métaux atomisés Les poudres métalliques sont réduites en particules microscopiques par atomisation. Ce processus consiste à transformer un métal liquide en vrac en une pulvérisation de minuscules gouttelettes, qui se solidifient en fines poudres sphériques. Les métaux atomisés jouent un rôle important dans diverses industries en raison de leurs propriétés et capacités uniques.
Applications des métaux atomisés
Les poudres métalliques atomisées offrent plusieurs avantages clés par rapport aux formes métalliques conventionnelles :
- Surface élevée – ; Leur petite taille et leur forme sphérique confèrent aux poudres atomisées un rapport surface/volume très élevé, permettant un contact et une interaction supérieurs.
- Facile à compacter – ; Les poudres peuvent être pressées dans une large gamme de formes avec une densité verte élevée, ce qui permet une fabrication efficace.
- Amélioration des performances – ; Les pièces fabriquées à partir de poudres atomisées présentent souvent de meilleures propriétés mécaniques.
- Alliages personnalisés – ; Un contrôle précis de la chimie est possible en atomisant des alliages personnalisés.
Ces caractéristiques font que les métaux atomisés conviennent à la fabrication de pièces par métallurgie des poudres, pulvérisation thermique, moulage par injection de métaux et fabrication additive. Voici quelques-unes des principales applications :
Métallurgie des poudres
La métallurgie des poudres utilise des poudres métalliques comprimées et frittées pour produire des composants de précision de forme nette. Les fines particules permettent un excellent écoulement et un bon compactage lorsqu'elles sont pressées dans une matrice. Les pièces peuvent être fabriquées avec des tolérances dimensionnelles serrées sans usinage, ce qui minimise les pertes de matière. Les pièces courantes obtenues par métallurgie des poudres comprennent les engrenages de transmission automobile, les bielles et les roulements autolubrifiants.
Pulvérisation thermique
Dans la pulvérisation thermique, des poudres atomisées sont introduites dans un pistolet chauffé pour produire un dépôt de pulvérisation fondu ou semi-fondu sur une surface. Cela permet d'appliquer rapidement des revêtements métalliques épais et protecteurs sur les pièces. La projection thermique de métaux atomisés est utilisée pour revêtir les cylindres de moteurs, les arbres hydrauliques, les ponts et d'autres composants industriels nécessitant une résistance à l'usure et à la corrosion ou une isolation.
Moulage par injection de métal
Le moulage par injection de métal (MIM) combine la métallurgie des poudres et le moulage par injection de plastique pour fabriquer de petites pièces complexes. Des poudres atomisées sont mélangées à un liant polymère, moulées par injection, puis frittées. Le MIM permet de produire des pièces complexes de forme nette, telles que des engrenages ou des implants médicaux, en grandes quantités et avec un minimum de finition.
Fabrication additive
Le frittage sélectif par laser, le frittage direct par laser métallique et le jet de liant utilisent des poudres métalliques atomisées pour imprimer des pièces en 3D, couche par couche. Des structures légères et poreuses aux géométries complexes peuvent être construites de manière additive. Les métaux atomisés sont idéaux pour produire des prototypes uniques, des couronnes dentaires personnalisées, des composants aérospatiaux et des implants biomédicaux par fabrication additive.
Méthodes de production de poudres métalliques atomisées
Plusieurs techniques sont utilisées pour produire des poudres métalliques atomisées à l'échelle industrielle :
atomisation du gaz
L'atomisation au gaz est la méthode la plus courante. Le métal est fondu et versé dans un bac collecteur muni d'une buse en céramique au fond. Un gaz inerte à haute pression (généralement de l'azote ou de l'argon) est injecté au niveau de la buse, décomposant le flux de métal fondu en un jet de fines gouttelettes. Les gouttelettes se solidifient rapidement en poudres sphériques en tombant et en se refroidissant. Différentes pressions de gaz et conceptions de buses permettent d'obtenir des poudres d'une taille comprise entre 10 – ; 150 microns.
Vaporisation de l'eau
Dans le cas de l'atomisation à l'eau, le flux de métal en fusion est désintégré par des jets d'eau à haute pression. L'eau refroidit rapidement les gouttelettes, ce qui donne des poudres de forme irrégulière. L'atomisation à l'eau peut produire un rendement plus élevé de particules plus fines de moins de 10 microns que l'atomisation au gaz. Cependant, les poudres peuvent être contaminées par l'oxygène de l'eau.
