EP3993922A1 - Procede de fabrication d'une piece metallique - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece metallique

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Publication number
EP3993922A1
EP3993922A1 EP20747067.5A EP20747067A EP3993922A1 EP 3993922 A1 EP3993922 A1 EP 3993922A1 EP 20747067 A EP20747067 A EP 20747067A EP 3993922 A1 EP3993922 A1 EP 3993922A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
mold
metal
metallic material
wax
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20747067.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cédric Pierre Jacques COLAS
François PICHOT
Hugo Sistach
Josserand Jacques André BASSERY
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
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP3993922A1 publication Critical patent/EP3993922A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/043—Removing the consumable pattern
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • TITLE PROCESS FOR MANUFACTURING A METAL PART
  • the present invention relates to the manufacture of turbomachine parts, such as blades, distributors and housings.
  • turbomachines In the field of turbomachines, current research is directed towards improving and optimizing the performance of turbomachines and component subsystems. It is known that the performance of turbomachines depends in part on their operating temperature. In particular, a high operating temperature of the turbine has a significant impact on improving the efficiency of the turbine engine as a whole.
  • This technique consists in making a wax model (or another equivalent temporary material) of the part that is to be molded.
  • the wax model is then subjected to successive soaking in slurries made up of a suspension of ceramic particles to make, by so-called stucco and drying operations, a ceramic shell mold.
  • the shell mold is subsequently dewaxed, an operation consisting in removing from the shell mold the wax or the temporary material constituting the original model,
  • the aim of the invention is in particular to provide a simple, effective and economical solution to the limits of the prior art.
  • the present invention relates firstly to a method of manufacturing a metal part of a turbomachine comprising at least a first metal material and at least a second metal material, the chemical compositions of said first and second materials being different, the method comprises the steps following:
  • step c) making a shell mold with a first ceramic around the assembly obtained at the end of step c);
  • step f) removing any ceramic present in said assembly obtained at the end of step e) so as to obtain a metallic part comprising the first metallic material and the second metallic material.
  • the advantage of this process is that it makes it possible to obtain a part with a metallic composite structure, that is to say comprising two different metals, associated so as to lighten the parts obtained for example, or even by judiciously choosing the pairs of metals, to functionalize the parts of the parts created using different metals for the internal structure of the part, and different metals for the external structure of the part.
  • the element can be manufactured by additive manufacturing such as selective laser sintering, selective laser melting, laser metal deposition or powder metallurgy such as the metal powder injection molding process.
  • the element can include at least a second ceramic part in contact with the first part of the element.
  • the metal part makes it possible to produce bimetallic parts, in order to make the best use, according to their arrangements in the structure of the part, of the advantages of metals.
  • the ceramic part makes it possible to create cavities in the internal structure of the part. These cavities can have different arrangements:
  • this cavity can be placed between the two metals used for the design of the part;
  • this cavity can be placed inside one of said constituent metals of the part.
  • the realization of the second ceramic part of the element can consist of:
  • Such an arrangement of the element in the mold makes it possible to create an inter-metal cavity between the first constituent metal, in part, of the element and the second metal.
  • the part By covering only part of the element, the part includes an interface between the first metal and the second metal which are in contact with each other. This interface allows the junction between the metal parts of the part.
  • the first metallic part of the element can include at least one cavity in fluid communication with the exterior.
  • this cavity when it is kept empty in the final part, makes it possible to cool the part during its use by the circulation of air inside it. It can also be filled with the second metallic material so as to obtain a bimetallic element.
  • Step b) can be preceded by the following step:
  • a second ceramic is then used, to prevent, during the casting of the second metal, that it enters the cavity.
  • the removal of this second ceramic in step f) leaves room for the cavity inside the part which may open onto the surface of the final part.
  • the removal of at least one of the first ceramic and the second ceramic can be accomplished by chemical dissolution.
  • the first and second ceramics can have the same chemical composition. This allows in particular, during the step of removing all the ceramics present in the structure, to be carried out for example once by chemical dissolution.
  • the first metallic material can be a metal and / or an alloy.
  • the second metallic material can be a metal and / or an alloy.
  • the first and second materials can be chosen from the following materials: titanium (which may be weakly oxygenated), TiAI (more or less loaded with aluminum or titanium), refractory nickel, aluminum, copper, nickel-based alloy, Cobalt-based alloy.
  • the first metallic part of the element may include a lattice structure.
  • the lattice structure obtained by any suitable manufacturing technique, can then be produced so as to present a more complex cavity structure than what is currently produced, such as for example a network of cooling channels.
  • a lattice structure also makes it possible to provide better mechanical properties while making the part lighter, and this more so by choosing a first material that is lighter than the second material.
  • lattice is understood to mean a lattice structure corresponding to an assembly of intersecting metal segments linked to each other so as to form a rigid assembly.
  • the metal part may be a turbine engine blade.
  • FIG. 1 is a flowchart representing steps of the process according to the invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a first embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a second embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a third embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 1 is a flowchart showing the course of the method according to the invention.
  • the method according to the invention aims to produce a metal part of a turbomachine, such as for example a turbomachine blade.
