EP3898034A1 - Dispositif de fabrication - Google Patents

Dispositif de fabrication

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EP3898034A1
EP3898034A1 EP19848782.9A EP19848782A EP3898034A1 EP 3898034 A1 EP3898034 A1 EP 3898034A1 EP 19848782 A EP19848782 A EP 19848782A EP 3898034 A1 EP3898034 A1 EP 3898034A1
Authority
EP
European Patent Office
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shock
energy beam
deposition
manufacturing
laser
Prior art date
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Pending
Application number
EP19848782.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sébastien Yohann Pouzet
Pierre ANTONY
Damien COURAPIED
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Safran SA filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to the field of manufacturing titanium base alloy parts.
  • the invention applies more particularly, but not exclusively, to the manufacture of a titanium alloy casing comprising for example a hooking portion or a sealing portion extending radially towards the inside of said casing.
  • a known solution consists in making a metal supply with an additive manufacturing device by depositing material of the Direct Metal Deposition (DMD) type.
  • DMD Direct Metal Deposition
  • Additive manufacturing allows large parts with complex shapes to be produced in one piece.
  • this method leads to the generation of columnar microstructures, not acceptable for mechanically stressed parts.
  • this method generates residual stresses in the part which can lead to its rupture during manufacture.
  • the present invention aims to provide a manufacturing device for depositing material to manufacture parts having better crystalline properties reducing the residual stresses in the manufactured part.
  • the invention relates to a device for manufacturing a piece of metallic material, comprising a member for depositing said metallic material.
  • the device further comprises a shock member of the material being deposited by emission of an energy beam, so as to locally modify its crystal structure.
  • FIG. 1 is a diagram of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a diagram of the focus of a shock laser beam on the deposited material.
  • the invention relates to a device 1 for manufacturing a part 100 made of a titanium base alloy.
  • the manufacturing device 1 essentially comprises a deposit member 2 for a bead 101 of molten metal (to form the part 100) and at least one impact member 4 emitting an energy beam 5.
  • the deposition member 2 is a known deposition member of the DMD type.
  • the deposition member 2 may comprise a deposition head 21 emitting an energy beam (for example an electron beam or a laser) which meets a metal wire or a flow of metal powder from a reserve of material 22.
  • the beam of the deposition head 21 is focused in order to melt the metal.
  • the deposition head 21 makes it possible to deposit the molten metal in the form of beads 101.
  • the deposited metal can be a titanium base alloy, typically an alloy of the TA6V type.
  • the deposition head 21 is supplied by a first electrical source 8a.
  • the shock member 4 is a particularly advantageous arrangement of the invention.
  • the shock member 4 is a laser.
  • the shock member 4 is adapted to focus the energy beam 5 on the cord 101 of material just deposited, to modify the crystal structure of the part 100 made of metal, in particular in a substantially equiaxed structure.
  • the shock member makes it possible to locally harden the material and to propagate a mechanical wave in the part.
  • said mechanical wave makes it possible to relax the material (ie to modify its crystal structure), in order to remove any residual stresses.
  • the shock member 4 is a pulsed laser of the nanosecond type, adapted to emit pulses over a period of 5 to 150 nanoseconds.
  • the laser emits pulses with a duration of 10 to 100 nanoseconds.
  • the laser beam preferably has an energy of between 5 and 15 Joules, and particularly preferentially between 9 and 11 Joules.
  • the impact member 4 is positioned so as to be able to focus the energy beam 5 on a cord 101 previously deposited by the deposition member 2.
  • the laser will have a frequency between 5 Hz and 15 Hz, and preferably between 9 and 11 Hz.
  • the shock member 4 is supplied by a second electrical source 8b.
  • the device 1 could be supplied by a single electrical source.
  • the use of two separate sources makes it possible to best respond to the power calls of the laser of the shock organ 4.
  • the deposition member 2 and the shock member 4 are slaved and synchronized. Indeed, as will be described below, it is necessary for the shock member 4 to focus the energy beam 5 on the cord 101 of material recently deposited and at a defined temperature (which will be specified later). Consequently, the deposition member 2 and the shock member 4 can be fixed to the same robot arm. It is also possible that the deposition member 2 and the impact member 4 are each attached to a separate robot arm. This arrangement offers greater freedom in the trajectory generations. In this case, the two arms must be controlled and controlled in correspondence.
  • the device 1 can include a temperature control comprising a camera coupled to a pyrometer.
