Brevet FR3058341A1 — publié le 20180511

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES SELON UNE OPERATION DE FABRICATION ADDITIVE SUIVIE D'UNE OPERATION DE COMPACTION ISOSTATIQUE A CHAUD L'invention se rattache au domaine technique de la fabrication de pièces métalliques ou en composite à matrice métallique pour la réalisation notamment et non limitativement de composants et équipements pour le secteur automobile, aéronautique ou médical. La fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces par fusion ou frittage de plusieurs couches successives se développe, le concept de base étant défini dans le brevet US 4 575 330 en date de 1984. La fabrication additive est définie par l'ASTM comme étant un procédé de mise en forme d'une pièce par ajout de matière par empilement de couches successives, en opposition à la mise en forme par enlèvement de matière telle que l'usinage. C'est aussi le nom donné à la technologie d'impression tridimensionnelle. Cette technologie s'est développée pour réaliser des pièces en alliage métallique aussi bien par fusion ou frittage de lits de poudre ou par soudure de fils. Des essais sur les matériaux composites à matrices métalliques se sont révélés très prometteurs. Les technologies utilisées pour les citer de manière non exhaustive vont du frittage sélectif par laser (Selecting Laser Sintering) à la fusion par faisceau d'électrons (Electron Beam Melting) en passant par le frittage métal au laser (Direct Metal Laser Sintering) ainsi que le dépôt de métal par laser (Laser Metal Deposition) ou la fusion par laser (Selective Laser Melting). Ces technologies permettent de fabriquer des pièces qui ont une grande complexité géométrique avec des propriétés mécaniques satisfaisantes au prix d'un temps de cycle qui s'avère souvent long. En effet, pour chaque couche successive un rouleau doit étaler la poudre et le faisceau d'électrons ou laser doit balayer l'intégralité de la surface de chaque couche pour obtenir une bonne cohésion de la poudre. 3058341 2 Pour réduire ce temps de cycle, la stratégie des fabricants est d'augmenter la puissance et le nombre de faisceaux pour pouvoir faire fondre ou fritter chaque couche plus rapidement, entraînant ainsi une hausse du prix de la machine de fabrication. 5 Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication amélioré de pièces en alliage métallique ou matériau composite à matrice métallique, remédiant aux inconvénients connus de la fabrication additive. 10 A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en alliage métallique ou en matériau composite à matrice métallique, selon lequel : - on réalise une préforme selon une opération de fabrication additive par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de 15 poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre, la préforme étant ainsi constituée de parties solides et de zones de poudre résiduelle prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée ; et - on soumet la préforme à une opération de compaction isostatique à 20 chaud de manière à obtenir la forme finale de la pièce. En réduisant le temps de balayage des couches lors de l'opération de fabrication additive, on réduit le temps de fabrication global de la pièce et on améliore son coût de fabrication. 25 Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé selon l'invention, prises isolément ou en combinaison : - Les parties solides de la préforme comprennent des parois externes entourant les zones de poudre résiduelle. 30 - Les parties solides de la préforme comprennent une structure interne en treillis, dans laquelle sont incluses les zones de poudre résiduelle. - La structure en treillis forme un réseau alvéolaire. - La structure en treillis présente des zones de densités de treillis différentes. 3058341 3 - L'opération de compaction isostatique à chaud est réalisée avec les paramètres suivants : une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ; une pression comprise entre 900 et 1100 MPa, de préférence de l'ordre de 1000 MPa. ; et une durée comprise entre 1 et 3 5 heures, de préférence de l'ordre de 2 heures dans une atmosphère inerte. L'invention a également pour objet une pièce obtenue selon la mise en oeuvre du procédé mentionné ci-dessus. L'invention a également pour objet une préforme réalisée selon une 10 opération de fabrication additive, caractérisée en ce que la préforme est constituée de parties solides et de zones de poudre résiduelle prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va 15 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation d'une préforme obtenue en mettant en oeuvre le procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe de la préforme, selon la ligne II-II à la figure 1 ; 20 - les figures 3 et 4 sont d'autres coupes de la préforme, respectivement selon les lignes et IV-IV à la figure 2 ; - la figure 5 est une vue en perspective, partiellement arrachée, de la préforme des figures 1 à 4 ; - la figure 6 est une vue à plus grande échelle, au microscope électronique, 25 du détail VI de la figure 4 ; - la figure 7 est une section de la préforme, au début de l'opération de compaction isostatique à chaud ; - la figure 8 est une section de la pièce obtenue à partir de la préforme, à la fin de l'opération de compaction isostatique à chaud ; et 30 - les figures 9 et 10 sont des vues analogues à la figure 3, montrant des variantes de préformes conformes à l'invention. Sur les figures 1 à 8 est illustré le procédé de fabrication d'une pièce 1 conforme à l'invention. 