BE1026209B1 - Procédé de réparation par dépôt de poudre métallique au laser - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procède de dépôt de poudre métallique au laser qui peut être utilisé pour la réparation de composants en acier inoxydable moulé utilisés dans des milieux nucléaires. Des défauts internes trouvés dans un composant (200) lors d’opérations d'entretien de routine et de remise à neuf sont identifiés et ensuite excavés pour former une cavité (210). La cavité est remplie par plusieurs couches (3101, 3102,..., 310N) de dépôt de poudre métallique au laser et son intégrité est ensuite vérifiée.

Description

Procédé de réparation par dépôt de poudre métallique au laser

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un procédé de réparation par dépôt de poudre métallique au laser, et elle concerne plus particulièrement, bien que non exclusivement, la réparation de composants nucléaires en acier inoxydable moulé.

Contexte de l'invention

Les technologies à base de laser, comme le placage au laser ou le dépôt de métal au laser, sont désormais une technologie établie pour la réparation de pièces et la modification de surface de composants onéreux. Grâce aux améliorations continues des sources laser, de la technologie des procédés et de la stratégie, la gamme des applications pour les procédés de dépôt par laser ne cesse de s'élargir.

Le document US-B-7169242 décrit un procédé permettant d'éliminer des défauts de moulage d'un article doté d'une microstructure orientée. Le procédé comprend la fusion d'un défaut de moulage identifié localement par une source de chaleur sur une profondeur au moins égale à celle du défaut de moulage lui-même, et la solidification de la matière fondue de façon épitaxiale par rapport à la microstructure orientée environnante de l'article qui est sensiblement exempte de défauts de moulage. Dans ce procédé, la matière elle-même sert à remplir le défaut de moulage lorsqu'elle se solidifie à nouveau.

Le document US-A-2016/0243650 décrit un procédé de reprise d'un composant fabriqué dans un alliage de base soudable sans fusion pour éliminer un défaut de moulage. Le procédé comprend la formation d'une cavité dans le composant à l'emplacement du défaut de moulage et le remplissage au moins partiel de la cavité avec plusieurs couches comprenant chacune de multiples points de dépôt de poudre au laser. Chacun des multiples points de dépôt de poudre au laser est formé d'un alliage de charge.

Les documents JP2001287062, US2017034933, US2016351281 et US20160351281 divulguent un procédé comprenant les étapes d'identification de la présence d'au moins un défaut dans un composant; d'excavation d'une région du composant qui comprend le au moins un défaut identifié pour former une

BE2018/5802 cavité ; et de dépôt d'une matière additive à l'intérieur de la cavité selon un motif prédéterminé.

Les composants nucléaires en acier inoxydable moulé sont régulièrement inspectés à l'aide de techniques de contrôle non destructif, et les défauts internes et/ou superficiels sont souvent détectés lors d'inspections de routine. A l'heure actuelle, il est impossible de réparer ces défauts internes et/ou superficiels à l'aides de procédés de soudage classiques à cause de la géométrie complexe des composants et des tolérances de fabrication strictes qui sont associées aux composants nucléaires en acier inoxydable moulé. Le résultat est qu'au lieu de réparer un composant à cause de la présence de défauts internes et/ou superficiels, la seule option est de remplacer le composant tout entier. Ce composant mis au rebut ou jeté forme alors une source de déchets radioactifs secondaires.

Il existe donc un besoin de pouvoir réparer des défauts internes et/ou superficiels dans des composants en acier inoxydable moulé afin que leur remplacement ne soit plus nécessaire dans la majorité des cas.

Résumé de l'invention

Un objet de la présente invention consiste à réduire les déchets radioactifs secondaires en réparant des composants du milieu nucléaire au lieu de les mettre au rebut.

Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé de réparation de composants en acier inoxydable moulé apte à être utilisé en milieu nucléaire.

Selon un premier aspect de la présente invention, il est prévu un procédé de réparation d'un composant en acier inoxydable moulé, le procédé comprenant les étapes suivantes :

a) identification de la présence d'au moins un défaut dans le composant en acier inoxydable moulé ;

b') nettoyage de la cavité ;

b) excavation d'une région du composant en acier inoxydable moulé qui comprend le au moins un défaut identifié pour former une cavité ;

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c) dépôt d'une poudre métallique au laser à l’intérieur de la cavité selon un motif prédéterminé ;

d) fonte et fusion la poudre métallique déposée au laser à l’intérieur de la cavité au moyen d’un laser ; et

e) finition de la surface de la cavité remplie pour qu’elle corresponde à la surface du composant en acier inoxydable moulé.

