Brevet FR3074707A1 — publié le 20190614

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE METALLURGIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces métalliques par compaction isostatique à chaud (CIC) de poudre métallique initialement insérée dans un conteneur étanche dont l'atmosphère est ensuite retirée par mise sous vide. La compaction isostatique à chaud de poudres métalliques permet de fabriquer des pièces denses, pouvant comporter des géométries complexes difficiles à réaliser par forgeage, moulage ou même usinage. Elle permet de produire en une seule étape des pièces aux formes complexes, avec des caractéristiques mécaniques comparables aux pièces forgées. La compaction isostatique à chaud permet aussi d'accroître les propriétés mécaniques et la tenue aux différents types de corrosion des pièces produites. La forme du conteneur dans lequel est versée la poudre détermine la forme de la pièce finale. La méthode utilisée pour optimiser la forme du moule afin d'obtenir une pièce ayant les cotes désirées, est basée sur la simulation numérique du cycle de mise en forme. La validité de ce procédé est basée sur la valeur prédictive de la simulation. Les alliages métalliques, préalablement réduits à l'état de poudre, sont compactés dans un conteneur 25 en alliage métallique réalisé à la forme de la pièce souhaitée. La compaction à chaud se fait dans une enceinte fermée où les ordres de grandeur de la pression et de la température sont proches des 1000 bars et 1000°C pour une large gamme de métaux 30 ferreux, sans atteindre le point de fusion de l'alliage. Ainsi on obtient un grain fin inférieur à celui que l'on obtiendrait par forgeage avec des niveaux de ségrégations très faibles. Les caractéristiques mécaniques complémentaires 2 sont obtenues lors du refroidissement et par des traitements thermiques supplémentaires. La Compaction Isostatique à Chaud entraîne une réduction isométrique des dimensions de la pièce (capsule 5 comprise) et nécessite un usinage extérieur pour enlever l'enveloppe qui a servi à contenir la poudre pendant la compaction isostatique. Les alliages mis en oeuvre sont d'une extrême pureté, garantissant une optimisation de la résistance à la 10 corrosion et à l'oxydation (résistance des duplex au HISC, Hydrogen Induced Stress Cracking). En outre, la compaction isostatique à chaud assure des caractéristiques mécaniques sans sens d'orientation privilégié (propriétés isotropes) et permet ainsi l'obtention 15 de formes complexes et une optimisation de l'épaisseur à partir de la conception. Un autre avantage du procédé de compaction isostatique à chaud est la possibilité de réaliser des pièces composites regroupant deux nuances différentes sans 20 discontinuité ni soudure. L'invention concerne plus particulièrement l'étape de préparation du conteneur recevant la poudre pour la réalisation de pièce par un procédé de compaction isostatique à chaud. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet européen EP3126078 qui décrit un procédé de fabrication d'un composant métallique comprenant les étapes consistant à : - fournir un conteneur qui définit au moins une partie de la forme du composant métallique ; - introduire le matériau métallique pulvérulent dans le conteneur et le fermer 3 - soumettre le conteneur à un pressage isostatique à chaud pendant un laps de temps prédéterminé, à une pression et une température prédéterminées; - facultativement, éliminer le conteneur. 5 Ce document propose la fabrication du conteneur à partir de tôles d'acier qui ont été façonnées et ensuite soudées. De préférence, les tôles d'acier sont fabriquées à partir d'acier ayant une faible teneur en carbone. Par exemple, un acier à faible teneur en carbone ayant une teneur 10 en carbone de 0 à 0,09% en carbone, par exemple des tôles d'acier DC04, DC05 ou DC06. La demande internationale WO 2014187916 décrit un procédé fabrication par métallurgie des poudres d'une pièce en acier, caractérisé en ce que : 15 - on prépare une poudre préalliée ayant la composition désirée pour ladite pièce - on place la poudre dans un conteneur dont les parois définissent un espace et dont la forme correspond à celle de la pièce 20 - on porte le conteneur et la poudre à une température entraînant un frittage de la poudre et une densification de ladite poudre ne dépassant pas 5%, un dégagement d'azote et de CO de la poudre - on réalise une densification de ladite poudre par 25 compaction isostatique à chaud