  • the method makes it possible in particular to produce metallic parts comprising a first metallic material and at least one second metallic material of chemical composition identical to or different from that of the first material.
  • a part with more than two metallic materials by following the process detailed here.
  • the first step A of the process consists in obtaining an element 2 of which at least a first metallic part 4 is produced by in the first metallic material.
  • the element can be made using any suitable technique. For example, when the element is solid or has a simple shape, it can be envisaged to manufacture it by foundry.
  • Step A ’of FIG. 2 illustrates the example of an element 2 produced according to a first embodiment.
  • Element 2 is made entirely from the first metallic material and is solid. It can be obtained by three-dimensional printing, that is, by additive manufacturing.
  • the second step B of the process consists in placing the element 2 in a first mold 6 and in pouring wax 8 into the mold to at least partially cover said element 2, the first mold 6 having an imprint corresponding to at least a part. an external surface of the metal part.
  • the wax 8 covers at least part of the element 2 disposed entirely in the first mold 6.
  • the first mold 6, having the internal shape, is that is, an imprint, of the desired final part, is a conventional mold as used in the lost wax or plastic injection process.
  • the wax 8 it is of course possible for the wax 8 to cover the entire surface of the element 2. For this, it is necessary to provide retaining or support means making it possible to maintain the element 2 in a predetermined position in the first. mold 6, when the wax is poured into the first mold 6.
  • the third step C of the process consists in obtaining an assembly 10 by removing said first mold 6.
  • the assembly 10 obtained comprises the metallic element 2 and the wax 8. , the outer surface of which corresponds to the outer surface of the part to be manufactured.
  • the fourth step D of the process aims to produce a shell mold 12 with a first ceramic around the assembly 10 obtained at the end of step c).
  • the assembly 10 obtained is dipped several times in slurries made up of suspensions of ceramic particles constituting the first ceramic, in order to make, by stuccoing and drying operations, the shell mold 12.
  • Step D ′ of FIG. 2 illustrates the formation of the shell mold 12 on the outer surface of the assembly 10 obtained.
  • the fifth step E ' consists of removing the wax 8 from said shell mold 12 and pouring the second metallic material inside the shell mold 12 in place of the wax 8.
  • the shell mold 12 of the part to be manufactured is torn off.
  • the dewaxing is an operation during which the wax 8 is removed from the shell mold 12 around which the shell mold 12 has been partially produced. After removal of the wax 8, a shell mold 12 is obtained, the internal face of which, formed following the removal of the wax, reproduces the external face of the final part to be manufactured.
  • the resulting ceramic shell mold 12 contains the element 2 made from the first metallic material. It then undergoes heat treatment at high temperature or
  • the second metallic material 14 is cast inside the shell mold 12, in place of the wax 8, as shown in Figure 2 in step E'2, to obtain the desired final part.
  • the second molten metallic material 14 is cast inside the mold 12 so as to occupy the voids between the interior walls and the element 2 made of the second metallic material 14.
  • the sixth step F consists in removing any ceramic present in said assembly 16 obtained at the end of the fifth step E so as to obtain a metallic part 18 comprising the first metallic material and the second material metallic 14.
  • the only ceramic present in the assembly 16 obtained at the end of the fifth step E is the ceramic of the shell mold 12.
  • the removal of the shell mold may for example consist of break it by an unhooking operation.
  • the assembly 18 obtained, illustrated in step F 'of FIG. 2, is then the final part.
  • This is made of two metallic materials, thus qualifying as a metallic composite.
  • the mechanical and thermal resistance requirements being separate for the parts forming the outer part of the blade and the inner part of the blade, it is a question of use this process to make the part in at least two distinct materials, chosen judiciously, with regard to the strength requirements of the different parts.
  • Figure 3 illustrates a second embodiment according to the invention.
  • the element 2 comprises a second ceramic part 20 in contact with the first part 4 of the element 2.
  • the element 2 used comprises two parts: a first part 4 made of a first metallic material and a second part 20 made of ceramic.
  • a first part 4 made of a first metallic material and a second part 20 made of ceramic.
  • An example of item 2 is shown in step A ”of Figure 3.
  • the production of the second ceramic part 20 of the element 2 consists of:
  • a second ceramic is cast at least in part around the first part 4 of the element 2 made of the first metallic material.
  • the second ceramic 20 used may have a different chemical composition from the first ceramic, or the same chemical composition.
  • the shape of the ceramic part of element 2 corresponds to the footprint of the second mold, that is to say the interior shape of the second mold.
  • step B in the second step, the element 2 is placed in a first mold 6, and is held there immobile during the casting of the wax 8 in the first mold 6.
  • the first mold 6 is then removed, making it possible to obtain the assembly 10 illustrated in step C ”, comprising the element 2 and the wax 8.
  • a shell mold 12 is made with the first ceramic, as detailed previously, around the obtained assembly 10, as visible in step D ".
  • the wax 8 is removed from the shell mold 12 and is replaced, by a casting, by the second metallic material 14 in fusion.
  • the part 18 is obtained following the removal of any ceramic present in the assembly 16 obtained at the end of the fifth step E as illustrated in FIG. F ”.