  • a temperature control comprising a camera coupled to a pyrometer.
  • the shock in the case of a deposition of a titanium base alloy of the TA6V type, it is advantageous to block the growth of the grains before the phase change of the material around 800 ° C. Consequently, the shock must be carried out just after solidification and before the microstructure is formed.
  • the use of a laser as impact member 4 makes it possible to carry out the shocks during cooling from 1600 ° C. to 800 ° C. which maximizes the effect on the microstructure.
  • the shock makes it possible to put a constraint in one direction which makes it possible to prevent the growth of grains in this same direction. An equiaxial, therefore isotropic microstructure is therefore obtained, which has better mechanical properties.
  • a pyrometer measures the temperature in the center of the shock zone in order to generate a TTL signal which makes it possible to control the triggering of the laser shock.
  • a waiting time between two laser pulses is imposed in order to take into account the diameter of the shock zone.
  • the pyrometer can be replaced by a thermal camera with temperature monitoring by image processing. In the same way, a signal is generated based on the pixel value level at the center of the shock zone to trigger the shot.
  • the device 1 can have a closed enclosure (not shown) making it possible to manufacture the part 100 in a controlled atmosphere.
  • An inductor can be used to control the room temperature.
  • the inductor is preferably connected to the temperature control devices, in order to guarantee fine control of the temperature.
  • the invention relates to a method for manufacturing a part 100 made of titanium alloy, using the device 1.
  • the method comprises depositing metal cords 101 to form a metal part 100, and focusing the energy beam 5 on at least one of the cords 101 to modify the crystal structure of the metal part 100 into an equiaxed structure .
  • the deposition member 2 deposits cords 101, along a determined trajectory, to manufacture a part 100.
  • the principle is that well known in additive manufacturing.
  • the part 100 is manufactured layer by layer by successively depositing beads 101 of molten metal.
  • the shock member 4 comes to focus the beam 5 on the cords 101 in order to modify the crystalline microstructure and thereby modify the crystalline structure of the entire part 100.
  • a plasma 103 is formed during the impact of the laser beam on the drop 101.
  • the energy released by the formation of the plasma generates a mechanical wave 105 which will both break the microstructures bead 101 (to obtain an equiaxed microstructure in fine) and locally harden the material.
  • the mechanical wave 105 by propagating in the part 100 under construction will relax the material and thus remove any residual stresses. In other words, the material is locally constrained (hardening) but globally relaxed.
  • the focusing of an energy beam 5 successively at the deposition of the cord 101 makes it possible to change the microstructure of the part 100 during its manufacture and thus to avoid the formation of long columnar grains and the generation of residual stresses.
  • the optimal result is achieved when the energy beam 5 is focused on a cord 101 having a temperature between 30 ° C and 200 ° C, and preferably between 50 ° C and 150 ° C.
  • the invention relates to a part 100 directly obtained by the method according to the invention.
  • the method according to the invention makes it possible to manufacture a large part which can have a complex geometry.
  • the part 100 may, for example, be a casing of a turbomachine.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de fabrication d'une pièce (100) en matière métallique, comprenant un organe de dépôt (2) de ladite matière métallique. Le dispositif (1)comprend en outre un organe de choc (4) de la matière en cours de dépôt par émission d'un faisceau énergétique (5), de sorte à modifier localement sa structure cristalline.

Description

DISPOSITIF DE FABRICATION
DOMAINE DE L'INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine de la fabrication de pièces en alliage base titane.
L’invention s’applique plus particulièrement, mais non exclusivement à la fabrication d’un carter en alliage de titane comprenant par exemple une portion d’accrochage ou une portion d’étanchéité s’étendant radialement vers l’intérieur dudit carter.
Pour fabriquer un carter en alliage base titane d’un seul tenant, on doit généralement, former la portion principale annulaire et les portions secondaires dans le même matériau. En outre il est souvent difficile de travailler par fonderie les carters de grandes dimensions en alliage base titane. Il existe donc un besoin pour un dispositif et un procédé de fabrication, permettant de fabriquer aisément, de manière peu coûteuse, des pièces de grande dimension. Une solution connue consiste à réaliser un apport de métal avec un dispositif de fabrication additive par dépôt de matière de type Déposition Directe de Métal (DMD). La fabrication additive permet de réaliser, d’un seul tenant, des pièces de grandes dimensions présentant des formes complexes. Cependant cette méthode entraîne la génération de microstructures colonnaires, non acceptables pour des pièces sollicitées mécaniquement. En sus, cette méthode génère des contraintes résiduelles dans la pièce qui peuvent conduire à une rupture de celle-ci lors de la fabrication.