pour obtenir ladite pièce; - on sépare ladite pièce du conteneur - et on réalise un écroûtage, un traitement thermique et un usinage de ladite pièce. Ce document propose de préparer un conteneur en 30 acier doux, composé de deux parois séparables l'une de l'autre et définissant entre elles, lorsqu'elles sont assemblées, un espace dont la forme correspond à celle de la pièce que l'on désire préparer. Après l'assemblage, la forme et les dimensions de 35 l'espace correspondent très sensiblement à celles de la pièce 4 que l'on désire fabriquer par métallurgie des poudres, en tenant compte du retrait (calculé par ailleurs) qui se produit au cours de la densification par compaction isostatique à chaud, comme cela est classique dans ce type de procédé. 5 Le brevet américain US5147086 décrit un procédé de préparation d'un conteneur pour le traitement de compaction isostatique consistant à enfermer un matériau à traiter avec une feuille métallique ayant une épaisseur de 30 à 300 pm , et à souder la feuille métallique afin de sceller pour former le 10 conteneur. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur proposent de réaliser le conteneur par assemblage de tôles pliées et mises en forme pour réaliser une structure présentant la géométrie 15 de la pièce à réaliser. Ces solutions relevant de la mécanosoudure présentent plusieurs inconvénients. Une structure mécanosoudée est un assemblage de pièces métalliques obtenu par soudage, et ayant une fonction mécanique qui ne permet pas la réalisation de surface gauches. 20 Ces solutions permettent de préparer à partir de tôles métalliques des parties présentant une surface développée telle qu'une portion de cône ou une portion de cylindre ou un plan, et d'assembler par soudure ces différentes parties entre-elle. Les zones de liaison présentant des angles vifs. 25 Ces solutions limitent donc la géométrie des conteneurs et du volume creux à des combinaisons de surfaces réglées reliées par des zones de liaison soudées à angles vifs. Ces solutions nécessitent également un savoir-faire difficilement industrialisable et sont donc mal adaptées à la 30 réalisation de conteneur à usage unique devant présenter à la fois une grande rigidité et une précision pour tenir compte des contraintes dimensionnelles du processus CIC. Solution apportée par l'invention 5 Pour remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique comportant : 5 une première étape de fabrication d'un conteneur métallique étanche - une deuxième étape de remplissage dudit conteneur par de la poudre métallique une troisième étape de dégazage du conteneur par mise 10 sous vide une quatrième étape d'application d'un cycle de montée en température et pression du conteneur étanche rempli de poudre métallique pour la compaction isostatique à chaud 15 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication d'un conteneur métallique consiste à réaliser une structure monolithique creuse. On entend par «pièce monolithique » au sens du présent brevet une pièce formée d'un seul bloc rigide, 20 homogène, sans assemblage de composants séparés ou par soudure ou assemblage de tôles ou sous parties de conteneur. Selon une première variante, ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fonderie mettant en oeuvre au moins un moule et au moins un noyau 25 fabriqués par impression de couches successives de sable. Selon une deuxième variante, ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fonderie mettant en oeuvre au moins un moule et au moins un noyau fabriqués directement par un procédé de fabrication additive 30 métallique. Selon une troisième variante, ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par déplacement robotisé d'une torche de soudage à l'arc électrique pour former une structure creuse par dépôts de matière couche à couche communément appelé procédé Arc-Fil. 6 Selon une quatrième variante, ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fabrication additive métallurgique, notamment : - par fabrication additive de soudure de fils 5 métalliques - par fusion sélective par laser - par hydroformage - par fusion d'un lit par un faisceau laser ou d'électrons dont le déplacement est commandé par un 10 calculateur en fonction d'un modèle numérique du conteneur et plus généralement par tout procédé permettant de déposer du métal liquide par fusion laser ou plasma de poudre métallique. Description détaillée d'un exemple non limitatif de 15 l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue en coupe d'un conteneur 20 selon l'invention - la figure 2 représente une vue en perspective en transparence partielle dudit conteneur - les figures 3 et 4 représentent les deux parties d'un moule de fabrication d'un conteneur selon l'invention 25 par fonderie - les figures 5 et 6 représentent le conteneur ainsi réalisé ainsi que le résidu de coulée. Principe générale L'invention concerne le contexte général de la 30 fabrication d'une pièce densifiée par un procédé de compaction isostatique à chaud. La compaction isostatique à chaud est un procédé de consolidation des matériaux sous forme de poudre à 7 des températures inférieures à leur température de fusion. Elle représente une technique utilisée dans l'industrie pour produire des pièces métalliques à partir de poudres. Ce procédé permet d'obtenir des pièces de forme complexe et de 5 microstructure relativement uniforme. Le principe de la CIC consiste à soumettre un conteneur étanche remplie de poudre à un traitement thermique sous pression isostatique appliquée par l'intermédiaire d'un gaz inerte dans une enceinte haute pression contenant un four à résistance. 10 Le procédé de compaction isostatique à chaud met en oeuvre de manière connue plusieurs étapes. A) La fabrication de la poudre, qui est généralement réalisé par un fournisseur de l'opérateur 15 réalisant la fabrication de la pièce. Les poudres métalliques sont produites par un grand nombre de procédés standard dans le domaine de la physique et de la chimie. Selon la nature du métal et les exigences, différentes méthodes de production ont été développées, que l'on peut classer en trois catégories : 20 - Mécanique : par division un solide essentiellement par choc (broyage, procédé, coldstream, mécanosynthèse). - Physique notamment par atomisation par un fluide, par centrifugation, sous vide ou par gaz, ou par 25 ultrasons - Chimique : pour préparer des poudres de tous les éléments (et de quelques composés) avec un spectre de taille de particule très important (évaporation, réaction chimique, électrolyse, précipitation, décomposition thermique d'un 30 solide, etc.). L'étape d'élaboration de la poudre est une opération qui vise à optimiser les caractéristiques de la poudre. Le choix d'une méthode, outre l'aspect du coût final de l'élaboration, a une influence importante sur les 35 propriétés de la poudre. 8 A titre d'exemple, La poudre d'acier est une poudre d'acier inoxydable 316L produite par Erasteel (nom commercial) par atomisation du liquide sous gaz neutre. L'acier 316L appartient à la famille des aciers inoxydables austénitiques 5 (aciers contenant 18% de chrome et 8% de nickel et identifiés dans la norme ASTM par le code 3XX). Il se caractérise par une résistance mécanique « moyenne » mais un allongement à la rupture et une ténacité élevée, une grande facilité de mise en forme et surtout une excellente résistance à la corrosion et à 10 l'oxydation jusqu'à des températures de l'ordre de 500°C. De plus, grâce au molybdène, cet acier est particulièrement résistant aux attaques des solutions contenant des ions chlorure. 15 B ) La préparation du conteneur, qui est réalisée dans l'état de la technique par assemblage de tôles d'acier pliées pour la réalisation de forme simple et nécessairement réglées, par exemple des cylindre fermés aux deux extrémités, ou des éléments tubulaires reliés par soudure. 20 L'invention concerne particulièrement cette étape qui se développe de manière détaillée dans ce qui suit. C) Le remplissage du conteneur par la poudre métallique. Avant la densification la poudre à densifier est 25 transportée dans un conteneur métallique étanche de forme adéquate dont le rôle est de lui transmettre la pression appliquée pour la guider au cours de la densification vers la forme finale souhaitée. De plus, il permet de maintenir la poudre sous vide tout au long du procédé et de faciliter 30 l'extraction de la pièce souhaitée après compaction. L'étape de remplissage se fait généralement sur une table vibrante pour obtenir la plus haute densité relative initiale possible. Les mécanismes principaux, qui conditionnent la densité relative initiale lors de la mise en conteneur, sont : le 35 frottement inter-particulaire, l'écoulement et l'empilement. 