Brevet FR2929541A1 — publié le 20091009

B0966FR 2929541 1 La présente invention concerne un procédé pour l'élaboration de pièces en alliage d'aluminium. Il est connu notamment pas US-7 036 550, d'élaborer des pièces en alliage d'aluminium par un procédé consistant à préparer une préforme par frittage sélectif d'un mélange de poudres alliage d'aluminium/liant polymère, puis à infiltrer un alliage dans les pores de la préforme, le procédé étant mis en oeuvre sous atmosphère d'azote. L'azote a pour but de provoquer la formation de nitrure à la surface des pores de la préforme, la présence de nitrure permettant de rigidifier la préforme et de faciliter l'infiltration. Cependant, les pièces obtenues par un tel procédé sont fragilisées par la formation de nitrure et elles présentent des propriétés mécaniques insuffisantes. Les inventeurs ont découvert que, de manière surprenante, lorsque le procédé est mis en oeuvre à partir de poudres d'alliages d'aluminium quasi-cristallin, la pièce obtenue a une dureté plus élevée. En outre, la nitruration n'est pas indispensable pour garantir une bonne infiltration, et ].es pièces obtenues sans nitruration sont moins fragiles. La présente invention a pour objet un procédé pour l'élaboration de pièces en alliage d'aluminium, ainsi que les pièces en alliage d'aluminium obtenues. Le procédé selon la présente invention consiste à élaborer une préforme par frittage d'un mélange constitué par une poudre d'un alliage d'aluminium et une poudre d'un liant polymère suivi de l'élimination du liant, puis à infiltrer la préforme obtenue par un agent infiltrant constitué par de l'aluminium liquide ou par un alliage d'aluminium liquide. Il est caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium utilisé pour fabriquer la préforme est un alliage d'aluminium quasi-cristallin. Dans un mode de réalisation préféré, l'infiltration de la préforme par le matériau métallique liquide est effectuée sous une atmosphère inerte vis-à-vis de l'aluminium ou de B0966FR 2929541 2 l'alliage d'aluminium liquide, et de l'alliage d'aluminium quasi-cristallin. L'atmosphère inerte peut être un vide primaire ou secondaire, une atmosphère d'argon ou une atmosphère d'azote 5 contenant de l'hydrogène, de préférence de 0,5 à 6% en volume (par exemple un mélange dans lequel le rapport volumique N2/H2 est de 95/5). La pièce obtenue par le procédé de l'invention est constituée par un alliage multi-phasé constitué de plusieurs 10 phases métalliques complexes à grande maille et ne contenant plus d'alumir..iurn cubique à faces centrées (cfc). Ledit alliage multi-phasé a une dureté supérieure à 300 Hv, un degré de porosité inférieure à 5% une densité inférieure à 4,5 g. cm-3. Le diamètre des pores est généralement inférieur 15 à 20 pm. L'utilisation de préformes obtenues à partir d'alliages d'aluminium quasi-cristallins pour la réalisation de pièces denses par infiltration d'aluminium ou d'alliage d'aluminium permet d'éviter l'étape de nitruration des interfaces 20 rigidifiant la préforme et facilitant l'infiltration, mais fragilisant le matériau final. Cet avantage résulte des propriétés de mouillage inhérentes aux surfaces qua5icristallines. Ce phénomène n'existe pas si l'on utilise une poudre d'alliage c'aluminium non quasi-cristallin ou une 25 poudre d'aluminium. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre à par- tir d'une poudre d'un alliage d'aluminium quasi-cristallin. Dans le présent texte, "alliage quasicristallin" désigne un alliage qui comprend une ou plusieurs phases quasicristalli- 30 nes qui sont soit des phases quasicristallines au sens strict, soit des phases approximantes. Les phases quasicris- tallines au sens strict sont des phases présentant des symé- tries de rotation normalement incompatibles avec la symétrie de translation, c'est-à-dire des symétries d'axe de rotation 35 d'ordre 5, 8, 10 et 12, ces symétries étant révélées par les techniques de diffraction. A titre d'exemple, on peut citer B0966FR 2929541 3 la phase icosaédrique de groupe ponctuel m35 et la phase décagonale de groupe ponctuel 10/mmm. Les phases approximantes ou composés approximants sont des cristaux vrais dans la mesure où leur structure cristal- 5 lographique reste compatible avec la symétrie de translation, mais qui présentent, dans le cliché de diffraction d'électrons, des figures de diffraction dont la symétrie est proche des axes de rotation 5, 8, 10 ou 12. Ce sont des phases caractérisées par une maille élémentaire