Qu'est-ce que le poudrage ?

Le laminage des poudres est un procédé de formage des métaux dans lequel les principes de la métallurgie des poudres et du laminage des tôles sont incorporés pour former une bande continue directement à partir de poudres métalliques. Les poudres sont compactées entre des rouleaux tournant en sens inverse pour former une bande verte, puis frittées en dessous du point de fusion pour obtenir à la fois une liaison métallurgique et une densité élevée. Ce procédé permet d'éviter la fusion et le moulage, d'économiser de l'énergie, de minimiser les pertes de matières premières et de contrôler strictement la composition de l'alliage et l'épaisseur de la bande. Il est particulièrement prometteur dans le cas des alliages de magnésium, de titane et des alliages réfractaires qui sont difficiles à couler ou à former par les procédés traditionnels.

Histoire du poudrage

Le principe du laminage des poudres a été introduit pour la première fois en 1843, avec les premiers essais d'Henry Bessemer pour comprimer des poudres de cuivre en feuilles. Cette méthode est devenue réalisable dans les années 1950 lorsque Naeser et Zirm203-205 ont rapporté avoir laminé des poudres de fer pour former des bandes continues. Peu après, Sylvania Electric Products et la Commission de l'énergie atomique des États-Unis l'ont utilisée pour fabriquer des feuilles métalliques dans les composants des réacteurs nucléaires. En 1959, l'entreprise a mis au point une séquence ininterrompue de laminage de poudres, de frittage et de laminage à chaud pour la fabrication de bandes de cuivre et de nickel. Entre les années 1960 et 1970, une percée industrielle s'est produite ; non seulement ce procédé a été étendu à l'aluminium, mais le splat quenching des alliages de nickel, de molybdène et d'acier a évolué vers la formation de verre métallique en vrac, de grandes tôles utiles à l'industrie ont été produites par laminage par pulvérisation, qui sont formées par solidification directe sur un rouleau rotatif refroidi à l'eau à partir de la matière fondue sous la forme d'un revêtement dense.

Processus de fabrication du laminage en poudre

En règle générale, le laminage de poudre peut être divisé en quatre étapes interdépendantes : la préparation de la poudre, le compactage du rouleau, le frittage et la densification après frittage.

Préparation et mélange de poudres

Les poudres de métaux ou d'alliages de haute pureté sont produites par atomisation, réduction chimique ou alliage mécanique. Les caractéristiques d'emballage et la force d'adhérence sont régies par la taille des particules, la morphologie et l'état de surface. Les poudres sont mélangées pour obtenir une composition chimique et des propriétés d'écoulement homogènes avant d'être broyées.

Compaction en rouleaux (formation de bandes vertes)

Le mélange de poudres est introduit entre une paire de rouleaux contrarotatifs où il est comprimé pour produire une feuille verte continue à haute pression. Les particules se réorientent et se déforment plastiquement et un emboîtement mécanique se forme pendant le compactage. Les paramètres variables de contrôle - écart entre les rouleaux, hauteur d'alimentation et largeur de la bande - régulent la densité et la consistance de la bande verte. Par exemple, les essais sur l'alliage de magnésium ont montré un meilleur résultat avec un écartement des cylindres d'environ ±0,10 mm, une hauteur d'alimentation d'environ 20 cm et une largeur de bande égale à 10 cm. Une pression de laminage trop élevée peut entraîner une fissuration de la surface et un écart de traitement trop important peut entraîner un collage insuffisant. Les confinements d'alimentation et latéraux sont essentiels pour stabiliser l'alimentation contre les gradients de densité et les défauts de bord.

Frittage

La bande compactée est frittée dans un environnement contrôlé, généralement sous argon ou sous vide, afin d'éviter l'oxydation et, par la suite, la liaison par diffusion. Dans les composites à base de magnésium, la liaison dans les phases initiales et intermédiaires est facilitée par un frittage à 400-550 °C, la densification complète étant obtenue par une méthode de pré-frittage à 550 °C, de réduction à froid jusqu'à environ 50% et de frittage final à 600 °C. La présence de phases eutectiques Mg-Zn/Mg-Al autour de ∼342/∼440 °C produit un liquide transitoire qui a une influence significative sur la liaison des particules ainsi que sur l'amélioration de la densification.

