Description de quelques procédés spécifiques à la métallurgie des poudres

Ce paragraphe souligne par quelques exemples les particularités des procédés dédiés à la mise en forme des poudres. Le paragraphe suivant concerne une description détaillée du procédé qui est le sujet d'étude de cette thèse. Ces procédés sont intéressants aux niveaux technique et économique. L'un des intérêts majeurs de ces procédés est de pouvoir obtenir souvent des pièces directement utilisables, sans usinage supplémentaire et sans perte de matière première. Il est aisé de concevoir que l'absence d'opération secondaire est un gain économique important. Un autre point important est que certains matériaux mis en forme ont des caractéristiques de tenue à haute température particulièrement élevés. Un premier trait générique est que les matières premières mises en uvre par ces méthodes peuvent être de composition chimique très variée : métallique, céramique, pharmaceutique, ainsi qu'il a été présenté dans la partie consacrée aux matériaux. À partir de poudres aux compositions chimiques bien identifiées, il est permis d'obtenir facilement des alliages par mélange des différents composés solides. Par exemple, il est possible de faire la synthèse de composés à haut point de fusion (mélanges de céramiques ou de métaux réfractaires). Il est également permis d'obtenir des micro-structures spécifiques (synthèses polyphasées de micro-structure fine). À ces compositions chimiques de base, il est souvent adjoints des adjuvants qui confèrent aux matières premières des propriétés d'usage optimisées pour l'étape de mise en forme. Plus généralement, l'état pulvérulent, à température ambiante, permet le remplissage de moules aux formes complexes par écoulement sous l'action de la gravité ou d'une pression. Les températures de l'étape de frittage (soudure des grains de poudre) sont inférieures (frittage en phase solide) ou égales (frittage en phase liquide) aux températures de fusion des matériaux constitutifs des poudres. Le principe général de la mise en forme des poudres consiste en l'élaboration d'un matériau compact, de bonne tenue mécanique et de forme définie, à partir d'un milieu pulvérulent. L'énergie nécessaire à la densification est délivrée sous forme thermique et/ou mécanique. Il est à noter que l'énergie thermique est toujours requise pour aboutir à une tenue mécanique par "soudure" des grains. La présentation ci-dessous aborde de manière ordonnée les procédés qui mettent respectivement en jeu les techniques de densification suivantes :

• la thermique comme seule origine de la densification,
• une combinaison à la fois thermique et mécanique,
• une première phase mécanique (mise en forme, densification) suivie d'une phase thermique (tenue mécanique, soudure des grains).

Le procédé MIM (Metal Injection Moulding) permet d'obtenir des pièces tridimensionelles aux formes particulièrement complexes. Le principe de ce procédé est pratiquement identique à l'injection des polymères. La poudre métallique est mélangée à un liant afin d'obtenir des granulés. Ainsi que le montre la figure 1.3.4, les granulés sont injectés dans un moule. Suite au démoulage, le liant est éliminé par une étape appelée déliantage puis la pièce est exposée à haute température pour la phase de frittage.

Figure 1.3.4: Principe du moulage par injection (MIM)

Ce procédé a l'avantage de conduire à une densité homogène au sein de la pièce. Cette qualité est obtenue sous la réserve que le mélange de la poudre et du liant soit correctement effectué. Il est à noter que la phase de déliantage puisse être longue (plusieurs jours). Un autre procédé est bien connu pour la réalisation rapide de pièces prototypes. Le principe repose sur la soudure des grains de poudre couche par couche. Une couche de poudre est exposée à un rayon laser. Il s'agit donc de solidariser par soudage des stratifications ainsi que le montre la figure 1.3.5.

Figure 1.3.5: Réalisation rapide de prototypes

À la suite de quoi, la poudre qui n'a pas été frittée lors du parcours du faisceau laser sur le plan de travail est évacuée par un jet de gaz. Pour les prototypes réalisés par ces strates successives, il est envisageable de réaliser des pièces aux formes très complexes. Des géométries telles que l'inclusion d'un cube plein dans une sphère évidée sont réalisables. Le procédé de CIC (Compression Isostatique à Chaud) combine l'action de sollicitations mécanique et thermique. Le principe consiste à placer de la poudre dans un container sur lequel est appliquée une pression isotrope et une température proche de la température de fusion du matériau comme l'illustre la figure 1.3.6.

Figure 1.3.6: Principe de la Compression Isostatique à Chaud

La conjugaison de la sollicitation mécanique et de l'apport thermique permet d'effectuer une soudure des grains sous pression. Étant donné que la poudre est confinée dans un container aux formes variées par ajout d'inserts, le procédé permet la fabrication de turbines aux géométries complexes dont la mise en forme par d'autres procédés seraient délicate, voire impossible. Pour la Compression Isostatique à Froid (CIF), le container souple est généralement constitué de polyuréthane. Cette enveloppe remplie de poudre est immergée dans un liquide, habituellement l'eau, qui est comprimé à une haute pression. Ainsi la poudre est rendue compacte au travers d'une pression approximativement identique dans toutes les directions. Ceci conduit à une bonne uniformité de la densité après l'opération. Ce procédé se distingue par sa capacité à produire des pièces très élancées telles que des barres. Le procédé RIP (Rubber Isostatic Pressing) reprend le principe de compression isostatique à froid^1.10, la pression étant appliquée par l'intermédiaire du mouvement unidirectionnel d'un piston. La poudre est versée dans un moule en élastomère, ce matériau étant presque incompressible. L'énergie appliquée par le piston est transmise à l'élastomère pour parvenir à des conditions similaires à la compression isostatique comme le montre la figure 1.3.7.

Figure 1.3.7: Principe de la Compression Isostatique à Froid (RIP)

La pièce extraite du moule est ensuite frittée^1.11. Ce procédé est utilisé dans le cas de production en petite série, pour des pièces de grandes dimensions ou pour des matériaux durs tels que le tungstène. Ce mode de mise en forme a pour intérêt un faible coût de mise en uvre. La densification à froid peut également être réalisée par laminage tel que l'illustre par exemple la figure 1.3.8.

Figure 1.3.8: Principe de la compression par laminage

Dans ce cas, la poudre est posée sur un tapis et amenée entre les rouleaux. La réduction de l'épaisseur en sortie de laminoir définit le taux de compression. Ce procédé permet une production en continu dans des domaines tels que celui des composants électriques et électroniques. Cet exposé des diverses techniques dédiées à la métallurgie des poudres se conclut par une description détaillée du procédé de compression en matrice et du frittage.