Brevet FR2944721A1 — publié le 20101029

Procédé de fabrication d'un aubage par Moulage par injection de poudre métallique La présente invention concerne le domaine des turbomachines et vise la fabrication de pièces de turbomachine par mise en oeuvre de la technique de moulage par injection de poudre métallique. La technique de moulage par injection de métal, connue sous le sigle MIM est utilisée communément pour la fabrication de pièces de relativement petites dimensions et de géométrie pouvant être complexe. Cette technique consiste à préparer un mélange homogène à partir de fines poudres d'alliage métallique et de liant thermoplastique. Le mélange est chauffé à une température suffisante pour faire fondre le liant et permettre l'enrobage des particules de métal par le liant. Ce dernier peut être composé de tout polymère approprié pour cette utilisation, tel que par exemple de polyéthylène, polyéthylène Glycol, polyméthylméthacrylate ou propylène. Après avoir été chauffé à une température convenable, le mélange est de consistance fluide à pâteuse. Il est maintenu à cette température et introduit par injection à une pression déterminée dans un moule dont l'empreinte correspond à la forme de la pièce à fabriquer. Il est à noter que la forme de l'empreinte tient compte des déformations que subit la pièce pendant les étapes qui suivent du procédé, notamment le frittage. Les paramètres rhéologiques et de pression d'injection sont choisis de manière à ce que la cavité de moulage soit convenablement remplie par le matériau. On obtient une ébauche dite crue que l'on extrait du moule après refroidissement et solidification du liant thermoplastique. L'étape suivante consiste à délianter l'ébauche. Le but de cette opération est d'extraire dans un premier temps une partie des composants du liant de l'ébauche sans déformer cette dernière. L'élimination d'une partie du liant conduit à l'obtention d'une structure poreuse formée des particules de métal liées par le liant résiduel. La structure poreuse permet à la fois l'évacuation des résidus de liant et l'équilibrage des pressions internes garantissant la stabilité de la forme de l'ébauche de pièce. Le déliantage, selon les matériaux utilisés pour le liant, peut être chimique, avec emploi de solvants appropriés, ou thermique. Le reste du liant est éliminé dans un second temps qui est généralement combiné à l'opération de frittage qui suit, pour éviter toute contrainte susceptible d'en affecter la cohésion. Pour cette raison ce second temps est généralement effectué par voie thermique. Pour l'opération de frittage, l'ébauche est chauffée dans un four jusqu'à une température proche mais inférieure à la température de fusion du matériau métallique. La température, la durée du traitement et l'atmosphère dans le four sont contrôlées de manière à ce que les particules métalliques se lient entre elles par diffusion. Les pores de la structure sont réduits progressivement et la pièce se densifie pendant cette étape. La densification conduit généralement à un retreint de la pièce qui peut être de l'ordre de 10 à 20%. La valeur du rétreint dépend du taux de vide initial avant frittage et du rapport entre le volume de matériau métallique et celui de liant dans la pièce crue. Elle dépend aussi du taux de densification opéré. La pièce issue du frittage peut être utilisée telle quelle ou bien soumise à d'autres traitements en fonction de l'application visée. La pièce peut par exemple être soumise à un traitement de compression isostatique à chaud (CIC) qui conduira généralement à une augmentation encore de la densité de la pièce. Le taux atteint peut être de 100%. Pendant ce traitement la pièce est soumise à une température comprise entre 800 et 1200°C associée à une pression allant jusqu'à 150 atm. La technique MIM présente de nombreux avantages. - Les propriétés mécaniques des pièces sont comparables à celles des produits issus du forgeage. Ainsi par rapport à la technique de fabrication en fonderie, fonderie à la cire perdue par exemple, utilisée majoritairement pour les aubages de turbomachine, cette technique conduit à une amélioration des performances mécaniques. - L'état de finition après frittage permet le cas échéant une utilisation directe de la pièce. Ainsi par rapport à des pièces obtenues par fonderie, la technique permet une amélioration de la précision fonctionnelle de celles-ci ne nécessitant pas ou peu d'usinage. - Le coût est favorable par la réalisation de séries de fabrication et - La conception des formes à réaliser est très flexible. 35 Elle est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces en grande série, et plus particulièrement à celle de pièces de faible masse. Dans la majorité des cas, le procédé MIM permet de satisfaire à des exigences de tolérance stricte. Il présente cependant des difficultés de mise en oeuvre lorsque par exemple la pièce à fabriquer est de forme à la fois complexe et élancée, c'est-à-dire de forme allongée, fine, de section évolutive sur sa longueur, et présentant notamment des parties de faible épaisseur. C'est le cas en particulier des aubes de turbomachine. D'une part, la manipulation de l'ébauche crue une fois extraite du moule d'injection, pendant les opérations de déliantage et avant frittage est délicate en raison de la fragilité, d'autre part, pendant le frittage, la pièce subit une réduction dimensionnelle plus importante dans le sens de la longueur par rapport