Brevet FR3028784A1 — publié le 20160527

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces tridimensionnelles à base d'alliages métalliques. Plus particulièrement, des alliages à base de titane sont utilisés pour des pièces destinées à être soumises à des contraintes thermomécaniques importantes et à des atmosphères corrosives. Ces 10 alliages permettent de réduire la masse de ces pièces et leur emploi est par conséquent avantageux pour des raisons de coût et/ou d'efficacité énergétique, comme c'est le cas par exemple dans le domaine aéronautique. La fabrication de pièces en alliage métallique à base de titane se 15 fait traditionnellement par des procédés mettant en oeuvre notamment de la fonderie ou la technique de fusion par faisceau électronique ou « Electron Beam Melting » (EBM). La fabrication de pièces de géométrie complexe, comme un aubage de turbomachine, est difficile et nécessite des étapes de traitement et d'usinage importantes postérieurement à 20 l'application des procédés d'élaboration précités. En particulier, les étapes d'usinages supplémentaires entraînent souvent un taux de rebut élevé, ce qui augmente les coûts de production. Afin de maîtriser ces coûts et d'obtenir une pièce de forme précise nécessitant moins d'usinage après élaboration, il est souhaitable 25 de disposer d'un procédé qui permette de fabriquer des pièces complexes en alliage à base de titane qui ne présentent pas ces inconvénients. On connaît le procédé de moulage par injection de métal, ou MIM (« Metal Injection Molding »), qui permet d'obtenir des pièces métalliques de formes précises qui ne nécessitent pas d'usinages lourds et 30 coûteux après leur élaboration. Un tel procédé comprend une étape de préparation d'une composition d'injection à base de poudre métallique (par exemple d'un alliage métallique) et d'au moins un liant (par exemple une résine thermoplastique), une étape d'injection de la composition d'injection dans 35 une cavité d'un moule pour réaliser une ébauche de la pièce, une étape d'élimination sélective du liant présent dans l'ébauche ou déliantage, par 3028784 2 exemple en utilisant un solvant sous une température contrôlée, et une étape de frittage de la poudre métallique afin de la densifier. Cependant, les pièces en alliages à base de titane réalisées par des procédés MIM traditionnels présentent souvent des propriétés 5 mécaniques inhomogènes et une oxydation relativement importante, ce qui réduit leur durée de vie. Objet et résumé de l'invention Les Inventeurs ont remarqué lors d'essais que l'inhomogénéité des propriétés mécaniques ou l'oxydation relativement importante des pièces obtenues par un procédé MIM traditionnel était principalement due à des modifications de la composition chimique de l'alliage se produisant au cours de la fabrication de la pièce. Plus précisément, les Inventeurs ont observé que cette modification de la chimie de la pièce se produit durant l'étape de frittage de la poudre d'alliage et qu'elle est principalement due à l'évaporation d'éléments d'addition. En outre, la plupart des procédés MIM connus préconisent d'appliquer une pression réduite dans l'enceinte de frittage, et l'évaporation des éléments d'addition est d'autant plus élevée que la pression dans l'enceinte est réduite. La présente invention vise à s'affranchir des inconvénients des procédés MIM de l'art antérieur en proposant un procédé de fabrication d'une pièce tridimensionnelle frittée comportant un alliage à base de titane qui permet de pallier les modifications indésirables de la chimie de l'alliage et d'obtenir, par conséquent, des pièces de géométrie complexe présentant des propriétés mécaniques homogènes. Ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une pièce tridimensionnelle frittée comportant un alliage à base de titane, le procédé comportant les étapes suivantes : - préparation d'une composition d'injection comprenant un liant et une poudre d'un alliage à base de titane comportant de l'aluminium et/ou du chrome comme élément d'addition, - injection de la composition d'injection dans une cavité d'un moule de manière à obtenir une ébauche de la pièce à former, - élimination sélective du liant présent dans l'ébauche, et 3028784 3 - une première étape de frittage de la poudre de l'alliage à base de titane, la poudre étant durant la première étape de frittage soumise à une première pression supérieure ou égale à 1 mbar afin d'obtenir une préforme de la pièce en poudre d'alliage frittée. 