Le carbure de tungstène comme alliage émergent dans la fabrication additive

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Le carbure de tungstène est utilisé dans un certain nombre d'industries en raison de ses propriétés de dureté supérieures par rapport à l'acier à outils et de sa ténacité supérieure par rapport à la céramique technique. Avec ces propriétés supérieures à l'esprit, le carbure de tungstène est le plus souvent associé aux outils utilisés dans les applications de coupe des métaux telles que le sciage, le fraisage et le tournage. Beaucoup sont surpris de découvrir que le carbure de tungstène est également fréquemment utilisé dans les applications de distribution de fluides ou d'écoulement en raison de sa durée de vie supérieure lorsqu'il est exposé à une usure érosive. Les performances d'usure améliorées du carbure de tungstène augmentent la durée de vie des composants d'articles tels que les buses dans des industries aussi diverses que la découpe au jet d'eau, le pétrole et le gaz et l'électronique. Alors que les avantages du carbure de tungstène sont clairs pour de nombreux ingénieurs qui conçoivent ces composants, les défis de la fabrication d'une pièce en carbure de tungstène sont moins bien connus.

Pour commencer, il convient d'expliquer que le carbure de tungstène est le nom utilisé pour une large catégorie d'alliages qui sont composés de carbure de tungstène réel avec des liants métalliques ainsi que d'autres carbures ajoutés (c'est-à-dire TiC et TaC). Les deux liants métalliques les plus courants sont le cobalt et le nickel. Les liants métalliques influencent les propriétés de dureté, de ténacité, ainsi que la compatibilité chimique. La teneur en liant métallique peut varier de 3 à 20 % du matériau fini en fonction des propriétés souhaitées.

Composant de contrôle de flux

La poudre prête à presser est fabriquée en combinant de la poudre de carbure de tungstène (WC), un liant métallique et un liant organique dans un solvant, puis en évaporant le solvant du mélange à l'aide d'un procédé de séchage par pulvérisation. La poudre est ensuite compactée dans une presse qui crée une partie verte qui a à peu près la force d'un morceau de craie. Bien que fragile, la pièce verte peut être usinée en utilisant les techniques traditionnelles de tournage, de fraisage et de perçage. Des précautions doivent être prises lors du calcul de la géométrie car la pièce verte rétrécira jusqu'à 20 % pendant le processus de frittage. De plus, à température pendant le processus de frittage (2500-2700oF) lorsque le liant métallique fond, la pièce devient relativement molle et les zones d'épaisseur de paroi mince peuvent s'effondrer. Lorsqu'elle est retirée du processus de frittage, la pièce est dans son état durci. De plus, en raison des taux de retrait, des caractéristiques précises ne peuvent pas être créées lors du formage vert, ce qui signifie que des caractéristiques géométriques compliquées et précises doivent être ajoutées à la pièce durcie après le frittage.

Contrairement à un composant en acier, dans son état durci, le carbure de tungstène ne peut pas être tourné, percé, fraisé ou soudé de manière conventionnelle. Au lieu de cela, nous nous retrouvons avec des processus de meulage et d'EDM qui prennent du temps, sont coûteux et limités dans leur capacité à créer certaines géométries.

Rotor de pompe progressif

C'est là que les techniques additives telles que le jet de liant et le FDM peuvent ajouter de la valeur au client en créant des géométries qui étaient auparavant impossibles dans le carbure de tungstène. Bien que des défis existent dans la création de poudre adaptée à l'impression par rapport au pressage, des progrès sont réalisés pour apporter des avantages additifs bien connus au monde des matériaux durs.

Un tel exemple est celui des rotors de pompe à cavité progressive (principe de Moineau) qui ont une géométrie qu'il serait impossible de former dans une pièce crue ou de rectifier dans une pièce finie. Avec les techniques additives, les concepteurs de pompes disposent d'un autre matériau dans leur arsenal pour lutter contre l'usure abrasive lors du pompage de liquides difficiles.

Buse

Un autre exemple est la création de buses ou d'épandeurs en une seule pièce utilisés dans la distribution de fluides où des trajets de fluide incurvés seraient préférés. Il y a quelques années à peine, ces géométries auraient été considérées comme impossibles dans le carbure de tungstène, laissant les ingénieurs choisir des matériaux sous-optimaux ou des géométries moins efficaces, ce qui entraîne pour les clients des coûts de maintenance continus.

En s'associant à Precision Solutions by Hyperion sur des géométries de pièces complexes, les clients bénéficient de l'expertise en matériaux durs d'Hyperion, mais également des techniques de fabrication de pointe appliquées de la bonne manière pour fournir des géométries auparavant impossibles.

Precision Solutions by Hyperion participeà Additive Manufacturing Strategies, qui se tiendra à New York du 7 au 9 février 2023. Paul Wagner, directeur général, Precision Solutions by Hyperion, participera à la session 3, panel 1 : Emerging Alloys and Metallic Materials for AM, le 7 février. Réservez votre billet pour y assister ici.

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