Brevet FR3036408A1 — publié le 20161125

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces en alliages à base d'aluminures de titane. La présente invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, à la fabrication de pièces pour l'aéronautique. Les alliages à base d'aluminures de titane sont aujourd'hui utilisés dans le domaine aéronautique notamment en raison des avantages qu'ils présentent pour la réduction du poids embarqué au sein des parties moyennement chaudes des turbomachines. En effet, ces alliages présentent généralement une densité moyenne de l'ordre de 4 g/cm2 et constituent une alternative viable aux traditionnels alliages à base de nickel (dont la densité moyenne est d'environ 8,5 g/cm2). Leurs bonnes propriétés mécaniques et leur résistance à l'oxydation pour des températures n'excédant pas 750°C en font des candidats de choix, par exemple pour la fabrication d'aubages de la turbine basse pression des turbomachines aéronautiques. De telles pièces en alliage à base d'aluminure de titane sont traditionnellement fabriquées par fonderie, ce qui induit des surcoûts liés à l'enlèvement de matière lorsque les pièces sont usinées. Les techniques utilisant la métallurgie des poudres constituent une alternative intéressante aux techniques de fonderie traditionnelles pour réduire les coûts de production. Cependant, ces techniques font intervenir une étape de frittage à des températures très élevées, ce qui peut être limitant en pratique. En outre, la densité des pièces obtenues par métallurgie des poudres est parfois insuffisante pour certaines applications. Par exemple, lorsque l'on souhaite obtenir le frittage complet (avec une densité supérieure à 95%) d'une poudre à base d'un aluminure de titane comme le TiA148-2-2, il est nécessaire de se placer à des températures proches de la température de fusion de l'alliage, à savoir 1455°C environ. En pratique, pour le frittage, on se place généralement à des températures comprises entre 1380°C et 1450°C, ce qui rend le procédé de fabrication énergétiquement très couteux. De plus, les outillages utilisés pour réaliser le frittage de ces poudres, comme par 3036408 2 exemple des fours régulés en température, doivent fonctionner à des températures proches de leurs limites d'utilisation, ce qui peut réduire leur durée de vie et augmenter les coûts de maintenance. 5 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une composition destinée à être frittée pour fabriquer une pièce comprenant un alliage à base d'aluminure de titane, la 10 composition comprenant une poudre d'alliage à base d'aluminure de titane, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une poudre d'addition comprenant un mélange d'une poudre d'aluminium métallique et d'une poudre de titane métallique. La composition selon l'invention est remarquable en ce qu'elle 15 permet de réduire l'apport énergétique nécessaire pour le frittage, quelle que soit la technique de frittage utilisée. En effet, la poudre d'addition présente dans la composition va apporter, au cours de la montée en température, de l'énergie sous la forme de foyers locaux de chaleur répartis au sein de la composition. 20 Lorsque la température de la composition est proche de la température de fusion de l'aluminium métallique (environ 660°C), les grains de ce dernier commencent à fondre, et une réaction chimique entre l'aluminium métallique et le titane métallique s'amorce pour former un aluminure de titane. Cette réaction chimique est exothermique et apporte 25 de l'énergie sous la forme de chaleur à la composition, que l'on peut contrôler en jouant sur la quantité de poudre d'addition ajoutée à la composition. Cet apport énergétique permet d'amorcer de façon précoce le frittage de la poudre d'alliage dès 660°C, alors qu'il débute généralement entre 900°C et 1000°C. Ainsi, la densification de la 30 composition est déjà avancée lorsque la température du palier de frittage est atteinte, ce qui permet d'obtenir des densités de pièces plus élevées à l'issue du frittage. La présence de ces foyers de chauffage in-situ dans la composition permet aussi de réduire la température du palier de frittage. 35 Ainsi, on limite la dégradation des moyens de chauffe utilisés et l'énergie nécessaire pour réaliser le frittage (les moyens de chauffe peuvent par 3036408 3 exemple consister en : un four régulé en température, un laser, un faisceau d'électrons, un chauffage plasma, etc.). De plus, la diminution de la température du palier de frittage permet de réduire le temps nécessaire pour atteindre ce palier, et donc de réduire la durée du cycle de frittage 5 complet. En utilisant la composition selon l'invention, un apport énergétique est réalisé in-situ et de façon homogène au sein de la composition. Contrairement aux compositions de l'art antérieur qui sont chauffées généralement par diffusion de l'extérieur vers l'intérieur, la 10 température de la composition selon l'invention est augmentée simultanément et de façon homogène dans toute la composition grâce notamment à la réaction exothermique entre l'aluminium et le titane. Ainsi, le frittage est plus homogène en utilisant la composition selon l'invention. 