Production de poudres métalliques

Vue d'ensemble

Poudres métalliques sont de fines particules métalliques utilisées comme matière première pour des techniques de fabrication telles que la fabrication additive, le moulage par injection de métal et le pressage et le frittage de la métallurgie des poudres. La production de poudres métalliques spéciales avancées avec un contrôle précis de la composition chimique, de la granulométrie, de la morphologie et de la microstructure est essentielle aux propriétés des composants finis.

Il existe diverses méthodes utilisées pour la production à grande échelle de poudre métallique à partir de différents systèmes d'alliages, notamment :

• Atomisation du gaz
• Vaporisation de l'eau
• Atomisation par plasma
• Atomisation au gaz par fusion par induction d'électrodes
• Procédé d'électrode rotative
• Processus de carbonylation
• Procédé électrolytique
• Procédés de réduction des métaux

Chaque procédé donne des poudres avec des caractéristiques différentes adaptées à des applications spécifiques.

Méthodes de production de poudre métallique

Méthode	Métaux utilisés	Caractéristiques principales	Principales applications
Atomisation des gaz	Titane, aluminium, acier inoxydable, acier à outils, superalliages	Poudres sphériques, débit de production modéré	Moulage par injection de métal, pressage isostatique à chaud
Atomisation de l'eau	Acier faiblement allié, fer, cuivre	Formes de poudre irrégulières, teneur en oxygène plus élevée	Processus de pressage et de frittage
Atomisation par plasma	Alliages de titane, superalliages	Poudres sphériques très fines	Fabrication additive
Électrode rotative	Tungstène, molybdène, tantale	Structure granulaire contrôlée	Filaments, outils de coupe
Processus de carbonylation	Fer, nickel, cobalt	Poudres ultrafines de haute pureté	Composants électroniques, aimants
Électrolytique	Cuivre, nickel	Morphologie en flocons dendritiques	Revêtements de surface

Poudre de métal Méthodes de production

Il existe une variété de méthodes commerciales utilisées pour produire des poudres métalliques à partir de différents systèmes d'alliages. Le choix de la méthode de production dépend de facteurs tels que :

• Type de matériau d'alliage
• Exigences de pureté
• Caractéristiques de poudre souhaitées, telles que la granulométrie, la forme, la structure granulaire
• Échelle de production en tonnes par an
• Application d'utilisation finale de la poudre

Voici quelques-uns des procédés industriels les plus courants pour la production de poudre métallique :

Processus d'atomisation des gaz

Dans le procédé d'atomisation au gaz, un courant d'alliage métallique en fusion est désintégré par des jets de gaz à haute pression, généralement de l'azote ou de l'argon. Le courant de métal se décompose en fines gouttelettes, qui se solidifient en particules de poudre.

Les poudres atomisées au gaz ont une forme sphérique et une morphologie de surface lisse. La granulométrie peut être contrôlée en ajustant les paramètres du procédé. Il s'agit d'une technique largement utilisée pour les matériaux réactifs comme le titane, l'aluminium, les alliages de magnésium ainsi que les aciers inoxydables, les aciers à outils et les superalliages à base de nickel.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Alliages de titane, aluminium, magnésium, acier inoxydable, acier à outils, superalliages
Forme des particules	Morphologie sphérique
Taille des particules	50 – 150 μm typique
La pureté	Élevée, le gaz inerte empêche la contamination
Capteur d'oxygène	Minime par rapport à l'atomisation de métal liquide
Échelle de production	Jusqu'à 10 000 tonnes métriques par an

Atomisation de l'eau

Dans l'atomisation à l'eau, le courant de métal en fusion est frappé par des jets d'eau à grande vitesse. Le refroidissement soudain provoque une explosion qui brise le métal en fines particules. Les poudres ont des formes irrégulières et contiennent une teneur en oxygène plus élevée due au contact avec l'eau.

L'atomisation à l'eau est un procédé moins coûteux utilisé pour produire de grands volumes d'acier inoxydable, d'acier allié, de fer et de poudres de cuivre pour des applications de pressage et de frittage.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Aciers au carbone, aciers faiblement alliés, aciers inoxydables, cuivre, poudres de fer
Forme des particules	Morphologie irrégulière due à la rupture explosive de l'eau
Taille des particules	10 – 300 μm typique
La pureté	Inférieure, le contact avec l'eau augmente les niveaux d'oxygène de 200 à 500 ppm
Échelle de production	Très élevée, plus de 50 000 tonnes par an

Procédé d'atomisation au plasma

Dans le procédé d'atomisation au plasma, une torche à plasma est utilisée pour faire fondre l'alliage métallique avant la désintégration en fines gouttelettes par des jets de gaz. Les températures ultra-élevées permettent d'atomiser avec succès des éléments très réactifs comme les aluminures de titane.

