Brevet FR2944720A1 — publié le 20101029

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, en particulier, celui de 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 poudre métallique, 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 le polyéthylène, polyéthylène Glycol, polyméthylméthacrylate ou le polypropylène. 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 du liant résiduel. La structure poreuse permet à la fois l'évacuation du 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 rétreint 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 alors être de 100%. Pendant ce traitement la pièce est soumise à une température comprise entre 800 et 1200C° associée à une pression allant jusqu'à 150 atm. La technique MIM présente de nombreux avantages, en termes de propriétés mécaniques qui sont comparables à celles des produits issus du forgeage, en termes de coûts par la réalisation de séries de fabrication et par l'état de finition qui permet le cas échéant une utilisation directe, et en termes de flexibilité dans la conception des formes à réaliser. Elle est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces en grande série, et plus particulièrement à celle de pièces de faible masse. En revanche elle n'est pas bien adaptée à la réalisation de pièces complexes, comme celles utilisées en aéronautique, et notamment celles qui comportent des cavités internes comme des aubes de turbine. Celles-ci sont actuellement fabriquées par fonderie, essentiellement à l'aide de la technique dite de la cire perdue. Il serait souhaitable de réaliser de telles pièces par la technique MIM, avec l'utilisation d'un ou de plusieurs noyaux mais, dans la forme actuelle du procédé, il faudrait réaliser un moule en plusieurs parties et y associer de nombreux tiroirs amovibles. Outre le fait que ceci ne serait pas envisageable pour certaines formes de cavités internes particulièrement complexes, la conception et la réalisation d'un tel moule, nécessiterait un investissement en temps important. L'avantage qu'apporte le procédé MIM en termes de facilité de mise en oeuvre disparaîtrait. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de réalisation de pièces présentant des cavités internes, éventuellement de forme complexe, à partir de la technologie MIM. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation par moulage par injection de poudre métallique, d'une pièce comportant au moins une cavité interne, comprenant les étapes suivantes : a) réalisation d'un noyau reproduisant la forme de ladite cavité, b) mise en place dudit noyau dans un moule d'injection reproduisant la forme extérieure de la pièce à réaliser, c) réalisation d'un mélange de poudres métalliques et d'un liant thermoplastique d) injection dudit mélange dans le moule d'injection, suivie d'un refroidissement pour solidification, e) déliantage de la pièce obtenue, f) frittage de la pièce obtenue pour en assurer la cohésion et la densifier, caractérisé en ce que le noyau est réalisé en un matériau qui s'élimine au 20 cours de l'opération de déliantage. L'élimination du noyau lors du déliantage permet d'éviter d'avoir à concevoir des formes complexes à tiroirs pour le moule d'injection, qui seraient induites par la nécessité de pouvoir retirer le tiroir formant noyau après la coulée de la pièce. Ce procédé permet en outre de réaliser des 25 pièces dont le noyau ne peut être monté sur un tiroir amovible, et donc de réaliser des pièces à cavités que l'art antérieur ne permettait pas. De façon préférentielle l'injection est réalisée à une température pour laquelle le noyau est à l'état solide et le déliantage est effectuée à une température supérieure à celle de fusion du noyau. 30 La fusion ou la liquéfaction du noyau permet son élimination de façon particulièrement aisée. Il s'élimine naturellement en passant à travers les pores existant dans la pièce après son injection. Dans un mode de réalisation particulier l'injection est une injection à froid et le déliantage est réalisé par une sublimation du liant, accompagnée 35 d'une sublimation du matériau constitutif du noyau. Avantageusement le noyau est réalisé en glace ou en cyclohexane. Dans un autre mode particulier de réalisation l'injection est une injection à chaud et le déliantage est réalisé par une dissolution chimique suivie d'une vaporisation thermique du liant, le déliantage s'accompagnant d'une dissolution et/ou d'une vaporisation du noyau. Préférentiellement le noyau est réalisé en un matériau polymère ou un ensemble de matériaux polymères. De façon préférentielle le noyau est réalisé en une résine acrylique. Il peut ainsi être réalisé en PMMA ou en un matériau connu sous la dénomination commerciale Elvacite. Avantageusement la dissolution chimique est réalisée par un liquide du type cétone, ester ou hydrocarbure aromatique ou chloré. 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, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique de l'étape d'injection d'une pièce par le procédé MIM, - la figure 2 est une vue schématique séquentielle de l'opération de déliantage, au cours de la réalisation d'une pièce par procédé MIM, - la figure 3 est une vue schématique séquentielle de l'opération de frittage, au cours de la réalisation d'une pièce par procédé MIM. En se référant à la figure 1, on voit l'étape d'injection d'une pièce par le procédé de moulage par injection de poudre métallique (MIM). Dans une étape préalable, non représentée, un moule d'injection 1 est fabriqué pour la pièce à produire, qui reproduit la forme souhaitée en tenant compte des rétreints à venir lors de la phase de frittage. Lorsqu'il convient de réaliser une cavité à l'intérieur de la pièce un noyau (non représenté), reproduisant en plein la forme que doit avoir en creux la cavité, est implanté à l'intérieur du moule en question, de façon à empêcher le métal de venir remplir l'espace correspondant. Pour l'étape d'injection représentée sur la figure 1, le moule d'injection 1 est placé dans une presse 2 qui reçoit un mélange 3 de poudres métalliques enrobées dans un liant thermoplastique. Pour réaliser cette injection, le mélange 3 est amené à une température où il est pâteux, mais suffisamment fluide pour pouvoir être injecté. Cette injection