15 La fusion des grains d'aluminium métallique à partir de 660°C joue aussi un rôle dans le maintien de la structure de la composition, qui est généralement mise en forme avant son frittage (par exemple en utilisant un liant organique et un procédé d'injection/moulage, ou par compression). En effet, les grains d'aluminium qui se liquéfient permettent 20 aussi de conformer les grains qui les entourent et d'augmenter l'inter diffusion des différents éléments dans la composition, réalisant ainsi un « pré-frittage » de la composition. Ce pré-frittage permet aussi de minimiser les déformations de la composition qui peuvent survenir lors de l'étape de frittage, l'aluminium liquide jouant ainsi le rôle d'un liant 25 métallique réactif pour les autres grains. Enfin, l'ajout de la poudre d'addition comprenant de l'aluminium et du titane ne modifie sensiblement pas la composition chimique de l'alliage obtenu après frittage puisque la poudre d'addition va diffuser au sein de la composition et également former un aluminure de titane après 30 réaction. Les propriétés physico-chimiques d'une pièce obtenue en frittant une composition selon l'invention sont donc très peu altérées par rapport à une pièce obtenue par frittage d'une poudre d'un alliage à base d'aluminure de titane seule. Si la poudre d'alliage à base d'un aluminure de titane comprend 35 des éléments d'addition (du chrome ou du niobium par exemple), ils peuvent être dilués dans la composition par la poudre d'addition. Il est 3036408 4 alors possible d'ajouter si nécessaire de tels éléments à la composition selon l'invention pour rétablir leurs teneurs initiales dans l'alliage final. La composition comprend préférentiellement entre 0,5% et 10% en masse de poudre d'addition, plus préférentiellement entre 0,5% et 5%, 5 encore plus préférentiellement entre 0,5% et 2%. De préférence, un ratio atomique Ti/AI de la poudre d'addition est compris entre 0,7 et 1,3 afin de ne pas modifier significativement la composition chimique de la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane. De préférence également, une granulométrie moyenne de la 10 poudre d'alliage à base d'aluminure de titane est comprise entre 1 pm et 100 pm, plus préférentiellement entre 5 pm et 50 pm. Dans un mode de réalisation, la poudre d'addition présente une granulométrie moyenne sensiblement identique à celle de la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane. En variante, la poudre d'addition 15 peut présenter une granulométrie moyenne inférieure à celle de la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane, afin de modifier la répartition des foyers de chaleurs au sein de la composition. La poudre d'alliage à base d'aluminure de titane peut comprendre un aluminure de titane ayant une teneur massique en titane 20 supérieure ou égale à 45% et une teneur massique en aluminium supérieure ou égale à 40%. Par exemple, ces alliages peuvent être du type TiAI-48-2-2, TNM, TNB, ou plus généralement faire partie de la famille des alliages à base d'aluminure de titane ayant des phases gamma/alpha2 ou beta/gamma/alpha2. 25 L'invention vise aussi un procédé de fabrication d'une pièce comprenant un aluminure de titane, le procédé comprenant les étapes suivantes : - la préparation d'une composition telle que celle décrite précédemment, et 30 - le frittage de la composition. Selon un mode de réalisation, le procédé peut comprendre en outre, avant l'étape de frittage, une étape de mise en forme de la composition afin d'obtenir une préforme de la pièce à fabriquer. Lorsque l'on utilise par exemple une technique de moulage par 35 injection de poudre métallique (aussi appelée MIM ou « Metal Injection 3036408 5 Molding), l'étape de mise en forme de la composition peut comprendre les sous-étapes suivantes : - l'injection dans un moule d'un mélange de la composition avec un liant afin d'obtenir une ébauche de la pièce à fabriquer, et 5 - le déliantage de l'ébauche afin d'obtenir la préforme de la pièce à fabriquer. L'étape de frittage peut être réalisée : - dans un four régulé en température, - par frittage flash (aussi appelé SPS ou « Spark Plasma 10 Sintering »), - par frittage sélectif sur lit de poudre (par exemple par EBM ou « Electron Beam Melting », ou encore par SLS ou « Selective Laser Sintering »), ou - par compression isostatique à chaud (aussi appelé HIP ou 15 « Hot Isostatic Pressing »). Il est avantageux de réaliser l'étape de frittage sous atmosphère neutre d'argon, pour réduire notamment le risque d'oxydation de l'aluminium métallique et du titane métallique présents dans la composition. 