  • the assembly 16 of the second embodiment comprises two ceramics: a first ceramic constituting the shell mold 12 and a second ceramic 20 constituting the element 2.
  • the first and second ceramics are removed from the assembly obtained at the end of the fifth step.
  • the removal of these two ceramics can be delayed or simultaneous. Also, the removal of one or both of these ceramics can be achieved by chemical dissolution.
  • the assembly 16 illustrated in step E2 "is immersed in a chemical bath, comprising, for example, caustic soda or any other chemical compound suitable for dissolving ceramic.
  • the first metal part 4 of the element 2 comprises cavities 24, which may also be called interstices, in fluid communication with the outside.
  • the metal part comprises a lattice structure 26, obtained by additive manufacturing (or three-dimensional printing).
  • Such a structure 26 makes it possible to lighten the part 18 while providing better mechanical properties. Also, in this way, the lattice structure 26 of the first metal part can constitute a cooling network increasing the heat exchange surface compared to the cooling circuits of the prior art.
  • the lattice structure 26 of the first metal part 4 of the element 2 is a lattice structure, corresponding to an assembly of metal segments crisscrossed and held together to form a rigid assembly.
  • the second part 20 of the element 2 in ceramic is produced.
  • element 2 is obtained, as illustrated in step A2 ’” of Figure 4, by at least partially filling the cavities 24 of element 2 with the second ceramic.
  • the first part 4 composed of a lattice structure 26 can be placed in a mold, where the second ceramic is then cast, so as to fill the cavities 24 delimited by the segments of the lattice structure 26.
  • cavities 24 are through, when the removal of the ceramics, in particular of the second ceramic, is carried out by chemical bath.
  • first metallic material and the second metallic material used are metals and / or alloys.
  • first metallic material and the second metallic material used are metals and / or alloys.
  • pairs of first and second metallic materials are possible, such as for example the following pairs:
  • the first metallic material partially constituting the element (2) may be a nickel-based alloy and the second metallic material may be titanium. Titanium makes it possible to lighten part 18.
  • the nickel base ensures the mechanical resistance of part 18. This pair of materials can be used, for example, for the manufacture of blades for central compressor stages.
  • the first metallic material partly constituting the element 2 can be titanium and the second metallic material can be low oxygen titanium, a more ductile and less resistant material.
  • This specific structure makes it possible to take up the forces thanks to the internal structure in titanium while reducing the risk of cracking on the external structure, in weakly oxygenated titanium, which is more ductile.
  • This structure can be used to make the blades of the first compressor stages.
  • the first metallic material partially constituting the element 2 can be TiAI loaded with titanium and the second metallic material can be TiAI loaded with Aluminum, a more ductile and less resistant material.
  • This specific structure makes it possible to take up the forces thanks to the internal structure in TiAI loaded with Titanium while reducing the risk of cracking on the external structure, TiAI loaded with Aluminum, which is more ductile.
  • This structure can be used to make the blades of the last turbine stages.
  • the first metallic material partially constituting the element 2 may be refractory nickel and the second metallic material may be a cobalt-based alloy. This specific structure ensures good absorption of the forces in the central part in refractory nickel and good corrosion resistance on the periphery in a cobalt-based alloy.
  • This structure can be used to make the blades for the first stages of a low pressure turbine.
  • the first metallic material partially constituting the element 2 may be made of titanium and the second metallic material may be of aluminum or copper.
  • This structure specific assures a good recovery of the forces in the central part in Titanium and good thermal exchanges in periphery in Aluminum or Copper.
  • This structure can be used to make the blades of the first stages of a compressor.
  • the final part 18 can be obtained following a machining operation of the assembly 16 obtained at the end of the sixth step of the method according to the invention.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique (18) de turbomachine comprenant au moins un premier matériau métallique et au moins un deuxième matériau métallique, les compositions chimiques desdits premier et deuxième matériaux étant différentes, le procédé comprend les étapes suivantes : a) Obtenir un élément dont au moins une première partie métallique est réalisée dans le premier matériau métallique; b) Placer l'élément dans un premier moule et couler de la cire dans le moule pour recouvrir au moins partiellement ledit élément, le premier moule ayant une empreinte correspondant à au moins une partie d'une surface externe de la pièce métallique; c) Obtenir un ensemble en retirant ledit premier moule; d) Réaliser un moule carapace avec une première céramique autour de l'ensemble obtenu à l'issue de l'étape c); e) Retirer la cire dudit moule carapace et couler le deuxième matériau métallique à l'intérieur du moule carapace à la place de la cire; f) Retirer toute céramique présente dans ledit ensemble obtenu à l'issue de l'étape e) de manière à obtenir une pièce métallique comprenant le premier matériau métallique et le deuxième matériau métallique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE METALLIQUE
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne la fabrication de pièces de turbomachine, telles que les aubes, les distributeurs et les carters.
Etat de la technique antérieure
Dans le domaine des turbomachines, les recherches actuelles sont orientées vers l’amélioration et l’optimisation des performances des turbomachines et des sous-systèmes constitutifs. Il est connu que la performance des turbomachines dépend en partie de leur température de fonctionnement. En particulier, une température élevée de fonctionnement de la turbine a un impact important sur l’amélioration de l’efficience de la turbomachine dans sa totalité.