3058341 4 La pièce 1 peut être en alliage métallique, par exemple à base de fer, d'aluminium, de nickel, de titane, de chrome ou de cobalt. En variante, la pièce 1 peut être en matériau composite à matrice métallique, par exemple alliage de titane-carbure de titane, alliage d'aluminium-alumine, ou alliage d'aluminium- 5 carbure de silicium. Le procédé selon l'invention comprend une opération de fabrication additive, puis une opération de compaction isostatique à chaud. Sur les figures 1 à 6 est illustrée une préforme 10 obtenue à la fin de 10 l'opération de fabrication additive. Sur les figures 7 et 8 est illustrée l'opération de compaction isostatique de cette préforme 10 pour obtenir la pièce 1. L'opération de fabrication additive consiste à réaliser la préforme 10, par 15 ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre. Cela permet d'accélérer la réalisation de la préforme 10 et de réduire le coût de l'opération de fabrication additive, et donc le coût de la pièce 1 finale. 20 Ainsi, la préforme 10 est constituée de parties solides 11 et de zones de poudre résiduelle 12, non soudée ou partiellement consolidée. Plus précisément, les parties solides 11 comprennent des parois externes 13 et une structure interne 14 conformée en treillis. Les parois 13 forment une coque solide autour des zones 12 et de la structure 14. En outre, il y a inclusion des zones 12 au sein 25 de la structure 14. Les parties solides 11 et zones de poudre résiduelle 12 sont prédéfinies lors de la définition du procédé permettant d'obtenir la pièce 1 souhaitée. Autrement dit, la répartition des parties 11 et zones 12 au sein de la pièce 1 n'est pas obtenue de manière accidentelle ou aléatoire. 30 L'opération de compaction isostatique à chaud consiste à déformer la préforme 10, afin de densifier et fritter la poudre non consolidée au sein de la préforme 10, dans les zones 12. En pratique, la préforme 10 est placée dans une enceinte 20 de compaction isostatique à chaud. La préforme 10 est soumise à des contraintes 35 de température et de pression pendant une certaine durée, jusqu'à obtenir la 3058341 5 forme finale de la pièce 1. En d'autres termes, des forces de compaction F sont exercées sur toute la périphérie de la préforme 10. L'opération de compaction isostatique à chaud permet de souder la poudre dans les zones 12 avec les parties solides, avec une liaison homogène 5 des différentes couches de la préforme. On obtient ainsi un gain de ductilité et de tenue en fatigue. A titre d'exemple, l'opération de compaction isostatique à chaud peut être réalisée avec les paramètres suivants : 10 - une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ; - une pression comprise entre 900 et 1100 MPa, de préférence de l'ordre de 1000 MPa. ; et - une durée comprise entre 1 et 3 heures, de préférence de l'ordre de 2 15 heures dans une atmosphère inerte. Lors de l'opération de compaction, la structure 14 en treillis permet d'éviter le flambage des parois 13 et de faciliter la conduction de chaleur jusqu'au coeur de la préforme 10, de manière à fusionner la poudre dans les zones 12. 20 La technique utilisée dans l'invention est avantageuse au sens où la poudre est emprisonnée dans les zones 12 prédéfinies au sein de la préforme 10, dont les parois externes 13 sont soudées. Le fait de ne pas souder l'intégralité de la poudre permet d'avoir un gain 25 important en temps de cycle lors de la fabrication. En effet, pour fritter ou faire fondre la poudre lors de la fabrication additive, le laser ou le faisceau d'électrons doit balayer l'intégralité de la surface de la préforme 10 pour chaque couche. En réalisant de manière optimisée la fusion de poudre uniquement sur le contour extérieur de la préforme 10 pour former les parois 13 et sur certaines lignes 30 internes de la préforme 10 pour former la structure 14, les parties solides 11 de la préforme 10 emprisonne la poudre partiellement consolidée ou non consolidée à l'intérieur de la préforme 10. La compaction de cette préforme 10 permet ensuite d'obtenir la pièce 1 finale. Après ébavurage ou sans ébavurage, la pièce 1 présente les dimensions 35 fonctionnelles pour répondre au besoin, sans nécessiter d'usinages 3058341 6 supplémentaires autres que dans les zones fonctionnelles, avec des intervalles de tolérance restreints. La soudure de la poudre lors de la déformation à chaud est d'autant plus 5 efficace sur les préformes fabriquées en EBM (Electron Beam Melting) du fait d'une fabrication sous vide qui permet de ne pas emprisonner de gaz au sein du matériau. Cette technique permet aussi avantageusement d'obtenir une 10 microstructure à grains fins dans une grande partie de la pièce 1, du fait du remplacement de la fusion de la