Atomisation centrifuge
Ici, le métal en fusion est acheminé vers un disque en rotation ou vers plusieurs coupelles en rotation. La force centrifuge projette des ligaments de métal liquide qui se brisent en gouttelettes et se solidifient en poudres. Cette méthode permet des taux de production plus élevés que l'atomisation au gaz, mais produit des particules moins sphériques.
Atomisation ultrasonique de gaz
L'application de vibrations ultrasoniques au flux de métal en fusion dans un atomiseur de gaz permet de pulvériser des gouttelettes plus fines et de réduire la distribution des particules. Les ondes sonores améliorent la désintégration et la dispersion du métal. Cependant, il est difficile de passer à une production industrielle.
Induction par électrodes Atomisation par gaz
Un courant électrique passe directement à travers le flux de métal en fusion par l'intermédiaire d'une bobine inductive juste avant l'atomisation du gaz. Ce chauffage par induction fait bouillir et agite le métal, créant ainsi des poudres plus uniformes et plus sphériques. Il permet de contrôler la taille et la morphologie des particules.
La technique d'atomisation appropriée est choisie en fonction de l'alliage, des caractéristiques souhaitées de la poudre, des exigences de pureté et du volume de production.
Propriétés des poudres métalliques atomisées
L'atomisation produit des poudres dont la composition et les attributs physiques uniques déterminent leurs performances. Les principales caractéristiques sont les suivantes
- Taille des particules – ; Généralement 10 – ; 150 μm. Les petites tailles ont une surface plus importante. Les plus grandes tailles se tassent mieux et se déforment moins lors du compactage.
- Forme des particules – ; L'atomisation au gaz crée des particules très sphériques, idéales pour le pressage de poudre. Les particules atomisées à l'eau sont plus irrégulières.
- Distribution de la taille des particules – ; Des distributions plus étroites permettent une densité maximale de la poudre lors du conditionnement avec peu de vides.
- Composition – ; La chimie et la microstructure sont contrôlables. Un refroidissement rapide crée souvent des phases méta-stables non équilibrées.
- La pureté – ; L'atomisation par gaz inerte empêche l'oxydation. Des traces d'oxygène ou d'azote peuvent fragiliser les particules.
- Capacité d'écoulement – ; La morphologie sphérique donne un excellent comportement d'écoulement. Elle est essentielle pour un remplissage homogène des cavités de la matrice pendant le compactage.
- Densité apparente – ; Des densités plus élevées améliorent les caractéristiques de pressage et le comportement de frittage. La densité théorique varie de 40 à 65 %.
- Densité du robinet – ; Après tapotement/agitation mécanique, les poudres peuvent atteindre >65% de densité théorique. Indique la compressibilité.
- Ratio de Hausner – ; Les rapports inférieurs (~1,25) indiquent une facilité d'écoulement de la poudre au cours du traitement. Les rapports élevés (~1,4) suggèrent une cohésion et un mauvais écoulement.
Ces qualités de poudre sont adaptées aux exigences de l'application spécifique grâce à un contrôle minutieux du processus d'atomisation.
Avantages de l'utilisation de poudres métalliques atomisées
Les métaux atomisés présentent plusieurs avantages importants par rapport à d'autres matériaux de départ dans la fabrication :
- Produire efficacement des pièces très durables et cohérentes
- Génère moins de déchets que les procédés d'usinage des métaux
- Permettre des géométries de composants petites et complexes
- Fournir des compositions d'alliage difficiles à produire par métallurgie en lingots
- Offrir de la flexibilité grâce aux méthodes de fabrication additive
- Permettre des microstructures ultrafines pour des propriétés améliorées
- Permet d'obtenir des microstructures plus uniformes sur l'ensemble d'une pièce
- Ils offrent une finition de surface, une densité, une tolérance et une répétabilité exceptionnelles.
- Permettre une fabrication proche de la forme nette, en minimisant l'usinage
- Fournir de nouvelles phases métalliques hors équilibre
Les caractéristiques uniques des métaux atomisés en font des matières premières idéales pour des applications critiques dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'électronique, de la médecine et de la défense. Leur précision et leurs performances ne peuvent souvent pas être obtenues par les méthodes conventionnelles de traitement des métaux.