Les poudres ont une forme très sphérique et une granulométrie étroite adaptée aux méthodes de fabrication additive comme la fusion laser et la fusion par faisceau d'électrons.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Alliages de titane, superalliages à base de nickel, aluminures de titane
Forme des particules	Très sphérique
Taille des particules	15 – 45 μm typique
La pureté	Très haute pureté due à la fusion sous atmosphère inerte
Échelle de production	Inférieure, environ 100 – 1 000 tonnes par an

Procédé d'électrode rotative (REP)

Dans le procédé d'électrode rotative, une électrode métallique cylindrique est mise à tourner à grande vitesse dans une chambre sous vide. Elle est fondue à l'aide d'un arc électrique et les gouttelettes de métal en fusion projetées par les forces centrifuges se refroidissent pour former des poudres.

Les poudres REP ont une structure et une morphologie de grain idéales pour l'extrusion à chaud en fils et tiges fins pour les alliages aérospatiaux comme le tungstène, le molybdène et le tantale.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Tungstène, molybdène, tantale
Forme des particules	Microstructure irrégulière et contrôlée
Taille des particules	45 - 150 μm typique
La pureté	Très élevé en raison du traitement sous vide
Échelle de production	Petits volumes de poudres de grande valeur

Atomisation par induction de gaz par électrodes (EIGA)

Le procédé EIGA utilise le chauffage par induction pour faire fondre les pointes d'électrodes consommables dans une atmosphère de gaz inerte. Les gouttelettes sont ensuite atomisées par des jets d'argon pour former de fines poudres sphériques.

L'EIGA permet d'obtenir des superalliages de nickel réactif d'une très grande pureté pour les composants critiques de l'aérospatiale grâce à une fusion contrôlée et à une minimisation de la contamination.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Superalliages de nickel, aluminures de titane
Forme des particules	Sphérique
Taille des particules	15 - 53 μm typique
La pureté	Extrêmement élevé, personnalisé pour les alliages critiques
Échelle de production	R&D/prototypage jusqu'au volume moyen

Processus de carbonylation

Dans le processus de carbonylation, le métal est converti en un carbonyle volatil, qui se décompose dans des conditions contrôlées pour produire des particules métalliques uniformes et ultrafines. Cette approche permet de produire des poudres de fer, de nickel et de cobalt très pures.

Paramètres	Description
Métaux utilisés	Fer, nickel, cobalt
Forme des particules	Sphérique à polyédrique
Taille des particules	1 - 10 μm typique
La pureté	Pureté extrêmement élevée de 99,9%+.
Échelle de production	Jusqu'à 30 000 tonnes par an

Autres méthodes de production de poudre

Parmi les autres techniques utilisées pour la production de poudres de métaux spéciaux, on peut citer les suivantes :

• Procédé électrolytique: Utilisé pour produire des poudres de cuivre et de nickel de forme irrégulière et de morphologie dendritique par électrodéposition.
• Procédés de réduction des métaux: Réduction d'oxydes métalliques à l'aide d'hydrogène ou de carbone pour produire des poudres de titane, de zirconium, de tungstène et de molybdène.
• Alliage mécanique: Broyage à haute énergie pour synthétiser des alliages composites et nanostructurés

Poudre de métal Spécifications

Les attributs de qualité critiques et les spécifications testées pour les poudres métalliques dépendent de la méthode de production et de l'application finale, mais comprennent généralement les éléments suivants :

Chimie des poudres

• Composition des alliages par spectroscopie d'émission optique ou de fluorescence X
• Éléments d'alliage mineurs
• Éléments d'impureté tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène
• Essai de perte au feu à haute température

Distribution de la taille des particules

• Taille moyenne des particules en volume
• Largeurs de distribution telles que D10, D50, D90

Caractérisation de la forme des particules

• Microscopie électronique à balayage pour la morphologie
• Facteurs de forme tels que le rapport d'aspect et le facteur de forme

Microstructure

• Phases présentes par diffraction des rayons X
• Caractéristiques des grains à partir de l'imagerie

Propriétés des poudres

• Densité apparente/tap
• Débit dans les essais de débitmètre à entonnoir de Hall
• Niveaux de compressibilité

Les exigences en matière de spécifications pour les poudres varient considérablement en fonction de l'utilisation finale dans différentes applications :