poudre par un frittage en phase solide dans les zones 12. En effet, une croissance des grains par épitaxie sur la couche inférieure a été observée lors de la fabrication additive d'alliage de titane. Cette croissance 15 entraîne une microstructure avec des grains assez grossiers qui n'est pas bonne pour les propriétés mécaniques. Sans fusion de la poudre, nous avons une conservation de la finesse de la microstructure. Les zones 12 non soudées de la préforme 10 donnent donc des zones avec une microstructure très fine sur la pièce 1 finale vu que la 20 soudure s'effectue en phase solide lors de l'étape de compaction. Cette structure fine qui ne comporte pas de texture cristallographique est très bonne pour les propriétés mécaniques statiques et cycliques de la pièce. Les grains ont une taille plus facile à maîtriser que pour les procédés qui intègrent une étape de fusion du matériau. La microstructure est aussi equiaxe et 25 sans texture, ce qui permet un comportement mécanique isotrope de la pièce. En outre les contraintes résiduelles de fabrication devraient être minimisées. En effet, les contraintes internes sont en général plus faibles dans une structure lattice ou en treillis, en comparaison avec une pièce de géométrie 30 externe équivalente mais massive. Par la suite, l'opération de compaction a aussi tendance à limiter, voir diminuer, les contraintes résiduelles Les avantages et les résultats inattendus dans la mise en oeuvre de l'invention, ainsi mis en valeur, constituent un développement considérable dans 3058341 7 le traitement des pièces métalliques ou en composites à matrice métallique issues de la fabrication additive. D'autres modes de réalisation d'une préforme 10 selon l'invention sont 5 montrés aux figures 9 et 10. Certains éléments constitutifs de la préforme 10 sont comparables à ceux du premier mode de réalisation décrit plus haut et, dans un but de simplification, portent les mêmes références numériques. Sur la figure 9, la structure 14 en treillis forme un réseau alvéolaire 15, en 10 nid d'abeilles. Les zones 12 sont incluses dans ce réseau 15. Une telle structure 14 permet de renforcer la résistance de la préforme 10, tout en conservant une légèreté maximale. Sur la figure 10, la structure 14 en treillis présente des zones 16, 17 et 18 15 de densités de treillis différentes. La zone périphérique 16, formée contre les parois externes 16, présente une densité de treillis maximale. La zone intermédiaire 17, formée entre les zones 16 et 18, présente une densité de treillis moyenne. La zone centrale 18, formée au coeur de la préforme 10, présente une densité de treillis minimale. 20 Par ailleurs, le procédé, la pièce 1 et/ou la préforme 10 peuvent être différents des figures 1 à 10 sans sortir du cadre de l'invention. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour 25 certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la pièce 1 peut être adaptée en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. REVENDICATIONS1- Procédé de fabrication d'une pièce (1) en alliage métallique ou en matériau composite à matrice métallique, selon lequel : - on réalise une préforme (10) selon une opération de fabrication additive par ajout de matière sous forme de poudre, avec empilement de couches de poudre successives, et fusion partielle d'au moins certaines couches de poudre, la préforme (10) étant ainsi constituée de parties solides (11) et de zones de poudre résiduelle (12) prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée ; et - on soumet la préforme (10) à une opération de compaction isostatique à chaud de manière à obtenir la forme finale de la pièce (1). 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties solides (11) de la préforme (10) comprennent des parois externes (13) entourant les zones de poudre résiduelle (12). 3- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les parties solides (11) de la préforme (10) comprennent une structure (14) interne en treillis, dans laquelle sont incluses les zones de poudre résiduelle (12). 4- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure (14) en treillis forme un réseau alvéolaire (15). 5- Procédé selon l'une quelconques des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la structure (14) en treillis présente des zones (16, 17, 18) de densités de treillis différentes. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'opération de compaction isostatique à chaud est réalisée avec les paramètres suivants : - une température comprise entre 850 et 1000 °C, de préférence entre 900 et 950 °C ; 3058341 9 - une pression comprise entre 900 et 1100 MPa, de préférence de l'ordre de 1000 MPa. ; et - une durée comprise entre 1 et 3 heures, de préférence de l'ordre de 2 heures dans une atmosphère inerte. 5 7 - Pièce (1) obtenue selon la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8- Préforme (10) réalisée selon une opération de fabrication additive, 10 caractérisée en ce que la préforme (10) est constituée de parties solides (11) et de zones de poudre résiduelle (12) prédéfinies, ladite poudre résiduelle étant non soudée ou partiellement consolidée.