Comment fonctionne le moulage par injection de poudres de titane (MIM) ?

Le moulage par injection de poudres de titane (MIM) commence par le mélange d’une poudre fine avec un liant pour préparer la matière à injecter. Celle-ci est moulée en une pièce à cru, puis déliantée et frittée pour obtenir la densité et les propriétés finales. Le type de poudre, le système de liant, le déliantage et les conditions de frittage varient selon le matériau : titane commercialement pur, hydrure de titane, Ti-6Al-4V ou TiAl. Ce procédé est étudié pour les soupapes de moteur, les aubes de turbine, les boîtiers de montre, les têtes de clubs de golf, les composants d’électronique grand public et les implants médicaux.

Titane commercialement pur et hydrure de titane

Le moulage par injection de titane (Ti-MIM) a fait l'objet de nombreuses études dans le domaine des produits biomédicaux et des composants de précision en titane. Les recherches portent généralement sur le type de poudre et la taille des particules, les systèmes de liants, le déliantage, les programmes de frittage, les pores et le contrôle des impuretés.

Les poudres utilisées comme matière première comprennent le titane atomisé au plasma, le titane sphérique atomisé au gaz, l'hydrure de titane et le titane hydrure-déshydrure (HDH). Certaines études utilisent des poudres atomisées dont la taille est inférieure à 45 μm, tandis que d’autres recourent à de fines particules d’hydrure de titane dont la taille moyenne n’est que de quelques micromètres. Ces choix permettent de mettre en évidence l’influence de la taille et de la morphologie des poudres sur le comportement des matières premières, la qualité du moulage et la densification par frittage.

Les systèmes de liants peuvent être hydrosolubles, à base de paraffine, à base de naphtalène ou constitués de mélanges à plusieurs composants comprenant de la cire de paraffine (PW), du polyéthylène glycol (PEG), du polyéthylène basse densité (LDPE) et du polypropylène (PP). La poudre de titane et le liant sont mélangés pour former une matière première homogène, qui est ensuite moulée par injection pour obtenir une pièce brute.

Le déliantage peut être réalisé par extraction par solvant, par traitement thermique, ou par une combinaison des deux. Pour les composants liants hydrosolubles ou solubles d’une autre manière, la fraction soluble principale peut être éliminée en premier lieu, puis un déliantage thermique sous vide ou sous atmosphère contrôlée est effectué afin d’éliminer les résidus organiques et de limiter la contamination par le carbone et l’oxygène pendant le frittage.

Le frittage sous vide est une technique courante. Le réglage de la température, du temps de maintien et des profils de chauffage et de refroidissement modifie la diffusion entre les particules, le rétrécissement des pores et l'évolution de la microstructure. Les chercheurs étudient également les grands vides causés par le gaz piégé lors de la préparation de la matière première ou du moulage, ainsi que les pores fins résultant d’une densification insuffisante. La préparation de la matière première, les paramètres d’injection, le déliantage et le frittage sont optimisés afin de réduire ces défauts.

Il est également possible de mélanger des poudres obtenues par des procédés différents ou présentant des morphologies différentes. Par exemple, une poudre sphérique obtenue par atomisation au gaz peut être mélangée à de la poudre HDH afin d’équilibrer la charge de poudre, l’écoulement de la matière première, le retrait de frittage et la conservation de la forme.

La recherche sur le titane MIM de pureté commerciale suit donc une chaîne de procédés cohérente : sélection et mélange des poudres, conception du liant, préparation du mélange et moulage par injection, déliantage, frittage sous vide, et contrôle des pores et des impuretés. Les paramètres à chaque étape sont ajustés afin d'étudier leurs effets sur la microstructure, les dimensions et les propriétés finales.

Moulage par injection de poudre de Ti-6Al-4V

Le Ti-6Al-4V est l'alliage de titane le plus couramment utilisé. Il allie résistance à la chaleur, résistance mécanique, ductilité, ténacité, aptitude au formage, soudabilité, résistance à la corrosion et biocompatibilité, et représente plus de la moitié de la consommation de titane.

Ergül et ses collègues ont moulé par injection de la poudre de Ti-6Al-4V obtenue par atomisation au gaz. Les échantillons présentaient une structure aciculaire grossière. Des températures de frittage plus élevées et des temps de maintien plus longs ont permis d’augmenter la densité, la résistance à la traction et l’allongement. Après 10 heures à 1 275 °C, la densité atteignait 991 TP33T, la résistance à la traction était de 704 MPa, l'allongement de 6,371 TP33T et la dureté de 38,6 HRC. D’autres études ont montré qu’une température plus élevée et des temps de maintien plus longs peuvent entraîner un grossissement des grains et nuire aux performances en fatigue.