5 Le contrôle de la pression pendant la première étape de frittage est nécessaire car il faut assurer la densification de la pièce à une température élevée, tout en évitant une modification notable de la chimie de la préforme suite à la première étape de frittage. Aussi, en fixant une première pression supérieure ou égale à 1 mbar, cette première pression 10 se trouve supérieure à la pression de vapeur saturante des éléments d'addition à la température de frittage, ce qui limite leur évaporation et donc les modifications de la chimie de la pièce suite à la première étape de frittage. La première pression peut être supérieure ou égale à 10 mbar. 15 La première pression peut être appliquée pendant une durée comprise par exemple entre 1 heures et 24 heures. De préférence encore, le procédé comporte en outre après la première étape de frittage, une deuxième étape de frittage durant laquelle une deuxième pression est imposée, la deuxième pression étant inférieure 20 à la première pression, la durée d'application de la deuxième pression étant choisie afin que la teneur massique en aluminium et/ou en chrome à la surface de la préforme ne varie pas de plus de 5% en valeur relative suite à la deuxième étape de frittage. De préférence également, la deuxième pression est inférieure à 25 1 mbar. Par exemple, la deuxième pression peut être inférieure ou égale à 10-1 mbar, inférieure ou égale à 10-2 mbar, voire inférieure ou égale à 10-3 mbar. La deuxième pression peut être appliquée pendant une durée comprise par exemple entre 10 minutes et 5 heures. Ainsi, en réalisant une telle deuxième étape de frittage dans 30 lequel la deuxième pression appliquée est inférieure à la première pression, on diminue encore la porosité de la préforme obtenue après la première étape de frittage du fait de l'évacuation du gaz présent dans la porosité. Toutefois même si les conditions de la deuxième étape de frittage sont optimales pour évacuer le gaz de la porosité, elles sont aussi 35 favorables à l'évaporation des éléments d'addition au sein de l'alliage qui peut entraîner une modification de sa chimie, notamment en surface de la 3028784 4 préforme. Il est donc souhaitable de limiter la durée de cette deuxième étape de frittage. Cette limitation de durée est possible dans la présente invention car la densification de la préforme a déjà été avancée lors de la première étape de frittage sans affecter sa chimie. La durée de la 5 deuxième étape de frittage peut être alors significativement réduite de manière à ne pas affecter outre mesure la chimie de l'alliage tout en étant utile pour évacuer le gaz présent dans la porosité de la préforme et ainsi améliorer la densification obtenue. La durée d'application de la deuxième pression est déterminée 10 pour que les teneurs massiques en éléments d'addition (tels que l'aluminium et/ou le chrome) en surface de la préforme ne varient relativement pas de plus de 5% en valeur relative suite à la deuxième étape de frittage. On entend ici par teneur massique d'un élément d'addition à la 15 surface de la préforme, la proportion massique d'un élément dans une couche d'épaisseur de l'ordre de 200pm située à la surface de la préforme. Par variation relative de la teneur massique en un élément donné, on entend la variation relative entre la teneur massique dudit élément avant la première étape de frittage et après la deuxième étape de 20 frittage. Par exemple si la teneur massique en aluminium était de 30% avant la première étape de frittage, et qu'elle est de 28,5% après la deuxième étape de frittage, la variation relative de la teneur massique en aluminium suite aux deux premières étapes frittage est de (3028,5)/30=5%. 