L’utilisation d’un procédé de dépôt de poudre métallique au laser pour remplir la cavité excavée permet de contrôler rigoureusement les forces et les contraintes du composant, ce qui entraîne une diminution des déformations et des distorsions dans le composant réparé.

L’étape (b’) de nettoyage de la cavité avant l’étape c), permet de garantir que des matières libres se trouvant éventuellement à l’intérieur de la cavité sont éliminées avant remplissage de manière à empêcher l’apparition d’autres défauts au cours du procédé de dépôt de poudre métallique au laser.

Dans un mode de réalisation, les étapes c) et d) sont répétées plusieurs fois.

Chaque répétition des étapes c) et d) forme une couche à l’intérieur de la cavité. Ceci garantit que la cavité excavée est complètement remplie.

Dans un mode de réalisation, l’étape b) peut comprendre l’utilisation d’un contrôle non destructif pour contrôler l’excavation de la région comprenant le défaut.

En utilisant un contrôle non destructif de cette manière, un contrôle précis est obtenu afin de s’assurer que le défaut est inclus dans l’excavation et que pas plus de matière que nécessaire n’est excavée de la région.

Dans un mode de réalisation, l’étape e) comprend une étape de finition mécanique.

Grâce à la finition mécanique, la surface du composant dans la région de l’excavation peut être rétablie rapidement quasiment à l’état où elle se trouvait avant excavation.

Dans un mode de réalisation, une autre étape peut comprendre l’étape de vérification de la conformité de la réparation au reste du composant en acier inoxydable moulé.

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Cela compte beaucoup dans un milieu nucléaire où l’intégrité et les tolérances dimensionnelles ont une grande importance.

Brève description des dessins

Pour permettre une meilleure compréhension de la présente invention, Il va maintenant être fait référence, à titre d’exemple, aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 représente un ordinogramme d’un procédé de réparation de composants nucléaires en acier inoxydable moulé ;

la figure 2 est l’illustration schématique d’une partie d’un composant qui a été excavé afin d’éliminer un défaut ;

la figure 3 est une vue de côté en coupe montrant une excavation dans le composant à réparer ;

la figure 4 est une vue de dessus de l’excavation de la figure 3 ;

la figure 5 est similaire à la figure 3 mais représente les passes de dépôt de poudre métallique au laser dans l’excavation ; et la figure 6 est similaire à la figure 4 mais représente les passes de dépôt de poudre métallique au laser dans l’excavation.

Description de l’invention

La présente invention va être décrite par rapport à des modes de réalisation particuliers et à la lumière de certains dessins, la divulgation n’y étant toutefois pas limitée. Les dessins décrits sont seulement schématiques et ne sont pas limitatifs. Dans les dessins, la taille de certain des éléments peut avoir été exagérée et non dessinée à l’échelle à des fins d’illustration.

Les techniques de contrôle non destructif (CND) sont utilisées pour vérifier l’intégrité de composants nucléaires en acier inoxydable moulé. Les techniques TND utilisent des rayonnements électromagnétiques, des sons et d’autres conversions de signal pour examiner un vaste éventail d’articles ou de composants en termes d’intégrité, de composition ou d’état sans modifier l’état de l’article ou du composant proprement dit. Un contrôle par ressuage peut également être utilisé. Une inspection visuelle, améliorée par l’utilisation de loupes, de caméras ou d’autres dispositifs optiques est la forme de CND la plus répandue. Toutefois, une inspection visuelle se limite aux régions superficielles ou

BE2018/5802 externes des articles ou des composants contrôlés. Un contrôle radiographique à l'aide d'un rayonnement pénétrant, par exemple des rayons X, des neutrons et un rayonnement gamma peut permettre un examen volumétrique de la structure interne d'un article ou d'un composant. Un contrôle aux ultrasons utilisant des systèmes à ultrasons peut également être utilisé. Par exemple, des transducteurs à ultrasons émettent des ondes sonores pour l'examen volumétrique d'articles ou de composants, et les ondes sonores réfléchies par les articles ou composants contrôlés sont évaluées en termes de variations d'amplitude ou autres. Il est également possible de tester des articles ou des composants constitués de matières ferreuses en leur appliquant des particules de fer et en appliquant un champ magnétique à l'article ou au composant pour identifier une éventuelle fuite dans le champ magnétique due à un défaut interne. Ces techniques étant largement connues, aucune autre description n'en sera donnée ci-après.