est dite "à chaud" dans le cas où le thermoplastique nécessite une température de 100 à 250° pour atteindre cet état pâteux. Elle est dite "à froid" si le liant est choisi de façon à pouvoir être injecté à une température négative (typiquement comprise entre -30 et 0°C). L'étape suivante est celle du déliantage qui consiste en l'élimination du liant 4 et en l'obtention d'une pièce métallique poreuse 5. Cette opération comprend tout d'abord un premier déliantage dit chimique, tel que représenté sur la figure 2, auquel succède un second déliantage, dit thermique. Ce déliantage chimique est effectué à l'aide d'un solvant dans le cas d'une injection à chaud, le solvant s'évacuant avec le liant dissous, ou par une opération de lyophilisation dans le cas d'une injection à froid, c'est-à-dire une opération de déshydratation à basse température qui élimine le produit par sublimation. Dans les deux cas il reste un liant résiduel qui assure la cohésion des particules métalliques et qui sera éliminé lors du déliantage thermique, effectué séparément ou au cours de l'opération de frittage. La dernière étape, représentée sur la figure 3, consiste, par frittage, à assurer la cohésion et la densité recherchée pour la pièce. La densité atteint généralement une valeur proche de 95 % de la densité maximale. Elle peut être portée, comme indiqué plus haut, à environ 100% par une opération complémentaire de compression isostatique à chaud. Dans le cas du procédé selon l'invention, le noyau utilisé est réalisé préalablement à l'étape d'injection et est fonction du type de déliantage envisagé. Dans le cas d'une injection "à froid" le noyau est préférentiellement réalisé en glace ou en un solvant tel que du cyclohexane. Le noyau est injecté, en phase liquide, dans un moule spécifique, conçu pour réaliser la forme complexe du noyau, puis solidifié par une congélation à une température comprise entre -6 et -20°C. Le noyau est retiré de son moule et placé dans le moule d'injection 1 de la pièce, à l'aide de moyens de fixation connus de l'homme du métier, où il est maintenu à l'état solide. L'injection "à froid" du mélange pâteux 3 se produisant également à température négative, le noyau reste à l'état solide au cours de cette opération et ses caractéristiques dimensionnelles ne sont pas modifiées. L'opération de déliantage par lyophilisation, qui suit l'injection à froid, permet d'éliminer en même temps le liant 4 et le noyau, qui se subliment de façon concomitante. Dans le cas d'une injection "à chaud" le noyau est préférentiellement fabriqué en un matériau polymère, une résine acrylique telle que du PMMA ou une résine commercialisée sous la marque l'Elvacite par la société Elvite International Inc, et réalisé, soit par une injection à chaud dans un moule spécifique, soit par une opération de stéréolithogaphie. Après refroidissement et solidification, le noyau est retiré de son moule et placé dans le moule d'injection 1 de la pièce. L'opération de déliantage s'effectue à l'aide d'un solvant tel qu'une cétone, un ester ou un hydrocarbure aromatique ou chloré, qui a la capacité de dissoudre, outre le liant thermoplastique 4, le matériau dans lequel est réalisé le noyau. A défaut d'une dissolution du noyau par un traitement chimique il peut être éliminé par chauffage avec une sublimation au cours de la phase de déliantage thermique qui suit. Dans les deux cas la pièce peut être réalisée avec une cavité, sans que le moule d'injection n'ait besoin d'être réalisé en plusieurs parties avec des tiroirs amovibles, ce qui est le but poursuivi. Le noyau est éliminé lors du déliantage, par un traitement soit thermique soit chimique, et cette élimination ne nécessite pas la réalisation d'opération supplémentaire par rapport à la réalisation d'une pièce qui n'aurait pas de cavité. La réalisation de la pièce se termine par une étape classique de frittage à chaud. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation par moulage par injection de poudre 5 métallique, d'une pièce comportant au moins une cavité interne, comprenant les étapes suivantes : a) réalisation d'un noyau reproduisant la forme de ladite cavité, b) mise en place dudit noyau dans un moule d'injection (1) reproduisant la forme extérieure de la pièce à réaliser, 10 c) réalisation d'un mélange (3) de poudres métalliques et d'un liant thermoplastique, d) injection dudit mélange (3) dans le moule d'injection (1), suivie d'un refroidissement pour solidification, e) déliantage de la pièce obtenue, 15 f) frittage de la pièce obtenue pour en assurer la cohésion et la densifier, caractérisé en ce que le noyau est réalisé en un matériau qui s'élimine au cours de l'opération de déliantage. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'injection est réalisée à une température pour laquelle le noyau est à l'état solide et dans 20 lequel le déliantage est effectuée à une température supérieure à celle de fusion du noyau. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'injection est une injection à froid et le déliantage est réalisé par une sublimation du liant, accompagnée d'une sublimation du matériau constitutif du noyau. 25 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel le noyau est réalisé en glace. 5. Procédé selon l'une des revendications2 ou 3 dans lequel le noyau est réalisé en cyclohexane. 6. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'injection est une 30 injection à chaud et le déliantage est réalisé par une dissolution chimique suivie d'une vaporisation thermique du liant, le déliantage s'accompagnant d'une dissolution et/ou d'une vaporisation du noyau. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le noyau est réalisé avec un matériau polymère ou un ensemble de matériaux polymères. 35 8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le noyau est réalisé en une résine acrylique. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le noyau est réalisé en PMMA. 10. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le noyau est réalisé en une résine connue sous la dénomination commerciale Elvacite. 11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10 dans lequel la dissolution chimique est réalisée par un liquide du type cétone, ester ou hydrocarbure aromatique ou chloré.