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Des poudres métallurgiques made in Onera

Des poudres métallurgiques made in Onera

La tour d'atomisation de l'ONERA a été inaugurée le 18 mars 2014

© DR : Onera, the french Aerospace Lab

L’industrie métallurgique voit se démocratiser de nouvelles méthodes de fabrication : la fabrication additive, le frittage flash, et les procédés de moulage par injection. Or toutes ces techniques utilisent de la poudre pour fabriquer les pièces. Pour produire ses propres poudres, l’Onera s’est équipé d'une tour d’atomisation, dont les caractéristiques sont uniques en France. Son inauguration a eu lieu mardi 18 mars.

Dans le cadre du projet Equipex Matmeca débuté en 2011, l’Onera, premier acteur en France de la R&T aéronautique, spatiale et de Défense, s’est équipé de plusieurs équipements de pointe. A savoir : une machine de calcul haute performance, des équipements de caractérisation microstructurale, et, le plus coûteux d’entre tous, une tour d’atomisation. Celle-ci est dédiée à la production en petites quantités (5 à 10 kilogrammes) de poudres métalliques utilisées pour les besoins de recherche de l’Onera. Jusqu’ici, l’Onera faisait sous-traiter sa production de poudres par l’une des deux autres tours d’atomisation avec creuset en France, ou utilisait une machine à électrodes tournantes. Mais pour gagner en autonomie et répondre aux contraintes posées par de nouveaux alliages, l’institut a investi. Désormais, il dispose de sa propre tour, unique en France. Elle est en effet la seule à disposer d’un module de fusion sans creuset. 

Pour être transformé en poudre, le métal fondu est atomisé par du gaz inerte, ici de l’argon. Concrètement, un anneau injecte le gaz sur la goutte de métal en train de tomber dans la cuve. Sous le « choc aérodynamique », celle-ci est éclatée en fines gouttelettes qui se solidifient avant de s’écraser sur les parois de la cuve pour former les microsphères dont est constituée la poudre. Pour disposer des microsphères adaptées aux procédés de fabrication de la pièce finale, l’ensemble des paramètres sont très finement ajustés, qu’il s’agisse de la taille de la goutte, de la pression du gaz injecté, de la taille de la cuve ou de l’atmosphère présente dans la cuve.

Généralement, le métal fondu coule de creusets céramiques. L’Onera va garder cette configuration pour sa production de superalliages à base de nickel ou de cobalt, mais pourra aussi basculer sur une autre configuration sans creuset. Certains métaux liquides, tels que les matériaux aéronautiques à base de Niobium, de titane ou d’aluminium de titane réagissent en effet avec les céramiques, et ce d’autant que leur température est plus importante, autour de 2470°C. A cette température, les céramiques ne résistent pas. Pour contourner le problème, le métal est fondu directement sur la cuve, sans contact avec un creuset. En amont, le métal est conditionné sous forme de barres d’environ cinq centimètres de diamètre et de 50 centimètres de longueur, en passant par une machine à arc plasma. La barre descend ensuite dans la cuve. Tandis qu’elle descend, elle est chauffée localement par induction, via un serpentin en cuivre dans lequel elle passe. Au fur et à mesure qu’elle descend, le métal coule en gouttes, lesquelles sont atomisées de la même manière qu’en utilisant un creuset. En Europe, seuls deux autres centres proposent une technologie analogue sans creuset.

Entre la descente de deux barres, le cycle prend une vingtaine de minutes. In fine, la poudre passe par un cyclone pour trier les sphères, de manière à garder celles dimensionnées autour de 10 micromètres à 200-300 micromètres. Très sensible à l’oxydation, la poudre est conservée en atmosphère contrôlée jusqu’à la métallurgisation finale des pièces. Les alliages sur lesquels travaille l’Onera sont plus spécifiquement destinés à entrer dans la composition des turboréacteurs d’avion. D’une importance croissante dans l’industrie, la métallurgie des poudres, dont la fabrication additive, permet de fabriquer des pièces à la géométrie plus complexe, plus légères, tout en réduisant les besoins d’usinage et les coûts de production.

La barre métallique descend verticalement dans un bobinage de cuivre situé en amont de la cuve

Elle est portée localement à fusion par induction tandis qu'elle descend

Dans la cuve, elle est atomisée en microsphères qui constitueront la poudre métallurgique

Etapes respectives du procédé sans creuset : la barre est descendue par un système de suspension (1) , puis passe par un sas de chargement (2), puis est chauffée au dessus de la cuve où seront envoyés les jets d'argon dans la chambre de fusion (3)

 

 

 

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