BR112018016541B1

BR112018016541B1 - Processo e dispositivo de fabricação de uma peça por deposições sucessivas de camadas

Info

Publication number: BR112018016541B1
Application number: BR112018016541-7A
Authority: BR
Inventors: Daniel Cornu; Jawad BADREDDINE; Vincent DESSOLY
Original assignee: Safran
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2022-09-27
Also published as: EP3416770B1; CN108698127B; US20210178485A1; FR3047914A1; RU2018130732A3; FR3047914B1; EP3416770A1; CN108698127A; RU2731275C2; RU2018130732A; CA3014855A1; JP6964083B2; WO2017140994A1; JP2019507250A; BR112018016541A2

Abstract

Processo de fabricação de pelo menos uma parte de uma peça por deposições sucessivas de camadas, que compreende as etapas que consistem em: a) depor uma primeira camada (110) de um metal fundido sobre um substrato (80), de modo a formar um primeiro cordão metálico sobre o substrato, b) depor uma segunda camada de um metal fundido sobre o dito primeiro cordão, de modo a formar um segundo cordão metálico sobre o dito primeiro cordão, e c) repetir as etapas a) e b) para cada nova camada metálica a depor acima de um cordão precedente, e isso até a formação da dita pelo menos uma parte da peça, caracterizado pelo fato de que ele compreende, depois de n etapas de deposição, n sendo superior ou igual a 1, uma etapa de colocação em compressão do cordão formado, e pelo fato de que a colocação em compressão é realizada a quente, quer dizer antes do resfriamento completo do dito cordão.

Description

DOMÍNIO TÉCNICO

[0001] A invenção se refere a um processo e a um dispositivo de fabricação de uma peça por fabricação aditiva por deposições sucessivas de camadas.

ESTADO DA ARTE

[0002] O estado da arte compreende notadamente os documentos FR-A1-2 816 836, EP-A1-0 529 816, US-A1-2004/099983, EP-A1-2 135 698, GB-A-2 508 335 e FR- A1-2 998 496.

[0003] Existem pelo menos dois tipos de fabricação aditiva de uma peça: ou a peça é realizada por deposições sucessivas de matéria fundida (figura 1), ou a peça é realizada por fusão seletiva de leitos de pó.

[0004] O dispositivo da figura 1 permite fabricar uma peça por deposições sucessivas de camadas ou matéria fundida. A peça é realizada por superposição de camadas 10 sobre um substrato 80. O dispositivo compreende uma cabeça de laser 20 da qual o feixe 22 permite fazer fundir a matéria, tal como uma liga metálica.

[0005] Essa técnica de fabricação aditiva é conhecida sob diferentes nomes, a maios parte dos quais são marcas comerciais de diferentes construtores de dispositivos ou estabelecimento de pesquisa: a deposição por laser [Laser Metal Deposition (LMD)] a deposição direta de metal [Direct Metal Deposition (DMD)], a deposição direta por laser [Direct Laser Deposition (DLD)], a conformação por laser [Laser Engineered Net Shaping (LENS)], o revestimento por difusão de laser [laser cladding], a soldagem por deposição de laser e a soldagem por fusão de pó.

[0006] O feixe de laser 22 serve para formar um banho de fusão sobre o substrato 80, sobre o qual um pó 24 é colocado, por exemplo por meio da cabeça de laser 20, como representado no desenho. O pó funde, formando assim uma camada 10 ou um cordão que adere por fusão ao substrato. E depois várias camadas ou cordões são superpostos sobre o primeiro cordão para realizar a peça. A cabeça de laser 20 é em geral comandada com o auxílio de um robô.

[0007] Uma vasta gama de ligas de titânio, níquel, cobalto, WC (carboneto de tungstênio) e aço pode ser utilizada, inclusive Ti-Al6-4V, Inconel-718, Rene-142 e Stellite-6.

[0008] As fontes de laser típicas são CO2, as fibras Yb e o disco Nd-TAG.

[0009] Essa técnica é por exemplo utilizada no domínio aeronáutico para fabricar peças de uma turbomáquina de aeronave.

[0010] No decorrer da fabricação aditiva de uma peça pela técnica precitada, é possível observar uma deformação das zonas maciças ligada ao aumento das tensões residuais. A solidificação rápida cordão por cordão ou camada por camada acarreta vários inconvenientes: risco de oxidação entre as camadas que pode provocar uma má saúde metalúrgica (características mecânicas degradadas e má coesão entre camadas), deformação do cordão se as tensões forem grandes, o que provoca uma decalagem das camadas superiores, etc. Além disso, a transferência térmica direcional na direção do substrato de construção induz um crescimento colunar dos grãos, o material final sendo anisotrópico. De fato, é preciso controlar ao máximo a geração das tensões residuais e a anisotropia da microestrutura para conseguir produzir peças sãs.