En conséquence, il serait souhaitable d’avoir une solution permettant de fabriquer, par dépôt de matière, une pièce présentant une meilleure structure cristalline. PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION
Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif de fournir un dispositif de fabrication permettant de déposer de la matière pour fabriquer des pièces présentant de meilleures propriétés cristallines diminuant les contraintes résiduelles dans la pièce fabriquée.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de fabrication d’une pièce en matière métallique, comprenant un organe de dépôt de ladite matière métallique. Le dispositif comprend en outre un organe de choc de la matière en cours de dépôt par émission d’un faisceau énergétique, de sorte à modifier localement sa structure cristalline.
Les revendications dépendantes seront collées ici après accord sur le texte
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est un schéma d’un dispositif selon l’invention,
- la figure 2 est un schéma de la focalisation d’un faisceau laser de choc sur la matière déposée.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dispositif de fabrication
Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif 1 de fabrication d’une pièce 100 en alliage base titane. Le dispositif 1 de fabrication comprend essentiellement un organe de dépôt 2 d’un cordon 101 de métal fondu (pour former la pièce 100) et au moins un organe de choc 4 émettant un faisceau énergétique 5.
Organe de dépôt
Typiquement, l’organe de dépôt 2 est un organe de dépôt connu du type DMD.
Ainsi, l’organe de dépôt 2 peut comprendre une tête de dépôt 21 émettant un faisceau énergétique (par exemple un faisceau d’électron ou un laser) qui rencontre un fil de métal ou un flux de poudre métallique issu d’une réserve de matière 22. Le faisceau de la tête de dépôt 21 est focalisé afin de faire fondre le métal. La tête de dépôt 21 permet de déposer le métal fondu sous forme de cordons 101. Préférentiellement, le métal déposé peut être un alliage base titane, typiquement un alliage du type TA6V.
Selon le mode de réalisation ici présenté, la tête de dépôt 21 est alimentée par une première source électrique 8a.
Organe de choc
L’organe de choc 4 est une disposition particulièrement avantageuse de l’invention. Selon le mode de réalisation ici présenté, l’organe de choc 4 est un laser. Cependant, selon d’autre mode de réalisation. D’une manière générale et tel que cela sera précisé ci-après, l’organe de choc 4 est adapté pour focaliser le faisceau énergétique 5 sur le cordon 101 de matière venant d’être déposé, pour modifier la structure cristalline de la pièce 100 en métal, en particulier en une structure sensiblement équiaxe. Comme cela sera précisé, ci -après, l’organe de choc permet d’écrouir localement la matière et de propager une onde mécanique dans la pièce. Tel que cela sera détaillé ci-après, ladite onde mécanique permet de détendre la matière (i. e. en modifier la structure cristalline), pour supprimer d’éventuelles contraintes résiduelles. D’une manière préférée, l’organe de choc 4 est un laser pulsé de type nanoseconde, adapté pour émettre des impulsions sur une durée de 5 à 150 nanosecondes. D’une manière particulièrement préférée, le laser émet des impulsions d’une durée de 10 à 100 nanosecondes. Par ailleurs, le faisceau laser présente préférentiellement une énergie comprise entre 5 et 15 Joules, et particulièrement préférentiellement entre 9 et 1 1 Joules. Tel que cela sera décrit ci- après, l’organe de choc 4 est positionné de sorte à pouvoir focaliser le faisceau énergétique 5 sur un cordon 101 précédemment déposé par l’organe de dépôt 2.
De plus, le laser possédera une fréquence comprise entre 5Hz et 15Hz, et préférentiellement entre 9 et 1 1 Hz.
Selon le mode de réalisation ici présenté, l’organe de choc 4 est alimenté par une deuxième source électrique 8b.
Il est précisé que le dispositif 1 pourrait être alimenté par une unique source électrique. L’utilisation de deux sources distinctes permet de répondre au mieux aux appels de puissance du laser de l’organe de choc 4.