20 Enfin, l'invention vise aussi un procédé tel que celui décrit précédemment dans lequel la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un 25 anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc. 30 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 35 caractère limitatif. Sur les figures : 3036408 6 - les figures lA à 1D représentent schématiquement l'évolution d'une composition selon l'invention au cours d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est un ordinogramme montrant les différentes 5 étapes d'un procédé selon l'invention. Description détaillée de l'invention L'invention va maintenant être décrite dans son application à la 10 fabrication d'une pièce en alliage à base d'aluminure de titane par un procédé MIM (« Metal Injection Molding »). Bien entendu, l'invention peut s'appliquer à toute technique de fabrication de pièces mettant en oeuvre le frittage d'une poudre d'un alliage à base d'aluminure de titane. Les étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de 15 l'invention sont représentées schématiquement sur l'ordinogramme de la figure 2. Tout d'abord, une poudre d'aluminure de titane est mélangée (étape El) avec une poudre d'addition comprenant une poudre d'aluminium métallique et une poudre de titane métallique pour former 20 une composition selon l'invention. On pourra par exemple utiliser une poudre d'un alliage TiAI-48- 2-2 ayant une granulométrie moyenne comprise entre 5 pm et 50 pm. Les poudres d'aluminium métallique et de titane métallique peuvent quant à elles avoir une granulométrie moyenne de l'ordre de celle de la poudre 25 d'alliage à base d'aluminure de titane (par exemple de +/- 50% en taille par rapport à celle de la poudre d'alliage). On veillera à ce que la teneur en masse de la composition en poudre d'addition soit comprise de préférence entre 0,5% et 10%, plus préférentiellement entre 0,5% et 5%, encore plus préférentiellement entre 30 0,5% et 2%. En outre, le ratio atomique Ti/AI de la poudre d'addition est de préférence compris entre 0,7 et 1,3. L'alliage à base d'aluminure de titane peut comprendre des éléments d'addition, comme par exemple du chrome ou du niobium dans le cas d'un alliage TiAl-48-2-2. Lorsque l'on ajoute de la poudre d'addition 35 à de la poudre d'alliage, la teneur massique en ces éléments d'addition peut être légèrement réduite dans la composition par rapport à leur teneur 3036408 7 massique dans la poudre d'alliage initiale. Par conséquent, on veillera à ajouter si besoin des éléments d'addition à la composition pour que leur teneur reste sensiblement identique à celle de la poudre d'alliage initiale. Il est important de mélanger correctement toutes les poudres 5 pour s'assurer de l'homogénéité de la composition. Par exemple, on peut utiliser un mélangeur automatisé pendant 1 heure à 2 heures. De plus, il est préférable d'effectuer l'étape de mélange sous atmosphère neutre, par exemple d'argon, car les métaux non alliés comme le titane métallique et l'aluminium métallique ont tendance à s'oxyder rapidement à l'air libre, 10 surtout lorsque les granulométries des poudres sont faibles. De façon générale dans tout le procédé, on veillera à limiter l'exposition de la composition au dioxygène en se plaçant sous atmosphère neutre pour limiter son oxydation. Une fois la composition préparée par mélange, on procède à sa 15 mise en forme (étape E2). La mise en forme de la composition permet d'obtenir une préforme de la pièce qui sera ensuite frittée (d'autres procédés ne font pas intervenir une telle étape de mise en forme, comme par exemple les frittages sur lit de poudre). Dans le cas d'un procédé MIM, la mise en forme de la composition 20 comprend d'abord le mélange de la composition avec un liant (étape E21). Le liant peut, de façon connue en soi, comporter un composé choisi parmi : les paraffines, les résines thermoplastiques, les résines thermodurcissables, le gel d'agar, la cellulose, le polyéthylène, le polyéthylène glycol, le polypropylène, l'acide stéarique, le 25 polyoxyméthylène, et leurs mélanges. Une fois la composition mélangée avec un liant et portée à une température permettant son injection, elle est injectée (étape E22) dans un moule régulé en température (le moule ayant la forme de la pièce à fabriquer). Une fois l'injection terminée, le refroidissement par le moule du 30 mélange injecté permet d'obtenir une ébauche de la pièce dans un état plastique. La figure lA représente schématiquement