Densification après frittage

Pour modifier davantage la microstructure et la densification, la bande frittée peut être relaminée ou travaillée à froid. Cette opération permet d'éliminer toute porosité résiduelle, d'améliorer l'état de surface et de laisser une structure à grains réguliers. D'après l'observation de la microstructure, des grains recristallisés plus fins et une plus grande résistance ont été obtenus en déformant fortement la bande juste avant le frittage final.

Applications du laminage des poudres

Le laminage par poudrage est utilisé dans un grand nombre de domaines de l'ingénierie qui exigent des tôles étroites, homogènes et développées.

Automobile et aérospatiale

Production de bandes en alliage léger de magnésium et d'aluminium pour les boîtiers, les composants de transmission et le renforcement structurel.

Équipement électrique et électronique

Fabrication de feuilles de cuivre, de nickel et d'alliages magnétiques pour les connecteurs électroniques, les pièces de capteurs et les composants de blindage.

Filtration

Par laminage de la poudre, tôles métalliques poreuses d'acier inoxydable, de bronze, de titane et de nickel peuvent être produits avec une perméabilité contrôlée avec précision pour la filtration, la séparation et les processus catalytiques.

Énergie et ingénierie nucléaire

Production de bandes d'alliage résistant à la chaleur et à la corrosion, y compris, mais sans s'y limiter, des systèmes à base de Fe-Cr, Ni-Mo ou Ti utilisés pour les échangeurs et les composants de réacteurs.

Composites et revêtements

Fabrication de matériaux multicouches/à gradation fonctionnelle (par exemple, Cu-Ni-Cu, Al-Fe) par laminage de poudre et frittage successifs.

Développement d'alliages avancés

Les applications de la recherche sont la fabrication de bandes d'alliage de magnésium corroyé et contiennent des rapports résistance/poids nettement meilleurs ainsi qu'une structure à grain fin par rapport au magnésium coulé.

Le laminage de poudre est à son tour polyvalent, car il permet également de produire des matériaux magnétiques, des alliages à haute température et des matériaux intermétalliques, ce qui a rendu ce procédé important pour les matériaux et la fabrication modernes.

Avantages du laminage des poudres

Les avantages techniques et économiques du laminage de poudre par rapport à la fabrication traditionnelle de feuilles sont les suivants :

Utilisation élevée des matériaux

Les matières premières ont un taux d'utilisation supérieur à 95%, car la poudre utilisée est presque entièrement transformée en bandes.

Économies d'énergie et de coûts

Élimine la nécessité d'une fusion et d'un moulage, ce qui permet de réduire la consommation totale d'énergie et les coûts du processus.

Flexibilité Conception de l'alliage

Capacité à mélanger des poudres élémentaires afin d'obtenir des alliages ou des composites difficiles à obtenir par fusion conventionnelle.

Structure régulière Micro

La production contrôlée de la taille des particules et les opérations de frittage garantissent une distribution uniforme de la densité à long terme et permettent d'obtenir des structures d'acier plus propres.

Capacité de production en continu

Production en grande quantité de bandes métalliques, de feuilles et de plaques composites.

Métaux difficiles à usiner

Idéal pour les matériaux difficiles à usiner, notamment le magnésium, le titane et les alliages réfractaires (oui, même les Inconels de ce monde).

Capacité d'intégration

Facilement intégrable avec le collage par diffusion, l'infiltration ou le pressage à chaud pour réaliser la prochaine génération de matériaux multimétalliques ou fonctionnels.

Dans la production moderne, le laminage de poudre comble le vide entre le PM et le laminage traditionnel ; il permet un traitement peu coûteux et reproductible à petite et grande échelle pour les bandes métalliques et les matériaux composites à haute performance dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'énergie.

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