[0011] A presente invenção propor uma solução para esses problemas, que é simples, eficaz e econômica.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0012] A invenção propor assim um processo de fabricação de pelo menos uma parte de uma peça por deposições sucessivas de camadas, que compreende as etapas que consistem em: a) depositar uma primeira camada de um metal fundido sobre um substrato, de modo a formar um primeiro cordão metálico sobre o substrato, b) depositar uma segunda camada de um metal fundido sobre o dito primeiro cordão, de modo a formar um segundo cordão metálico sobre o dito primeiro cordão, e c) repetir as etapas a) e b) para cada nova camada metálica a depositar acima de um cordão precedente, e isso até a formação da dita pelo menos uma parte da peça,

[0013] caracterizado pelo fato de que ele compreende, depois de n etapa(s) de deposição, n sendo superior ou igual a 1, uma etapa de colocação em compressão do cordão formado, e pelo fato de que a colocação em compressão é realizada a quente, quer dizer antes do resfriamento completo do dito cordão.

[0014] A invenção propõe assim melhorar as propriedades dos cordões tratando para isso os mesmos justo após sua formação e portanto antes que ele seja recoberto por um novo cordão. O tratamento de colocação em compressão cordão por cordão ou camada por camada permite uma modificação/supressão das tensões aplicadas aos cordões, um encruamento da matéria dos mesmos e mesmo uma decapagem dos óxidos, que permitem tratar os aspectos de deformação, de anisotropia de estrutura para evitar o crescimento por epitaxia. O jato-percussão pode também servir para eliminar a camada de óxido antes de deposição da camada seguinte, melhorar a aderência ou modificar a microestrutura da camada jateada.

[0015] Para isso, a invenção propõe associar dois processos bastante diferentes a saber a fabricação aditiva por deposições sucessivas de camadas e a colocação em compressão por exemplo por jato-percussão. Esses dois processos podem utilizar materiais sob a forma de pó ou partículas, que podem ser os mesmos para não poluir a peça em decorrer de formação.

[0016] O processo de acordo com a invenção pode compreender uma ou várias das etapas ou características seguintes, tomadas isoladamente umas das outras ou em combinação umas com as outras: - a etapa de colocação em compressão é realizada quando a matéria do dito cordão está a uma temperatura superior a 30°C, de preferência superior a 100°C, mais preferencialmente superior a 200°C, e por exemplo de cerca de 300°C, - a etapa de colocação em compressão é realizada por projeção de um fluxo de gás, por exemplo de ar comprimido ou de nitrogênio sobre o dito cordão, - a etapa de colocação em compressão é realizada por jato-percussão do dito cordão. - o jato-percussão é realizado com partículas de um material idêntico ao material de um pó utilizado para a fabricação dos cordões, as ditas partículas tendo de preferência um tamanho diferente do tamanho de partículas do dito pó. Isso permite simplificar o novo tratamento e a gestão dos pós ou evitar a contaminação por outras ligas, - o jato-percussão é realizado com partículas de um material diferente do material utilizado para a fabricação dos cordões. Isso permite uma maior flexibilidade sobre as tensões residuais geradas (profundidade e níveis atingidos), agindo-se sobre as durezas relativas entre as mídias escolhidas e o material utilizado para a fabricação aditiva, - a etapa de colocação em compressão é configurada de modo a permitir: i) uma introdução de tensões residuais de compressão para se opor às tensões residuais de tração produzidas pela fusão a fim de minimizar as deformações, e/ou ii) uma decapagem de uma eventual camada de óxido que se criaria na superfície do cordão, e/ou iii) uma modificação da microestrutura inicial do cordão (anisotrópica ou colunar) por jato-percussão a fim de obter uma microestrutura homogênea (multidirecional ou redução dos tamanhos de grãos), e/ou iv) uma densificação da matéria depositada de maneira a reduzir as porosidades induzidas pelo processo de fabricação aditiva.

[0017] Essa sucessão de etapas permite melhorar as propriedades mecânicas finais da peça e evitar os fenômenos de fissuração (etapa i) e permite também controlar a geração de uma ou de várias microestruturas na peça. Essas microestruturas podem ser homogêneas na escala da peça acabada ou localizadas em função das aplicações industriais visadas (etapa iii).

[0018] A invenção se refere também a um dispositivo de execução do processo tal como descrito acima, caracterizado pelo fato de que ele compreende: - uma cabeça de laser de fusão de um metal de adição tendo em vista a formação de um cordão, e - um bico para a colocação em compressão do dito cordão.

