Brevet FR3136178A1 — publié le 20231208

Elaboration de pièces en MgB 2 L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de MgB 2 comportant : a) la production d’une préforme par mise en forme d’une poudre de particules de MgB 2 au moyen d’une technique de fabrication additive sur lit de poudre, comportant l’insolation de la poudre de MgB 2 avec un rayonnement laser, et b) une étape de densification de la préforme, jusqu’à obtention de la pièce de MgB 2 . Figure pour l’abrégé : Néant Elaboration de pièces en MgB 2 La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce préformée, notamment de forme complexe, en céramique supraconductrice de diborure de magnésium ou MgB 2 par une technique de fabrication additive. Les matériaux supraconducteurs sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. Les pièces supraconductrices trouvent leurs applications en médecine, comme les bobines supraconductrices d’IRM dans l’industrie, les aimants et les boucliers magnétiques dans les transports, ou encore les pièces de moteurs et les systèmes de transport à lévitation potentielle, et dans de nombreux autres domaines. Parmi ces matériaux, le MgB 2 est l’un des matériaux les plus prometteurs. Le MgB 2 est un matériau intermétallique dont la structure consiste en un empilement de plans de magnésium alternant avec des plans de bore le long de son axe c. Si ce composé est connu depuis les années 1950, sa supraconductivité a été découverte il y a quelques années seulement. Alors que les films minces et les poudres présentent des propriétés supraconductrices anisotropes, les céramiques frittées sont isotropes. Néanmoins, les céramiques supraconductrice MgB 2 sont très difficiles à mettre en forme et à usiner car le matériau est extrêmement dur (Hv = 18 GPa et Module d’Young = 400 MPa), fragile (K = 2 MPam 1 /2 ), difficile à fritter puisque seul le Spark Plasma Sintering permet son frittage optimal, et sa composition chimique est facilement décomposable avec la température. Ce matériau présente un fort intérêt dans le cadre d’applications supraconductrices (moteurs, écran magnétiques, éléments de courbures, stockage d’électricité, propulseur électromagnétiques…) afin de générer des champs magnétiques importants grâce à sa forte capacité de densité de courant critique. Ces densités de courants sont plus importantes que celles des oxydes supraconducteurs à hautes températures critiques habituellement utilisés tels que le YBa 2 Cu 3 O 7 (ReYBCO) à section de passage identiques. Toutefois, l’obtention de pièces massives, notamment à formes complexes, n’est pas possible jusqu’à ce jour, C’est un des problèmes majeurs rencontrés jusqu’à présent dans l’utilisation de MgB 2 qui en freine le développement. Par ailleurs, le MgB 2 est un matériau très léger (2,5 g/cm 3 ) et est donc intéressant pour des applications embarquées, telles que dans des moteurs pour avion électrique, contrairement aux ReBCO. Les applications concernant des champs magnétiques importants demandent de plus en plus de pouvoir produire des cartes de champs magnétiques complexes ce qui impose aux pièces du matériau supraconducteur également d’avoir des formes complexes. De telles applications dans le cas de MgB 2 sont rendues extrêmement difficiles car il n’est pas possible de l’usiner à cause de sa grande dureté (GPa) et de sa fragilité. Il existe donc un besoin de disposer d’un procédé de fabrication d’une pièce en MgB 2 permettant de s’affranchir de l’enroulement de rubans, tel qu’utilisé dans le cas des oxydes tels que le ReBCO, qui est une opération technique très délicate, et surtout d’avoir une section de passage du courant supraconducteur complète correspondant à la section vraie du matériau. Il existe aussi un besoin de disposer d’un tel procédé de fabrication de sorte à pouvoir diminuer la taille des dispositifs pour les mêmes performances magnétiques et d’éviter la perte de matière due à l’usinage ou encore l’usure des outils d’usinage. L’invention répond à ce besoin à l’aide d’un procédé de fabrication d’une pièce de MgB 2 comportant : a) la production d’une préforme par mise en forme d’une poudre de particules de MgB 2 au moyen d’une technique de fabrication additive sur lit de poudre, comportant l’insolation de la poudre de MgB 2 avec un rayonnement laser, et b) une étape de densification de la préforme, jusqu’à obtention de la pièce de MgB 2 . Dans le cadre de la présente invention, le procédé permet ainsi, notamment à partir d’une poudre de MgB 2 commerciale, de préférence préalablement désagglomérée, de l’étaler en lit puis de l’insoler à l’aide d’un laser sous atmosphère inerte. Le procédé est additif et permet de construire couche par couche un préformé. Grâce à ce procédé, la quantité de matériau utilisée peut être réduite, ce qui diminue les coûts en matière première. A ce jour, aucune réalisation de matériau MgB 2 par des techniques de fabrication additive n’a été rapportée dans la littérature. