Atomisation Poudre d'acier inoxydable de haute qualité dans la fabrication additive

La principale méthode de production de poudre d'acier inoxydable de haute qualité est l'atomisation. Ce procédé consiste à transformer de l'acier inoxydable fondu en un fin brouillard de gouttelettes qui se solidifient en particules de poudre. Les deux principaux types sont :

L'acier fondu est désintégré par un jet d'eau à haute pression. Cette trempe rapide produit des particules de forme irrégulière avec une surface élevée. Ces poudres sont idéales pour les techniques de Pressage et frittage (comme le moulage par injection de métal) car la forme irrégulière permet une bonne résistance à l'état brut et l'intégrité de la pièce avant le frittage. Elles sont généralement plus économiques, mais ont une teneur en oxygène plus élevée.

Un gaz inerte (généralement de l'argon ou de l'azote) est utilisé pour briser le flux de métal en fusion. Il en résulte des particules sphériques, sans satellite, avec une surface lisse. Ces poudres ont :

• Faible teneur en oxygène : Essentiel pour de bonnes propriétés mécaniques et une bonne soudabilité.
• Excellente aptitude à l'écoulement : Essentiel pour l'étalement de couches fines et homogènes dans la Fabrication additive (impression 3D).
• Densité de tassement élevée : Bénéfique pour les procédés tels que le pressage isostatique à chaud (HIP).

D'autres méthodes incluent le procédé à électrode rotative au plasma (PREP) et l'électrolyse, mais l'atomisation est la plus courante pour les volumes industriels.

Les performances de la poudre d'acier inoxydable sont définies par plusieurs caractéristiques critiques :

• Répartition granulométrique (PSD) : Mesurée en microns (µm). Une PSD typique pour la fabrication additive pourrait être de 15 à 45 µm, tandis que pour le moulage par injection de métal, elle pourrait être de 2 à 20 µm. Une PSD contrôlée est essentielle pour la reproductibilité du procédé.
• Forme des particules : Comme mentionné, cela dépend du procédé (sphérique pour la FA, irrégulière pour le MIM).
• Densité apparente : La masse par unité de volume de la poudre non compactée. Une densité plus élevée est souvent préférée pour un meilleur tassement.
• Aptitude à l'écoulement : Le temps nécessaire à une quantité spécifique de poudre pour s'écouler à travers un entonnoir standardisé. Essentiel pour la FA automatisée et les procédés de pressage et de frittage.
• Composition chimique : Doit correspondre aux spécifications de la nuance d'acier inoxydable souhaitée (par exemple, 316L, 17-4PH). Les éléments clés comprennent le chrome (pour la résistance à la corrosion), le nickel (pour la structure austénitique et la ténacité) et le molybdène (pour une résistance accrue à la corrosion par piqûres).
• Caractère pyrophorique : Les poudres métalliques fines peuvent être inflammables ou explosives lorsqu'elles sont en suspension dans l'air. La poudre d'acier inoxydable est moins pyrophorique que certains métaux (comme l'aluminium), mais elle nécessite toujours une manipulation prudente pour éviter les explosions de poussière.

• 316L : La nuance la plus largement utilisée pour la fabrication additive et le MIM. Excellente résistance à la corrosion, bonnes propriétés mécaniques et biocompatibilité. Utilisée dans les applications marines, chimiques, médicales et de transformation des aliments.
• 304L : Similaire à la 316L, mais avec moins de nickel et pas de molybdène, ce qui la rend légèrement moins résistante à la corrosion, mais plus économique.

• 17-4PH (630) : Peut être traitée thermiquement après fabrication pour obtenir une très haute résistance et dureté tout en conservant une bonne résistance à la corrosion. Utilisée pour les composants aérospatiaux, les engrenages et les pièces d'ingénierie fortement sollicitées.
• 420 : Offre une dureté et une résistance à l'usure élevées après traitement thermique, mais avec une résistance à la corrosion inférieure à celle des nuances austénitiques. Utilisée pour la coutellerie, les moules et les instruments chirurgicaux.

• Duplex 2205 : Comporte une microstructure mixte d'austénite et de ferrite, ce qui se traduit par une très haute résistance et une excellente résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Utilisée dans les industries pétrolières et gazières offshore et chimiques.

La poudre d'acier inoxydable est la matière première de plusieurs technologies de fabrication avancées :

• Fusion sur lit de poudre laser (L-PBF) : Un laser fait fondre sélectivement des couches de poudre pour construire des composants complexes, légers et intégrés directement à partir d'un modèle CAO.
• Jet de liant : Un liant liquide est projeté sur le lit de poudre pour former une pièce « verte », qui est ensuite frittée dans un four.
• Dépôt d'énergie dirigée (DED) : La poudre est soufflée dans un bain de fusion créé par un laser ou un faisceau d'électrons, généralement utilisé pour la réparation ou l'ajout de caractéristiques à des pièces existantes.

La poudre est mélangée à un liant polymère pour créer une matière première qui est moulée par injection dans un moule. Le liant est ensuite retiré (déliantage) et la pièce est frittée à une densité presque totale. Idéal pour la production en série de petites pièces complexes.

La poudre est placée dans un conteneur et soumise à une température élevée et à une pression de gaz isostatique, ce qui la consolide en une billette ou un composant de forme presque nette et entièrement dense.

La poudre est pressée dans une filière rigide pour former un compact « vert », qui est ensuite fritté dans un four à atmosphère contrôlée. Courant pour la fabrication de filtres et de composants poreux.

• Liberté de conception : Permet la production de géométries très complexes, de canaux internes et de structures en treillis.
• Efficacité des matériaux : Les procédés de forme presque nette minimisent le gaspillage de matériaux par rapport à l'usinage soustractif.
• Consolidation des pièces : Plusieurs composants peuvent être conçus et imprimés en une seule pièce, ce qui améliore la fiabilité et réduit l'assemblage.
• Excellentes propriétés : Les pièces finales peuvent atteindre des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion comparables, et parfois supérieures, à celles de leurs homologues corroyés.
• Production de masse : Des procédés comme le MIM permettent une production à grand volume de pièces complexes.

La poudre d'acier inoxydable nécessite des protocoles de sécurité stricts :

• Prévention des explosions : Doit être stockée et manipulée dans des atmosphères inertes (par exemple, azote) ou avec un équipement antidéflagrant. Une mise à la terre appropriée est essentielle pour éviter les décharges statiques.
• Santé et sécurité : L'inhalation de poudre métallique fine est un danger pour la santé. Les opérations doivent être menées dans des zones bien ventilées ou dans des systèmes fermés (comme les imprimantes FA), et le personnel doit utiliser un équipement de protection individuelle (EPI) approprié, comme des respirateurs.
• Stockage : Stocké dans un endroit frais et sec dans des conteneurs scellés pour éviter l'absorption d'humidité et l'oxydation.