Toutefois, en pratique, l’augmentation de la température de fonctionnement ne peut être réalisée qu’à condition d’avoir des pièces constitutives de la turbomachine, résistantes thermiquement et aux déformations. Pour cela, il est connu de réaliser des aubes
comprenant des cavités formant un circuit d”écoulement d’air de refroidissement provenant du compresseur amont.
La fabrication d’aubes comprenant de telles cavités est classiquement réalisée par fonderie à la cire perdue.
Cette technique, largement exposée dans la demande FR2874186 au nom de la déposante, consiste à réaliser un modèle en cire (ou un autre matériau provisoire équivalent) de la pièce que l’on souhaite mouler. Le modèle en cire est ensuite soumis à des trempages successifs dans des barbotines constituées d’une suspension de particules céramiques pour confectionner, par des opérations dite de stucage et de séchage, un moule carapace en céramique. Le moule carapace est par la suite déciré, opération consistant à éliminer du moule carapace la cire ou le matériau provisoire constituant le modèle d'origine,
généralement par chauffage. Du métal en fusion est alors coulé dans le moule carapace, qui est, après refroidissement du métal, cassé mécaniquement pour obtenir la pièce métallique moulée.
Pour réaliser les cavités de circulation d’air à l’intérieur de l’aube, il est nécessaire d’incorporer au modèle de cire un ou plusieurs noyaux en céramique, définissant après retrait du ou desdits noyaux, des cavités formant des canaux de circulation d’un flux d’air de refroidissement.
Ce procédé permet ainsi d’obtenir des pièces résistantes aux températures de
fonctionnement de la turbomachine, et allégées, grâce à l’aménagement des cavités, ce qui participe également à l’optimisation de fonctionnement de la turbomachine. Néanmoins, ce procédé reste limité, en particulier au regard de la géométrie des canaux de refroidissement pouvant être réalisés. Leur géométrie reste globalement simplifiée et limitée par la technologie utilisée puisque les noyaux sont également obtenus par fonderie.
Egalement, ce procédé ne permet pas d’alléger davantage les pièces ainsi réalisées, tout en maintenant une résistance thermique et mécanique respectant les exigences de conception de telles pièces.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique aux limites de l’art antérieur.
Résumé de l’invention
La présente invention concerne tout d’abord un procédé de fabrication d’une pièce métallique de turbomachine comprenant au moins un premier matériau métallique et au moins un second matériau métallique, les compositions chimiques desdits premier et second matériaux étant différentes, le procédé comprend les étapes suivantes :
a) obtenir un élément dont au moins une première partie métallique est réalisée par dans le premier matériau métallique ;
b) placer l’élément dans un premier moule et couler de la cire dans le moule pour recouvrir au moins partiellement ledit élément, le premier moule ayant une empreinte correspondant à au moins une partie d’une surface externe de la pièce métallique ;
c) obtenir un ensemble en retirant ledit premier moule ;
d) réaliser un moule carapace avec une première céramique autour de l’ensemble obtenu à l’issue de l’étape c) ;
e) retirer la cire dudit moule carapace et couler le second matériau métallique à l’intérieur du moule carapace à la place de la cire ;
f) retirer toute céramique présente dans ledit ensemble obtenu à l’issue de l’étape e) de manière à obtenir une pièce métallique comprenant le premier matériau métallique et le second matériau métallique.
L’intérêt de ce procédé est de permettre d’obtenir une pièce avec une structure composite métallique, c’est-à-dire comprenant deux métaux différents, associés de sorte à alléger les pièces obtenues par exemple, ou encore, en choisissant judicieusement les couples de métaux, pour fonctionnaliser les parties des pièces créées en utilisant des métaux différents pour la structure interne de la pièce, et des métaux différents pour la structure externe de la pièce.
Cela permet de renforcer ou de réduire la tenue thermique et/ou mécanique de certaines parties de la pièce, ou encore d’alléger celle-ci toute en respectant les exigences de conception de tenues mécaniques et/ou thermiques. L’élément peut être fabriqué par fabrication additive tel que par frittage sélectif par laser, par fusion sélective par laser, par dépôt métallique par laser ou par métallurgie des poudres tel que le procédé de moulage par injection de poudre métallique.
L’élément peut comprendre au moins une seconde partie céramique en contact avec la première partie de l’élément.
L’utilisation d’un élément comprenant deux parties, une partie métallique, destinée à rester dans la pièce finale, et une partie céramique destinée à être retirée pour obtenir la pièce finale, permet de conférer à l’élément une double fonction dans ce procédé de réalisation de pièces.
La partie métallique permet comme évoqué plus haut, de réaliser des pièces bimétalliques, afin de tirer parti au mieux, selon leurs dispositions dans la structure de la pièce, des avantages des métaux.
La partie céramique permet de créer des cavités, dans la structure interne de la pièce. Ces cavités peuvent avoir différentes dispositions :
inter-métaux : cette cavité peut être disposée entre les deux métaux utilisés pour la conception de la pièce ;
intra-métaux : cette cavité peut être disposée à l’intérieur d’un desdits métaux constitutif de la pièce.