Progrès dans la production de métal atomisé
Les développements récents de la technologie d'atomisation élargissent les capacités et les utilisations des poudres métalliques :
- Les torches à plasma à micro-ondes peuvent surchauffer le métal au-dessus de son point d'ébullition, créant ainsi des nanoparticules ultrafines de moins de 100 nm lors de l'atomisation.
- L'atomisation et le refroidissement contrôlés permettent de produire des poudres métalliques amorphes aux propriétés supérieures.
- L'atomisation de gaz à buses multiples génère de nouvelles formes de particules telles que des sphères creuses ou des flocons.
- L'ajustement dynamique du débit de gaz modifie la distribution de la taille et la morphologie des particules à la volée.
- L'atomisation par accélération à ultra-haute vitesse permet d'obtenir des poudres composites nanocristallines.
- Les systèmes intégrés d'atomisation et de frittage permettent de réduire les coûts et d'améliorer la qualité.
- Le revêtement lisse des particules en vol par dépôt de vapeur permet d'améliorer l'écoulement et l'emballage de la poudre.
- La modélisation avancée de la formation des gouttelettes et de la solidification permet d'optimiser le processus d'atomisation.
- Des buses spécialisées permettent d'atomiser des alliages très réactifs comme l'aluminium et le magnésium avec une oxydation minimale.
La poursuite des recherches et des progrès dans le domaine de la production de poudres métalliques atomisées permettra de découvrir d'autres applications et capacités.
Principaux producteurs de poudres métalliques atomisées
La plupart des poudres atomisées sont produites par un petit nombre de grands fournisseurs de poudres métalliques :
- Hoeganaes Corporation - Fait partie du groupe GKN, le plus grand fabricant de poudres métalliques, large gamme de poudres atomisées.
- Sandvik Osprey - Poudres de pointe pour la fabrication additive, spécialité dans les superalliages de nickel.
- Praxair Surface Technologies - Important fournisseur de l'industrie de la pulvérisation thermique, propose des alliages sur mesure.
- Hoganas - Poudres ferreuses majeures pour les pièces PM, spécialiste des aciers alliés par diffusion.
- Rio Tinto Metal Powders - Important producteur de poudres de titane et d'alliages spéciaux.
- AMETEK Specialty Metal Products - Poudres atomisées d'acier et de cuivre à haut volume.
- CNPC Powder Group - Important producteur de poudres d'aluminium et d'alliages.
- Mitsui Mining & ; Smelting - Fournisseur japonais de poudres de cuivre, de fer et d'étain.
- Groupe Bühler - Leader mondial dans le domaine du moulage sous pression et de l'équipement d'atomisation.
- Makin Metal Powders (UK) Ltd – ; Important fabricant de poudres de superalliages Al, Cr, Ni.
La plupart de ces entreprises peuvent adapter la taille, la forme et la composition chimique des particules pour répondre à des besoins spécifiques.
Défis posés par les poudres métalliques atomisées
Bien qu'ils présentent des avantages évidents, les métaux atomisés posent également des problèmes inhérents :
- Coûts de production élevés - Nécessite des matières premières coûteuses, des biens d'équipement et des gaz inertes de haute pureté.
- Tailles limitées disponibles - L'atomisation au gaz fonctionne mieux pour les poudres de 25 à 150 μm. D'autres méthodes sont nécessaires pour les particules ultrafines ou grossières.
- Ramassage de l'oxygène - L'atomisation et la manipulation peuvent introduire des traces de contamination par l'oxygène, en particulier dans les alliages réactifs.
- Densité inférieure - Les formes irrégulières de la poudre diminuent la densité maximale après compactage.
- Risques liés aux poussières - Les poudres fines présentent des risques d'explosion et d'inhalation nécessitant une manipulation particulière.
- Pureté de la matière première - Les impuretés et les inclusions peuvent être transférées du métal liquide et affecter les propriétés finales.
- Agglomération - Les satellites de particules et les agglomérats réduisent la fluidité de la poudre.
- Porosité des emballages compacts - Les emballages les plus denses contiennent encore des pores microscopiques qui peuvent piéger la contamination.
- Contrainte résiduelle - Le refroidissement rapide et le retrait pendant la solidification provoquent des contraintes dans les particules.
- Oxydation des compacts - Le frittage doit être effectué sous vide ou sous atmosphère inerte pour éviter l'oxydation.
- Changement dimensionnel - Un rétrécissement de 10 à 20 % pendant le frittage à l'état solide peut entraîner des déformations et des distorsions.