Le centre de recherche allemand GKSS a utilisé de la poudre de Ti-6Al-4V atomisée au gaz avec un liant à base de paraffine. Les pièces brutes ont été déliées par solvant dans du n-heptane, déliées thermiquement sous argon, puis frittées sous vide. La température de frittage et la vitesse de refroidissement ont fortement influencé la résistance à la traction finale, tandis que les paramètres de déliage n’ont eu qu’un effet limité sur la résistance à la traction et que les paramètres du procédé n’ont eu qu’une influence minime sur la ductilité.

Une autre équipe de recherche a préparé un mélange de poudre 90% Ti-6Al-4V et de poudre 10% HDH Ti-6Al-4V avec un liant à base de paraffine à 150 °C, puis l'a moulé par injection à 165 °C. Après déliantage, les pièces ont été frittées sous vide pendant 3 heures à 1 230 °C, puis soumises à un pressage isostatique à chaud pendant 3 heures à 920 °C. L’alliage dense a atteint une résistance à la traction de 1 030 MPa, une réduction de section de 12% et un allongement de 21%.

Moulage par injection de poudre de TiAl

Les composés intermétalliques TiAl allient les propriétés des céramiques et des métaux classiques : faible densité, température de service élevée, résistance à haute température, rigidité spécifique et module d'élasticité élevés, ainsi qu'une bonne résistance à l'oxydation, au fluage et à la fatigue. Ils sont considérés comme des matériaux structurels légers et prometteurs pour les applications à haute température. Par rapport au titane pur, le TiAl nécessite une température de frittage plus élevée, absorbe plus facilement les impuretés et exige un contrôle plus rigoureux de celles-ci.

GKSS a associé de la poudre de TiAl atomisée au gaz à un liant à base de paraffine. Le déliantage sous atmosphère d'argon, le frittage sous vide et le pressage isostatique à chaud ont permis d'obtenir un alliage dense à faible teneur en oxygène. Le flux d'argon pendant le frittage a empêché l'évaporation de l'aluminium à la surface du TiAl, mais les teneurs en carbone et en oxygène étaient nettement plus élevées qu'après un frittage sous vide.

Kim et ses collègues ont utilisé le procédé MIM pour produire du Ti-48Al présentant une densité relative de 98,81 TP33T, une microstructure fine et de bonnes propriétés. La poudre préalliée obtenue par le procédé SHS a été mélangée à un liant puis moulée à 120 °C. Après déliantage par solvant, un déliantage thermique a été effectué dans de l’argon ou de l’hydrogène. Le déliantage à l’hydrogène a entraîné le dépôt d’oxydes fins aux limites des particules de TiAl d’origine et a considérablement réduit les propriétés mécaniques après frittage. Un pré-frittage de 3 heures à 1 000 °C, suivi d’un frittage de 30 heures à 1 350 °C, a permis d’obtenir une densité relative de 98,81 TP33T. La vitesse de chauffage a également eu une incidence sur la densité ; une vitesse d’environ 3 °C/min a été jugée appropriée.

La société Osaka Yakin Kogyo a fabriqué des composants en γ-TiAl présentant une composition nominale de Ti-47Al-2,6Cr en pourcentage atomique. La poudre d'alliage a été obtenue par synthèse à haute température à propagation autonome, puis mélangée à un liant organique, mise en pâte, moulée par injection et frittée. La densité a atteint 97%, avec une résistance et une ductilité élevées comparables à celles des échantillons fabriqués de manière conventionnelle.

Une autre équipe a utilisé une poudre préalliée atomisée sous gaz inerte pour mouler des pièces complexes en TiAl à forte teneur en niobium. Après un frittage de 2 heures à 1 480 °C, la densité a atteint 96,21 TP33T. Le matériau présentait une structure fine et uniforme, quasi-lamellaire, avec une taille de lamelles d’environ 60 μm, une résistance à la compression de 2 839 MPa, une déformation sous compression de 34,9%, une résistance à la traction de 382 MPa et un allongement de 0,46%.

Autres systèmes d'alliages de titane

Des ajouts d'alliage tels que le zirconium, le niobium, le tantale, le palladium et l'étain peuvent améliorer les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion et la biocompatibilité. L'étain et le zirconium peuvent également améliorer la résistance mécanique et la résistance au fluage à haute température.

