Brevet FR3120636A1 — publié le 20220916

L’invention porte sur un matériau obtenu par frittage SPS comprenant du carbure de tungstène pur caractérisé en ce que le matériau : - comprend au moins un type de grains de carbure de tungstène homogènes, chacun des types de grains présentant une microstructure de grains prédéterminée, - est dépourvu de liant, - présente une ténacité comprise entre 8 et 17 MPa-m1/2 et/ou une dureté comprise entre 1500 et 2700 (dureté Vickers HV). L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un matériau à base de carbure de tungstène pur caractérisé par les étapes suivantes : - Utiliser ou broyer une poudre présentant au moins un type de grains de carbure de tungstène jusqu’à obtenir des grains présentant une taille de grains prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé, - Fritter en utilisant un procédé de frittage SPS. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé de fabrication de pieces en carbure de tungstène et matériau obtenu à base de frittage SPS de carbure de tungstène DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne la fabrication de pièces en carbure de tungstène par frittage, en particulier la fabrication de pièces présentant des propriétés mécaniques de dureté et de ténacité particulières. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît de l’état de la technique un procédé de fabrication au cours duquel le matériau cobalt est ajouté à du carbure de tungstène afin d’augmenter la ténacité d’un matériau. Le document CN108624772 divulgue le mélange de carbure de tungstène avec notamment du cobalt et du carbure de vanadium. L’inconvénient des mélanges est qu’il est relativement coûteux. Il est ainsi désireux de proposer un matériau présentant une dureté et une ténacité équivalentes ou supérieures à celles de l’état de la technique. L’INVENTION A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un matériau obtenu par frittage SPS comprenant du carbure de tungstène pur caractérisé en ce que le matériau : - comprend au moins un type de grains de carbure de tungstène homogènes, chacun des types de grains présentant une microstructure de grains prédéterminée, - est dépourvu de liant, - présente une ténacité comprise entre 8 et 17 MPa - (m étant une longueur), et/ou une dureté comprise entre 1500 et 2700 (dureté Vickers HV). Le matériau proposé offre à la fois une ténacité et/ou une dureté plus grande par rapport aux matériaux de l’art antérieur, tout en limitant les coûts grâce notamment à l’absence de matériau de mélange comme par exemple le cobalt. De préférence, la ténacité est mesurée par la méthode dite méthode Palmquist. Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par : - frittage SPS, acronyme de « Spark Plasma Sintering », un procédé de frittage sous pression basé sur la densification d’un échantillon de poudre par application d’une contrainte mécanique associée au passage d’un courant pulsé permettant de chauffer l’échantillon ; par exemple une méthode de frittage apparentée au pressage isostatique à chaud mais utilisant l'effet joule pour chauffer la poudre précompactée dans un creuset cylindrique creux entre deux électrodes en graphite sous atmosphère inerte ou sous vide, l'ensemble étant soumis à une pression de plusieurs mégapascals sous l'action d'une presse hydraulique. Un courant continu ou alternatif de plusieurs kiloampères, pulsé ou non, est appliqué entre les électrodes avec une tension de quelques volts. ; - pur, en particulier concernant une poudre de carbure de tungstène, une poudre comprenant au moins 95% de carbure de tungstène, avantageusement au moins 96% de carbure de tungstène, avantageusement au moins 97% de carbure de tungstène, avantageusement au moins 98% de carbure de tungstène, avantageusement au moins 99% de carbure de tungstène, ou comprenant de préférence 99,9% de carbure de tungstène ; - liant, toute matière permettant d’améliorer la densification et/ou les propriétés mécaniques finales donnant une cohésion mécanique à la pièce finale, par exemple le matériau cobalt ou un autre agent de frittage ; - taille de grains, la granulométrie des grains caractérisée par les valeurs d10, d90, d50 afin de quantifier la dispersion de cette distribution de taille de grains, – taille de cristallites, chaque grain pouvant présenter des cristallites, la taille se rapportant aux domaines cristallographiques cohérents et qui est mesurée par des