Paramètres	Moulage par injection de métal (MIM)	Fabrication additive	Presse et frittage
Gamme de taille des particules	3 - 25 μm	15 - 45 μm	150 - 300 μm
Rapport d'aspect	1 - 1,25 préféré	<1,5 sphérique	Pas critique
Niveaux d'oxygène	<1000 ppm	<500 ppm	2000 - 4000 ppm
Densité apparente	>2,5 g/cm3	>2,8 g/cm3	2 - 3 g/cm3
Débit de Hall	15 - 35 s/50g	25 - 35 s/50g	>12 s/50g

Méthodes de caractérisation

Plusieurs méthodes analytiques sont utilisées pour caractériser les propriétés des poudres métalliques essentielles à la performance des produits :

Analyse de la taille des particules

Les méthodes de diffraction laser sont les plus largement utilisées pour caractériser la distribution granulométrique. Cette technique fait passer un faisceau laser à travers un échantillon de poudre dispersée qui diffuse la lumière à un angle dépendant de la taille des particules. L'analyse informatique du diagramme de diffraction fournit des données de distribution granulométrique détaillées et statistiquement pertinentes en quelques secondes.

Morphologie et imagerie de surface

La microscopie électronique à balayage (MEB) fournit des images à haute résolution de la forme des particules de poudre, des topographies de surface et des caractéristiques à un grossissement et une profondeur de champ beaucoup plus élevés que la microscopie optique.

L'imagerie MEB est utilisée pour étudier l'arrondissement des particules, la formation de satellites, la douceur de la surface et les défauts comme la porosité.

Mesure de la densité et des propriétés d'écoulement

Des méthodes d'essai standard ont été établies pour quantifier le comportement en vrac en utilisant :

• Entonnoir de débit Hall pour mesurer les débits de poudre à travers un orifice
• Entonnoir de Carney pour évaluer l'aptitude à l'écoulement par angle de repos
• Volumètre de Scott pour déterminer la densité apparente et la compressibilité

Ces méthodes permettent de prévoir la facilité de manipulation, de mélange, de remplissage de matrice et d'étalement lors de la fabrication des composants.

Méthodes aux rayons X pour la composition et la structure cristalline

• La spectroscopie de fluorescence X identifie et quantifie avec précision la composition élémentaire des métaux
• La diffraction des rayons X analyse les arrangements atomiques et les phases présentes par les motifs des pics de diffraction

Applications des poudres métalliques

Voici quelques utilisations finales importantes des poudres métalliques d'ingénierie :

Fabrication additive

Également connues sous le nom de techniques d'impression 3D comme la fusion sélective par laser (SLM), le frittage direct par laser de métaux (DMLS) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) pour construire des géométries complexes à partir de poudres de titane, d'aluminium, d'acier inoxydable et de superalliages au chrome-cobalt.

Moulage par injection de métal (MIM)

Des poudres comme les aciers inoxydables, les alliages de titane et les aciers à outils sont combinées à un liant, moulées par injection, puis frittées pour fabriquer des pièces petites et complexes en grandes quantités à moindre coût.

Presse et frittage pour la métallurgie des poudres

Compactage et frittage de poudres de fer, de cuivre et d'acier allié en composants à grand volume comme les engrenages, les bagues et les aimants.

Application	Métaux utilisés	Besoins clés en matière de propriétés
Fabrication additive	Alliages de titane, superalliages de nickel, aluminium, acier à outils, acier inoxydable, chrome-cobalt	Morphologie sphérique Bonne aptitude à l'écoulement Haute pureté
Moulage par injection de métal	Acier inoxydable, titane, acier à outils, alliages lourds de tungstène	Poudre fine <25 μm Bonne densité tassée
Pressage et frittage	Fer, acier, acier inoxydable, cuivre	Poudre rentable Revêtements lubrifiants

Il existe également des applications de niche dans des domaines tels que le soudage, les outils diamantés, l'électronique et les revêtements de surface qui utilisent des poudres métalliques spéciales.

Fournisseurs et prix

Voici quelques-uns des principaux fournisseurs mondiaux de diverses poudres métalliques :

Entreprise	Méthodes de production	Matériaux
Sandvik Osprey	Atomisation du gaz	Titane, aluminium, alliages de nickel
AP&C	Atomisation par plasma	Aluminures de titane, superalliages
Technologie des charpentiers	Atomisation du gaz et de l'eau	Aciers à outils, aciers inoxydables, alliages
Höganäs	Vaporisation de l'eau	Fer, aciers inoxydables
Acier JFE	Vaporisation de l'eau	Poudres d'acier inoxydable
Rio Tinto	Poudre d'aluminium	Nickel et fer carbonyle

Les prix des poudres métalliques varient considérablement en fonction de :

• Matériau et composition de l'alliage
• Méthode de production utilisée
• Traitement pour obtenir les caractéristiques des particules
• Niveaux de pureté et degré de contamination
• Volumes d'achat – les contrats à très gros volume entraînent une baisse des prix