aux autres dimensions ce qui entraîne des déformations de la pièce et son fluage. Déposer la pièce sur un support pendant ces opérations ne convient pas dans la mesure où celui-ci n'évolue pas de la même façon durant ces différentes phases. La présente invention vise à la mise au point d'un procédé adapté en particulier à la fabrication de pièces de forme élancée et complexes tridimensionnellement. Le procédé de fabrication, selon l'invention, d'une pièce métallique par moulage par injection de métal comprenant les étapes suivantes : préparation d'un mélange de particules métalliques et de liant thermoplastique, réalisation d'une ébauche crue par moulage du mélange dans un moule, déliantage et frittage de l'ébauche, est caractérisé par le fait qu'on réalise un support mécanique à partir d'un mélange de poudre conformé de façon à supporter l'ébauche le long d'une surface de contact, on dispose l'ébauche sur le support mécanique et on procède au frittage de l'ensemble formé par l'ébauche sur son support mécanique. Le support est notamment réalisé par injection d'un mélange de poudre et de liant dans un moule de support. Le procédé tel que revendiqué présente les avantages liées à la technique MIM tout en permettant son application aux pièces de forme élancée et en évitant tout risque de fluage de la pièce. Le support mécanique étant de même structure que la pièce, elle accompagne les déformations de la pièce pendant les différentes phases du procédé. Notamment, lorsque l'ébauche est de forme allongée, elle repose sur le support mécanique, sur ladite surface de contact, dans le sens de sa longueur.40 Ainsi, dans ce cas, le procédé s'applique avantageusement à la fabrication d'une aube de turbomachine. Afin de faciliter les manipulations de la pièce, le support présente une portion de surface d'appui plane formant une base qui vient en contact avec la sole du four de déliantage et du four de frittage. De préférence, afin d'assurer un comportement identique pendant les phases du procédé, le support est réalisé à partir du même mélange que l'ébauche. Conformément à une autre caractéristique, l'ébauche et le support mécanique sont déliantés au moins partiellement après qu'ils ont été extraits de leur moule respectif, et avant que l'ébauche soit mise en place sur le support mécanique. Afin d'éviter tout risque de solidarisation intempestive, le support est traité de manière à ne pas adhérer à la pièce ou à la sole du four de déliantage et de frittage. Le traitement consiste en l'application d'un agent anti-diffusant ou d'un lubrifiant. Conformément à une variante de procédé, l'ensemble de l'ébauche et du support sur lequel il est posé subit un déliantage thermique avant frittage. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : La figure 1 représente une aube de turbomachine susceptible d'être fabriquée selon le procédé, La figure 2 représente, vue de profil, l'ébauche d'une pièce reposant sur un support, La figure 3 est une coupe transversale selon la direction 3-3 de l'ensemble représenté sur la figure 2, La figure 4 est un diagramme des étapes du procédé MIM selon l'invention de fabrication d'une pièce. La figure 1 montre une aube 1 de turbomachine, ici une aube mobile de turbine, qui est susceptible d'être produite selon le procédé MIM de l'invention. Cette aube est de forme élancée avec une pale 7 dont la longueur et le vrillage peuvent être important. La pale est comprise entre une plateforme 5 du côté du pied 3, et un talon ou une plateforme 9 du côté radialement extérieur par rapport au pied. Le procédé vise la fabrication d'une aube mais aussi plus généralement des pièces dont la longueur est très largement supérieure à sa largeur et dont en outre, comme c'est le cas pour une aube de turbomachine, la section transversale présente une relative faible épaisseur. En raison de la faible épaisseur de la pale et de sa longueur par rapport à celle-ci, les manipulations pendant les différentes qui mènent du moulage de l'ébauche crue de la pièce à son chauffage pendant l'opération de frittage, sont susceptibles de générer des fissures, des déformations ou son fluage. Tous les défauts conduisent à la mise au rebut de la pièce. Afin de se prémunir des défauts causés par les manipulations on propose conformément à l'invention de supporter la pièce pendant les opérations critiques pour la tenue de cette dernière. Plus particulièrement le support de la pièce doit pouvoir évoluer dimensionnellement comme la pièce afin de la supporter en tout point jusqu'à la phase de consolidation. Les figures 2 et 3 montrent la pièce, ici l'aube 1 de la figure 1 posée sur le support 20 dans le sens de sa plus dimension c'est à dire ici la hauteur de l'aube.la pale 7 de l'aube comprend une face intrados 7i, une face extrados 7e un bord d'attaque 7a et un bord de fuite 7f. Le support est réalisé dans la même matière que l'aube. Il comporte une embase plane 20b sur laquelle il repose à plat. L'aube repose sur le support le long d'une surface d'appui. Cette surface comprend au moins les parties les plus minces de l'aube c'est à dire la pale 7. Comme on le voit sur la coupe 3-3, la face intrados repose sur la face 20i du support qu'elle vient épouser. L'aube s'appuie également par une partie du pied 3 et une partie du talon 9 sur des surfaces de forme complémentaire. Le contact peut être continu le long des surfaces sur lesquelles l'aube repose mais il peut être non continu dans la