L'expression « poudre métallique au laser » utilisée dans le présent document désigne les poudres métalliques servant à une impression en trois dimensions ou à un prototypage rapide où un laser à haute densité de puissance est utilisé pour faire fondre des poudres métalliques et les fusionner entre elles. Un tel procédé est connu sous le nom de « fusion sélective au laser » (ou plus largement, de « frittage sélectif au laser ») où de fines couches de poudre métallique sont distribuées uniformément sur une plaque de substrat qui comporte des repères le long d'un axe vertical. Une fois que chaque couche a été distribuée, chaque tranche bidimensionnelle de la géométrie de la pièce est fusionnée en faisant fondre sélectivement la poudre métallique avant de répéter l'opération pour les couches suivantes.

Un alliage d'acier inoxydable type pouvant être utilisé pour une « fusion sélective au laser » est l'acier inoxydable 17-4 (également connu sous le nom de UNS17400), une qualité d'acier inoxydable martensitique durci par précipitation (qui est magnétique) contenant 15 à 17,5 % de chrome et 3 à 5 % de nickel (parfois appelé acier inoxydable 15-5). Une fraction de 3 à 5 % de cuivre peut également se trouver dans l'alliage. Cet alliage d'acier inoxydable peut subir un traitement thermique pour arriver à des niveaux élevés de résistance et de dureté, avec une résistance à la corrosion et une usinabilité supérieures à celles

BE2018/5802 de l'acier inoxydable le plus courant (UNS S30400, appelé également acier inoxydable 18-8, qui comporte 18 à 20 % de chrome et 8 à 10,5 % de nickel et qui est austénitique).

Cela étant, d'autres alliages d'acier inoxydable, comme l'acier inoxydable austénitique de type 316L (UNSS31603), peuvent également être utilisés, en fonction de la matière dont est fait le composant. Le type 316L contient entre 2 et 3 % de molybdène, ce qui augmente sa résistance à la corrosion et lui confère une plus grande résistance à de hautes températures.

L'expression « dépôt de poudre métallique au laser » utilisée dans le présent document désigne le dépôt d'au moins une couche de poudre métallique au laser sur un substrat, suivi de fonte et de la fusion de la couche de poudre métallique au laser. Généralement, plusieurs couches sont déposées pour remplir une cavité excavée, comme décrit plus en détail ci-après.

Le terme « défaut » utilisé dans le présent document désigne à la fois des défauts internes et des défauts superficiels susceptibles d'être présents dans un composant en acier inoxydable moulé.

La figure 1 représente l'ordinogramme 100 d'un procédé de détection et de réparation de défauts internes dans des composants en acier inoxydable moulé et en particulier, dans des composants en acier inoxydable moulé utilisés dans un milieu nucléaire, par exemple une pompe de refroidissement de réacteur. La première étape, l'étape 110, comprend un CND du composant pour identifier d'éventuels défauts internes. Ces défauts internes peuvent apparaître à l'issue de la fabrication initiale et/ou d'une réparation ultérieure. En outre, ces défauts internes peuvent s'être développés à l'intérieur du composant depuis la dernière inspection CND et sont repérés lors de l'inspection CND suivante. Selon le type de composant, plusieurs des techniques de CND décrites ci-dessus peuvent être utilisées.

Ayant identifié un défaut interne, une région comprenant le défaut est excavée, étape 120, pour former une cavité. Ces excavations peuvent être réalisées par usinage ou par meulage pour éliminer les défauts inacceptables. Généralement, un ensemble d'excavations est utilisé, par exemple, des ensembles géométriques, qui permettent d'atteindre le défaut depuis la surface du

BE2018/5802 composant. L'excavation est contrôlée par un examen CND qui permet de s’assurer que la totalité du ou des défauts a été éliminée lors de l'opération d’excavation.

Dans un mode de réalisation, décrit ci-après en référence aux figures 2 à 6, l’ensemble géométrique peut comprendre une série d’oblongs arrondis ou de cercles allongés, c’est-à-dire des cercles qui ont été divisés en deux suivant un diamètre et allongés pour inclure un rectangle entre les deux moitiés du cercle divisé de tailles différentes. Cette série d’oblongs arrondis ou de cercles allongés peut former un stade dont la base présente les plus petites dimensions et dont la surface supérieure présente les plus grandes dimensions avec un changement progressif de dimensions depuis la base jusqu’à la surface supérieure pour former une paroi graduée ou inclinée. Un stade type peut être circulaire ou elliptique (ou constitué de cercles allongés comme décrit ci-dessus).