25 Ces teneurs massiques à la surface sont déterminées sur des échantillons de la préforme avant frittage et après frittage par des analyses chimiques destructives ou semi-destructives, notamment par : spectrométrie par torche à plasma (ICP), analyse dispersive en énergie (EDX), analyse dispersive en longueur d'onde (WDS) ou spectrométrie de 30 fluorescence X (XRF). De préférence, le procédé comprend en outre, après la deuxième étape de frittage, une troisième étape de frittage durant laquelle une troisième pression est imposée, la troisième pression étant supérieure à la deuxième pression, et pouvant par exemple être supérieure ou égale 35 à 1 mbar. 3028784 5 La troisième étape de frittage permet de terminer la densification de la pièce, par exemple si trop d'éléments d'addition se sont évaporés et que la densification souhaitée n'est pas atteinte. La durée de cette troisième étape dépend donc de l'état d'avancement de la 5 densification de la préforme à l'issue de la deuxième étape de frittage. La durée de cette troisième étape peut être comprise par exemple entre 10 minutes et 10 heures. L'invention vise également le procédé de fabrication décrit précédemment dans lequel la pièce fabriquée est une aube de 10 turbomachine. Selon un aspect de l'invention, la teneur massique en aluminium de la poudre d'alliage à base de titane est supérieure à 10% avant la première étape de frittage. De préférence, la poudre d'alliage à base de titane présente 15 avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments suivantes : entre 32% et 33,5% d'aluminium, entre 4,5% et 5,1% de niobium, et entre 2,4% et 2,7% de chrome. Alternativement, la poudre d'alliage à base de titane présente avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments 20 suivantes : entre 28,12% et 29,12% d'aluminium, entre 8,56% et 9,56% de niobium, et entre 1,84% et 2,84% de molybdène. Alternativement encore, la poudre d'alliage à base de titane présente avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments suivantes : entre 5,4% et 6,6% d'aluminium, et entre 3,6% et 25 4,4% de vanadium. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 30 ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : la figure 1 est un ordinogramme représentant les principales étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention, 35 la figure 2 est une vue très schématique d'un moule d'injection, et 3028784 6 - la figure 3 est une vue très schématique d'une aube de turbomachine pouvant être fabriquée par un procédé selon l'invention. 5 Description détaillée de l'invention L'invention sera à présent décrite dans son application à la fabrication de pièces tridimensionnelles frittées en alliages à base de titane. 10 De façon bien connue en soi, une des étapes d'un procédé MIM consiste à injecter sous pression dans une cavité d'un moule une composition d'injection comprenant une poudre d'un alliage métallique et un liant. La poudre d'alliage peut préférentiellement être une poudre 15 d'alliage de titane et d'aluminium. On peut utiliser les alliages décrits ci- dessus. La poudre est de préférence sous forme de grains sensiblement sphériques. La poudre possède de préférence une taille de grains (d90) inférieure ou égale à 150 pm. En d'autres termes, si l'on considère la 20 distribution de la taille des grains composant la poudre, 90% des grains ont une taille inférieure ou égale à 150 pm. Le liant peut, de façon connue en soi, comporter un composé choisi parmi : les paraffines, les résines thermoplastiques, le gel d'agar, la cellulose, le polyéthylène, le polyéthylène glycol, le polypropylène, l'acide 25 stéarique, polyoxyméthylène, etc. et leurs mélanges. En référence à la figure 1, un mode de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention, comprend les étapes suivantes. Une composition d'injection est préparée (étape E10) à partir d'une poudre d'alliage tel que décrit plus haut et d'un liant. 30 La composition d'injection peut être constituée typiquement de poudre d'alliage entre 50% et 70% en volume, et de 30% à 50% en volume de liant. La composition d'injection peut d'abord être mélangée à une température comprise entre 150°C et 200°C sous atmosphère neutre par 35 exemple, et sera injectée à cette température. 