit materiau, des pieces de forme complexe. Les pieces mecaniques de ['invention peuvent notamment consister en des douilles, des rotules, des pivots... Wiles peuvent notamment plus precisement consister en des douilles, apses 3 recevoir des pivots d'aubes a calage variable, a fonctionner dans un compresseur haute pression (en atmosphere seche, a temperature elevee, d'environ 400 C). On en vient maintenant au troisieme objet de la presente invention, a un procede d'elaboration du nouveau materiau dense, autolubrifiant dans sa masse, qui presente une bonne resistance mecanique entre 300 et 600 C. Ledit procede peut etre du type moulage par injection de matieres metalliques pulverulentes ("Metal Injection Moulding" dit MIM). En tout etat de cause, les matieres premieres, constitutives de la matrice et des particules de lubrifiant solide, interviennent a l'etat de poudres, en melange avec un liant organique. Ledit procede comprend: - la realisation d'un melange intime: d'une poutre, precurseur de la matrice, de particules de lubrifiant, et d'un liant organique; - le moulage audit melange intime par pressage ou injection dans un motile; - l'extraction de l'ebauche moulee audit motile; - le deliantage de ladite ebauche; - la densification par frittage de ladite ebauche deliantee. Les poubres intervenantes peuvent avoir des morphologies spheriques ou anguleuses, suivant leur mode d'elaboration, de telle sorte qu'elles facilitent la retention de forme et la densification, lors des etapes ulterieures du procede. Il peut s'agir de poutres pre-alliees ou non... Ainsi, lorsque le graphite intervient a titre de lubrifiant, il est obligatoire- ment pre-agglomere de fason a bien se melanger a la poudre precurseur de la matrice et au liant. La poudre intervenant est precurseur de la matrice, elle garantit les proprietes de resistance mecanique de ltensemble. Ses grains presentent avantageusement un diametre equivalent compris entre 20 et ,um. Il s'agit avantageusement, comme indique precedemment, de grains d'acier, de nickel ou d'un super-alliage a base de nickel ou de cobalt. Les particules de lubrifiant solide apportent les proprietes lubrifiantes. Wiles interviennent generalement au taux indique en amont (1 a 30 % en volume du volume total: poudre + particules). Lesdites particules peuvent notamment comprendre des grains de nitrure de bore et/ou des grains de graphite enrobes de metal. Wiles peuvent notamment comprendre des grains de nitrure de bore, dont le diametre equivalent est compris entre 5 et 30, um et/ou des grains de graphite enrobes dont le diametre equivalent est compris entre 30 et 90,um. L'enrobage intervenant est evidemment compatible avec la matrice au sein de laquelle on vise a incorporer les grains de lubrifiant, solide. Le liant organique intervenant est classique, par exemple du type cire + polymere (polypropylene, notamment). Le melange intime des poudre, particules et liant est avantageusement elabore de la maniere suivante: - melange desdites poudre et particules (prealablement melangees entre elles, a froid) et audit liant a une temperature comprise entre 150 et 200 C. A cette temperature, ledit liant doit presenter une viscosite adequate; - refroidissement audit melange jusqu'a solidification; - broyage audit melange solidifie. Le melange intime realise - avantageusement obtenu sous forme de broyat est alors moule a la forme desiree. On peut mettre en oeuvre un pressage ou une injection dans un moule adequat, qui reproduit la forme desiree a une echelle superieure a (pour compenser le retrait lors des etapes ulterieures de densification). Ledit moule comporte avantageusement une double enveloppe, qui permet de chauffer ou de refroidir le melange motile, ce afin de simplifier le remplissage audit motile, la prise en consistence du liant et/ou le demoulage. Cette etape de moulage permet d'obtenir la geometric de piece souhaitee. En fait, on peut viser l'obtention directe d'une telle piece ("produit fini"), I'obtention d'un demi-produit (a usiner par la suite) ou celle d'un brut de materiau L'operation de moulage est avantageusement mise en oeuvre par injection (notamment par "metal injection molding"), par exemple dans les conditions ci-apres: a une temperature comprise entre 150 et C, pendant 15 a 60 s. Cette operation de moulage est classiquement suivie des operations de demoulage et de deliantage. Le deliantage est evidemment adapte a la nature du liant en ca