FR3123816A1 - PROCESS FOR RECYCLING METAL OR METAL ALLOY POWDERS AND ASSOCIATED INSTALLATION - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé pour le recyclage de poudres de métal ou d’alliages métalliques comprenant une étape d’enfournement de poudres de métal ou d’alliages métalliques dans un four (33) de fusion, une étape de fusion des poudres de métal ou d’alliages métalliques dans une chambre (31) de fusion du four (33) de fusion, et une étape de coulée d’un lingot (23) de métal ou d’alliages métalliques. Selon l’invention, les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont enfermées dans un contenant (11) avant l’étape d’enfournement, ledit contenant (11) étant en métal pur constituant la poudre de métal ou en alliage constitué par l’élément majoritaire et un ou plusieurs éléments d’addition de ladite poudre quand la poudre est un alliage métallique. Figure pour l'abrégé : Figure 1The invention relates to a method for recycling metal or metal alloy powders comprising a step of charging metal or metal alloy powders into a melting furnace (33), a step of melting the metal powders or metal alloys in a melting chamber (31) of the melting furnace (33), and a step of casting an ingot (23) of metal or metal alloys. According to the invention, the metal or metal alloy powders are enclosed in a container (11) before the charging step, said container (11) being made of pure metal constituting the metal powder or of an alloy consisting of majority element and one or more addition elements of said powder when the powder is a metal alloy. Figure for the abstract: Figure 1
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
La présente invention concerne un procédé pour le recyclage de poudres de métal ou d’alliages métalliques, ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre d’un tel procédé.The present invention relates to a method for recycling metal or metal alloy powders, as well as an installation for implementing such a method.
Arrière-plan techniqueTechnical background
Les poudres en alliages métalliques, tels que les alliages de titane ou de nickel sont très utilisées pour la métallurgie des poudres (frittage, projection, …) et la fabrication additive en plein développement, notamment dans le domaine de l’aéronautique.Metal alloy powders, such as titanium or nickel alloys, are widely used for powder metallurgy (sintering, spraying, etc.) and additive manufacturing, which is in full development, particularly in the field of aeronautics.
Différentes technologies de fabrication des poudres existent. Elles conduisent cependant à générer des poudres dont la taille et/ou la morphologie se révèlent être incompatibles avec le besoin du marché.Different powder manufacturing technologies exist. However, they lead to the generation of powders whose size and/or morphology turn out to be incompatible with market needs.
Par exemple, la majorité du besoin aujourd’hui se situe sur des poudres de granulométrie comprise entre 14 et 45 µm pour les technologies par frittage ou entre 45 et 105 µm pour les technologies par projection. Or la proportion de poudres dont la granulométrie est supérieure à 105 µm est non négligeable et peut représenter jusqu’à 25% de la poudre produite.For example, the majority of the need today is for powders with a particle size between 14 and 45 µm for sintering technologies or between 45 and 105 µm for projection technologies. However, the proportion of powders with a particle size greater than 105 µm is not negligible and can represent up to 25% of the powder produced.
Ces poudres non directement utilisables en métallurgie des poudres et/ou en fabrication additive sont généralement détruites, par exemple par incinération et difficilement recyclables.These powders which cannot be used directly in powder metallurgy and/or in additive manufacturing are generally destroyed, for example by incineration and difficult to recycle.
En effet, les métaux, tels que le titane, le nickel et leurs alliages, sous forme de poudre sont volatiles et réactifs et les voies classiques du recyclage comme la refusion à l’arc sous vide (VAR pourVacuum Arc Remelting) ou sous gaz avec la fusion par arc à plasma (PAM pourPlasma Arc Melting) ne sont pas adaptées.Indeed, metals, such as titanium, nickel and their alloys, in powder form are volatile and reactive and conventional recycling methods such as vacuum arc remelting (VAR for Vacuum Arc Remelting ) or under gas with plasma arc melting (PAM for Plasma Arc Melting ) are not suitable.
D’autres voies de recyclage plus adaptées aux poudres métalliques existent mais elles ne sont pas viables économiquement. On peut par exemple, citer la Compression Isostatique à Chaud (CIC ou HIP pourHot Isostatic Pressing) qui nécessite un conteneur consommable et des cycles de compaction de plusieurs heures à haute pression.Other recycling routes more suitable for metal powders exist but they are not economically viable. We can, for example, cite Hot Isostatic Compression (CIC or HIP for Hot Isostatic Pressing ) which requires a consumable container and compaction cycles of several hours at high pressure.
Il existe donc un besoin pour un procédé adapté au recyclage des poudres de métal ou d’alliages métalliques qui soit simple et économique à mettre en œuvre.There is therefore a need for a process suitable for recycling metal or metal alloy powders which is simple and economical to implement.
