Étude des mélanges utilisés en moulage par injection des poudres métalliques à base de superalliages

Langlais, David (2021). Étude des mélanges utilisés en moulage par injection des poudres métalliques à base de superalliages. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le moulage par injection des poudres métalliques est un procédé qui permet de fabriquer des pièces complexes en forme finale avec une précision dimensionnelle adéquate et d’excellentes propriétés mécaniques. Ce procédé s’exécute en quatre étapes. Premièrement, le mélange est formulé à partir d’une poudre métallique et d’un liant polymérique fondu; deuxièmement, ce mélange poudre-liant est injecté dans la cavité d’un moule, refroidi, et puis éjecté du moule; troisièmement, cette pièce est déliantée afin d'en retirer le liant; et quatrièmement, le frittage permet de consolider la pièce par diffusion à l’état solide du métal et finalement de produire une pièce métallique dense. Toutes ces étapes sont importantes, mais l’injection est particulièrement cruciale, car des défauts critiques peuvent y subvenir telles des fissures, des porosités ou des distorsions. Son succès repose sur le contrôle de la fluidité du mélange poudreliant où plusieurs facteurs entrent en jeu, soit les paramètres d’injection, les caractéristiques de la poudre et la formulation du liant. Bien que l’influence générale de chacun de ces facteurs ait été observée, la corrélation entre ces paramètres et la moulabilité d’un mélange demeure complexe et la prédiction efficace des performances d’un mélange poudre-liant n’est encore possible que par des essais d’injections à l’échelle réelle ou des essais rhéologiques sur les mélanges qui sont des méthodes qui consomment beaucoup de ressources. Ainsi, le développement du procédé de moulage par injection des poudres métalliques est encore aujourd’hui limité par le manque de connaissances sur les mécaniques fondamentales de la rhéologie des mélanges poudre-liant. Le but de ce travail est d’étudier certaines de ces mécaniques par l'observation exclusive de l'impact des caractéristiques des poudres sèches sur l'étape d'injection, en conservant les paramètres d'injection et la formulation du liant constants afin d’en isoler l'effet. Pour ce faire, quatre poudres d'acier inoxydable de formes et de tailles différentes ont, dans un premier temps, été caractérisées à l'aide du rhéomètre à poudre FT4 afin de générer quatorze métriques décrivant leur comportement à l'écoulement. Par la suite, ces poudres ont été combinées à un liant afin de produite quatre mélanges poudre-liant dont le profil de viscosité a été mesuré par un rhéomètre rotatif. Finalement, l'aptitude des mélanges à être injectés (c.-à-d., leur moulabilité) a été évaluée pas des essais d'injections à l'échelle réelle. Les résultats ont démontré une forte corrélation entre la moulabilité et la viscosité à l’état fondu, confirmant le fait connu que la moulabilité peut être prédite efficacement par des essais rhéologiques sur les mélanges. Or, de fortes corrélations ont également été observées entre la moulabilité et plusieurs métriques obtenues par l’approche de la rhéologie des poudres sèches, particulièrement la densité en vrac conditionnée (CBD) et l'énergie d'écoulement fondamentale normalisée (NBFE). Puisque la rhéologie sèche demande moins de ressources que la rhéologie des mélanges, cette méthode devient alors très prometteuse pour faciliter le développement et l'optimisation de mélanges poudre-liant pour l'étape d'injection.

Titre traduit

Study of the feedstocks used in the metal injection molding of superalloys

Résumé traduit

Metal injection molding is a process enabling net-shape production of intricate parts with adequate dimensional accuracy and excellent mechanical properties. This process consists in four steps. First, the powder is mixed with a molten binder to produce the feedstock; second, the feedstock is injected into a mold cavity, cooled down, and then ejected from the mold; third, a debinding process is applied to the part to remove the binder; and fourth, sintering consolidates the part by solid-state diffusion which finally generates a dense metallic part. All these steps are important, but the injection is particularly critical since it can generate partimpairing defects such as cracks, voids and distortions. Its success depends on adequate control of the feedstock's fluidity, where injection parameters, powders characteristics and binder formulation are all factors at play. Although the general influence of each of these factors is well-known, their correlation with moldability is still too complex to allow efficient prediction of the feedstock performance during injection other than by real-scale injections or by melt rheology which are resource-intensive methods. In other words, development of the metal injection molding process is still impaired today by the lack of knowledge about the fundamental mechanisms of the rheological behavior of feedstocks. The objective of this work is to study some of these mechanisms by the exclusive observation of the impacts of dry powder characteristics on the injection step, which means that the injection parameters and the binder formulation remain unchanged, in order to isolate its influence. Four stainless-steel powders of different sizes and shapes were first characterized by the FT4 powder rheometer which generated fourteen metrics describing their flow properties. Following, each powder was mixed with the same molten binder to produce four feedstocks that were measured with a rotational rheometer to obtain their viscosity profile. Finally, the performance of the feedstock during the injection (i.e., the moldability) was evaluated by real-scale injections. The results demonstrated a strong correlation between moldability and melt viscosity, which confirms that moldability can be efficiently predicted by melt rheology although this method remains resource-intensive. Yet, strong correlations of the moldability were also observed with many metrics obtained by the dry powder rheology, especially the conditioned bulk density (CBD) and the normalized basic flow energy (NBFE). Considering that dry powder rheology requires much less resources than melt rheology, this method shows good promise to enhance the development and optimization of feedstocks for the injection step.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 85-95).
Mots-clés libres:	rhéologie des poudres sèches, rhéologie des mélanges, coulabilité des poudres, moulabilité, injection des poudres métalliques (MIM), poudre métallique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	01 févr. 2022 14:38
Dernière modification:	01 févr. 2022 14:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2862

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