3028784 7 Comme illustré très schématiquement sur la figure 2, le moule d'injection 1 est généralement constitué de deux parties 14, 16 formant une cavité 12 ayant la forme de la pièce à fabriquer. Le moule d'injection possède avantageusement plusieurs points d'injection 18a, 18b, 18c qui 5 permettent une injection dans plusieurs parties de la cavité 12 du moule 1. Typiquement, l'injection est effectuée à des pressions pouvant varier de 400 bars à 800 bars. L'injection est ensuite réalisée (étape E20) dans le moule 10 d'injection 1 qui est régulé en température, entre 30°C et 70°C par exemple, de sorte que la composition d'injection devienne plastique pour former une ébauche de la pièce à réaliser. L'ébauche ainsi réalisée est dite dans un « état vert » ou plastique. Il est avantageux de faire l'injection dans une cavité du moule 15 dans laquelle aura été fait le vide, afin de faciliter l'injection et d'assurer l'homogénéité de l'ébauche qui sera moulée. L'ébauche est ensuite démoulée (étape E30), et éventuellement usinée à l'état vert (étape E40) pour supprimer les bavures ou les carottes des points d'injection qui auraient pu apparaître lors du démoulage. 20 L'étape suivante consiste à éliminer sélectivement le liant présent dans l'ébauche ainsi formée. L'étape d'élimination sélective du liant (étape E50), aussi appelée « déliantage », permet d'obtenir une poudre qui a la forme de la pièce à fabriquer à partir d'une ébauche de la pièce à l'état vert. 25 L'élimination sélective du liant peut consister à dissoudre le liant par traitement par un solvant. L'élimination sélective du liant peut être entièrement réalisée ou finalisée par voie thermique. Dans ce cas, elle peut être réalisée dans une enceinte de frittage afin de ne pas déplacer la poudre entre l'étape 30 d'élimination sélective du liant présent dans l'ébauche et la première étape de frittage. Préalablement à l'introduction de la poudre dans l'enceinte de frittage, l'enceinte de frittage a été purgée et décontaminée par des cycles de pompage sous vide, par exemple sous pression réduite d'argon ou de 35 dihydrogène. En effet, il est nécessaire d'être sous atmosphère neutre ou 3028784 8 réductrice durant le frittage pour éviter l'oxydation des éléments présents dans l'alliage. On réalise l'étape de frittage (étape E60) dans une enceinte de frittage, dans laquelle une température de frittage est imposée 5 progressivement. De façon connue en soi, la température de frittage est de l'ordre de 80% à 90% de la température de solidus de l'alliage présent dans la poudre à fritter et des rampes de 0,10°C/minute à 20°C/minute permettent d'atteindre progressivement cette température. Conformément à l'invention, une première étape de frittage 10 (étape E601) est réalisée en soumettant la poudre à une première pression, d'atmosphère neutre ou réductrice (sous argon ou dihydrogène par exemple), supérieure ou égale à 1 mbar, par exemple supérieure ou égale à 10 mbar. L'évaporation de composés d'addition tels que le chrome et/ou 15 l'aluminium est négligeable pendant toute la durée de la première étape de frittage dans lequel cette première pression est appliquée. Ainsi, durant cette étape la densification de la préforme est conduite tout en évitant une modification de la chimie de la poudre en surface de la préforme par évaporation des éléments d'addition. 20 Dans un exemple de réalisation, on ne réalise que la première étape de frittage. En variante, on réalise un frittage partiel durant la première étape de frittage et on réalise ensuite une deuxième étape de frittage. Durant cette deuxième étape de frittage, la préforme est 25 soumise à une deuxième pression, inférieure à la première, qui est imposée dans l'enceinte de frittage pendant une durée déterminée (étape E602). Cette deuxième pression a pour but d'évacuer le gaz présent dans la porosité de la préforme pour augmenter la densification de celle- 30 ci. Toutefois, comme expliqué plus haut, la durée d'application de la deuxième pression est limitée afin de minimiser l'évaporation en surface de la préforme des éléments d'addition tels que l'aluminium et/ou le chrome. En d'autres termes, on réalise lors de la deuxième étape de frittage un traitement d'évacuation du gaz présent dans la porosité 35 générée au cours du frittage sans affecter significativement la composition de la préforme, notamment à sa surface. 3028784 9 Par évaporation en surface de la préforme, on entend l'évaporation des éléments d'addition dans une couche d'épaisseur caractéristique (généralement de l'ordre de 200pm) à la surface de la préforme. 