9 Ils sont contrôlés par la distribution granulométrique et la morphologie des particules. D) On procède ensuite au dégazage par le 5 raccordement de conduits traversant la paroi du conteneur à une source de vide. Avant obturation du « queusot de remplissage » (extrémité du conteneur qui le relie au système de remplissage puis de pompage), l'intérieur du conteneur est mis sous vide au moyen d'un groupe de pompage pour éviter que 10 l'air puisse gêner la densification et pour éliminer une partie des espèces chimiques absorbées en surface. La facilité de cette opération dépend de la géométrie de la pièce à compacter. Elle est importante car toute trace d'oxygène entraînera la formation d'oxydes aux frontières des 15 particules. Ensuite, le conteneur est rendu étanche par l'opération de queusotage puis soudage des différents conduits. Le dégazage peut aussi être réalisé en lit mince sur une goulotte vibrante et chauffée pendant le remplissage. Les paramètres importants de cette opération sont 20 principalement la température et la qualité du vide. Le dégazage ne doit pas dépasser une température de 500°C pour éviter la réaction des espèces absorbées avec la poudre. La pression à l'intérieur d'un lit de poudre de moins de 10 cm de haut descend lentement sous la barre de 10-3 mbar (10-1 Pa), 25 alors qu'elle est 10 fois plus élevée au dessus de la poudre. Ceci est dû au difficile transport de gaz dans un massif de poudre, d'où l'intérêt du dégazage en lit mince et en temps masqué au remplissage dont la durée peut être de plusieurs heures pour des pièces massives. Les espèces dégazées sont le 30 H20, le CO et le CO2 notamment. E) L'application d'un cycle de température, généralement inférieure à la température de fusion des poudres, et de pression. 10 Le conteneur étanche rempli de poudre est soumis à un traitement thermique sous pression isostatique appliquée par l'intermédiaire d'un gaz inerte dans une enceinte haute pression contenant un four à résistance. Pendant ce procédé, 5 la pression peut atteindre 400 MPa et la température 2000°C. Les enceintes pour appliquer ce cycle présentent un volume typiquement de l'ordre du litre à des enceintes de plusieurs mètres de diamètre et de hauteur. Les temps de maintien de ces conditions en pression et température, pour former la pièce 10 voulue, sont de l'ordre de quelques heures. Le cycle, dépassant souvent une durée totale de 10 heures, se compose d'une phase de chauffage et mise en pression, d'un palier en pression et température pour finir avec le refroidissement et la baisse de la pression. Au cours du procédé, le volume du 15 conteneur est réduit généralement de l'ordre de 30% et la porosité du matériau est complètement éliminée. La pression est appliquée par l'intermédiaire d'argon gazeux. Elle se situe généralement entre 50 et 150 MPa, tandis que la température varie entre 480°C (pour 20 l'aluminium) et 1700°C (pour le tungstène). Bien évidemment, la température doit rester inférieure à la température de solidus mais suffisante pour éliminer les porosités et pour avoir un matériau dense avec de bonnes caractéristiques mécaniques et microstructurales. 25 Configuration du conteneur Les figures 1 et 2 représentent un exemple non limitatif d'un conteneur selon l'invention. Il est constitué par une pièce monolithique creuse (1) traversé par deux canaux de section circulaire constante 30 (2, 3) dont les axes sont perpendiculaires. La fabrication de cette pièce monolithique consiste à réaliser un conteneur métallique composé de structures monolithique creuse et d'éléments de tôlerie. 11 Cette pièce monolithique sera rendue étanche par le soudage de flasques en tôle sur les ouvertures débouchantes dû aux portées de noyaux nécessaires dans le moule. Ce conteneur comprend ainsi des sous-parties de 5 pièces réalisées avec ces procédés dits de fabrication rapide. La poudre est introduite dans ces deux canaux (2, 3). Le canal longitudinal (2) est traversant et débouchant de part et d'autre de la pièce. L'autre canal (3) ne débouche que 10 d'un coté de la pièce. La pièce (1) présente une forme variant continûment selon l'une des directions entre une partie évasée (4, 5) et une partie médiane (6, 7) de section moindre. Selon la direction perpendiculaire, la pièce est prolongée de part et 15 d'autre par des tronçons (8, 9) cylindriques. La partie centrale (10) de la pièce présente une surface gauche. Réalisation du conteneur par moulage 20 Une première solution pour réaliser un tel conteneur consiste à préparer un moule et/ou un noyau par impression 3D de couches successives de sable. Les figures 3 et 4 représentent un exemple de réalisation d'un tel moule constitué de deux parties 25 complémentaires (11, 13) et un noyau (12). Chacune des parties présente une empreinte (15, 17) correspondant à la forme extérieure du conteneur à produire ainsi que des empreintes (16, 18) correspondant aux conduits de remplissage des empreintes (15, 17). 