Métallurgie des poudres

Le présent rapport traite du projet de recherche effectué durant deux ans au Laboratoire d’Ingénierie des Produits, Procédés et Systèmes de l’ÉTS de Montréal. Le sujet portait sur le procédé d’injection des poudres métalliques, qui est un procédé utilisé dans l’industrie aéronautique, automobile, biomédicale et plusieurs autres. Ce procédé permet de réaliser de la production en séries importantes à moindre coût. L’avantage de cette technologie de fabrication est de combiner à la fois un faible coût de production et la possibilité de réaliser des pièces de géométrie complexe. Ce procédé produit des pièces de formes relativement similaires à un procédé de fonderie mais il conduit à des résultats de bien meilleure qualité en termes de précision et de détails de surface (German et Bose, 1997a).

Le procédé de moulage par injection des poudres métalliques (MIM) consiste à injecter un mélange de matière plastique et poudre métallique dans une empreinte, à enlever ensuite la phase polymérique puis finalement à fritter le squelette de poudre restant pour obtenir une pièce métallique dense. Ce travail se concentre sur la phase de l’injection du procédé. L’objectif est d’optimiser le procédé d’injection basse pression des poudres métalliques d’Inconel 718, afin de pouvoir produire des pièces de formes complexes à hautes propriétés physiques. Le constructeur Pratt & Whitney Canada est d’ailleurs impliqué dans ce projet, car il a participé par une contribution en nature en fournissant les poudres métalliques et les constituants polymériques. Dans l’hypothèse d’un mélange homogène possédant une bonne répartition de liant, la phase d’injection est déterminante pour fabriquer des pièces satisfaisant les critères souhaités. De cette étape dépend la forme finale de la pièce après densification, ainsi que l’apparition ou non de défauts sur la pièce finale.

La métallurgie des poudres (en anglais Powder Metallurgy, PM) est une partie de la métallurgie traitant de la production des poudres de métaux ou d’alliages ainsi que de la fabrication de produits à partir de ces poudres par application de procédés de mise en forme et de frittage. La PM est un procédé métallurgique qui n’implique habituellement pas la fusion complète des poudres. Elle permet la fabrication de certaines pièces en alliages à très haut point de fusion en matériaux poreux qui seraient très difficiles à obtenir par une autre technique. La forme de la pièce est donnée par l’intermédiaire d’une matrice, avec possibilité de démoulage. Selon le procédé, différents paramètres interviennent comme la température d’injection et de moule, la vitesse, la pression, la force de serrage ….(German et Bose, 1997a). La pièce compactée à froid est densifiée par frittage dans un four. La pièce finale ainsi réalisée présente la forme, les tolérances dimensionnelles et les propriétés mécaniques désirées. En 2013, l’expédition de la poudre de fer en Amérique du Nord a augmenté de 4.62% (environ 364 457 mt), dépassant le seuil de 362 880 mt pour la première fois en 2007  , la portion des pièces fabriquées par la PM de ce montant a augmenté un peu plus de 5% (environ 327.643 mt) (Pfingstler, 2014).

Moulage par injection de poudres métalliques 

Les précédentes évaluations dans le domaine du moulage par injection de poudres (PIM) ont été mises à jour en 2008 pour suivre les récents changements. Les ventes mondiales de PIM ont dépassé le seuil de $1 milliard et vont probablement correspondre environ $1065 millions pour l’année 2007. Au cours des dernières années, la plupart de la publicité est venue du succès de moulage par injection de poudre métallique (MIM). Les domaines d’applications de MIM sont les secteurs de l’armement, de l’aéronautique, de la médecine ou encore de la biotechnologie (German et Bose, 1997a). Malgré quelques limitations comme le prix de certaines poudres ou la difficulté du déliantage des pièces plus épaisses, le MIM est un procédé en croissance. Selon un article paru aux États-Unis dans le magazine PIM international. Le marché mondial du moulage par injection de poudre (PIM) est estimé à 1,4 milliard de dollars en 2009 et devrait croître à 2,7 milliards de dollars dans les prochaines années, avec une répartition de 70% pour le procédé MIM (injection de métal) et 30% pour le procédé CIM (injection de céramique). Dans les années 1980, le marché MIM seul se situait à 20 millions de dollars (German, 2008). Il se tourne actuellement vers de nouveaux matériaux à haute valeur ajoutée comme l’acier Maraging, les alliages de titane ou encore les superalliages. Pour MIM en 2007, les ventes ont atteint environ 800 millions de dollars.

Le moulage par injection des poudres métalliques (Metal Injection Molding ou MIM en anglais) est une technique de fabrication rapide à haute valeur ajoutée. Cette technologie permet de fabriquer des pièces possédant la complexité des pièces coulées tout en générant les propriétés mécaniques des pièces corroyées et rentable pour des productions en grande séries mais aussi en petite séries lorsqu’il est question du MIM à basse pression (German, 1996). Initialement développé pour les poudres de céramiques dans les années 1920, le moulage à basse pression a été adapté aux poudres métalliques dans les années 1970. Cette méthode de fabrication permet d’obtenir des formes complexes avec de faibles intervalles de tolérances (environ 0.3% sur les côtes de celles-ci) ainsi qu’un fini intéressant (2.5 à 5 µm) (Vervoort, Vetter et Duszczyk, 1996). Les propriétés mécaniques des pièces obtenues sont excellentes (90% de la résistance à la traction d’une pièce usinée), bien meilleures que celles des pièces coulées. Enfin, le procédé MIM possède un ratio « buy to fly » très élevé car il entraîne peu de perte de matière en permettant d’utiliser des mélanges non injectés une seconde fois.