[0019] Vantajosamente a cabeça de laser e o bico são levados por um braço robotizado comum.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0020] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da presente invenção aparecerão mais claramente com a leitura de descrição que se segue, feita a título de exemplo não limitativo e em referência aos desenhos anexos, nos quais; - a figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de um dispositivo de fabricação de uma peça por fabricação aditiva de acordo com a técnica anterior; - a figura 2 é uma representação bastante esquemática que ilustra o princípio geral da invenção, - a figura 3 é uma vista bastante esquemática de um modo de realização do dispositivo de acordo com a invenção, e - a figura 4 é uma vista bastante esquemática de uma variante de realização do dispositivo de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0021] A fabricação aditiva apresenta numerosas vantagens entre as quais uma diminuição dos prazos de fabricação, dos custos e dos gastos fixos, em relação a uma peça moldada, injetada ou usinada na massa.

[0022] As peças elaboradas por fabricação aditiva apresentam no entanto inconvenientes: na solidificação, aparecem tensões residuais em tração em cada camada, que podem chegar à fissuração.

[0023] A invenção permite corrigir esses inconvenientes graças a um dispositivo de fabricação representado na figura 2, que compreende: - um primeiro bico 100 de deposição de pó 102 sobre o substrato 80, - uma cabeça 104 de emissão de um eixo de laser 106, e - um segundo bico 108 para a colocação em compressão do cordão 110 depois de sua formação e antes de ser recoberto por um novo cordão.

[0024] Como no caso representado na figura 1, a função do bico 100 poderia ser integrada à cabeça de laser 104. Ter-se-ia nesse caso uma cabeça de laser 104 própria para depositar pó 102 sobre o substrato 80, e o bico 108.

[0025] O processo de acordo com a invenção compreende, depois de cada etapa de formação de uma camada ou de um cordão, uma etapa de colocação em compressão do cordão 110.

[0026] De preferência, a colocação em compressão do cordão 110 é realizada por jato-percussão ou resfriamento por gás do cordão, depois da passagem do feixe 106 sobre a camada para tratar camada por camada ou cordão por cordão, e aplicar tensões de compressão, ou atingir uma microestrutura desejada. O jato-percussão ou o resfriamento tem efeitos diferentes de acordo com a temperatura do substrato, o posicionamento da cabeça 104 de emissão do feixe 106, etc. Essa temperatura pode por exemplo ser gerida por identificação dos isotermas de superfície de cada cordão 110.

[0027] Em um caso especial no qual a colocação em compressão do cordão é realizada quando o cordão está em temperatura ambiente, a distância L de trabalho entre a camada e a cabeça 104 pode ser da ordem de cerca de 150 mm. Essa cabeça 104 pode ter um diâmetro de 6 mm e partículas de diâmetro de cerca de 100 μ m podem ser colocadas a uma pressão de 0,2-0,8 MPa para realizar o jato-percussão.

[0028] Em um caso especial no qual a colocação em compressão é realizada quando o cordão está em alta temperatura (por exemplo da ordem de 300°C), o jato- percussão pode ser realizado a uma pressão de 0,6 MPa com esferas de 1 mm. Esse jato-percussão pode ser seguido por um tratamento do ripo microshot peening, (micro jato-percussão), que é realizado a uma pressão de 0,6 MPa com esferas de 0,1 mm.

[0029] A aplicação da invenção em um cordão feito de aço de alta dureza (600 - 1000 HV) permite atingir uma tensão de superfície da ordem de - 350 a - 500 MPa, uma tensão máxima de compressão da ordem de - 400 a - 2000 MPa, uma profundidade de tensão máxima da ordem de 5 a 20 μ m, e uma profundidade em compressão compreendida entre 50 e 100 μ m.

[0030] Para efetuar o jato-percussão, é possível utilizar um bico de micro jato- percussão comandado que utiliza pó fino de 10 a 100 μ m. A superfície de impacto pode ser de alguns milímetros quadrados e a profundidade afetada compreendida entre 50 e 150 μ m.

[0031] Isso é compatível como os processos de deposição direta por laser. De fato, as camadas fusionadas têm uma espessura da ordem de 200 a 500 μ m em deposição direta laser por laser. Os pós fusionados têm a mesma granulometria; é possível considerar empregar os mesmos pós para não poluir as peças. O jato- percussão funciona nas mesmas ordens de grandeza que o processo de fabricação aditiva precitado.

[0032] Para os aspectos tensões, é possível modular modificações de tensões em profundidade. É possível também se beneficiar do efeito resfriador do gás portador para modificar as tensões e limitar a oxidação.