Ces cavités, permettent, lorsqu’elles sont débouchantes au niveau de la surface extérieure de la pièce obtenue à l’issue du précédé selon l’invention, de refroidir celle-ci par la circulation d’air dans lesdites cavités.
La réalisation de la seconde partie céramique de l’élément peut consister à :
disposer la première partie métallique de l’élément au moins en partie dans un deuxième moule ; et
remplir le deuxième moule d’une seconde céramique.
Une telle disposition de l’élément dans le moule permet, de créer une cavité inter-métaux, entre le premier métal constitutif, en partie, de l’élément et le deuxième métal. En recouvrant qu’en partie l’élément, la pièce comprend une interface entre le premier métal et le deuxième métal qui sont en contact l’un de l’autre. Cette interface permet la jonction entre les parties métalliques de la pièce.
La première partie métallique de l’élément peut comprendre au moins une cavité en communication fluidique avec l’extérieur.
Ainsi, comme évoqué précédemment, cette cavité, lorsqu’elle est maintenue vide dans la pièce finale, permet de refroidir la pièce lors de son utilisation par la circulation d’air à l’intérieur de celle-ci. Elle peut également, être remplie par le deuxième matériau métallique de sorte à obtenir un élément bimétallique. L’étape b) peut être précédée de l’étape suivante :
remplir au moins partiellement ladite au moins une cavité de l’élément avec la seconde céramique.
Lorsqu’on souhaite maintenir la cavité vide dans la pièce finale, une seconde céramique est alors utilisée, pour empêcher, lors de la coulée du deuxième métal, que celui-ci pénètre dans la cavité. Le retrait de cette seconde céramique à l’étape f) laisse place à la cavité à l’intérieur de la pièce qui peut être débouchante en surface de la pièce finale.
L’élimination d’au moins l’une de la première céramique et de la seconde céramique peut être réalisée par dissolution chimique.
Les première et seconde céramiques peuvent présenter une même composition chimique. Cela permet en particulier, lors de l’étape de retrait de toutes les céramiques présentes dans la structure, de l’effectuer par exemple en une fois par dissolution chimique.
Le premier matériau métallique peut être un métal et/ou un alliage. Egalement, le deuxième matériau métallique peut être un métal et/ou un alliage.
Par exemple, les premier et deuxième matériaux peuvent être choisis parmi les matériaux suivants : Titane (pouvant être faiblement oxygéné), TiAI (plus ou moins chargé en aluminium ou en titane), Nickel réfractaire, Aluminium, Cuivre, alliage à base de Nickel, Alliage à base de Cobalt.
La première partie métallique de l’élément peut comprendre une structure lattice.
La structure lattice, obtenue par toute technique de fabrication adaptée, peut alors être réalisée de sorte à présenter une structure de cavité plus complexe que ce qui est aujourd’hui réalisé, comme par exemple un réseau de canaux de refroidissement. Une structure lattice permet en outre de procurer de meilleures propriétés mécaniques tout en allégeant la pièce, et ceci davantage en choisissant un premier matériau plus léger que le deuxième matériau.
Par lattice, on entend une structure treillis correspondant à un assemblage de segments métalliques entrecroisés et liés les uns aux autres de sorte à former un ensemble rigide.
La pièce métallique peut être une aube de turbomachine.
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.
Brève description des figures
[Fig. 1] est un ordinogramme représentant des étapes du procédé selon l’invention ;
[Fig. 2] est un schéma illustrant un premier mode de réalisation du procédé selon l’invention ; [Fig. 3] est un schéma illustrant un deuxième mode de réalisation du procédé selon l’invention ; [Fig. 4] est un schéma illustrant un troisième mode de réalisation du procédé selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 est un ordinogramme représentant le déroulement du procédé selon l’invention. Le procédé selon l’invention vise à réaliser une pièce métallique de turbomachine, tel que par exemple une aube de turbomachine.
Le procédé permet notamment de réaliser des pièces métalliques comprenant un premier matériau métallique et au moins un deuxième matériau métallique de composition chimique identique ou différente de celle du premier matériau. Bien entendu, il est envisageable de réaliser une pièce avec plus de deux matériaux métalliques, en suivant le procédé ici détaillé.
La première étape A du procédé consiste à obtenir un élément 2 dont au moins une première partie métallique 4 est réalisée par dans le premier matériau métallique. L’élément peut être réalisé au moyen de toute technique adaptée. Par exemple, lorsque l’élément est plein ou présente une forme simple, il peut être envisagé de le fabriquer par fonderie.
L’étape A’ de la figure 2 illustre l’exemple d’un élément 2 réalisé selon un premier mode de réalisation. L’élément 2 est entièrement réalisé dans le premier matériau métallique et est plein. Il peut être obtenu par impression tridimensionnelle, c’est-à-dire par fabrication additive.
La deuxième étape B du procédé consiste à placer dans un premier moule 6 l’élément 2 et à couler de la cire 8 dans le moule pour recouvrir au moins partiellement ledit élément 2, le premier moule 6 ayant une empreinte correspondant à au moins une partie d’une surface externe de la pièce métallique.
