Vue d'ensemble
poudre d'invar est une poudre d'alliage nickel-fer composée de fer et de nickel dans des proportions qui se traduisent par un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Le nom "invar" vient du mot "invariable", qui fait référence à ses dimensions stables et à sa résistance à l’expansion et à la contraction thermiques.
La poudre d'invar est devenue un matériau important dans les applications exigeant précision et exactitude dans une gamme de températures. Ses propriétés uniques permettent d'utiliser la poudre d'invar dans des applications optiques, électroniques, structurelles et autres, où le respect des dimensions des pièces et des tolérances de jeu est essentiel.
Ce guide fournit un aperçu détaillé de la poudre d'invar, de sa composition, de ses principales propriétés, de ses méthodes de production, de ses applications, de ses spécifications et d'autres données techniques. Des comparaisons sont faites entre l'invar et d'autres alliages à faible expansion. Des informations sur les fournisseurs, les procédures de manipulation en toute sécurité, les normes d'essai et une section FAQ sont également incluses.
Composition de la poudre Invar
La poudre d'Invar contient entre 36 et 38 % de nickel en poids, le reste étant du fer. De petites quantités d'autres éléments d'alliage tels que le manganèse, le silicium et le carbone peuvent également être présentes.
La teneur précise en nickel dans cette gamme est ajustée en fonction du coefficient de dilatation thermique souhaité pour l'application. Des pourcentages de nickel plus élevés se traduisent par des coefficients de dilatation thermique plus faibles.
Tableau 1 : Composition typique de la poudre Invar
| Composant | Poids (%) |
|---|---|
| Nickel (Ni) | 36 – 38% |
| Fer (Fe) | Balance |
| Manganèse (Mn) | 0 – 0.5% |
| Silicium (Si) | 0 – 0.5% |
| Carbone (C) | 0 – 0.1% |
Les proportions de fer et de nickel génèrent une structure cristalline cubique austénitique à faces centrées qui minimise les changements de volume en fonction des variations de température.
Ce comportement unique résulte des effets opposés du nickel et du fer sur les propriétés physiques de l’alliage. Le fer a un coefficient de dilatation thermique positif alors que le nickel a un coefficient négatif. À une teneur en nickel d'environ 36 %, ces effets se contrebalancent, ce qui se traduit par une dilatation thermique nette très faible.
Propriétés de la poudre Invar
La propriété déterminante de la poudre d'invar est son faible coefficient de dilatation thermique (CTE). Le CTE mesure le degré d'expansion ou de contraction par degré de changement de température.
Les valeurs typiques du CET de la poudre d'invar vont de ~1,2 x 10-6/°C à 20°C à ~1,8 x 10-6/°C entre 100-300°C. Ces valeurs sont nettement inférieures à celles de la plupart des autres métaux.
À titre de comparaison, l'aluminium a un CDT de ~24 x 10-6/°C et l'acier inoxydable de ~17 x 10-6/°C. L'invar est donc extrêmement stable sur le plan dimensionnel dans une large plage de températures.
Tableau 2 : Propriétés principales de la poudre Invar
| Propriété | Valeurs |
|---|---|
| Coefficient de dilatation thermique | 1,2 – ; 1,8 x 10-6/°C |
| Densité | 8,0 – ; 8,2 g/cc |
| Chaleur spécifique | 450 J/kg-K |
| Conductivité thermique | 10 – ; 30 W/m-K |
| Résistivité électrique | 70 – ; 80 μΩ-cm |
| Module de Young | 140 – ; 145 GPa |
| Poisson’s ratio | 0.294 – 0.305 |
| Résistance à la traction | 200 – ; 240 MPa |
| Point de fusion | 1420 – ; 1450°C |
En plus de la stabilité thermique, la poudre d'invar offre :
- Résistance et rigidité élevées
- Excellente résistance à la corrosion
- Bonne conductivité électrique et thermique
- Résistance à l'oxydation et au vieillissement
- Facilité de soudage et de brasage
- Capacité d'usinage de précision
La combinaison de ces propriétés permet à la poudre d'invar d'être performante dans des environnements de travail exigeants. Les pièces conservent leur précision malgré les fluctuations de température et résistent à la déformation sous charge.
Production de poudre d'Invar
La poudre d'Invar est produite par atomisation au gaz, un processus qui implique la fusion de l'alliage et la désintégration du flux fondu en fines gouttelettes. Des jets de gaz à haute pression frappent le flux de métal, provoquant sa fragmentation en particules de poudre sphériques.