[0033] Como evocado no que precede, a colocação em compressão pode também ser introduzida com o auxílio de um gás portador, sem utilização de mídia tal como o micro jato-percussão, a fim de realizar uma têmpera do cordão de matéria e introduzir nele tensões residuais. O gás expulso pode ser gás neutro ou reativo. Há de preferência uma vazão capaz de acelerar o resfriamento do cordão mais rapidamente do que por condução via o suporte.

[0034] O bico 108 de micro jato-percussão ou de ejeção do fluxo de gás deve seguir a cabeça 104 impactando assim o cordão solidificado com um certo atraso a determinar que depende por exemplo da distância d entre o bico e a cabeça. d pode depender da temperatura de resfriamento do cordão e da temperatura propícia à colocação em compressão do cordão. De fato, é preciso de preferência um comando da orientação do bico de jato-percussão diferenciado daquele do bico de projeção.

[0035] A cabeça 104 de emissão e o segundo bico 108, e mesmo também o primeiro bico 100, são de preferência levados por um braço robotizado comum.

[0036] As figuras 3 e 4 representam dois modos de realização do dispositivo de acordo com a invenção. Na figura 3, o braço 120 é móvel em rotação em torno de um eixo 122, por exemplo vertical. A cabeça 104 é centrada no eixo 122 e saídas de bico de micro jato-percussão estão situadas em uma circunferência centrada no eixo 122. O braço é deslocado em um plano que contém o eixo 122, tal como o plano do desenho, e o bico 108 situado a jusante do feixe 106, em relação à direção de deslocamento do braço, é utilizado para colocar em compressão o cordão.

[0037] No caso da figura 4, o braço 120 porta o bico 108 de jato-percussão e a cabeça 104 de emissão do feixe, a distância entre os dois sendo modificável por translação do bico em relação ao braço. O braço é deslocável em translação assim como em rotação em torno do eixo 122 da cabeça 104.

[0038] Se as partículas de jato-percussão têm a mesma natureza que aquelas do pó, há um risco de perda maior de pó. Uma solução consiste em utilizar um pó com um tamanho de partículas maior de modo a recuperar por peneiração, ou um pó feito de material diferente, tal como feito de cerâmica, recuperado por separação magnética.

Claims

1. Processo de fabricação de pelo menos uma parte de uma peça por deposições sucessivas de camadas, que compreende as etapas que consistem em: a) depositar uma primeira camada (110) de um metal fundido sobre um substrato (80), de modo a formar um primeiro cordão metálico sobre o substrato, b) depositar uma segunda camada de um metal fundido sobre o dito primeiro cordão, de modo a formar um segundo cordão metálico sobre o dito primeiro cordão, e c) repetir as etapas a) e b) para cada nova camada metálica a depositar acima de um cordão precedente, e isso até a formação da dita pelo menos uma parte da peça, caracterizado pelo fato de que ele compreende, depois de n etapa(s) de deposição, n sendo superior ou igual a 1, uma etapa de colocação em compressão do cordão formado, e pelo fato de que a colocação em compressão é realizada a quente, quer dizer antes do resfriamento completo do dito cordão, a compressão sendo realizada por jato-percussão do cordão quando o material do cordão está a uma temperatura acima de 100 °C.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de colocação em compressão é realizada quando o material do dito cordão está a uma temperatura superior a 200°C, e por exemplo de cerca de 300°C.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que - o jato-percussão é realizado com partículas de um material idêntico ao material de um pó utilizado para a fabricação dos cordões, as ditas partículas tendo de preferência um tamanho diferente do tamanho de partículas do dito pó.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o jato-percussão é realizado com partículas de um material diferente do material utilizado para a fabricação dos cordões.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de colocação em compressão é configurada de modo a permitir: i) uma introdução de tensões residuais de compressão para se opor às tensões residuais de tração produzidas pela fusão a fim de minimizar as deformações do cordão, e/ou ii) uma decapagem de uma eventual camada de óxido que se criaria na superfície do cordão, e/ou iii) uma modificação da microestrutura inicial do cordão (anisotrópica ou colunar) por jato-percussão a fim de obter uma microestrutura homogênea (, e/ou iv) uma densificação da matéria depositada de maneira a reduzir as porosidades induzidas pelo processo de fabricação aditiva.

6. Dispositivo de execução do processo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que ele compreende: - uma cabeça de laser (104) de fusão de um metal de adição tendo em vista a formação de um cordão, e - um bico (108) para a colocação em compressão do dito cordão (110), o dito bico (108) sendo configurado para seguir a cabeça do laser (104) impactando o cordão solidificado com um certo atraso dependendo da distância d entre o bico (108) e a cabeça do laser (104), sendo d uma função da temperatura de resfriamento do cordão e a temperatura propícia à compressão do cordão.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a cabeça de laser (104) e o bico (108) são levados por um braço robotizado (120) comum.