La région ou la cavité excavée est nettoyée, étape 130, pour s’assurer que d’éventuelles matières étrangères susceptible d’être entrées dans la région ou la cavité excavée sont éliminées avant de déposer plusieurs couches de dépôt de poudre métallique au laser, étape 140, dans la région ou la cavité excavée. L’étape de dépôt de poudre métallique au laser dépose une poudre métallique d’acier inoxydable de type 316L comme décrit ci-dessus dans la région ou la cavité excavée selon des trajets ou des motifs spécifiques et la poudre déposée est ensuite chauffée et fondue par un laser sous atmosphère gazeuse neutre pour remplir la région ou la cavité excavée. Il faut normalement plusieurs passes pour faire en sorte que la région ou la cavité excavée soit complètement remplie de la matière de charge, c’est-à-dire de la poudre fondue, par accumulation de plusieurs couches. Une surveillance visuelle est utilisée pendant le dépôt de métal au laser pour s’assurer que la cavité est correctement remplie.

Naturellement, la poudre métallique au laser utilisée est choisie de manière à correspondre à la matière dans laquelle a été fabriqué le composant moulé initial.

Une fois que la région ou la cavité excavée a été remplie par le dépôt de plusieurs couches de poudre métallique au laser, une finition de la surface du composant est mise en œuvre, étape 150, afin qu’elle soit conforme au

BE2018/5802 reste du composant. L'étape de finition comprend une finition mécanique, par exemple un polissage ou un meulage, pour répondre aux critères de surface exigés.

Après finition, une vérification à nouveau par CND, étape 160, de la région où le défaut initial a été détecté est mise en œuvre. Ceci permet de garantir que la réparation répond aux critères avec des contrôles dimensionnels et géométriques destinés à garantir le maintien de tolérances strictes pour le composant particulier.

Le procédé peut ensuite être répété pour d'autres défauts identifiés dans l'article ou le composant.

La figure 2 représente une vue en plan d'une partie d'un article ou d'un composant 200 dans laquelle une région ou une cavité d'excavation 210 a été créée pour éliminer un défaut. Ici, la région ou la cavité d'excavation 210 à la surface du composant peut être considérée comme étant un cercle allongé comme décrit ci-dessus. Toutefois, d'autres profils adaptés peuvent être utilisés pour les régions ou les cavités d'excavation.

La figure 3 représente une vue de côté en coupe de la partie de l'article ou du composant 200 présentant la région ou la cavité d'excavation 210 de façon plus détaillée. Ici, la région ou la cavité d'excavation 210 comporte une partie de base 220 qui s'étend jusqu'à une partie de surface 230 au moyen d'une partie paroi inclinée 240.

Sur la Figure 4, le composant 200 et la région ou la cavité d'excavation sont représentés selon une vue en plan. Comme vu, la partie de base 220 comprend également un cercle allongé mais dont les dimensions sont plus petites que celles du cercle allongé formant la partie de surface 230, et se trouve au centre à l'intérieur de la partie de surface 230 et reliée à celle-ci par la partie de paroi inclinée ou en pente 240. Bien que, dans cet exemple, la partie de base 220 soit représentée comme située au centre à l'intérieur de la partie de surface 230, la présence de cet emplacement central n'est pas indispensable et il peut y avoir un certain décalage entre la partie de base et la partie de surface.

La figure 5 est similaire à la figure 3 mais représente également un nombre de passes de dépôt de poudre métallique au laser 3001, 3002, 3003, ...,

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300n, où N est représenté comme étant égal à 4 dans cet exemple spécifique, sur la partie de base 220 et la partie de paroi inclinée ou en pente 240 jusqu'à la partie de surface 230. Naturellement, N peut être une quelconque valeur adaptée, et plusieurs couches de passes sont nécessaires pour remplir la région ou la cavité d'excavation 210. Chaque passe suit un trajet qui est similaire à la forme de la partie de base 220 de la cavité 210, c'est-à-dire l'un d'une série d'oblongs arrondis ou de cercles allongés qui remplissent conjointement la cavité 210.

La figure 6 est similaire à la figure 4 mais représente un nombre de passes de dépôt de poudre métallique au laser 300i, 3002, 3003, ..., 300n, dans la région ou la cavité excavée 210. Là encore, N est représenté comme étant égal à 4 mais peut être une quelconque valeur adaptée nécessaire pour remplir la région ou la cavité d'excavation 210.

Pour exécuter les étapes ou les passes de dépôt de poudre métallique au laser, la vitesse de laser minimum requise est d'au moins 1000 mm/min (ou autour de 16,5 mm/s). Le temps pris pour remplir une cavité de 20 mm de long sur 10 mm de large et sur 5 mm de profondeur se situe entre 1 et 4 minutes avec un temps supplémentaire nécessaire pour la préparation du remplissage, le positionnement du laser par rapport au composant à réparer, la programmation du laser et l'établissement d'un milieu gazeux neutre dans lequel le dépôt de poudre métallique au laser est effectué, etc.