Comme on peut le voir sur l'étape B’ de la figure 2, la cire 8 recouvre au moins une partie de l’élément 2 disposé intégralement dans le premier moule 6. Le premier moule 6, ayant la forme intérieure, c’est-à-dire une empreinte, de la pièce finale souhaitée, est un moule classique tel qu’utilisé dans le procédé à la cire perdue ou en injection plastique.
Il est bien sûr possible, que le la cire 8 recouvre toute la surface de l’élément 2. Pour cela, il est nécessaire de prévoir des moyens de retenue ou de support permettant de maintenir l’élément 2 dans une position prédéterminée dans le premier moule 6, lors de coulée de la cire dans le premier moule 6.
La troisième étape C du procédé consiste à obtenir un ensemble 10 en retirant ledit premier moule 6. Comme on peut le voir à l’étape C’de la figure 2, l’ensemble 10 obtenu comprend l’élément 2 métallique et la cire 8, dont la surface extérieure correspond à la surface extérieure de la pièce que l’on souhaite fabriquer.
La quatrième étape D du procédé vise à réaliser un moule carapace 12 avec une première céramique autour de l’ensemble 10 obtenu à l’issue de l’étape c). Pour cela, l’ensemble 10 obtenu est trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées de suspensions de particules céramiques constituant la première céramique, pour confectionner, par des opérations de stucage et de séchage le moule carapace 12. L’étape D’ de la figure 2 illustre la formation du moule carapace 12 sur la surface extérieure de l’ensemble 10 obtenu.
La cinquième étape E’ consiste à retirer la cire 8 dudit moule carapace 12 et couler le deuxième matériau métallique à l’intérieur du moule carapace 12 à la place de la cire 8.
Ainsi, comme illustré à l’étape E1’ de la figure 2, le moule carapace 12 de la pièce à fabriquer est déciré. Le décirage est une opération au cours de laquelle on retire du moule carapace 12 la cire 8 autour duquel le moule carapace 12 a été en partie réalisé. Après le retrait de la cire 8, on obtient un moule carapace 12 dont la face interne, formée suite à l'élimination de la cire, reproduit la face externe de la pièce finale à fabriquer.
Le moule carapace 12 en céramique obtenu, renferme l’élément 2 réalisé dans le premier matériau métallique. Il subit ensuite un traitement thermique à haute température ou
« cuisson » qui lui confère les propriétés mécaniques nécessaires à la coulée du deuxième matériau métallique 14. Un contrôle de l’intégrité interne et externe du moule carapace 12 obtenu est réalisé.
Ainsi, le deuxième matériau métallique 14 est coulé à l’intérieur du moule carapace 12, à la place de la cire 8, comme illustré à la figure 2 à l’étape E’2, pour obtenir la pièce finale souhaitée.
Pour cela, le deuxième matériau métallique 14 en fusion est coulé à l’intérieur du moule 12 de sorte à venir occuper les vides entre les parois intérieures et l’élément 2 réalisé dans le deuxième matériau métallique 14.
Après la coulée du deuxième matériau métallique 14, la sixième étape F consiste à retirer toute céramique présente dans ledit ensemble 16 obtenu à l’issue de la cinquième étape E de manière à obtenir une pièce métallique 18 comprenant le premier matériau métallique et le deuxième matériau métallique 14.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, la seule céramique présente dans l’ensemble 16 obtenu au terme de la cinquième étape E est la céramique du moule carapace 12. Dans ce cas, le retrait du moule carapace peut par exemple consister à le casser par une opération de décochage.
L’ensemble 18 obtenu, illustré à l’étape F’ de la figure 2, est alors la pièce finale. Celle-ci est composée de deux matériaux métalliques, pouvant ainsi être qualifiée de composite métallique. Ainsi, lors de la réalisation d’une aube de turbomachine par exemple, les exigences de tenue mécanique et thermique étant distinctes pour les parties formant la partie extérieure de l’aube et la partie intérieure de l’aube, il s’agit d’utiliser ce procédé pour réaliser la pièce en au moins deux matériaux distincts, choisis judicieusement, aux regard des exigences de tenue des différentes parties.
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation selon l’invention.
Dans ce mode de réalisation, l’élément 2 comprend une seconde partie céramique 20 en contact avec la première partie 4 de l’élément 2.
Ainsi, l’élément 2 utilisé comprend deux parties : une première partie 4 réalisée dans un premier matériau métallique et une deuxième partie 20 réalisée en céramique. Un exemple de l’élément 2 est illustré à l’étape A” de la figure 3.
Pour fabriquer un tel élément 2, suite à la fabrication de la première partie 4 métallique de l’élément 2, par exemple par fabrication additive, la réalisation de la seconde partie 20 céramique de l’élément 2 consiste à :
Disposer la première partie 4 métallique de l’élément 2 au moins en partie dans un deuxième moule ;
Remplir le moule d’une seconde céramique.
Ainsi, une seconde céramique est coulée au moins en partie autour de la première partie 4 de l’élément 2 réalisée dans le premier matériau métallique. La seconde céramique 20 utilisée peut présenter une composition chimique différente de la première céramique, ou une même composition chimique.