contenant 10 plusieurs dizaines, voir plusieurs centaines d'atomes, et dont l'ordre local présente des arrangements de symét:ie presque icosaédrique ou décagonale similaire aux phases quasicristallines parentes. Parmi ces phases, on peut citer à titre d'exemple la 15 phase orthorhombique 01, caractéristique d'un alliage ayant la composition atomique A165Cu20Fe10Cr5r dont les paramètres de maille exprimés en nm sont : ao(1) = 2,366, bo(1) = 1,267, co(1) = 3,252. Cette phase orthorhombique 01 est dt_te approximante de la phase décagonale. La nature des deux 20 phases peut être identifiée par microscopie électronique en transmission. On peut également citer la phase rhomboédrique de para-mètres aR = 3,208 nm, a = 36°, présente dans les alliages de composition atomique voisine de A169Cu29Fe12. Cette phase est 25 une phase approximante de la phase icosaédrique. On peut aussi citer des phases 02 et 03 orthorhombiques de paramètres respectifs ao(2) = 3,83 ; bo(2) = 0,41 ; co(2) = 5,26 et ao(3) = 3,25 ; bo(3) = 0,41 ; co(3) = 9,8 en nanomètres, présentes dans un alliage de composition atomique 30 A163Cu17, 5Co17, 5Si2 ou encore la phase orthorhombique 04 de paramètres ao(4) = 1,46 ; bo(4) = 1,23 ; co(4) = 1,24 en nanomètres, qui se forme dans l'alliage dont la composition atomique est A163Cu8Fe12Cr17 . On peut encore citer une phase C, de structure cubique, 35 très souvent observée en coexistence avec les phases B0966FR 2929541 4 approximantes ou quasicristallines vraies. Cette phase qui se forme dans certains alliages Al-Cu-Fe et Al-Cu-Fe-Cr, consiste en une surstructure, par effet d'ordre chimique des éléments d'alliage par rapport aux sites d'aluminium, d'une 5 phase de structure type Cs-Cl et de paramètre de réseau aL = 0,297 nm. Un diagramme de diffraction de cette phase cubique a été publié pour un échantillon de phase cubique pure et de composition atomique A165Cu20Fe15 en nombre d'atomes. On peut aussi citer une phase H de structure hexagonale 10 qui dérive directement de la phase C comme le démontrent _es relations d'épitaxi.e observées par microscopie électronique entre cristaux des phases C et H et les relations simples qui relient les paramètres des réseaux cristallins, à savoir aH = 3/a1/ -à (à 4,5% près) et cH = 3'a1/2 (à 2,5% près). 15 Cette phase est :isotype d'une phase hexagonale, notée d)AlMn, découverte dar..s des alliages Al-Mn contenant 40% en poids de Mn. La phase cubique, ses surstructures et les phases qui en dérivent, constituent une classe de phases approximantes 20 des phases quasicristallines de compositions voisines. Les alliages quasi-cristallins et approximants à grande maille du système AlCuFe sont particulièrement appropriés pour la mise en oeuvre du procédé de la présente inventicn. On peut citer en particulier les alliages qui ont l'une ses 25 compositions atomiques suivantes : Al62Cu25,5Fe12,5, Al 59CU25,5Fe12,5B3, Al 59CU25,5Fe12,5B3r OU A165Cu20Fe10Cr5. Lorsque l'agent infiltrant est un alliage d'aluminium, ledit alliage peut être choisi parmi tous les alliages d'aluminium non quasi-cristallins qui contiennent au moins 30 50% en poids d'aluminium et dont le point de fusion est inférieur à la température du solidus de l'alliage quasicristallin utilisé pour l'élaboration de la préforme. Les alliages d'aluminium quasi-cristallins, notamment ceux des systèmes AlCuFe(B,Cr), sont thermodynamiquement stables 35 jusqu'à au moins 800°C. B0966FR 2929541 5 Le liant est choisi parmi les matériaux qui fondent partiellement à des températures modérées, de l'ordre 140°C à 220°C, de manière à faire des ponts entre les particules métalliques, et qui peuvent être éliminés sous forme d'un 5 gaz par un traitement thermique à une température entre 300°C et 550°C, en laissant peu de résidus carbonés. La fusion partielle peut être obtenue soit par action d'un laser, soit par un chauffage classique, soit par une combinaison des deux. 10 On peut utiliser par exemple les polymères organiques thermoplastiques tels que les polyamides (par exemple de type Nylon� 6, Nylon 12), les copolymères d'amide (par exemple le nylon� 6-12), les polyacétates, et les polyéthylènes. On peut en outre utiliser les sels d'acide 15 carboxylique, tel que le stéarate de zinc par exemple. Les polyamides sont particulièrement préférés. Le mélange de poudre d'alliage quasi-cristallin et de poudre de liant contient de 85 à 99% en poids d'alliage, plus particulièrement de 97 à 99%, de préférence de 97,5 à 20 98,3% en poids, ce qui