5 Par exemple, si une valeur de deuxième pression est choisie très faible, l'évacuation du gaz présent dans la porosité sera plus efficace et la densification plus rapide, mais l'évaporation des éléments d'addition à la surface de la préforme sera d'autant plus importante. Alternativement, si une valeur de deuxième pression plus élevée 10 est appliquée, l'évacuation du gaz présent dans la porosité sera plus longue et la densification plus limitée, mais l'évaporation des éléments d'addition à la surface de la préforme sera moindre. Ainsi, la durée d'application de la deuxième pression sera adaptée pour minimiser la variation relative de la teneur massique en 15 aluminium et/ou en chrome à la surface de la préforme suite à la deuxième étape de frittage préférentiellement à moins de 5%, plus préférentiellement à moins de 3%, encore plus préférentiellement à moins de 1%. En d'autres termes, la teneur massique en aluminium et/ou en chrome à la surface de la préforme ne varie pas préférentiellement de plus 20 de 5% en valeur relative suite à la deuxième étape de frittage, plus préférentiellement de 3%, encore plus préférentiellement de 1%. Après la deuxième étape de frittage, il est possible de réaliser une troisième étape de frittage (étape E603) durant laquelle une troisième pression supérieure à la deuxième pression est imposée. Cette troisième 25 pression peut par exemple être supérieure ou égale à 1 mbar. Après la première étape de frittage (étape E601), ou après la deuxième ou la troisième étape de frittage le cas échéant (étapes E602 et E603), la préforme est refroidie par des rampes de descente en température, par exemple de 0,1°C/minute à 60°C/minute, afin 30 d'optimiser la microstructure de la pièce. On obtient la pièce finale à partir de la préforme qui aura subi des traitements de finition (étape E70), connus en soi, tels qu'une compression isostatique à chaud pour finaliser la densification de la pièce, des traitements thermiques supplémentaires pour optimiser la 35 microstructure, des traitements de surface par usinage ou polissage, etc. 3028784 10 Le procédé de l'invention est particulièrement adapté à la fabrication d'une aube 2 de turbomachine, comportant par exemple un pied 22, une pale 24 et une tête 26, comme celle illustrée très schématiquement sur la figure 3. 5 Premier exemple Le premier exemple décrit un procédé de fabrication d'une aube 2 en alliage de titane du type TiAl6-V4 par un procédé selon 10 l'invention. On dispose d'abord d'une poudre commerciale d'un l'alliage de titane de grade 23 (TiA16-V4) ayant des grains sensiblement sphériques avec un d90 de 45 dam. On dispose aussi d'un liant constitué notamment de cire de 15 paraffine, de poly(éthylène-acétate de vinyle) et d'acide stéarique. La composition d'injection est réalisée (étape E10) en mélangeant la poudre d'alliage avec le liant sous Argon, à une température de 120°C pendant 2 heures. La composition d'injection est injectée dans la cavité 12 du 20 moule d'injection 1 (étape E20). L'ébauche de l'aube 2 à l'état vert est ensuite démoulée (étape E30) et usinée à l'état vert (étape E40) pour supprimer les bavures dues à l'injection. Puis, l'ébauche de l'aube est placée dans un bain d'hexane à 25 40°C pendant 10 heures pour éliminer le liant par dissolution (étape E50). L'étape d'élimination sélective du liant se poursuit dans une enceinte de frittage, dans laquelle aura été placée l'ébauche partiellement éliminée du liant, en effectuant des traitements thermiques pour éliminer les dernières traces de liant. 30 L'étape de frittage (étape E60) est amorcée par une montée en température dans l'enceinte de frittage jusqu'à 1350°C. La pression à l'intérieur de l'enceinte est alors ajustée à 10 mbar pendant 2 heures pour réaliser une première étape de frittage (étape E601). 35 La préforme est refroidie puis extraite de l'enceinte de frittage pour subir des traitements de finition classiques (étape E70). 302 8 784 11 Deuxième exemple Le deuxième exemple décrit un procédé de fabrication d'une 5 aube 2 en alliage de titane du type TiAI 48-2-2 par un autre procédé selon l'invention. On dispose d'abord d'une poudre commerciale d'un l'alliage de titane de composition chimique telle que décrite dans le Tableau 1, ayant des grains sensiblement sphériques avec un d90 de 25 pm. 10 Ti Al Nb Cr Fe Base 32,0-33,0 4,50-5,10 2,40-2,70 0,10 C N H2 02 Si 0,015 0,02 0,01 0,04-0,13 0,025 Tableau 1- Composition chimique (en % massique) de l'alliage On dispose aussi d'un liant principalement constitué de polyéthylène et de polyéthylène glycol. 