La forme de la partie céramique de l’élément 2 correspond à l’empreinte du deuxième moule, c’est-à-dire à la forme intérieure du deuxième moule. Une fois la céramique coulée, l’élément 2, constitué de la partie céramique 20 et de la partie 4 dans le premier matériau métallique, est démoulé, c’est-à-dire retiré du moule.
Les étapes suivantes du procédé de ce deuxième mode de réalisation sont identiques aux étapes deux à cinq du mode de réalisation présenté en référence à la figure 2.
Comme on peut le voir sur la figure 3, à l’étape B”, dans la deuxième étape, l’élément 2 est disposé dans un premier moule 6, et y est maintenu immobile lors de la coulée de la cire 8 dans le premier moule 6. Le premier moule 6 est ensuite retiré, permettant d’obtenir l’ensemble 10 illustré à l’étape C”, comprenant l’élément 2 et la cire 8.
Ensuite, dans une quatrième étape, un moule carapace 12 est réalisé avec la première céramique, comme détaillé précédemment, autour de l’ensemble obtenu 10, comme visible à l’étape D”. Puis, dans une cinquième étape, comme illustré aux étapes E1” et E2”, la cire 8 est retirée du moule carapace 12 et est remplacée, par une coulée, par le deuxième matériau métallique 14 en fusion.
La pièce 18 est obtenue suite au retrait de toute céramique présente dans l’ensemble 16 obtenu à l’issue de la cinquième étape E tel qu’illustré à la figure F”. Contrairement au premier mode de réalisation, l’ensemble 16 du deuxième mode de réalisation comprend deux céramiques : une première céramique constitutive du moule carapace 12 et une deuxième céramique 20 constitutive de l’élément 2. Ainsi dans la sixième étape du procédé de ce deuxième mode de réalisation, les première et seconde céramiques sont retirées de l’ensemble obtenu à l’issue de la cinquième étape.
Le retrait de ces deux céramiques peut être différé ou simultané. Egalement, le retrait d’une ou de ces deux céramiques peut être réalisé par dissolution chimique. Pour cela, l’ensemble 16 illustré à l’étape E2” est plongé dans un bain chimique, comprenant par exemple de la soude caustique ou toute autre composé chimique apte à la dissolution de céramique.
Le retrait de la deuxième céramique permet la création d’une cavité 22 dans la pièce 18, telle que visible à la figure F”.
Dans un troisième mode de réalisation, illustré à la figure 4, la première partie métallique 4 de l’élément 2 comprend des cavités 24, pouvant également être appelées interstices, en communication fluidique avec l’extérieur. En particulier, comme on peut le voir sur la figure 4 à l’étape A1’”, la partie métallique comprend une structure lattice 26, obtenue par fabrication additive (ou impression tridimensionnelle).
Une telle structure 26 permet d’alléger la pièce 18 tout en procurant de meilleures propriétés mécaniques. Egalement, de cette manière, la structure lattice 26 de la première partie métallique peut constituer un réseau de refroidissement augmentant la surface d’échange thermique en comparaison des circuits de refroidissement de la technique antérieure.
La structure lattice 26 de la première partie 4 métallique de l’élément 2 est une structure treillis, correspondant à un assemblage de segments métalliques entrecroisés et maintenus les uns aux autres pour former un ensemble rigide.
Ainsi, dans le troisième mode de réalisation, suite à l’obtention de la première partie 4 de l’élément 2 par fabrication additive, la deuxième partie 20 de l’élément 2 en céramique est réalisée. Pour cela, l’élément 2 est obtenu, tel qu’illustré à l’étape A2’” de la figure 4, en remplissant au moins partiellement les cavités 24 de l’élément 2 avec la seconde céramique. Pour cela, la première partie 4 composée d’une structure lattice 26 peut être disposée dans un moule, où est ensuite coulée la seconde céramique, de manière à venir remplir les cavités 24 délimitées par les segments de la structure lattice 26.
Une fois l’élément 2 obtenu, les étapes suivantes du procédé selon ce troisième mode de réalisation sont identiques aux étapes deux à six du deuxième mode de réalisation décrit en référence à la figure 3.
Il est important de noter que les cavités 24 sont traversantes, lorsque le retrait des céramiques, en particulier de la seconde céramique, est réalisé par bain chimique.
Egalement, pour permettre qu’une fixation soit réalisée entre les deux matériaux métalliques, il est important de s’assurer lors de la réalisation de la seconde partie 20 céramique de l’élément 2, que cette dernière ne recouvre pas intégralement la surface extérieure de la première partie 4 métallique de l’élément 2. Ainsi, lors de la coulée du deuxième matériau métallique 14 en fusion dans le moule carapace 12, celui-ci vient en contact avec le premier matériau métallique de l’élément 2. Les points, surfaces, zones de contact 28 sont ainsi indiqués sur les figures 2, 3 et 4. Il s’agit des jonctions entre le premier matériau métallique et le deuxième matériau métallique 14.