la disposition de grains de poudre de la composition 10 au sein de l'ébauche à l'état plastique. On y a représenté des grains de poudre d'alliage à base d'aluminure de titane 35 11, des grains de poudre d'aluminium métallique 12, des grains de poudre 3036408 8 de titane métallique 13, ainsi qu'un liant 20 (ou un mélange de liants) dans lequel la composition 10 est noyée. L'étape suivante est le déliantage de l'ébauche (étape E23), qui consiste à éliminer sélectivement le liant ou le mélange de liants présent 5 dans l'ébauche ainsi formée. On peut, de façon connue en soi, réaliser un déliantage chimique à l'aide d'un solvant par exemple, suivi d'un déliantage thermique. Le déliantage thermique consiste généralement à soumettre l'ébauche à plusieurs paliers de températures sous atmosphère neutre afin 10 d'éliminer successivement les liants présents. La température du palier le plus élevé ne dépasse généralement pas les 700°C. Durant le déliantage thermique, les grains d'aluminium métallique 12 peuvent commencer à perdre leur ductilité et conformer les différents grains de la composition 10 entre eux. 15 La figure 1B montre l'état de la composition 10 selon l'invention à la fin de l'étape de déliantage ou au début de la montée en température pour l'étape de frittage (étape E3). Sur cette figure, la température de la composition 10 a dépassé 660°C, qui correspond à la température de fusion de l'aluminium 20 métallique. On voit que le liant 20 n'est plus présent, et que les grains d'aluminium 12 commencent à fondre et conforment les grains 11, 13 les entourant. La fusion de l'aluminium permet ainsi de consolider la préforme obtenue après déliantage de l'ébauche, et d'empêcher sa déformation. En même temps que sa fusion, l'aluminium métallique va réagir 25 notamment avec le titane métallique (figure 1C) pour former un aluminure de titane du type TixAly, x et y dépendant notamment du ratio atomique Ti/AI de la poudre d'addition (qui est de préférence compris entre 0,7 et 1,3). L'aluminium peut également réagir avec l'alliage à base d'aluminure de titane déjà présent. Ces réactions chimiques, exothermiques, 30 permettent d'apporter de l'énergie sous forme de chaleur au sein même de la préforme. L'énergie ainsi dégagée in situ par ces foyers locaux est répartie de façon homogène dans la préforme parce que la composition a préalablement été bien mélangée (étape El). Le dégagement de chaleur in-situ par la réaction entre l'aluminium 35 métallique et le titane métallique permet d'amorcer le frittage et 3036408 9 d'entamer la densification de la préforme dès que la température approche puis dépasse les 660°C environ. Il est possible de contrôler ce phénomène précisément car la quantité d'énergie dégagée par les réactions in situ augmente avec la 5 quantité de poudre d'addition dans la composition. La montée en température pour l'étape de frittage (étape E3) se poursuit jusqu'à atteindre un palier de frittage, dont la température peut être réduite grâce à l'utilisation de la composition 10 selon l'invention. En effet, l'énergie à apporter à la préforme pour la fritter est d'autant réduite 10 que de l'énergie a été déjà apportée par la réaction exothermique présentée précédemment. Lors de la montée en température, et pendant le palier de frittage, des phénomènes d'inter-diffusion, notamment entre l'aluminium métallique et l'aluminure de titane déjà présent se produisent, ce qui 15 favorise encore le frittage de la préforme. Tout comme la préparation de la composition (étape El) et la mise en forme de la composition (étape E2), il est préférable de réaliser le frittage (étape E3) sous atmosphère neutre d'argon pour empêcher l'oxydation des métaux non alliés. 20 La figure 1D illustre schématiquement l'état de la composition 10 suite à l'étape de frittage. On voit que la densification est terminée, et que des phases d'aluminure de titane du type TixAly 14, issues notamment de la réaction entre l'aluminium métallique 12 et le titane métallique 13, sont présentes. 25 Afin de s'assurer de l'homogénéité et de la stabilité de l'alliage obtenu, il est également possible de réaliser un traitement thermique post-frittage de diffusion. L'invention peut aussi s'appliquer à des procédés du type SPS ou frittage flash, et HIP ou compression isostatique à chaud. Dans ces 30 procédés, la mise en forme et le frittage de la pièce sont réalisés simultanément. La montée en température va entraîner les réactions chimiques exothermiques présentées précédemment, et permettre d'obtenir une meilleure densification de la pièce et de diminuer la consommation d'énergie du cycle de frittage. 