Étude expérimentale de la moulabilité et simulation numérique de l'injection à basse pression des mélanges poudre-liant à base de titane

Résumé

Le moulage par injection des poudres à basse pression (LPIM) est un procédé de fabrication qui sert à produire des pièces de complexité géométrique élevée en maintenant un coût de fabrication modéré par rapport à d’autres techniques de fabrication. Son potentiel se manifeste lors de la mise en forme de matériaux qui sont difficiles à mettre en oeuvre à travers les procédés usuels et dont le coût de production est relativement élevé, tel que le titane et ses alliages. En effet, sa réactivité à haute température avec les éléments interstitiels et le coût élevé de mise en forme par enlèvement de matière peuvent être contournés à travers le procédé LPIM. La simulation numérique est aussi utile pour la réduction des coûts de non qualité par la prédiction de l’apparition des défauts et en évitant des injections coûteuses à l’échelle réelle visant l’optimisation de la fabrication par essais et erreurs. Dans ce contexte, l’impact des liants à basse viscosité sur les propriétés rhéologiques des mélanges à base de titane pour le procédé LPIM et l’utilisation de la simulation numérique dans la prédiction de l’apparition des défauts feront objectif de ce projet. Pour aboutir à cet objectif, quatre (4) formulations à un chargement solide de 63 vol. % de poudre de titane et différentes fractions de cire de paraffine (PW), d’acide stéarique (SA) et d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) ont été préparées. L’analyse rhéologique sur ces mélanges a été réalisée à trois (3) températures différentes (80, 90, et 100 °C) et a permis de choisir la meilleure formulation à travers l’indice de moulabilité avec le modèle de Weir, dont l’analyse a été validée expérimentalement à travers des injections dans un moule en spirale donnant la longueur injectée. Ces résultats ont montré une élévation de la viscosité en ajoutant davantage l’acide stéarique, ce qui est un comportement inattendu. Ceci a été expliqué par l’augmentation de la fraction d’EVA par rapport à celle de PW et/ou la diminution de la quantité d’agglomérations de poudre suite à l’effet surfactant de SA et l'amélioration de l’homogénéité de distribution des particules métalliques, ce qui engendre plus de friction, et par la suite l’augmentation de viscosité. Ensuite, la caractérisation thermique en termes de conductivité thermique et chaleur spécifique pour la formulation choisie a été réalisée dans le but de bâtir le modèle de simulation numérique de l’injection. Les résultats de simulation numérique étaient en accord avec les données expérimentales en termes de temps d’injection, de forme du front de matière et de prédiction de l’apparition de défauts de ségrégation. Une zone pauvre en grosses particules a été observée sur les pièces injectées et a été expliquée par le gradient du taux de cisaillement qu’elles subissent en cours de la phase d’injection. Ce résultat a été validé expérimentalement par la technique d’analyse thermogravimétrique. Ainsi, les mélanges à faibles viscosités à base de titane ont été utilisés en LPIM pour la première fois dans le cadre de ce projet. Les résultats ont montré un bon potentiel en termes de moulabilité en utilisant de basses pressions et températures.

Date	11 déc. 2019
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Demers (Directeur(-trice))