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RÉSUMÉ
La compression isostatique à chaud est une technique de densification de matériaux. Sont utilisées des enceintes souvent de grande taille (plus de 1 m3), conçues selon plusieurs variantes, qui fonctionnent sous forte pression de gaz neutre et peuvent atteindre des températures élevées. Elles permettent le traitement de pièces contenant des défauts résiduels, leur conférant ainsi des propriétés mécaniques améliorées (fonderie, métallurgie des poudres), mais également le frittage de poudres et l’assemblage par soudage diffusion, avec des matériaux et pour des applications très variées. Dans cet article, ces usages sont décrits et les mécanismes affectant la matière lors du traitement sont abordés.
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Emmanuel RIGAL : Ingénieur-chercheur - Liten, CEA-Grenoble, Grenoble, France
INTRODUCTION
La Compression Isostatique à Chaud (CIC ou HIP pour Hot Isostatic Pressing) est une technique de densification de matériaux présentant initialement des cavités. Elle fait appel à un chauffage et à une pression de gaz généralement neutre : sous les effets combinés de ces deux facteurs, les cavités sont éliminées. Les moyens pour générer, contenir et utiliser en toute sécurité ce milieu particulier de traitement de matériaux sont tout d'abord décrits, de même que les caractéristiques d’installations industrielles en termes de capacités, de mise en œuvre et de variantes. Puis, l’application de la CIC comme procédé de post-traitement de pièces présentant des défauts résiduels est présentée. Ce sont des pièces issues de la fonderie ou de la métallurgie des poudres, dont on améliore ainsi les propriétés mécaniques (ductilité, ténacité, résistance à la fatigue…) tout en réduisant la dispersion de ces propriétés. L’usage de la CIC en tant que technique de fabrication à part entière est détaillé ensuite. Dans ce cas, les matériaux sont introduits dans des enveloppes étanches et les cavités sont alors des pores (cas du frittage de poudres) et/ou des jeux (soudage par diffusion d’éléments). Les procédés de fabrication et les caractéristiques des poudres adaptées à la CIC sont donnés, de même que de nombreux exemples de réalisation.
On obtient par ces procédés des matériaux très homogènes et isotropes, à propriétés mécaniques excellentes, et des composants originaux, souvent complexes de par leur géométrie et/ou leur caractère multimatériaux. La CIC permet en outre pour certaines applications une économie de matière en supprimant ou réduisant les opérations d’usinage ou de soudage.
Nous nous intéressons pour finir aux mécanismes d’évolution de la matière en conditions de CIC : la densification bien sûr, mais aussi les évolutions physico-chimiques et microstructurales.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés, ainsi qu'un tableau de symboles.
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Conclusion
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3. Processus et mécanismes
Les processus et mécanismes qui entrent en jeu dans les procédés CIC sont quantitativement très dépendants des matériaux et des paramètres de cycle, mais ils peuvent être qualitativement classés en différentes catégories.
Par définition, une pressurisation isostatique P à température constante ne produit pas de changement de forme (pour un solide dense isotrope), mais un léger changement de volume selon l’équation dV/V = − χdP, où χ est la compressibilité du matériau à la température considérée (χ~1/E, E étant le module de Young). On peut faire une analogie avec la dilatation thermique à pression constante dV/V = βdT = 3αdT, où β est le coefficient de dilatation thermique en volume et α le coefficient de dilatation thermique linéaire.
Or, comme la réduction du volume par la pression isostatique se traduit par une diminution de la distance interatomique, cela peut entraîner des répercussions sur un grand nombre de propriétés : thermiques, électriques, coefficients de diffusion, températures de changement de phase… L’examen de la littérature montre qu’il existe effectivement une influence de la pression sur ces caractéristiques (baisse des coefficients de diffusion, stabilisation des phases les plus compactes…), mais qu'elle reste peu sensible dans le domaine de pression utilisé en CIC.
Par exemple, dans le cas d’un acier inoxydable austénitique (E~190GPa, α~18 10−6K−1) chauffé à 1000°C et pressurisé à 100MPa (1000bar), la pressurisation provoque une réduction de volume de 0,05%, tandis que le chauffage provoque une augmentation de 5,4%. L’effet de la température est donc largement prépondérant, et il faudrait atteindre des pressions supérieures de un à deux ordres de grandeur à celles utilisées en CIC pour constater un effet notable de la pression sur le volume.
3.1 Densification
3.1.1 Mécanismes d’élimination des cavités
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRINDER (O.) - A history of PM technology. Euro PM2015. - Congress and Exhibition, Bâle, Suisse (16-19 septembre 2012).
-
(2) - COLMAN (P.), VERBRAEKEN (C.) - Design, manufacturing, operation and safety aspects of forged high pressure vessels for HIP units. - 11th International Conference on Hot Isostatic Pressing, Stockholm (9-13 juin 2014).
-
(3) - AHLFORS (M.) - The possibilities and advantages with heat treatment in HIP. - 11th International Conference on Hot Isostatic Pressing, Stockholm (9-13 juin 2014).
-
(4) - INTRODUCTION TO PM HIP TECHNOLOGY - A guide for Designers and Engineers. - European Powder Metallurgy Association (2013).
-
(5) - DONACHIE (M.J.) - Titanium : a technical guide, 2nd edition. - ASM international (2000).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
International Conference on Hot Isostatic Pressing : conférence internationale, tous les 3 ans (Stockholm 2014, Sydney 2017).
Euro PM congress and exhibition : conférence européenne annuelle sur la métallurgie des poudres avec, depuis 2012, une session sur la CIC.
World PM : conférence internationale sur la métallurgie des poudres, tous les 6 ans, avec des sessions sur la CIC (Florence 2010, Hambourg 2016).
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
EPSI (Engineered Pressure Systems International) : fabricant d’enceintes de CIC
QUINTUS technologies : fabricant d’enceintes de CIC
http://quintustechnologies.com/
BODYCOTE : services de CIC et traitements thermiques
KENNAMETAL :...
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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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