Des chercheurs de l'université de Kyushu ont moulé par injection un alliage Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si. Le mélange de poudres élémentaires avec du titane a entraîné une mauvaise diffusion des éléments à haut point de fusion et une teneur élevée en oxygène, ce qui a réduit la densité. L'utilisation de poudre de titane avec de la poudre d'alliage maître a permis d'obtenir une densité de 96,41 TP33T, une résistance à la traction de 910 MPa et un allongement de 14,11 TP33T. L'ajout de 4% de Mo pour former un alliage Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo a permis d'augmenter la résistance à la traction à 1 010 MPa tout en conservant un allongement de 14,7%.

Le procédé MIM fait également l'objet de nombreuses études dans le domaine des alliages de titane à usage biomédical. Les implants en Ti-6Al-4V et en Ti-6Al-7Nb peuvent libérer des ions d'aluminium ou de vanadium, tandis que les alliages Ti-Mo, qui ne contiennent pas ces éléments, allient performances mécaniques, résistance à la corrosion et biocompatibilité pour des applications dentaires et orthopédiques.

Des chercheurs universitaires japonais ont moulé par injection du Ti-12Mo à partir de poudre de titane d’une granulométrie moyenne de 38 μm et de poudre d’aluminium d’une granulométrie moyenne de 0,6 μm. [À VÉRIFIER : la source identifie la poudre d’aluminium dans la matière première du Ti-12Mo] Les pièces débondées ont été frittées sous vide à une température comprise entre 1 120 et 1 300 °C. À une température comprise entre 1 160 et 1 200 °C, la résistance à la traction a atteint 1 000 MPa, ce qui est comparable à celle d’un alliage corroyé de même composition. Des températures plus élevées ont entraîné un grossissement des grains et une diminution de la résistance. Un pressage isostatique à froid, effectué entre le pré-frittage et le frittage final, a augmenté la densité finale de 10% et a presque doublé la résistance à la traction.

Des chercheurs de l'Institut général de recherche sur les métaux non ferreux de Pékin ont utilisé trois granulométries différentes de poudre de titane pour fabriquer des getteurs Ti-Mo par moulage par injection de poudre. La granulométrie de la poudre déterminait la surface spécifique et la porosité, qui à leur tour déterminaient les performances de piégeage des gaz. La poudre présentant une taille moyenne de 35 μm a permis d’obtenir une porosité et une surface spécifique élevées, ainsi que les meilleures performances de captage. Une charge de poudre de 40% en volume a également permis d’obtenir une porosité et une surface spécifique relativement élevées.

MIM du titane poreux

Le titane poreux et les nouveaux systèmes à base d’alliages de titane permettent d’allier une structure poreuse adaptée aux propriétés mécaniques requises pour les implants orthopédiques de remplacement. Leur rigidité effective plus faible réduit le décalage avec l’os et l’effet de protection contre les contraintes qui y est associé. Les pores interconnectés permettent également aux fluides corporels et aux cellules osseuses de pénétrer dans l’implant.

Le moulage par injection de poudre d'alliages de titane biomédicaux poreux a été proposé pour la première fois en 2003. Le KCl et le NaCl étaient couramment utilisés comme agents de remplissage, et une porosité supérieure à 10% a été obtenue. Des études ultérieures ont intégré du TiH₂ à la poudre élémentaire de titane-aluminium-vanadium en tant qu'agent moussant et activateur. Le Ti-6Al-4V à cellules ouvertes ainsi obtenu présentait une distribution uniforme des pores, des tailles de pores comprises entre 90 et 190 μm, une porosité de 43%-59% et un module d'élasticité de 5,8 à 9,5 GPa.

D’autres chercheurs ont combiné de la poudre sphérique atomisée, de la poudre de titane HDH et un liant à base de paraffine avec des agents d’espacement à base de NaCl ou de KCl. La modification de la teneur en agents d’espacement a permis d’obtenir du titane poreux présentant une taille de pores et une porosité adaptées aux implants médicaux, tandis que la composition répondait aux exigences spécifiées pour le titane commercialement pur de grade 3. À l’Université du Centre-Sud, la poudre de titane HDH et le NaCl ont permis d’obtenir des implants en titane poreux présentant une porosité comprise entre 42,41 TP33T et 71,61 TP33T et des pores pouvant atteindre 300 μm. L’ajustement de la teneur en NaCl a permis de créer des pores interconnectés, et les propriétés mécaniques se sont rapprochées de celles de l’os spongieux.