mesure où le maintien de la partie de l'aube correspondante est suffisant. L'aube en l'état d'ébauche est mise en place sur son support après avoir été moulée et l'aube et son support subissent ensemble les phases ultérieures du procédé jusqu'à ce que la pièce soit suffisamment solide pour tenir droite seule, telle qu'après frittage de l'ébauche. Il est nécessaire de traiter l'une ou l'autre des surfaces en contact afin que l'opération de frittage notamment n'entraîne pas la solidarisation de la pièce à son support. Un traitement par un anti-diffusant ou un lubrifiant de type Al2O3 ou Ni3B peuvent convenir. En se reportant au diagramme de la figure 4, les étapes du procédé sont les suivantes. On prépare, étape I, un mélange homogène de poudre métallique, de faible granulométrie, et de liant thermoplastique. Le métal dépend de l'application visée. Dans le cas d'une aube de turbomachine, on vise les alliages de Nickel, les alliages de Titane et les Aciers. Le liant choisi est adapté en conséquence. Par exemple le liant peut être composé d'un mélange de PMMA et de cyclohéxane. Le mélange est introduit par des moyens appropriés tels qu'une vis sans fin dans un moule pour chacune des deux, étapes II et III: la pièce et le support. Il peut s'agir d'un même moule avec des compartiments adaptés. Les empreintes sont pour la pièce, celle de la pièce finie et tenant compte de la réduction de volume après frittage, pour le support celle du support tenant compte de la surface sur laquelle va reposer l'ébauche crue de la pièce. L'ébauche crue de la pièce est déliantée, étape IV, partiellement par voie chimique ou thermique. Il en est de même pour le support, étape V. La pièce et le support sont suffisamment résistants pour pouvoir être manipulés et pour le support être préparé en étape VI. L'antidiffusant est déposé sur les surfaces, 20i et 20b venant au contact de l'aube et de la sole du four respectivement. On met en place l'ébauche crue sur le support, étape VII, et on procède au déliantage thermique de l'ensemble, étape VIII. Les éléments particulaires qui composent la pièce notamment sont en partie liés par le traitement thermique de préfrittage. L'ensemble est ensuite mis dans un four de frittage, étape IX où il est soumis à une température élevée, qui est de l'ordre de 1200 à 1350°C pour les alliages à base Nickel et les aciers et une température inférieure pour les alliages base Titane. Pendant cette phase, les deux composants : pièce et support subissent une évolution dimensionnelle parallèle et la pièce reste en appui sur son support. De cette façon toutes les contraintes qui seraient capables de conduire à une déformation de la pièce sont absorbées par le support. Après frittage on peut séparer la pièce de son support. Elle ne risque plus de subir de déformation. Selon les besoins, on améliore telle propriété, de tenue mécanique ou thermique de la pièce issue du four de frittage par un traitement thermique approprié, par exemple, ou par compression isostatique à chaud qui est une technique connue en soi, étape X. Selon une variante du procédé le déliantage thermochimique est effectué sans préfrittage de la pièce. Dans ce cas la pièce est positionnée sur son support uniquement durant le cycle de frittage. L'invention s'applique à la fabrication de toute pièce élancée. Dans le cas d'aubages, ceux-ci peuvent être pleins, avec des trous de ventilation et/ou des passages pour instrumentation.20 Revendications1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage par injection de poudre métallique comprenant les étapes suivantes : préparation d'un mélange de particules métalliques et de liant thermoplastique, réalisation d'une ébauche crue par moulage du mélange dans un moule, déliantage et frittage de l'ébauche, caractérisé par le fait qu'on réalise un support mécanique (20) à partir d'un mélange de poudre et de liant conformé de façon à supporter l'ébauche (1) le long d'une surface de contact, on dispose l'ébauche sur le support mécanique le long de la surface de contact et on procède au frittage de l'ensemble formé par l'ébauche (1) sur son support mécanique (20). 2. Procédé selon la revendication 1, le support mécanique (20) étant réalisé par injection d'un mélange de poudre et de liant dans un moule de support. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'ébauche (1) étant de forme allongée et reposant sur le support mécanique sur ladite surface de contact dans le sens de sa longueur. 4. Procédé selon la revendication 2, la pièce étant une aube de turbomachine. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le support mécanique présentant une portion de surface d'appui plane (20b) formant une base. 30 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le support mécanique étant réalisé à partir du même mélange de poudre et de liant que l'ébauche. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, selon lequel l'ébauche 35 et le support mécanique sont déliantés au moins partiellement après qu'ils ont été extraits de leur moule respectif, et avant que l'ébauche soit mise en place sur le support mécanique.25 8. Procédé selon la revendication 7, selon lequel le support mécanique est traité par un matériau antidiffusant et/ou lubrifiant avant mise en place de l'ébauche sur le support. 9. Procédé selon la revendication 8, selon lequel l'ensemble de l'ébauche et du support sur lequel il est posé subit un déliantage thermique avant frittage.