La distribution de la taille des particules est contrôlée par le débit de gaz, la conception de la buse et d'autres paramètres. La poudre d'invar atomisée au gaz a généralement une taille de particules comprise entre 10 et 150 microns. Une atomisation plus fine peut produire une poudre inférieure au micron.
L'atomisation de l'eau est une autre méthode utilisée pour fabriquer de la poudre d'invar, dont la taille des particules est généralement plus importante. Le flux d'alliage en fusion est brisé par des jets d'eau à haute pression.
La poudre atomisée au gaz présente une morphologie de surface lisse par rapport à la poudre atomisée à l'eau et présente de meilleures caractéristiques d'écoulement.
Après solidification, la poudre d'invar est tamisée pour obtenir les fractions granulométriques souhaitées. Elle peut également être recuite afin de réduire les tensions dues au traitement et d'optimiser les propriétés.
Applications de la poudre d'Invar
Les applications de la poudre d'invar tirent parti de son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible et prévisible. Elle est utilisée lorsqu'il est essentiel de maintenir les dimensions des pièces, les tolérances de jeu, l'alignement et la précision en cas de variations de température.
Tableau 3 : Applications de la poudre d'Invar
| L'industrie | application |
|---|---|
| Optique | Ebauches de miroirs, réflecteurs, montures, bancs optiques |
| Électronique | Résistances de précision, substrats, joints, connecteurs |
| Défense | Instruments de conduite de tir, systèmes de guidage inertiel |
| Aérospatiale | Antennes, matrices composites, composants de satellites et de télescopes |
| L'énergie | Joints pour piles à combustible, batteries, joints haute température |
| Automobile | Sondes à oxygène, systèmes d'injection de carburant |
Voici quelques applications spécifiques :
- Ebauches de miroirs pour les télescopes, les microscopes, les lasers, la lithographie et les équipements de métrologie optique où la stabilité de l'image doit être maintenue en cas de fluctuations de température.
- Résistances de précision nécessitant des tolérances de résistance étroites, non affectées par la dilatation et la contraction thermiques. Le TCR (coefficient de résistance à la température) de l'invar est extrêmement faible.
- Joints, connecteurs, boîtiers et substrats pour la microélectronique et l'optoélectronique où la précision d'alignement de l'ordre du micron doit être maintenue avec des cycles de température.
- Instruments de haute précision et outils de métrologie où l'étalonnage dimensionnel dépend de l'expansion et de la contraction minimales du matériel sur une large plage de température de fonctionnement.
- Antennes et réflecteurs qui doivent conserver une forme précise pour la formation et la transmission de faisceaux électromagnétiques à travers les cycles orbitaux chauds et froids.
- Renforcement des matrices composites pour les miroirs et les structures spatiales nécessitant une rigidité combinée à un coefficient d'élasticité adapté.
- Composants et assemblages de précision pour les charges utiles de satellites et les systèmes d'engins spatiaux qui sont soumis à des températures extrêmes tout en devant conserver leur alignement et leur fonctionnalité.
Dans ces applications et dans d’autres applications difficiles, l’exceptionnelle stabilité dimensionnelle thermique d’Invar assure la robustesse de la conception et garantit que les paramètres de performance critiques ne sont pas affectés par les changements de température.
Spécifications de la poudre Invar
La poudre d'Invar est disponible dans différentes gammes de tailles, de puretés et de grades d'alliage adaptés aux différents processus de fabrication et aux exigences d'utilisation finale.
Tableau 4 : Spécifications de la taille de la poudre Invar
| Taille des mailles | Micron Size |
|---|---|
| -140 | Moins de 106 μm |
| -100 | 150 μm |
| -325 | Moins de 45 μm |
| -400 | 38 μm |
| -635 | 20 μm |
| -10 μm | 10 μm |
| -2,5 μm | 2,5 μm |
La poudre d'invar la plus fine convient aux méthodes de fabrication additive exigeant fluidité et densité d'empilement. La poudre plus grossière convient à la fabrication conventionnelle par pressage et frittage.
Les niveaux de pureté chimique vont de 99 % pour les qualités industrielles à 99,9 % ou plus pour les applications à haute performance. La teneur en oxygène doit être inférieure à 50 ppm.