Asservissement
L’organe de dépôt 2 et l’organe de choc 4 sont asservis et synchronisés. En effet, tel que cela sera décrit ci-après, il est nécessaire que l’organe de choc 4 focalise le faisceau énergétique 5 sur le cordon 101 de matière récemment déposé et à une température définie (qui sera précisée ultérieurement). En conséquence, l’organe de dépôt 2 et l’organe de choc 4 peuvent être fixés à un même bras de robot. Il est aussi possible que l’organe de dépôt 2 et l’organe de choc 4 soient chacun fixés sur un bras de robot distinct. Cette disposition offre une plus grande liberté dans les générations de trajectoire. Dans ce cas, les deux bras doivent être asservis et pilotés en correspondance.
En outre, le dispositif 1 peut comprendre un asservissement en température comprenant une caméra couplée à un pyromètre. Ainsi, il est possible de contrôler en permanence la température du dispositif 1 et plus particulièrement, la température des cordons 101.
Dans l’exemple ici présenté, dans le cas d’un dépôt d’un alliage base titane de type TA6V,il est intéressant de bloquer la croissance des grains avant le changement de phase du matériau vers 800°C. En conséquence, le choc doit être effectué juste après la solidification et avant que la microstructure ne soit formée. D’une manière particulièrement avantageuse, l’utilisation d’un laser comme organe de choc 4 permet de réaliser les chocs en cours de refroidissement de 1600 °C à 800 °C ce qui maximise l’effet sur la microstructure. Pour rappel le choc permet de mettre une contrainte dans une direction ce qui permet d’empêcher la croissance de grains dans cette même direction. On obtient donc une microstructure équiaxe, donc isotrope, qui possède de meilleures propriétés mécaniques.
Afin de synchroniser le choc laser avec le déplacement de l’organe de dépôt 2, il faut maîtriser la distance entre le bain liquide généré par l’organe de dépôt 2 et la zone de choc. Cette distance doit être suffisamment faible pour garder une température élevée (par exemple supérieure à 800°C) mais suffisamment grande pour ne pas perturber le dépôt (par exemple inférieure à 1600°C). En estimant le gradient de refroidissement du cordon déposé et la vitesse d'avance de l’organe de dépôt 2, cette distance doit être comprise entre 5mm-50mm. Les nombreux paramètres et variabilités propres aux différents procédés de dépôt ne permettent pas d'imposer simplement cette distance. Afin de contrôler celle-ci, comme indiqué précédemment, un asservissement en température est réalisé.
Pour se faire, un pyromètre mesure la température au centre de la zone de choc afin de générer un signal TTL qui permet de piloter le déclenchement du choc laser. Un délai d'attente entre deux impulsions laser est imposé afin de tenir compte du diamètre de la zone de choc.
Ce temps d'attente (toff) est calculé de façon a prendre en compte le taux (pourcentage) de recouvrement (Tau), le diamètre du choc souhaité (D) et la vitesse d'avance (V) de la buse de dépôt donnée par la commande numérique selon la formule toff=(D*(1 -Tau/100))/A. Le pyromètre peut être substitué par une caméra thermique avec un suivi de température par traitement d'image. De la même façon, un signal est généré en fonction du niveau de valeur de pixel au centre de la zone de choc pour déclencher le tir.
Enceinte close
D’une manière avantageuse, le dispositif 1 peut présenter une enceinte close (non représentée) permettant de fabriquer la pièce 100 dans une atmosphère contrôlée. Un inducteur peut permettre de piloter la température de la pièce. L’inducteur est préférentiellement relié aux dispositifs de contrôles de la température, afin de garantir un pilotage fin de la température.
Procédé de fabrication et fonctionnement du dispositif
Selon un deuxième aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication d’une pièce 100 en alliage de titane, utilisant le dispositif 1.
Essentiellement, le procédé comprend le dépôt de cordons 101 de métal pour former une pièce 100 métal, et la focalisation du faisceau énergétique 5 sur au moins l’un des cordons 101 pour modifier la structure cristalline de la pièce 100 en métal en une structure équiaxe.
Plus précisément, l’organe de dépôt 2 dépose des cordons 101 , selon une trajectoire déterminée, pour fabriquer une pièce 100. Le principe est celui bien connu de la fabrication additive. Ainsi, la pièce 100 est fabriquée couche par couche en déposant successivement des cordons 101 de métal fondu. Parallèlement, l’organe de choc 4 vient focaliser le faisceau 5 sur les cordons 101 pour en modifier la microstructure cristalline et par la même modifier la structure cristalline de l’ensemble de la pièce 100.