35 Enfin, l'invention peut également s'appliquer à des procédés du type fabrication additive mettant en oeuvre un frittage sur lit de poudre, 3036408 10 qu'il soit par exemple par laser (SLS) ou par faisceau d'électron (EBM). Ces procédés ne nécessitent pas une étape de mise en forme de la composition. La composition selon l'invention est avantageuse dans ce type de procédés en ce qu'elle permet de réduire l'énergie fournie lors du 5 frittage (en réduisant l'intensité du faisceau d'électrons ou du laser par exemple). Exemple 10 On réalise une aube de turbine basse pression pour turbomachine aéronautique par un procédé MIM. On prépare tout d'abord une composition conforme à l'invention comprenant, en masse : - 1% d'une poudre d'addition ayant une granulométrie moyenne 15 de 18 pm, comprenant de l'aluminium métallique et du titane métallique avec un ratio atomique Ti/AI sensiblement égal à 1, et - 99% d'une poudre préalliée de TiAI-48-2-2 ayant granulométrie moyenne de 18 pm. Cette composition est mélangée dans un mélangeur 20 automatique pendant 2 heures sous atmosphère neutre d'argon. On mélange ensuite la composition avec un liant composé majoritairement de cire de paraffine, de poly(éthylène-acétate de vinyle) et d'acide stéarique. Le liant représente environ 40% en volume du mélange. 25 Le mélange est injecté dans la cavité d'un moule dont la température est régulée à 120°C. L'ébauche à l'état plastique est démoulée puis immergée dans un bain d'hexane à 40°C pendant 10 heures pour éliminer une partie du liant par dissolution. 30 On effectue ensuite le déliantage thermique de l'ébauche dans un four régulé en température, sous atmosphère neutre d'argon, par paliers successifs à 250°C pendant 2 heures, et 400°C pendant 2 heures, avec une rampe de montée en température à 2°C/minute. Le palier de frittage à 1350°C est ensuite atteint par une rampe 35 de montée à 5°C/min. Le palier de frittage est maintenu pour une durée 3036408 11 de 4 heures. On refroidit ensuite la pièce par une rampe de descente à 5°C/min. On place enfin la pièce à 1380°C pendant 10 heures pour réaliser un traitement thermique post-frittage de diffusion. 5 Grâce à un tel procédé, la densité de la pièce obtenue atteint typiquement 95%, et la température du palier de frittage peut être abaissée typiquement de 30°C à 60°C. REVENDICATIONS1. Composition (10) destinée à être frittée pour fabriquer une pièce comprenant un alliage à base d'aluminure de titane, la composition comprenant une poudre d'alliage à base d'aluminure de titane (11), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une poudre d'addition comprenant un mélange d'une poudre d'aluminium métallique (12) et d'une poudre de titane métallique (13). 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend entre 0,5% et 10% en masse de poudre d'addition. 3. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'un ratio atomique Ti/AI de la poudre d'addition est compris entre 0,7 et 1,3. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une granulométrie moyenne de la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane (11) est comprise entre 1 pm et 100 pm. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la poudre d'addition présente une granulométrie moyenne sensiblement identique à celle de la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane (11). 6. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la poudre d'alliage à base d'aluminure de titane (11) comprend un aluminure de titane ayant une teneur massique en titane supérieure ou égale à 45% et une teneur massique en aluminium supérieure ou égale à 40%. 7. Procédé de fabrication d'une pièce comprenant de l'aluminure de titane, le procédé comprenant les étapes suivantes : - la préparation (El) d'une composition (10) selon l'une 35 quelconque des revendications 1 à 6, et - le frittage (E3) de la composition. 3036408 13 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre, avant l'étape de frittage, une étape de mise en forme de la composition (E2) afin d'obtenir une préforme de la pièce à 5 fabriquer. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de mise en forme de la composition (E2) comprend les sous-étapes suivantes : 10 - l'injection (E22) dans un moule d'un mélange de la composition (10) avec un liant (20) afin d'obtenir une ébauche de la pièce à fabriquer, et - le déliantage (E23) de l'ébauche afin d'obtenir la préforme de la pièce à fabriquer. 15 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'étape de frittage (E3) est réalisée : - dans un four régulé en température, - par frittage flash, 20 - par frittage sélectif sur lit de poudre, ou - par compression isostatique à chaud. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'étape de frittage (E3) est réalisée sous atmosphère 25 neutre d'argon. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. 30