use. II est avantageusement m is en oeuvre en deux eta pes. Selon cette variante avantageuse, il comprend successivement: - un premier traitement par vole chimique, qui vise a extraire le liant de l'ebauche obtenue par demoulage, a creer en son sein un reseau de microcanaux... Un tel premier traitement par vole chimique peut faire intervenir l'hexane (solvent du liant) en phase liquide, puis en phase vapeur; - un second traitement par voIe thermique, qui complete et finalise le deliantage amorce par vole chimique. Ledit second traitement par vole thermique est generalement mis en oeuvre entre 110 et 450 C (avec avantageusement une vitesse de montee en temperature lente) sous protection gazeuse adequate (en atmosphere reductrice: hydrogene, par exemple). Ledit second traitement par vole thermique, qui finalise le deliantage, est avantageusement poursuivi pour prefritter 1'ebauche. Les temperatures de prefrittage vent generalement comprises entre 500 et 1 200 C. En mettant en oeuvre un tel prefrittage, on confere a l'ebauche une ossature. Le traitement thermique peut ainsi comporter plusieurs cycles, curer de 10 a 50 heures. En tout etat de cause, il est adapte a la nature du materiau en cause et a 1'epaisseur de 1'ebauche. La de rr iere eta pe co nsiste a de nsifi e r com p l etement ou partiellement l'ebauche deliantee. On a vu que le materiau final peut en effet presenter une porosite residuelle jusqu'a 10 %. Le cycle de frittage est adapte au materiau en cause et est contr81e par des vitesses de montee et de descente en temperature, des temps de palier et une temperature seuil. La gamme de temperature de frittage s'etend genera le ment de 1 100 a 1 500 C, plus freq uem ment de 1 100 a 1 3 50 C. Ledit frittage est mis en oeuvre sous vice ou sous falble pression partielle d'un gaz protecteur adequat (argon ou hydrogene, par exemple). Le procede decrit ci-dessus peut tout a fait s'analyser comme un procede par analogie. De fason tout a fait surprenante, il a permis d'obtenir un nouveau materiau tres performant qui allie densite consequente et caractere autolubrifiant, dans une gamme de temperature interessante. Ledit procede peut etre complete, comme deja indique, par une etape d'usinage de la structure dense, autolubrifiante obtenue. II peut egalement etre complete par au moins un traitement thermique supplementaire destine a durcir ladite structure. Lesdits usinage et traitement thermique supplementaires peuvent etre cumules. On se propose maintenant d'illustrer, de fason nullement limitative, les differents aspects de ['invention (produit, procede) par: - la figure annexee; - I'exemple ci-apres. Ladite figure est un cliche d'une coupe d'un materiau de 1'invention reference 1 (1'echelle est indiquee sur le cliche). On y volt, au sein de la matrice, referencee 2, (acier inoxydable martensitique), la repartition homogene des particules de lubrifiant solide, referencees 3 (BN). Ledit materiau a ete obtenu comme precise dans l'exemple ci-apres. Exemple Dans une premiere etape, on a melange intimement deux poudres metalliques: - une poudre d'acier Z5CNUl7, intervenant a raison de 85 % en volume, presentant une granulometrie moyenne d'environ ,um; - des particules de nitrure de bore, intervenant a raison de 15 % en volume, presentant une granulometrie moyenne d'environ 30,um. On a ensuite ajoute audit melange intime un liant organique constitue de cire et de polypropylene. Le liant intervient a raison de 30 % en volume (pour 70 % en volume du melange de poudres). On genere un second melange intime. Il est chauffe a 180 C de fason a acquerir un etat pateux et a etre parfaitement homogene. Il est ensuite refroidi, decoupe puis finalement broye pour generer un granulat. Le granulat obtenu est introduit dans la machine a injecter et chauffe a 180 C. Le melange ainsi chauffe est alors injecte dans la cavite d'un moule metallique presentant une forme adequate. Apres 1 min. ledit moule est ouvert et la piece moulee est extraite. Le deliantage est mis en ceuvre en deux etapes. On fait agir chimiquement de l'hexane, dans une premiere etape, jusqu3 elimination quasi complete de la cire. Dans une seconde etape, on pyrolyse le polypropylene dans une atmosphere d'hydrogene. La temperature est montee lentement puis maintenue a 400 C pendant 2 heures. Apres ce palier 3 400 C, ladite temperature est montee lentement jusqu'a 900 C. Wile est maintenue a cette valeur pendant minutes pour prefritter la