Tel que schématisé sur la figure 2, lors de la focalisation d’un faisceau laser sur un cordon 101 déposé sur la pièce 100 en construction, un plasma 103 se forme lors de l’impact de faisceau laser sur la goutte 101. L’énergie dégagée par la formation du plasma génère une onde mécanique 105 qui va à la fois casser les microstructures métalliques du cordon 101 (pour obtenir in fine une microstructure équiaxe) et écrouir localement la matière. En sus, l’onde mécanique 105, en se propageant dans la pièce 100 en construction va détendre la matière et ainsi supprimer les éventuelles contraintes résiduelles. En d’autres termes, la matière est localement contrainte (écrouissement) mais globalement détendue. Pour une meilleure compréhension, le phénomène en jeu peut être comparé à du forgeage. Ainsi, localement au point d’impact du marteau de forge la matière est écrouie, mais globalement, l’onde de choc de l’impact détend les structures internes de la pièce. Il est précisé qu’il s’agit là uniquement d’une comparaison pour expliquer le procédé selon l’invention. La contrainte locale de chaque cordon 101 est détendue lors du dépôt de couches supérieures de cordons 101 et de la propagation d’ondes mécaniques liées aux impacts lasers sur les cordons 101 des couches supérieures.
Ainsi, d’une manière particulièrement avantageuse, la focalisation d’un faisceau énergétique 5 successivement au dépôt du cordon 101 permet de changer la microstructure de la pièce 100 lors de sa fabrication et ainsi d’éviter la formation de longs grains colonnaires et la génération de contraintes résiduelles.
Il est précisé que le résultat optimal est atteint lorsque le faisceau énergétique 5 est focalisé sur un cordon 101 présentant une température comprise entre 30°C et 200°C, et préférentiellement entre 50°C et 150°C.
Pièce obtenue par le procédé
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une pièce 100 directement obtenue par le procédé selon l’invention. Tel que détaillé précédemment, le procédé selon l’invention permet de fabriquer une pièce de grande dimension pouvant présenter une géométrie complexe.
La pièce 100 peut, par exemple, être un carter d’une turbomachine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1 ) de fabrication d’une pièce (100) en matière métallique, comprenant un organe de dépôt (2) de ladite matière métallique, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un organe de choc (4) de la matière en cours de dépôt par émission d’un faisceau énergétique (5), de sorte à modifier localement sa structure cristalline.
2. Dispositif (1 ) selon la revendication 1 dans lequel l’organe de dépôt (2) est configuré pour déposer des cordons (101 ) de métal fondu.
3. Dispositif (1 ) selon la revendication 2 dans lequel l’organe de dépôt (2) est configuré pour déposer des cordons (10) d’un alliage base titane fondu.
4. Dispositif (1 ) selon la revendication 2 dans lequel l’organe de choc (4) est configuré pour focaliser le faisceau énergétique (5) sur au moins l’un des cordons (101 ).
5. Dispositif (1 ) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’organe de choc (4) est adapté pour modifier localement la structure cristalline en une structure sensiblement équiaxe.
6. Dispositif (1 ) de fabrication selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit organe de choc (4) est un laser, préférentiellement un laser pulsé présentant une durée d’impulsion comprise entre 5 nanosecondes et 150 nanosecondes.
7. Dispositif (1 ) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une enceinte close confinant l’organe de dépôt (2) et l’organe de choc (4).
8. Dispositif (1 ) selon la revendication 6, comprenant un inducteur permettant de réguler une température dans l’enceinte close, une caméra couplée à un pyromètre permettant de visualiser la pièce et de mesurer la température avant l’émission du faisceau énergétique (5) par l’organe de choc (4).
9. Procédé de fabrication d’une pièce (100) en alliage base titane, utilisant un dispositif (1 ) selon l’une des revendications 1 à 7, le procédé comprenant la focalisation d’un faisceau énergétique (5) sur de la matière en cours de dépôt, pour modifier localement la structure cristalline de la matière.
10. Procédé selon la revendication 8 comprenant l’écrouissage local de la matière par le faisceau énergétique (5).
11. Procédé selon les revendications 2, 4 et 9 en combinaison dans lequel, au contact dudit cordon (101 ), le laser génère un plasma (103), la génération du plasma (103) dégageant une onde mécanique (105) écrouissant le cordon (101 ) et détensionnant au moins une portion de la pièce (100).
12. Pièce (100) directement obtenue par un procédé selon l’une des revendications 8 à 10.
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