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen des figures : représente un schéma des étapes successives d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention. représente la courbe obtenue à l’exemple représentant la fraction massique de la phase MgB 2 en fonction de la dose d’énergie cumulée pour la plaque avec un lit de poudre de 100 µm. représente des diagrammes XRD des échantillons A et B de l’exemple après mise en œuvre du procédé, à savoir l’étape a) mettant en œuvre la technique SLS et l’étape b) mettant en œuvre la technique SPS. représente des courbes de moment magnétique en fonction de la température d’échantillons obtenus dans l’exemple. Les encarts montrent une photographie de l’échantillon A après l’étape a) mettant en œuvre la technique SLS puis après l’étape b) mettant en œuvre la technique SPS, et la région de transition pour l’échantillon B plus en détail (à droite). représente un schéma de pièces de forme plus complexe en MgB 2 à imprimer (échelle en mm) et préformés correspondants, obtenus expérimentalement. Procédé de fabrication d’une pièce de MgB 2 comportant : a) la production d’une préforme par mise en forme d’une poudre de particules de MgB 2 au moyen d’une technique de fabrication additive sur lit de poudre, comportant l’insolation de la poudre de MgB 2 avec un rayonnement laser, et b) une étape de densification de la préforme, jusqu’à obtention de la pièce de MgB 2 . Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre équivalent médian des particules de la poudre de MgB 2 varie de 1 µm à 50 µm, en particulier varie de 2 µm à 30 µm, de préférence varie de 5 µm à 20 µm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape a) est mise en œuvre par frittage sélectif par laser (SLS ou DLMS). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape b) comprend une étape de frittage, en particulier par densification sous charge, ou une étape d’imprégnation, en particulier avec un métal conducteur distinct du magnésium, et de préférence avec du cuivre ou un alliage de cuivre et d’argent. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte : a) la production d’une préforme par mise en forme d’une poudre de particules de MgB 2 au moyen d’une technique de fabrication additive sur lit de poudre, comportant l’insolation de la poudre de MgB 2 avec un rayonnement laser, avec une dose d’énergie variant de 4 J/cm²/passe à 70 J/cm²/passe, de manière à obtenir la préforme à base d’une poudre insolée de MgB 2 , et b) une étape de densification de la préforme, par frittage de la poudre insolée de MgB 2 , jusqu’à obtention de la pièce de MgB 2 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’étape a) est conduite de telle sorte que la densification de la poudre de MgB 2 après insolation varie de 30 % à 45 %, de préférence varie de 35 % à 45 %, exprimé par rapport à la masse volumique théorique sans porosité. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dose d’énergie du rayonnement laser en étape a) varie de 4,5 J/cm²/passe à 70 J/cm²/passe, en particulier varie de 5 J/cm²/passe à 70 J/cm²/passe, encore plus particulièrement varie de 6 J/cm²/passe à 60 J/cm 2 /passe. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’épaisseur du lit de poudre en étape a) varie de 50 μm à 800 μm, en particulier varie de 75 μm à 500 μm, de préférence varie de 100 μm à 300 μm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de frittage est effectuée par densification sous charge, notamment par SPS ou par pressage à chaud, en particulier par SPS. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend : a) la production d’une préforme par mise en forme d’une poudre de particules de MgB 2 au moyen d’une technique de fabrication additive sur lit de poudre, dans un environnement avec de l’oxygène, comportant l’insolation de la poudre de MgB 2 avec un rayonnement laser, avec une dose d’énergie variant de 50 J/cm²/passe à 90 J/cm²/passe, de manière à obtenir une contreforme à base d’une poudre de MgO et la préforme à base d’une poudre non insolée de MgB 2 contiguë à la poudre de MgO, et b) une étape de densification de la préforme, par frittage de la poudre non insolée de MgB 2 en étape a), dans un four de frittage sous atmosphère inerte, suivie d’une étape de dépoudrage de la poudre de MgO, jusqu’à obtention de la pièce de MgB 2 . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la dose d’énergie du rayonnement laser en étape a) varie de 50 J/cm²/passe à 80 J/cm²/passe, de préférence varie de 50 J/cm²/passe à 70 J/cm²/passe. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l’épaisseur du lit de poudre en étape a) varie de 50 μm à 800 μm, en particulier varie de 75 μm à 500 μm, de préférence varie de 100 μm à 300 μm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l’étape de frittage est effectuée à une température variant de 700 °C à 1050 °C, en particulier variant de 750 °C à 1000 °C, de préférence variant de 800 °C à 950 °C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape postérieure de démoulage de la pièce de MgB 2 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce de MgB 2 étant un supraconducteur possédant une température critique comprise entre 35 K et 39 K.