piece demoulee. Ce cycle de prefrittage cure en fait 32 heures. Ladite piece prefrittee est refroidie puis retraitee thermiquement: a 1200 C, pendant 2 h, pour frittage (densification). Sur agum 1, on k named en nor amble de nKrure de boa dispersdes dens mathce en acier (plus Claire). Ladies palcus psennt un dames Aqullent de 20 100 pm. II em Evident que les palcules inkiales de 20 pm de diamtre se vent pawn regroupbes pour former de peUtes colonies. REVEN DICATION S 1. Materiau dense - densite > 90 % - autolubrifiant 3 sec dans sa masse coefficient de frottement 400 MPa - dans un domaine de temperatures moyennes a elevees - 300 C entre 5 et 100 um. 3. Materiau selon l'une des revendications ou 2, caracterise en ce que lesdites particules de lubrifiant solide interviennent a raison de 1 a 30 % en volume, avantageusement a raison de 10 a 20 % en volume. 4. Materiau selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterise en ce qu'il consiste en: - un acier inoxydable martensitique renfermant des particules de nitrure de bore; ou - un alliage a base de cobalt renfermant des particules de nitrure de bore et/ou de graphite; ou - du nickel ou un alliage a base de nickel renfermant des particules de graphite. 5. Materiau selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, susceptible d'etre obtenu par des techniques de metallurgic des poudres. 6. Piece mecanique, consistent notamment en une douille, une rotu le. u n pivot, caracterisee en ce qu'el le est real isee en un materiau selon l'une quelconque des revendications 1 a 5. 7. Procede d'elaboration d'un materiau selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise en ce qu'il comprend: - la realisation d'un melange intime diune poudre, precurseur de la matrice, de particules de lubrifiant, et d'un liant organique; - le moulage audit melange intime par pressage ou injection dans un motile; I'extraction de l'ebauche moulee audit motile; - le deliantage de ladite ebauche; - la densification par frittage de ladite ebauche deliantee. 8. Procede selon la revendication 7, caracterise en ce que ladite poudre, precurseur de la matrice, est constituee de grains dont le diametre equivalent est compris entre 20 et 70,um. 9. Procede selon l'une des revendications 7 ou 8, caracterise en ce que lesdites particules de lubrifiant, comprennent des grains de nitrure de bore, dont le diametre equivalent est compris entre 5 et 30 m. 10. Procede selon l'une quelconque des revendications 7 a 9, caracterise en ce que lesdites particules de lubrifiant, comprennent des grains de graphite enrobes de metal, dont le diametre equivalent est compris entre 30 et 90,um. 11. Procede selon l'une quelconque des revendications 7 a 10, caracterise en ce que ledit melange intime de la poudre, des particules et du liant est obtenu en trots etapes: - melange desdites poudre, particules et audit liant a une temperature comprise entre 150 et 200 C; refroidissement audit melange jusqu'a solidification; - broyage audit melange solidifie. 12. Procede selon l'une quelconque des revendications 7 a 11, caracterise en ce que ledit moulage est mis en oeuvre par injection, avantageusement a une temperature comprise entre 150 et 200 C, pendant 15 a 60 s. 13. Procede selon l'une quelconque des revendications 7 a 12, caracterise en ce que ledit deliantage comprend un premier traitement par vole chimique suivi d'un second traitement par vole thermique, ledit second traitement par vole thermique eta nt avantageusement poursuivi pour prefritter ladite ebauche. 14. Procede selon la revendication 13, caracterise en ce que ledit deliantage comprend un premier traitement par vole chimique qui fait intervenir l'hexane en phase liquide puis en phase vapeur. 15. Procede selon la revendication 14, caracterise en ce que ledit deliantage comprend un second traitement par vole thermique mis en oeuvre, sous protection gazeuse adequate, entre 110 et 450 C. 16. Procede selon l'une quelconque des revendications 7 a 15, caracterise en ce que la densification par frittage est mise en oeuvre sous vice ou sous faible pression partielle d'un gaz protecteur adequat, entre 1100 et 1500 C. 1Z 17. ProcAdd salon rune quelconque des revendicaBons 7 16, caractrisA en ce qu'il comprend en outre: - I'usinage de ladies Abauche dalliance densiD6e. 18. ProcAdA salon rune quelconque des [evendicaBons 7 17, caractArlsA en ce qu'il impend en outre: - au mains an traRement thermique suppldmentake destine