Application of unconventional methods on lnconel 718 MIM components

par Olivier Dugauguez

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Soutenue le 01-12-2017

à Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec l'Universidad autonóma de Madrid , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de péparation) et de Universidad autonóma de Madrid (Etablissement de préparartion) .

  • Titre traduit

    Développement de la technologie MIM via l’utilisation d’équipements innovants tels que le frittage micro-onde ou par méthode flash ainsi que l’utilisation de fluides supercritiques


  • Résumé

    Le procédé de moulage par injection de poudres métalliques (MIM) permet la réalisation de composants métalliques de formes complexes. Il permet la fabrication de moyenne ou grande série via la combinaison de l’injection thermoplastique avec la métallurgie des poudres. Le procédé MIM est un procédé multi-étape qui commence par l’élaboration d’un feedstock, qui est obtenu par mélange de différents polymères avec une poudre métallique. Il est ensuite injecté à l’intérieur d’un moule afin de lui donner la forme désirée. Afin de pouvoir obtenir une pièce métallique dense, les polymères sont progressivement éliminés soit via l’utilisation d’un solvant, soit par dégradation thermique. La pièce est ensuite densifiée grâce à l’application d’un traitement thermique adapté au matériau. Les travaux de cette thèse ont étés initiés par le projet FUI ProPIM, qui réunit différents partenaires industriels et laboratoires de recherche régionaux autour de la fabrication de pièces en superalliage base nickel chrome. Le procédé conventionnel MIM nécessite des cycles gourmands en temps et en énergie lors des étapes de déliantages et de frittages. Ces travaux présentent la recherche de nouvelles méthodes afin d’accélérer ces étapes tout en conservant les propriétés de base du matériau. La recherche de la maitrise de ces étapes est présentée ainsi que les effets de ces nouvelles méthodes sur les propriétés des composants obtenus. Une alternative à l’utilisation de solvants pour extraire les polymères du feedstock a été récemment mise en avant via l’utilisation de fluides à l’état supercritique. La recherche de compatibilité avec les feedstocks dans le cadre du projet ainsi que l’optimisation des paramètres permettant les meilleures conditions d’extraction sont présentées. Le traitement thermique des poudres métalliques pour obtenir un composant dense nécessite l’utilisation de fours pendant des cycles de plusieurs heures. Deux méthodes de frittage dites « non-conventionnelles » ont étés sélectionnées pour leur capacité à réaliser la densification rapidement. La première est le Field Assisted Hot pressing qui combine l’application de pression à l’utilisation de courant électrique pour réaliser le frittage. La deuxième consiste à appliquer des micro-ondes. L’application des méthodes et l’optimisation des cycles de frittage sont présentées ainsi que les effets sur la microstructure des composants métalliques obtenus, ainsi que sur les performances mécaniques.


  • Résumé

    The metallic powder injection moulding process is used for the elaboration of complex shape metallic components. It is efficient for mass production for medium to large series via the combination of thermoplastic injection with powder metallurgy. The MIM process is a multi-step method starting with the elaboration of a feedstock, obtained by mixing different polymers with a metallic powder. It is injected into a die cavity mould to obtain the deigned shape. In order to obtain a dense metallic component, the polymers are progressively extracted by either solvent or thermal debinding. The densification of the component by applying a thermal treatment adapted to the material. This PhD work was initiated by the project FUI ProPIM gathering different industrials and research laboratories around the elaboration nickel-chrome superalloys components. The conventional MIM process has to be performed with time and energy consuming treatment cycles during debinding and sintering. The goal of this work presents new methods developed to accelerate these treatments while at least keeping the same properties of the material. The research presents the optimization of these methods as well as the effects on the properties of the components. The first is an alternative to the organic solvent debinding used to extract polymers of the MIM feedstock. It is replaced by a fluid in a supercritical state. The study of the compatibility and of the performance of the method on the feedstocks is the main concern. The optimization of the debinding parameters and the effects on the final quality of the product is presented. Then, the sintering and the thermal treatment of the metallic powders needs furnaces with controlled atmospheres for extensive periods of time. Two unconventional sintering methods were selected for their capacity to perform the thermal treatments at a high heating rate. The first method is the Field Assisted Hot pressing which combines the application of a pressure with a high intensity current to rise the temperature. The second is the irradiation of the powder by microwaves. The two methods have to be adjusted to the MIM components. The development of the two methods and the effect on the microstructure and the mechanical performances of the material are investigated.


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