L’invention propose ainsi un procédé pour le recyclage de poudres de métal ou d’alliages métalliques comprenant :The invention thus proposes a process for recycling metal or metal alloy powders comprising:
une étape d’enfournement de poudres de métal ou d’alliages métalliques dans un four de fusion,a step of charging metal powders or metal alloys in a melting furnace,
une étape de fusion des poudres de métal ou d’alliages métalliques dans une chambre de fusion du four de fusion, eta step for melting metal or metal alloy powders in a melting chamber of the melting furnace, and
une étape de coulée d’un lingot de métal ou d’alliages métalliques.a step of casting an ingot of metal or metal alloys.
Selon l’invention, les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont enfermées dans un contenant avant l’étape d’enfournement, ledit contenant étant en métal pur constituant la poudre de métal ou en alliage constitué par l’élément majoritaire et un ou plusieurs éléments d’addition de ladite poudre quand la poudre est un alliage métallique.According to the invention, the metal or metal alloy powders are enclosed in a container before the charging step, said container being made of pure metal constituting the metal powder or of an alloy consisting of the majority element and one or more several addition elements of said powder when the powder is a metal alloy.
On entend par « poudres de métal ou d’alliages métalliques » une substance solide à base de métal sous forme de très petites particules.“Metal or metal alloy powders” means a solid metal-based substance in the form of very small particles.
On entend par « enfermées », placées dans un environnement, un lieu fermé, clos d’où les poudres de métal ou d’alliages métalliques ne peuvent pas sortir, mais non nécessairement hermétiquement clos.The term “enclosed” means placed in an environment, a closed, closed place from which the powders of metal or metal alloys cannot come out, but not necessarily hermetically closed.
Ainsi dans ce procédé selon l’invention, les poudres de métal ou d’alliages métalliques très volatiles sont placées dans un environnement fermé de manière à éviter que celles-ci ne se dispersent lors de l’étape de fusion, en particulier en cas d’effet de souffle, c’est-à-dire avant que les poudres de métal ou d’alliages métalliques passent sous forme liquide et soient moins volatiles.Thus in this process according to the invention, the highly volatile metal or metal alloy powders are placed in a closed environment so as to prevent them from dispersing during the melting step, in particular in the event of blast effect, that is to say before the metal or metal alloy powders pass into liquid form and are less volatile.
Par ailleurs, on évite la réactivité des poudres de métal ou d’alliages métalliques avec le contenant en utilisant un contenant en métal pur constituant la poudre de métal ou en alliage constitué par l’élément majoritaire et un ou plusieurs éléments d’addition de ladite poudre quand la poudre est un alliage métallique. Cela limite aussi les risques d’une contamination et/ou pollution du lingot final avec des substances autres que le métal majoritaire.Furthermore, the reactivity of metal or metal alloy powders with the container is avoided by using a pure metal container constituting the metal or alloy powder consisting of the majority element and one or more addition elements of said powder when the powder is a metal alloy. This also limits the risks of contamination and/or pollution of the final ingot with substances other than the majority metal.
Grâce au procédé selon l’invention, les poudres de métal ou d’alliages métalliques difficilement recyclables par des procédés classiques peuvent être utilisées de manière simple et économique pour obtenir un lingot de métal ou d’alliages métalliques utilisable par la suite, par exemple dans la fabrication de pièces métalliques, telles que des pièces métalliques de turbomachine.Thanks to the process according to the invention, metal or metal alloy powders that are difficult to recycle by conventional processes can be used in a simple and economical manner to obtain an ingot of metal or metal alloys that can be used subsequently, for example in the manufacture of metal parts, such as metal turbomachine parts.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :The method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
- le contenant est fermé par un couvercle en métal pur constituant la poudre de métal ou en alliage constitué par l’élément majoritaire et un ou plusieurs éléments d’addition de ladite poudre quand la poudre est un alliage métallique ;the container is closed by a lid made of pure metal constituting the metal powder or an alloy consisting of the majority element and one or more addition elements of said powder when the powder is a metal alloy;
- les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont des poudres à base de titane ou de nickel ;metal or metal alloy powders are powders based on titanium or nickel;
- le titane ou le nickel sont l’élément majoritaire quand les poudres sont un alliage métallique ;titanium or nickel are the majority element when the powders are a metal alloy;
- l’alliage métallique est choisi de manière à ce que le contenant soit déformable à froid ;the metal alloy is chosen so that the container is deformable when cold;
- lors de l’étape d’enfournement la vitesse d’amenée du contenant est choisie de manière à débuter une consolidation des poudres de métal ou d’alliages métalliques avant l’étape de fusion ;during the loading stage, the speed at which the container is fed is chosen so as to start consolidation of the metal or metal alloy powders before the melting stage;
- la vitesse d’amenée du contenant est comprise entre 10 et 150 mm/min ;the container feed speed is between 10 and 150 mm/min;
- la vitesse d’amenée du contenant est comprise entre 30 et 100 mm/min ;the container feed speed is between 30 and 100 mm/min;
- les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont des particules présentant une granulométrie supérieure à 15 µm ;metal or metal alloy powders are particles with a particle size greater than 15 µm;
- les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont des particules présentant une granulométrie supérieure à 45 µm ;metal or metal alloy powders are particles with a particle size greater than 45 µm;
- les poudres de métal ou d’alliages métalliques sont des particules présentant une granulométrie supérieure à 105 µm ;metal or metal alloy powders are particles with a particle size greater than 105 µm;
- le four de fusion est un four de fusion à creuset froid ;the melting furnace is a cold crucible melting furnace;
- le four de fusion à creuset froid est un four PAM-CHR ou un four EBCHM ;the cold crucible melting furnace is a PAM-CHR furnace or an EBCHM furnace;
- le lingot est destiné à la fabrication d’au moins une pièce métallique,the ingot is intended for the manufacture of at least one metal part,
- la pièce métallique est au moins une pièce métallique de turbomachine.the metal part is at least one metal part of a turbomachine.