Les prix de base typiques par kilogramme sont les suivants :

Matériau	Estimation des prix
Acier inoxydable 316L	12 $ – 30 $ par kg
Aluminium AlSi10Mg	15 $ – 45 $ par kg
Titane Ti-6Al-4V	80 $ – 220 $ par kg
Superalliage de nickel Inconel 718	$90 - $250 par kg
Alliages spéciaux pour la fabrication additive	$250 - $1000 par kg

Les prix augmentent considérablement pour les distributions granulométriques hautement personnalisées, les niveaux contrôlés d'oxygène et d'azote inférieurs à 100 ppm et les achats en petites quantités.

Avantages et limites de la métallurgie des poudres

Avantages de la métallurgie des poudres

• Capacité à produire des géométries complexes impossibles par moulage ou usinage
• La fabrication de formes quasi nettes réduit le gaspillage de matériaux
• Des métaux et des alliages plus performants peuvent être utilisés
• Structures de porosité constantes impossibles en métallurgie des lingots
• Les composants peuvent être personnalisés en série

Limites de la production et du traitement des poudres

• L'investissement en capital pour l'équipement de production et de manutention est très élevé
• L'augmentation de la surface rend la manipulation des poudres réactives pyrophoriques risquée
• L'obtention de densités de compactage élevées peut nécessiter des pressions élevées
• Étapes de traitement supplémentaires par rapport au moulage
• Portabilité des machines de fabrication additive en raison de la poudre étant LO/NO

Voici une comparaison rapide de la métallurgie des poudres avec le procédé de moulage conventionnel :

Paramètres	Métallurgie des poudres	Casting
Formes complexes	✅ Excellent pour les constructions AM en couches	Limité pour les moulages typiques
Propriétés mécaniques	Peut approcher les propriétés de moulage après pressage isostatique à chaud	✅ Propriétés prévisibles
Durée du cycle	Processus plus lent pour les méthodes de fabrication additive	✅ Plus rapide pour la production en volume
Précision dimensionnelle	Varie, dépend du post-traitement	Très bon pour les moulages de précision à la cire perdue
Coûts d'équipement	Très élevés pour les machines de fabrication additive industrielles	✅ Coûts d'investissement plus faibles
Types de métaux	Options en constante expansion	✅ Sélection la plus large

FAQ

Q : Quelle est la plage de granulométrie typique utilisée dans les poudres d'impression 3D métalliques ?

R : Dans les technologies à lit de poudre comme la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM), la plage de granulométrie optimale est de 15 à 45 microns. Les poudres plus fines améliorent la résolution, mais peuvent être difficiles à manipuler et à traiter.

Q : Qu'est-ce qui détermine la morphologie des poudres métalliques issues de différentes méthodes ?

R : Des facteurs de production tels que l'intensité des forces de rupture du flux de fusion provenant des jets de gaz ou des impacts d'eau et les vitesses de refroidissement ultérieures déterminent les formes des particules. Un refroidissement plus rapide produit des particules irrégulières et dendritiques, tandis qu'une solidification plus lente (atomisation sphérique) permet d'obtenir des structures lisses et arrondies.

Q : Pourquoi une grande pureté est-elle importante pour les poudres métalliques dans la fabrication additive ?

R : Les impuretés peuvent provoquer des défauts, des problèmes de porosité, modifier les microstructures des alliages, réduire la densité, affecter les performances sous charge et en température – ce qui a un impact négatif sur les propriétés mécaniques. Des niveaux d'oxygène cibles inférieurs à 500 ppm et des niveaux d'azote inférieurs à 100 ppm sont devenus typiques.

Q : Comment les poudres métalliques sont-elles manipulées en toute sécurité pendant le transport et le stockage ?

R : Les poudres métalliques réactives sont passivées pour créer des surfaces oxydées, ce qui minimise le risque d'inflammabilité. Les poudres sont scellées dans des tambours sous des gaz inertes comme l'argon au lieu de l'air pendant l'expédition afin d'éviter l'inflammation. Les conteneurs de stockage doivent être correctement mis à la terre. Le personnel porte des EPI spécialisés pendant la manipulation.

Q : Quelles sont les méthodes courantes de caractérisation des poudres ?

R : La hall flowmetry, les tests de densité apparente, la pycnométrie, les tests LOI, l'analyse spectrographique, la métallographie et la distribution granulométrique à l'aide de techniques laser ou de tamis sont essentiels pour quantifier le comportement, établir un contrôle qualité du processus pour la production de poudres métalliques et évaluer l'adéquation des lots pour des applications données.

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