représente 90 à 93% en volume du mélange total Dans le mélange de poudres utilisé pour la mise en œuvre du procédé, les particules d'alliages ont de préférence une dimension de 1 à 70 pm, plus particulièrement une taille 25 moyenne comprise entre 25 et 40 pm, et les particules de liant ont de préférence une dimension de 1 à 60 pm, plus particulièrement entre 5 et 25 pm. La préforme peut être élaborée en soumettant le mélange de poudres à un frittage sélectif par laser assisté par 30 ordinateur Elle peut aussi être élaborée en introduisant le mélan- ge de poudre dans un moule approprié, et en le soumettant à un traitement thermique visant à faire fondre au moins par- tiellement le liant polymère. Le domaine de température du 35 traitement thermique dépend de la nature du liant choisi. B0966FR 2929541 6 Pour les liants mentionnés ci-dessus, le traitement thermique peut être effectué à une température entre 140°C et 220°C. Dans un mode de réalisation particulier, on chauffe le 5 mélange de poudres destiné à former la préforme jusqu'à une température inférieure d'environ 20°C à la température de fusion, puis l'on apporte l'énergie nécessaire à la fus=_on par un laser. Le traitement thermique destiné à éliminer le liant 10 consiste à chauffer la préforme jusqu'à une température à laquelle le liant est décomposé, puis à maintenir la préforme à cette température pendant une certaine durée pour que l'élimination du Liant soit totale. Un chauffage lent, effectué par exemple avec une vitesse de chauffage de 1 à 15 30°C par minute entre 300 et 550°C, ne nécessite pas de phase de maintien en température lorsque le liant est un polyamide. Pour des vitesses de chauffage supérieures, et pour le même liant, il est nécessaire de faire un maintien isotherme d'environ 30 minutes entre 450°C et 550°C. Pour 20 chaque liant utilisable, la détermination de la zone de température et de la vitesse de chauffage appropriées est à la portée de l'homme de métier. L'infiltration de la préforme par l'agent infiltrant liquide peut être effectuée en mettant la préforme en 25 contact avec l'agent infiltrant à l'état solide, et en soumettant l'ensemble mis dans un four sous une atmosphère inerte vis-à-vis de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium, à un traitement thermique dans un domaine de température dans lequel l'agent infiltrant se trouve à l'état liquide. 30 Par exemple, lorsque l'agent infiltrant est un aluminium pur à 99,8%, la température est de l'ordre de 680-700°C. Lorsque l'agent infiltrant est un alliage eutectique AlSi à 12% en poids de Si, la température est de l'ordre de 600°C. La vitesse de chauffage pour atteindre le point de fusion de 35 l'infiltrant peut être plus ou moins rapide (de 1°C/min jusqu'à 100°C/min). Dans tous les cas, la durée du maintien B0966FR 2929541 7 à la température d'infiltration doit être supérieure à 4 heures. Lorsque l'agent infiltrant est mis en contact à l'état solide avec la préforme, il est préférable de protéger la 5 zone de la surface de l'agent infiltrant qui n'est pas en contact avec la préforme, afin de diriger l'agent infiltrant devenu liquide, à l'intérieur de la préforme. La protection peut être effectuée par vaporisation d'une couche de nitrure de bore. 10 La préforme et l'agent infiltrant à l'état solide sont placés dans un creuset, dans lequel ils sont maintenus par de la poudre d'alumine et le creuset est placé dans le four. La poudre d'alumine garantit une homogénéité thermique dans le creuset. Les particules d'alumine ont de préférence une 15 dimension moyenne inférieure à 60 }gym. Cette granulométrie favorise l'homogénéité thermique dans la préforme. Lorsque les particules d'alumine ont une dimension plus élevée, il est difficile, voire impossible de faire fondre l'agent infiltrant. 20 Lorsque la préforme est imprégnée par l'agent infiltrant, on la laisse refroidir jusqu'à la température ambiante. Pour évi:.er un choc thermique, la pièce est de préférence maintenue dans le four au moins jusqu'à ce que sa température soit inférieure à 150°C. Ensuite, on peut la 25 laisser refroidir à l'air ambiant. Dans un mode de réalisation préféré,, la préforme est mise en contact avec le matériau métallique solide dès le début du traitement thermique visant à éliminer le liant, de sorte que le traitement thermique pour l'élimination du liant et le 30 traitement thermique pour l'infiltration de la préforme peuvent être effectués directement l'un après l'autre, dans le même four. Le procéc.