techniques du type MEB, TEM, …; - facteur de forme, le rapport entre deux longueurs caractéristiques, chaque longueur s’étendant selon une direction déterminée, lesdites longueurs caractéristiques présentant un angle non-nul l’une par rapport à l’autre, par exemple un angle de 90 degrés ; – atomisation ou atomiser, en particulier concernant une poudre, une méthode de transformation d’un lingot métallique en poudre sphérique par fusion et projection des gouttes métalliques sous flux gazeux pour les rendre sphérique, – sphéroïdisation, ou sphéroïdiser, en particulier concernant une poudre, une méthode de transformation d’une poudre métallique broyée anguleuse par fusion le plus souvent assisté plasma pour la rendre sphérique. En outre, on entend par ténacité, la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure. On entend par dureté, la résistance d'un matériau à être marqué par un autre. Chaque type de grains présente une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé. La microstructure de grains prédéterminée peut présenter les caractéristiques suivantes : - Distribution granulométrique : d50 étant compris entre 0.1 et 100 µm, - Taille de cristallite : 20 à 1000 nm, - Facteur de forme : entre 1 et 5 (sphérique à anguleux, sans être cylindrique). Selon un mode de réalisation, un type de grains présente les caractéristiques suivantes : d50 égale ou sensiblement égale à 1 micromètre et une taille de cristallites égale à 130 nm plus ou moins 30 nm. Cette combinaison de valeurs permet d’obtenir un rapport haute ténacité/haute dureté, par exemple environ 2700HV. Selon un autre mode de réalisation, un type de grains présente les caractéristiques suivantes : d50 égale ou sensiblement égale à 80 micromètres et une taille de cristallites égale à 30 nm plus ou moins 15 nm. Cette combinaison de valeurs permet d’obtenir un rapport moyenne ténacité/moyenne dureté, par exemple environ 1800HV. Un mode de réalisation consiste à utiliser une distribution granulométrique monomodale avant broyage comprise entre 0.1 et 100 micromètres (µm). Selon un autre mode de réalisation, les poudres présentent une distribution bimodale avant broyage avec des valeurs d50 séparées d’une décade, typiquement 0.1µm et 1µm ou 1µm et 10µm ou encore 10µm et 100µm. Il se peut que cette distribution bimodale soit séparée de 2 décades, typiquement 0.1 et 10µm ou 1 et 100µm. Selon encore un autre mode de réalisation, la distribution est trimodale avec des d50 séparées d’une décade, typiquement 0.1µm, 1µm et 10µm. Ces exemples sont évidemment non limitatifs. Dans un mode de réalisation, la poudre est utilisée telle quelle, brute de fournisseur. Par exemple, cette poudre peut présenter une valeur d50, en particulier un diamètre, de grain inférieur(e) à 100 micromètres, de préférence inférieur(e) à 50 micromètres, de préférence inférieur(e) à 15 micromètres. Dans un mode préférentiel, la poudre est broyée afin d’affiner la taille des cristallites (domaines cristallographiques cohérents) qui est différente de la distribution granulométrique. Ainsi, après broyage, on constate une réduction de la taille des cristallites, mais pas nécessairement une réduction de la taille des grains. Préférentiellement, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 1000 nanomètres (nm). Préférentiellement, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 100 nm. Préférentiellement enfin, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 50 nm. Dans un mode de réalisation, il est envisageable d’associer plusieurs tailles de cristallites. De préférence, le matériau comprend au moins deux types de grains de carbure de tungstène. Chacun des au moins deux types de grains présente des caractéristiques cités au-dessus ; les au moins deux types de grains étant différents les uns par rapport aux autres. De préférence, le matériau est dépourvu de cobalt, de carbure de niobium, de carbure de vanadium, de carbure de titane, ou agent similaire. Selon un deuxième aspect, l’invention propose une pièce comprenant un matériau, ou constituée d’un matériau, selon l’une ou plusieurs des caractéristques du premier aspect. On entend par pièce, une pièce mécanique par exemple des outils de coupe pour l’usinage. Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un matériau ou d’une pièce à base de carbure de tungstène pur comprenant les étapes suivantes : - utiliser une poudre comprenant au moins un type de grains de carbure de tungstène présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé, - fritter en utilisant un procédé de frittage SPS. Selon un mode de réalisation, la poudre comprenant au moins un type de grains de carbure de tungstène est broyée jusqu’à obtenir des grains présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé. De préférence, la poudre comprend au moins deux types de grains de carbure de tungstène, chaque type présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite préderterminée et un facteur de forme prédéterminé. Selon un mode de réalisation, chaque type de grains est broyé séparemment. De préférence, chaque type de grains de carbure de tungstène est broyé séparemment avant de les mélanger. Un mode de réalisation consiste à broyer la poudre de base quelle soit mono ou multimodale. Dans ce mode de réalisation, la distribution granulométrique finale est affinée et recentrée voire, dans le cas des distribution multimodale, la suppression de ce caractère multiple. L’écart entre d10 et d90 se réduit autour du d50. La distribution granulométrique est plus fine autour de la valeur de d50 cible. Dans un autre mode de réalisation, au moins deux poudres de caractéristiques différentes sont broyées séparément afin de générer des distributions granulométriques et de tailles de cristallites différentes puis sont mélangées afin de concevoir une poudre spécifique permettant d’obtenir des propriétés finales améliorées. Le broyage permet d’obtenir une poudre qui aura des propriétés « finales » en terme de géométrie, facteur de forme, taille de cristallites. Le broyage permet également dans certains cas de former des sites actifs en surface de poudre qui favorisent et améliorent le comportement au frittage. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de sélection d’au moins un mode d’atomisation de la poudre, ou d’au moins un mode de sphéroïdisation de la poudre. Description de la figure la représente un graphique présentant en abscisse la dureté et en ordonnée la ténacité, des icônes en forme de triangle et de cercle représentant les résultats de l’art antérieur, des zones entourées du graphique indiquant les résultats obtenus grâce à la présente invention. Alors que l’art antérieur propose des matériaux présentant une dureté comprise entre 1400 et 1900 HV et/ou une ténacité comprise entre 7 et environ 12 MPa-m1/2, l’invention permet, en outre de proposer de nouveaux modes de réalisation, d’obtenir des matériaux en carbure de tungstène présentant une dureté plus élevée, en particulier allant jusqu’à 2700HV et/ou une ténacité plus élevée, en particulier allant jusqu’à 17 MPa-m1/2, voir par exemple les zones DS sur la . Matériau obtenu par frittage SPS comprenant du carbure de tungstène pur caractérisé en ce que le matériau : comprend au moins un type de grains de carbure de tungstène homogènes, chacun des types de grains présentant une microstructure de grains prédéterminée, est dépourvu de liant, présente une ténacité comprise entre 8 et 17 MPa-m1/2 et/ou une dureté comprise entre 1500 et 2700 (dureté Vickers HV). Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux types de grains de carbure de tungstène. Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque type de grains présente une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est dépourvu de cobalt, carbure de niobium, carbure de vanadium, carbure de titane. Pièce comprenant un matériau selon l’une des revendications précédentes. Procédé de fabrication d’un matériau à base de carbure de tungstène pur caractérisé par les étapes suivantes : Utiliser une poudre comprenant au moins un type de grains de carbure de tungstène présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé, Fritter en utilisant un procédé de frittage SPS. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la poudre comprenant au moins un type de grains de carbure de tungstène est broyée jusqu’à obtenir des grains présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la poudre comprend au moins deux types de grains de carbure de tungstène, chaque type présentant une taille de grains prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque type de grains de carbure de tungstène est broyé séparemment avant de les mélanger. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de sélection d’au moins un mode d’atomisation de la poudre, ou d’au moins un mode de sphéroïdisation de la poudre.