30 Le moule est réalisé en sable par un procédé de fabrication additive tel que celui décrit dans la demande de brevet internationale W02017092845. Le conteneur ainsi préparé est ensuite rempli de poudre métallique et soumit à une compaction à chaud. 12 La pièce réalisée peut être soit formé du conteneur ne faisant plus qu'un avec la poudre compactée, soit de la poudre compactée séparée du conteneur par une opération de séparation supplémentaire. 5 Les figures 5 et 6 représentent le conteneur ainsi réalisé ainsi que le résidu de coulée après retrait du moule en sable et séparation du conteneur (1) des résidus de coulée (20). 10 Réalisation du conteneur par fabrication additive Une deuxième solution pour réaliser un tel conteneur consiste à réaliser le conteneur métallique directement par fabrication additive, les tolérances pouvant être grandement minimisées. 15 Différents procédés sont adaptés pour la fabrication de conteneurs, à savoir le procédé « Arc Fil », le procédé de dépôt direct de métal par couches successives apportées avec arc électrique (en anglais WAAM, Wire-Arc Additive Manufacturing), la fusion sélective par laser lit de 20 poudre ou SML (Selective Laser Melting) ou plus généralement par tout procédé permettant de déposer du métal liquide par fusion laser ou plasma de poudre métallique. Le procédé Arc-Fil comporte les étapes consistant a: 25 prévoir un substrat; déposer couche à couche du métal fondu sur le substrat à partir d'une matière première métallique, au moyen d'un d'un arc électrique, selon une trajectoire définie par la géométrie du conteneur à fabriquer. 30 Les procédés de soudage à l'arc, essentiellement TIG (Tungsten Inert Gas) et MIG-MAG (Metal Inert Gas - Metal Active Gas) sont mis en oeuvre apportant l'avantage d'utiliser comme métal d'apport des fils de soudage dont l'offre est importante. 13 Selon une autre solution, deux fils, chauds ou froids, sont avancés continûment (fils en matériau ductile) et servent d'électrodes consommables pour l'arc permettant ainsi d'augmenter le taux de dépôt. L'arc à courant continu fond 5 l'extrémité des fils. Un gaz (en général un gaz inerte) à grande vitesse souffle le métal fondu à l'extrémité sous forme de filaments transformés en gouttelettes par les turbulences de l'écoulement. Les gouttelettes atomisées (50 à 150 micromètres) sont propulsées sur le substrat où elles 10 viennent s'écraser REVENDICATIONS1 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique comportant : une première étape de fabrication d'un conteneur métallique étanche une deuxième étape de remplissage dudit conteneur par de la poudre métallique une troisième étape de dégazage du conteneur par mise sous vide une quatrième étape d'application d'un cycle de montée en température et pression du conteneur étanche rempli de poudre métallique pour la compaction isostatique à chaud caractérisé en ce que ladite étape de fabrication d'un conteneur métallique consiste à réaliser une structure monolithique creuse. 2 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fonderie mettant en oeuvre au moins un moule et au moins un noyau fabriqués par impression de couches successives de sable. 3 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par déplacement robotisé d'une torche de soudage arc-fil pour former une structure creuse. 4 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique 15 selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fabrication additive métallurgique. 5 5 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fabrication additive de soudure de fils métalliques. 10 6 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par fusion 15 sélective par laser. 7 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite étape de 20 fabrication du conteneur métallique est réalisée par fusion d'un lit par un faisceau laser ou d'électrons dont le déplacement est commandé par un calculateur en fonction d'un modèle numérique du conteneur. 25 8 - Procédé de fabrication d'une pièce métallurgique par compaction à chaud de poudre métallique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite étape de fabrication du conteneur métallique est réalisée par hydroformage. 30