é de l'invention est particulièrement utile pour l'élaboration par prototypage rapide, de pièces aya-it 35 des formes complexes. Par exemple, le frittage sélectif par laser permet l'élaboration aisée de préformes qui ont la B0966FR 2929541 8 forme complexe souzaitée. L'utilisation d'un alliage d'aluminium quasi-cristallin pour l'élaboration de la préforme permet d'obtenir un taux élevé d'infiltration par l'aluminium ou un alliage d'aluminium. Les pièces obtenues ont une 5 dureté supérieure et une densité inférieure à celles de pièces équivalentes obtenues à partir d'acier infiltré par du bronze selon l'art antérieur. Elles présentent également une dureté supérieure à celle des alliages d'aluminium conventionnels. En outre, lorsqu'elles sont préparées dans une 10 atmosphère inerte vis à vis de l'aluminium, elles sont mo=_ns fragiles du fait de l'absence de nitruration. La présente invention est décrite plus en détail par les exemples suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée. Exemple 1 15 Préparation de la préforme On a préparé une préforme en soumettant à un frittage sélectif par laser un mélange de poudres constitué par 90% de poudre d'un alliage AlCuFeB ayant une granulométrie comprise entre 25 et 40 pm et 10 % en volume d'une poudre de 20 copolyamide Nvlon� 6/12 ayant une granulométrie moyenne de 10 Ulm. L'alliage AlCuFeB est un alliage quasi-cristallin de composition atomique nominale A159Cu25,5Fe12,5B3. Cet alliage est constitué de la phase de structure complexe (icosaédrique i) isostructurale à la phase i-A162Cu25,5Fe12,5 et 25 d'une phase cubique isostructurale à la phase (3-Al50(CuFe)5(. Imprégnation de la préforme On a ensuite placé en contact avec la préforme un mor- ceau d'alliage d'aluminium 1050 (Al-1050). L'aluminium 1050 est préalablement recouvert par du nitrure de bore en spray 30 sauf à l'interface de contact A1-1050/préforme. Le volume de l'infiltrant (Al-1050) est suffisant pour remplir le volume des pores. L'ensemble préforme + Al-1050 est ensuite placé à l'intérieur d'un creuset et recouvert par une poudre d'alu- B0966FR 2929541 9 mine servant de support à la préforme lors de l'élimination du liant et de l'infiltration. Les particules d'alumine ont une dimension moyenne inférieure à 60 }gym. Le creuset est ensuite placé dans un four sous vide primaire (5.10-1 à 5- 5 10-2 mbar) puis soumis à un traitement thermique pour éliminer le liant polyamide, ledit traitement thermique comprenant les étapes suivantes : chauffage à 100°C/min jusqu'à 475°C ; - chauffage à 3°C/min jusqu'à 525°C ; 10 - maintien isotherme à 525°C pendant 30 min. La préforme obtenue par ce traitement thermique est maintenue par la poudre support d'alumine. Ensuite l'aluminium 1050 a été rendu liquide pour l'infiltration, dans les conditions suivantes : 15 - chauffage de l'ensemble "préforme maintenue par la poudre d'alumine" + "aluminium-1050" depuis 525°C jusqu'à 680°C à 100°C/min ; maintien isotherme à 680°C jusqu'à 6 heures depuis le début du traitement thermique 20 L'ensemble est refroidi dans le four jusqu'à une température inférieure à 150°C, puis retiré du four et refroidi à l'air ambiant. La pièce est finalement débarrassée de la poudre d'alumine qui servait de support. La pièce obtenue après infiltration de l'aluminium 1050 25 dans les pores de la préforme a une dureté Vickers comprise entre 370 � 20 Hv. Exemple 2 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 1, mais en effectuant l'étape d'élimination du liant et l'étape d'infiltration en continu par un traitement thermique 30 comprenant un chauffage à une vitesse de 20°C/min depuis 1a B0966FR 2929541 10 température ambiante jusqu'à 690°C et un maintien à cette température pendant. 4 heures. Exemple 3 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 2, mâis en utilisant comme agent infiltrant un alliage ALSi 5 eutectique et limitant la température du traitement thermique pour l'infiltration à 600°C au lieu de 690°C. Exemple 4 On a reproduit le mode opératoire de l'exemple 2, mais en utilisant une préforme constituée d'un alliage quasi-cristallin correspondant à la phase approximante 01- 10 A165Cu2OFeloCr5. Exemple 5 On a reproduit: le mode opératoire de l'exemple 4, mais en utilisant un infiltrant AlSi eutectique et une température d'infiltration de 600°C. B0966FR REVENDICATIONS1. Procédé pour l'élaboration d'une pièce en alliage d'aluminium, consistant à élaborer une préforme par frittage d'un mélange constitué par une poudre d'un alliage d'alumi- nium et une poudre d'un liant polymère ledit frittage étant suivi par l'élimination du liant, puis à infiltrer la pré-forme obtenue par un agent infiltrant constitué par de l'aluminium liquide ou par un alliage d'aluminium liquide, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium utilisé pour fa- briquer la préforme est un alliage d'aluminium quasi-cristallin. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on infiltre la préforme par le matériau métallique liquide sous une atmosphère inerte vis-à-vis de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium liquide, et de l'alliage d'aluminium quasi-cristallin. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'atmosphère inerte est un vide primaire ou secondaire, une atmosphère d'argon ou une atmosphère d'azote contenant 20 de l'hydrogène. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent infiltrant est un alliage d'aluminium, choisi parmi les alliages d'aluminium non quasi-cristallins qui contiennent au moins 50% en poids d'aluminium et dont le 25 point de fusion est inférieur à la température du solidus de l'alliage quasicristallin utilisé pour l'élaboration de la préforme. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant est choisi parmi les matériaux qui fondent 30 partiellement à des températures modérées, de l'ordre 140°C à 220°C, de manière à faire des ponts entre les particules métalliques, et qui peuvent être éliminés sous forme d'in gaz par un traitement thermique à une température entre B0966FR 2929541 12 300°C et 550°C, en laissant peu de résidus carbonés, la fusion partielle pouvant être obtenue soit par action d'un laser, soit par un chauffage classique, soit par une combinaison des deux. 5 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le liant est un sel d'acide carboxylique ou un polymère organique thermoplastique choisi parmi que les polyamides, les copolymères d'amide, les polyacétates, et Les polyéthylènes. W 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de poudre d'alliage quasi-cristallin et de poudre de liant contient de 85 à 99% en poids d'alliage. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules d'alliage ont une dimension de 1 à 70 lm, 15 et les particules de liant ont une dimension de 1 à 60 pm. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est élaborée en soumettant le mélange de poudres à un frittage sélectif par laser assisté par ordinateur. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est élaborée en introduisant le mélange de poudre dans un moule approprié, et en le soumettant à un traitement thermique visant à faire fondre au moins partiellement le liant polymère. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'infiltration de la préforme par l'agent infiltrant liquide est effectuée en mettant la préforme en contact avec l'agent infiltrant. à l'état solide, et en soumettant l'ensemble mis dans un four sous une atmosphère inerte v:_s- à-vis de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium, à un traitement thermique dans un domaine de température dans lequel l'agent infiltrant se trouve à l'état liquide. B0966FR 2929541 13 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la zone de la surface de l'agent infiltrant solide qui n'est pas en contact avec la préforme est protégée par un film de nitrure de bore. 5 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la préforme et l'agent infiltrant à l'état solide sont placés dans un creuset, dans lequel ils sont maintenus par de la poudre d'alumine et le creuset est placé dans un four, la poudre d'alumine ayant une dimension moyenne 10 inférieure à 60 pm. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la préforme est mise en contact avec le matériau métallique solide dès le début du traitement thermique visant à éliminer le liant, de sorte que le traitement 15 thermique pour l'élimination du liant et le traitemEnt thermique pour l'infiltration de la préforme sont effectués directement l'un après l'autre, dans le même four. 15. Pièce en alliage d'aluminium, constituée par un alliage multi--phasé constitué de plusieurs phases métalli- 20 ques complexes à grande maille exempt d'aluminium cubique à faces centrées (cfc), ledit alliage multi-phasé ayant une dureté supérieure à 300 Hv, un degré de porosité inférieure à 5% une densité inférieure à 4,5 g. cm-3. 16. Pièce en alliage d'aluminium selon la revendication 25 15, caractérisé en ce que le diamètre des pores est inférieur à 20 pm.