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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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Processus et mécanismes
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2. Procédés et applications
2.1 Principe des procédés
La compression isostatique à chaud permet l’élimination des cavités non débouchantes qui se trouvent dans des pièces. Par « cavités », nous entendons ici différents types de « manque de matière » et c’est cette typologie qui permet de décliner la CIC en plusieurs procédés.
Quand les cavités sont non débouchantes, les pièces peuvent être traitées directement et la CIC est alors un procédé de post-traitement (§ 2.2).
Les matériaux « divisés » ont par définition des cavités débouchant à leur surface libre. Leur mise en œuvre par CIC permet la fabrication de composants et elle se distingue alors de la précédente par l’utilisation d’une enveloppe qui accueille les matériaux, qu’il s’agisse de poudres à densifier, de pièces à assembler ou les deux simultanément . Le rôle de l’enveloppe, généralement appelée conteneur ou capsule, est de contenir de façon étanche les matériaux tout en leur transmettant les efforts générés par la pression. Ces deux fonctions peuvent apparaître contradictoires : une paroi mince est nécessaire bien qu’elle semble plus susceptible de fuir qu’une paroi épaisse. Dans la pratique, les conteneurs sont généralement réalisés par chaudronnerie (roulage, cintrage, pliage, repoussage…) et soudage, à partir de tôles et le cas échéant de tubes. Les matériaux concernés sont le plus souvent des aciers doux ou des aciers inoxydables, mais pour les très hautes températures des métaux réfractaires peuvent être utilisés ainsi que le verre.
L’étanchéité du conteneur est critique pour le succès de l’opération de CIC. C’est pourquoi elle est testée avant et/ou après...
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Procédés et applications
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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