Les alliages sur mesure dont le nickel varie de 36 à 38 % produisent des ETC allant de ~0,9 x 10-6/°C à ~2 x 10-6/°C. Mn, Si et C peuvent également être ajustés.
Tableau 5 : Nuances d'alliages de poudres Invar
| Nuance d'alliage | Nickel %. | CTE x 10-6/°C |
|---|---|---|
| Invar 36 | 36% | ~1.2 |
| Nilo 36 | 36% | ~1.2 |
| Pernifer 36 | 36% | ~1.2 |
| Invar 38 | 38% | ~0.9 |
Les normes internationales relatives à la composition chimique sont les suivantes
- ASTM F3061 – ; Alliages nickel-fer à faible dilatation pour les joints verre-métal de précision
- DIN 1.3912 – ; Alliage à faible dilatation pour joints et composants d'instruments de précision
Fournisseurs de poudre d'invar
La poudre d'Invar est disponible auprès des principaux fournisseurs mondiaux de poudres de métaux spéciaux. Les prix varient généralement entre 50 et 120 dollars par kilo en fonction de la qualité de l'alliage, de la taille de la poudre et de la quantité commandée.
Tableau 6 : Fournisseurs de poudre d'Invar
| Fournisseur | Grades de produits |
|---|---|
| Sandvik | Poudres Osprey® Invar |
| Höganäs | Astaloy® Invar |
| Kymera | Invar 36, Invar 38 |
| CNPC | Poudres d'alliage Invar |
| Epson Atmix | Poudres fines d'Invar |
Manipulation et sécurité
La poudre d'Invar ne présente aucun risque significatif pour la santé. Toutefois, il convient de respecter les mesures de sécurité standard pour la manipulation et le travail avec des poudres métalliques.
- Utiliser des gants de protection, des lunettes et des masques anti-poussière.
- Éviter le contact avec la peau ou l'inhalation de poudres.
- Assurer une ventilation et un dépoussiérage adéquats
- Tenir à l'écart des sources d'inflammation car les poussières de poudre peuvent être inflammables.
La poudre d'Invar doit être stockée dans des récipients fermés, dans un environnement propre et sec. Éviter les conditions permettant l'oxydation ou la contamination par l'humidité.
Méthodes d'inspection et d'essai
Pour s'assurer que la poudre d'invar est conforme aux spécifications, diverses procédures d'essai et d'inspection sont utilisées :
- composition chimique – ; La spectroscopie de masse par plasma à couplage inductif (ICP-MS), la spectroscopie d'émission optique (OES) et l'analyse de combustion déterminent le Ni, le Fe et d'autres éléments d'alliage.
- Distribution de la taille des particules – ; Les analyseurs de taille de particules par diffraction laser mesurent les plages de taille des poudres. L'analyse par tamisage sépare les particules en fractions de taille.
- Microstructure – ; La microscopie électronique à balayage avec spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (SEM-EDS) révèle la morphologie de la poudre, la structure interne et les phases présentes.
- Densité – ; La pycnométrie à gaz ou à eau mesure la densité de la poudre et la compare à la densité théorique.
- Structure cristalline – ; La diffraction des rayons X (XRD) confirme la phase cubique à faces centrées et les paramètres du réseau.
- Flux de poudre – ; Les entonnoirs à débitmètre Hall déterminent le débit, l'angle de repos et d'autres caractéristiques de la poudre.
- Dilatation thermique – ; La dilatométrie mesure le CTE sur une gamme de températures par le biais de tests de changement dimensionnel.
- Autres tests – ; La densité du lit de poudre, les débits de Hall, l'analyse de l'humidité, la teneur en oxygène et en azote, la densité de piquage et les tests microbiologiques sont effectués conformément aux spécifications de l'application.
Les certificats d'analyse de fournisseurs réputés confirment que la poudre d'invar répond aux critères de qualité requis.
Invar vs. autres alliages à faible dilatation
Bien que l'invar ait le plus faible coefficient de dilatation thermique des alliages courants, il existe d'autres alliages de nickel et de fer-nickel conçus pour offrir une très faible dilatation thermique.