Bien que ces difficultés puissent être résolues par des méthodes appropriées de production de poudre, de manipulation et de traitement des pièces, elles restent un obstacle dans certaines applications de la métallurgie des poudres.
Perspectives d'avenir pour les poudres métalliques atomisées
Les propriétés uniques des poudres métalliques atomisées les rendent aptes à fabriquer des composants de haute performance dans pratiquement toutes les industries. Grâce à la poursuite de la recherche et à l'amélioration des procédés, les métaux atomisés joueront un rôle croissant dans la fabrication de pièces métalliques plus légères, plus résistantes et plus complexes.
Les tendances clés qui façonneront l'avenir des poudres métalliques atomisées :
- Adoption croissante de l'impression 3D en raison de la baisse des coûts.
- Contrôle plus strict de la taille des particules et modification des particules pour améliorer les performances des poudres.
- Développement de nouveaux alliages à haute résistance exclusivement par métallurgie des poudres.
- Utilisation accrue dans les composants biomédicaux tels que les implants et les prothèses.
- Développement continu d'alliages pour des microstructures et des propriétés personnalisées.
- Automatisation et atomisation sur site pour réduire les coûts des utilisateurs de l'AM des métaux.
- Atomisation des nanoparticules pour une granulométrie extrêmement fine et des propriétés améliorées.
- L'accent mis sur le recyclage des poudres métalliques.
- L'impression multimétal et les composites élargissent les alliages utilisables.
- Revêtements de surface spéciaux pour améliorer les propriétés de la poudre et le frittage.
- Systèmes de haute pureté minimisant la contamination gazeuse.
Les poudres métalliques atomisées permettront d'obtenir des composants métalliques plus solides, plus légers, plus performants et plus complexes. Les développements en cours dans les domaines de la métallurgie et du traitement ouvriront de nouvelles perspectives dans l'ensemble des industries manufacturières.
FAQ
Quels sont les métaux les plus couramment atomisés ?
Les métaux les plus couramment atomisés sont
- Alliages de fer et d'acier comme l'acier inoxydable
- Cuivre et alliages de cuivre tels que le laiton
- Alliages d'aluminium, y compris aluminium-silicium
- Superalliages à base de nickel et alliages de cobalt
- Titane et alliages de titane
Quelle est la taille typique des poudres atomisées ?
Les poudres atomisées au gaz ont un diamètre compris entre 10 et 150 microns. Les poudres atomisées à l'eau peuvent atteindre un diamètre de 3 microns. Des procédés spéciaux permettent de générer des poudres de nanoparticules de moins de 1 micron.
Quelles sont les industries qui utilisent des poudres métalliques atomisées ?
Les principales industries utilisant des poudres métalliques atomisées sont l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, le biomédical, la défense et la fabrication additive. Les poudres permettent de fabriquer des pièces métalliques légères, solides et complexes.
Quels sont les principaux avantages des poudres atomisées au gaz ?
Les poudres atomisées au gaz ont une morphologie sphérique qui permet un bon écoulement et une bonne compression lors du compactage à l'emporte-pièce. Elles sont également peu contaminées par l'oxygène.
Comment manipuler les poudres métalliques en toute sécurité ?
Les poudres métalliques présentent des risques d'explosion ; des précautions sont donc prises lors de leur manipulation. Les travailleurs portent des respirateurs pour éviter l'inhalation. Les poudres sont couvertes et scellées pour éviter l'accumulation de poussière.
Pourquoi les gaz inertes comme l'azote sont-ils utilisés pour atomiser les métaux ?
Les gaz inertes empêchent la réaction entre le métal en fusion et l'air afin d'éviter l'oxydation. L'azote est le plus souvent utilisé en raison de son coût inférieur à celui de l'argon.
Qu'est-ce que le moulage par injection de métal et l'impression 3D par jet de liant métallique ?
Les deux procédés consistent d'abord à former des pièces "vertes" à partir de poudres métalliques mélangées à un liant organique. Le liant est ensuite retiré et les poudres sont frittées en une pièce métallique finale et dense.
Comment les poudres métalliques sont-elles recyclées ?
Les poudres métalliques inutilisées peuvent être mélangées à de nouvelles poudres ou directement réatomisées. Les pièces et les composants imprimés en 3D sont souvent déchiquetés et réatomisés pour être transformés en poudre.