La présente invention concerne également une installation pour la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit précédemment.The present invention also relates to an installation for implementing a method as described above.
Selon l’invention, l’installation comprend :According to the invention, the installation comprises:
une première zone, dite zone d’enfournement, pour réaliser l’étape d’enfournement de poudres de métal ou d’alliages métalliques dans un four de fusion,a first zone, called the charging zone, for carrying out the step of charging metal powders or metal alloys in a melting furnace,
une deuxième zone, dite zone de fusion, pour réaliser l’étape de fusion des poudres de métal ou d’alliages métalliques dans une chambre de fusion du four de fusion, eta second zone, called the melting zone, to carry out the step of melting the metal or metal alloy powders in a melting chamber of the melting furnace, and
une troisième zone, dite zone de coulée, pour réaliser l’étape de coulée d’un lingot de métal ou d’alliages métalliques.a third zone, called the casting zone, to carry out the step of casting an ingot of metal or metal alloys.
L’installation selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :The installation according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
- la chambre de fusion comprend trois zones, dites zone de fusion, zone d’affinage et zone de solidification, chacune des zones comprenant une torche plasma ;the melting chamber comprises three zones, called melting zone, refining zone and solidification zone, each of the zones comprising a plasma torch;
- chaque torche plasma est d’une puissance comprise entre 400 et 800 kW ;each plasma torch has a power of between 400 and 800 kW;
- chaque torche plasma est d’une puissance de 600 kW.each plasma torch has a power of 600 kW.
Brève description des figuresBrief description of figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended drawings in which:
Claims (13)
une étape d’enfournement de poudres (3) de métal ou d’alliages métalliques dans un four (33) de fusion,
une étape de fusion des poudres (3) de métal ou d’alliages métalliques dans une chambre (31) de fusion du four (33) de fusion, et
une étape de coulée d’un lingot (23) de métal ou d’alliages métalliques,
caractérisé en ce que les poudres (3) de métal ou d’alliages métalliques sont enfermées dans un contenant (11) avant l’étape d’enfournement, ledit contenant (11) étant en métal pur constituant la poudre de métal ou en alliage constitué par l’élément majoritaire et un ou plusieurs éléments d’addition de ladite poudre quand la poudre est un alliage métallique.Method for recycling powders (3) of metal or metal alloys comprising:
a step of charging metal or metal alloy powders (3) into a melting furnace (33),
a step of melting the metal or metal alloy powders (3) in a melting chamber (31) of the melting furnace (33), and
a step of casting an ingot (23) of metal or metal alloys,
characterized in that the metal or metal alloy powders (3) are enclosed in a container (11) before the charging step, said container (11) being made of pure metal constituting the metal powder or of an alloy consisting by the majority element and one or more addition elements of said powder when the powder is a metal alloy.
une première zone, dite zone d’enfournement (5), pour réaliser l’étape d’enfournement de poudres (3) de métal ou d’alliages métalliques dans un four (33) de fusion,
une deuxième zone, dite zone de fusion (7), pour réaliser l’étape de fusion des poudres (3) de métal ou d’alliages métalliques dans une chambre (31) de fusion du four (33) de fusion, et
une troisième zone, dite zone de coulée (9), pour réaliser l’étape de coulée d’un lingot (23) de métal ou d’alliages métalliques.Installation (1) for implementing the method according to any one of the preceding claims, comprising:
a first zone, called the charging zone (5), for carrying out the step of charging powders (3) of metal or metal alloys in a melting furnace (33),
a second zone, called the melting zone (7), for carrying out the step of melting the powders (3) of metal or metal alloys in a melting chamber (31) of the melting furnace (33), and
a third zone, called the casting zone (9), for carrying out the step of casting an ingot (23) of metal or metal alloys.
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