Tableau 7 : Comparaison des poudres d'alliages à faible CDT
| alliage | CTE x 10-6/°C | Composition | Notes |
|---|---|---|---|
| Invar 36 | ~1.2 | 36% Ni, solde Fe | CTE le plus bas, résistance élevée |
| Invar 38 | ~0.9 | 38% Ni, solde Fe | CTE inférieur à celui de l'Invar 36 |
| Kovar | ~5.9 | 29% Ni, 17% Co, bal. Fe | CTE entre Invar et acier |
| Alliage 45 | ~5 | 45% Ni, bal. Fe | Moins cher que l'invar |
| Alliage 46 | ~2 | 46% Ni, bal. Fe | La CTE plus proche de l'invariant |
| Super Invar | ~0.4 | 32% Ni, bal. Ajouts de Fe + Co | CTE extrêmement faible |
Avantages et inconvénients d'Invar par rapport à d'autres alliages à faible CDT
Tableau 8 : Comparaison des avantages et des inconvénients
| alliage | Pour | Cons |
|---|---|---|
| Invar | CTE très faible et stable | Plus cher que les autres alliages |
| Excellente résistance | Densité supérieure à celle de l'aluminium ou des polymères | |
| Bonne résistance à la corrosion | ||
| Kovar | Coût inférieur à celui de l'invar | CTE plus élevé que l'invar |
| Facile à usiner et à former | Moins stable thermiquement | |
| Scelle le verre borosilicaté | ||
| Alliage 45 | Moins cher que l'invar | Performances inférieures à celles de l'invar |
| CTE utilisable pour de nombreux usages | ||
| Alliage 46 | CTE inférieur à celui de l'alliage 45 | CTE toujours plus élevé que l'invar |
| Bonne combinaison de propriétés | ||
| Super Invar | CTE extrêmement faible | Plus difficile de s'approvisionner |
| Stabilité thermique supérieure | Coût plus élevé |
Pour les applications les plus exigeantes nécessitant une stabilité dimensionnelle maximale en cas de variations de température, le CTE très faible et hautement prévisible d’Invar est inégalé.
Lorsque le coût est un facteur plus important mais que les performances thermiques doivent rester bonnes, les alliages à faible teneur en nickel comme le Kovar et l'alliage 45 constituent des alternatives abordables avec un compromis sur les caractéristiques d'expansion.
FAQ
En quoi consiste la poudre d'invar ?
La poudre d'Invar se compose principalement de 36 à 38 % de nickel, le reste étant du fer. De petites quantités de manganèse, de silicium et de carbone peuvent également être présentes. Cette composition se traduit par un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible.
Comment la poudre d'invar est-elle produite ?
Il est fabriqué par atomisation gazeuse, l'alliage étant fondu et désintégré en fines particules sphériques à l'aide de jets de gaz à haute pression. Cela permet un contrôle étroit de la distribution de la taille et de la morphologie de la poudre.
À quoi sert la poudre d'invar ?
Il est utilisé dans des applications où la stabilité dimensionnelle et les tolérances de précision doivent être maintenues lorsque la température varie. Les applications courantes comprennent l'optique, l'électronique, les composants aérospatiaux, les instruments de précision, les joints et les substrats.
Quelles sont les principales propriétés de la poudre d'invar ?
- Coefficient de dilatation thermique de 1,2 – ; 1,8 x10-6/°C
- Résistance et rigidité élevées
- Résistance à la corrosion
- Bonne conductivité et soudabilité
- Stable dans une large gamme de températures
Quelles sont les normes applicables à la poudre d'invar ?
Les normes ASTM F3061 et DIN 1.3912 couvrent la composition chimique des alliages invar à faible expansion et à 36 % de nickel utilisés dans les joints d'étanchéité et les applications de précision.
Comment la poudre d'invar se compare-t-elle aux autres alliages à faible dilatation ?
L'Invar a le plus faible coefficient de dilatation (CTE) de tous les alliages courants. Le Kovar et l'alliage 46 offrent des alternatives moins coûteuses, mais avec un certain sacrifice au niveau de la stabilité thermique. Le super invar a un coefficient de dilatation extrêmement faible, mais il est plus cher et moins disponible.
Quelles sont les tailles et les qualités de particules disponibles ?
La poudre d'Invar peut être fournie dans des gammes de tailles allant de 10 à 150 microns. Les teneurs en nickel les plus courantes sont de 36% (Invar 36) et 38% (Invar 38). Une teneur en nickel plus élevée permet une expansion plus faible. Des alliages sur mesure sont également produits.
Comment la poudre d'invar doit-elle être manipulée et stockée ?