Dans un autre mode de réalisation, il est envisageable de ne pas utiliser de seconde céramique, et de couler dans les interstices 24 de la structure lattice 26 le deuxième matériau métallique 14 en fusion. Pour cela, il est important de s’assurer que le point de fusion du premier matériau métallique est supérieur au point de fusion du deuxième matériau métallique 14.
Le premier matériau métallique et le deuxième matériau métallique utilisés sont des métaux et/ou des alliages. Plusieurs couples de premier et deuxième matériaux métalliques sont envisageables, tel que par exemple les couples suivants :
le premier matériau métallique constitutif en partie de l’élément (2) peut être un alliage à base de Nickel et le deuxième matériau métallique peut être en Titane. Le Titane permet d’alléger la pièce 18. La base Nickel assure la résistance mécanique de la pièce 18. Ce couple de matériaux peut être utilisé par exemple pour la fabrication d’aubes des étages centraux de compresseur.
le premier matériau métallique constitutif en partie de l’élément 2 peut être en Titane et le deuxième matériau métallique peut être en Titane faiblement oxygéné, matériau plus ductile et moins résistant. Cette structure spécifique permet de reprendre les efforts grâce à la structure interne en titane tout en réduisant les risques de crique sur la structure externe, en titane faiblement oxygéné, qui est plus ductile. Cette structure peut être utilisée pour réaliser les aubes des premiers étages de compresseur.
le premier matériau métallique constitutif en partie de l’élément 2 peut être en TiAI chargé en Titane et le deuxième matériau métallique peut être en TiAI chargé en Aluminium, matériau plus ductile et moins résistant. Cette structure spécifique permet de reprendre les efforts grâce à la structure interne en TiAI chargé en Titane tout en réduisant les risques de crique sur la structure externe, TiAI chargé en Aluminium, qui est plus ductile. Cette structure peut être utilisée pour réaliser les aubes des derniers étages de turbine.
le premier matériau métallique constitutif en partie de l’élément 2 peut être en Nickel réfractaire et le deuxième matériau métallique peut être en alliage à base de Cobalt. Cette structure spécifique assure une bonne reprise des efforts en partie centrale en nickel réfractaire et bonne résistance à la corrosion en périphérie en alliage à base de Cobalt.
Cette structure peut être utilisée pour réaliser les aubes des premiers étages d’une turbine basse pression.
le premier matériau métallique constitutif en partie de l’élément 2 peut être en Titane et le deuxième matériau métallique peut être en Aluminium ou Cuivre. Cette structure spécifique assure une bonne reprise des efforts en partie centrale en Titane et de bons échanges thermiques en périphérie en Aluminium ou en Cuivre. Cette structure peut être utilisée pour réaliser les aubes des premiers étages d’un compresseur.
La pièce 18 finale peut être obtenue suite à une opération d’usinage de l’ensemble 16 obtenu à l’issue de la sixième étape du procédé selon l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’une pièce métallique (18) de turbomachine comprenant au moins un premier matériau métallique et au moins un second matériau métallique, les compositions chimiques desdits premier et second matériaux étant différentes,
le procédé comprend les étapes suivantes :
a) obtenir un élément (2) dont au moins une première partie (4) métallique est réalisée dans le premier matériau métallique ;
b) placer dans un premier moule (6) l’élément et couler de la cire (8) dans le moule (6) pour recouvrir au moins partiellement ledit élément (2), le premier moule (6) ayant une empreinte correspondant à au moins une partie d’une surface externe de la pièce métallique (18) ; c) obtenir un ensemble (10) en retirant ledit premier moule (6) ;
d) réaliser un moule carapace (12) avec une première céramique autour de
l’ensemble (10) obtenu à l’issue de l’étape c) ;
e) retirer la cire (8) dudit moule carapace (12) et couler le second matériau métallique (14) à l’intérieur du moule carapace (12) à la place de la cire (8) ;
f) retirer toute céramique présente dans un ensemble (16) obtenu à l’issue de l’étape e) de manière à obtenir une pièce métallique (18) comprenant le premier matériau métallique et le second matériau métallique.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’élément (2) comprend au moins une seconde partie céramique (20) en contact avec la première partie (4) de l’élément (2).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la réalisation de la seconde partie céramique (20) de l’élément (2) consiste à :
disposer la première partie métallique (4) de l’élément (2) au moins en partie dans un deuxième moule ;
remplir le moule d’une seconde céramique.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première partie métallique (4) de l’élément (2) comprend au moins une cavité (24) en communication fluidique avec l’extérieur.
5. Procédé selon la revendication 2 et 4, dans lequel l’étape b) est précédée de l’étape suivante :
remplir au moins partiellement ladite au moins une cavité (24) de l’élément (2) avec la seconde céramique.
6. Procédé selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel le retrait d’au moins l’une de la première céramique et de la seconde céramique est réalisé par dissolution chimique.
7. Procédé selon l’une des revendications 2 à 6, dans lequel les première et seconde céramiques présentent une même composition chimique.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les premier et second matériaux sont des métaux et/ou alliages.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première partie métallique (4) de l’élément (2) comprend une structure lattice (26).
10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la pièce métallique (18) est une aube de turbomachine.
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