15 La composition d'injection est réalisée (étape E10) en mélangeant la poudre d'alliage avec le liant, à une température de 170°C. La composition d'injection est injectée dans la cavité 12 du moule d'injection 1 (étape E20) régulé à 40°C et dans laquelle on a fait le vide. 20 L'ébauche de l'aube 2 à l'état vert est ensuite démoulée (étape E30) et usinée à l'état vert (étape E40) pour supprimer les bavures dues à l'injection. Puis, l'ébauche de l'aube est placée dans un bain d'eau à 75°C pendant 24 heures pour éliminer le liant par dissolution (étape E50). 25 L'étape d'élimination sélective du liant se poursuit dans une enceinte de frittage dans laquelle aura été placée l'ébauche partiellement éliminée du liant, en effectuant des traitements thermiques pour éliminer les dernières traces de liant. L'étape de frittage (étape E60) est amorcée par une montée en 30 température dans l'enceinte de frittage jusqu'à 1410°C. 3028784 12 La pression à l'intérieur de l'enceinte est ajustée à 1 mbar pendant 6 heures pour réaliser une première étape de frittage (étape E601). Après la première étape de frittage, une deuxième étape de 5 frittage est réalisée (étape E602) en abaissant la pression à 10-1 mbar dans l'enceinte pendant 30 minutes. La préforme est refroidie puis extraite de l'enceinte de frittage pour subir des traitements de finition classiques (étape E70). REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce tridimensionnelle frittée comportant un alliage à base de titane, le procédé comportant les étapes suivantes : - préparation d'une composition d'injection comprenant un liant et une poudre d'un alliage à base de titane comportant de l'aluminium et/ou du chrome comme élément d'addition (étape E10), - injection de la composition d'injection dans une cavité (12) 10 d'un moule (1) de manière à obtenir une ébauche de la pièce à former (étape E20), - élimination sélective du liant présent dans l'ébauche (étape E50), et - une première étape de frittage de la poudre de l'alliage à 15 base de titane (étape E601), la poudre étant durant la première étape de frittage soumise à une première pression supérieure ou égale à 1 mbar afin d'obtenir une préforme de la pièce en poudre d'alliage frittée. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre après 20 la première étape de frittage, une deuxième étape de frittage durant laquelle une deuxième pression est imposée (étape E602), la deuxième pression étant inférieure à la première pression, la durée d'application de la deuxième pression étant choisie afin que la teneur massique en aluminium et/ou en chrome à la surface de la préforme ne varie pas de 25 plus de 5% en valeur relative suite à la deuxième étape de frittage. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la deuxième pression est inférieure à 1 mbar. 30 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, comportant en outre, après la deuxième étape de frittage, une troisième étape de frittage durant laquelle une troisième pression est imposée (étape E603), la troisième pression étant supérieure à la deuxième pression. 35 3028784 14 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la troisième pression est supérieure ou égale à 1 mbar. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans 5 lequel la pièce obtenue est une aube (2) de turbomachine. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel la teneur massique en aluminium de la poudre d'alliage est supérieure à 10% avant la première étape de frittage. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la poudre d'alliage présente avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments suivantes : entre 32% et 33,5% d'aluminium, entre 4,5% et 5,1% de niobium, et entre 2,4% et 2,7% de chrome. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la poudre d'alliage présente avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments suivantes : entre 28,12% et 29,12% d'aluminium, entre 8,56% et 9,56% de niobium, et entre 1,84% et 2,84% de molybdène. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel la poudre d'alliage présente avant la première étape de frittage les teneurs massiques en éléments suivantes : entre 5,4% et 6,6% d'aluminium, et entre 3,6% et 4,4% de vanadium.30