Le laser peut être utilisé verticalement, c'est-à-dire perpendiculairement à la surface du composant à réparer, mais d'autres angles sont également possibles en combinaison avec la direction d'injection de la poudre métallique au laser.

Un exemple où le procédé de la présente invention peut être utilisé est celui de la remise à neuf de pompes de refroidissement de réacteurs nucléaires. Le procédé de remise à neuf comprend la décontamination, le démontage et l'inspection, suivis de la réparation des composants, ou de leur remplacement si nécessaire, puis du remontage. Selon les résultats de l'inspection, certains composants peuvent s'avérer présenter des défauts qui nécessitent une réparation, généralement au moyen d'un procédé de soudage.

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Toutefois, en milieu nucléaire, le risque principal qu'entraîne la réparation d'un composant au moyen d'un procédé de soudage est la déformation du composant à réparer. Les tolérances sur les composants utilisés en milieu nucléaire étant strictes, le soudage peut produire un composant déformé qui présente une déformation localisée due à un chauffage local sur le site de soudage. Cette déformation localisée peut entraîner des déformations incompatibles. Le résultat de ces déformations incompatibles est que le composant ne peut plus servir sans subir d'autres modifications et qu'il est souvent mis au rebut. De plus, comme une opération de soudage nécessite généralement un volume important de matière, un usinage après soudage est obligatoire pour le rétablissement d'un état de surface et de dimensions acceptables du composant réparé.

Un dépôt de poudre métallique au laser pour la réparation de composants de RCP est avantageux par rapport à une réparation classique par soudage du fait qu'il permet de surveiller ou de contrôler étroitement les paramètres de dépôt pour s'assurer du maintien de la qualité. Comme la zone affectée par la chaleur (HAZ) est limitée, les forces et les contraintes exercées sur le composant pendant un dépôt de poudre métallique au laser sont nettement inférieures à celles exercées lors de procédés de soudage classiques. En outre, grâce à la limitation des forces et des contraintes, le composant à réparer ne se déforme pas autant que lors de procédés de soudage classiques. En outre, la quantité de post-usinage requise après dépôt de poudre métallique au laser est inférieure à celle requise après soudage. En réparant un composant par dépôt de poudre métallique au laser au lieu de le mettre au rebut, les déchets contaminés sont réduits.

Grâce à la possibilité de réparer des composants nucléaires en acier inoxydable moulé, il existe une disponibilité accrue de composants puisqu'il n'est plus nécessaire de remplacer le composant, ce qui évite de longs délais de fabrication d'un composant de remplacement.

Du fait que le composant est réparé au lieu d'être mis au rebut, les déchets radioactifs secondaires sont considérablement réduits. Par ailleurs, la gestion des pièces détachées s'en trouve améliorée.

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D'autres composants utilisés en milieu nucléaire et pouvant être réparés grâce au procédé de la présente invention comprennent, sans toutefois s’y limiter, des diffuseurs, des soupapes et des arbres.

Claims (6)

1. Revendications

   1. Procédé de réparation d'un composant (200) nucléaire en acier inoxydable moulé, le procédé comprenant les étapes suivantes :

   a) identification de la présence d'au moins un défaut dans le composant (200) nucléaire en acier inoxydable moulé , caractérisé en ce que le procédé comprend en outre les étapes suivantes :

   b) excavation d'une région du composant (200) nucléaire en acier inoxydable moulé qui comprend le au moins un défaut identifié pour former une cavité (210) ;

   b') nettoyage de la cavité (210)

   c) dépôt d'une poudre métallique au laser (3001, 3002, 3003 ..., 300N)à l'intérieur de la cavité (210) selon un motif prédéterminé :

   d) fonte et fusion de la poudre déposée à l'intérieur de la cavité (210) au moyen d'un laser ; et

   e) finition de la surface de la cavité remplie pour qu'elle corresponde à la surface du composant en acier (200) nucléaire inoxydable moulé.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la répétition des étapes c) et d) plusieurs fois.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chaque répétition des étapes c) et d) forme une couche métallique à l'intérieur de la cavité (210).
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape b) comprend l'utilisation d'un contrôle non destructif pour contrôler l'excavation de la région comprenant le défaut.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape e) comprend une étape de finition mécanique.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre l'étape de vérification de la conformité de la réparation au reste du composant (200) nucléaire en acier inoxydable moulé.