FR2806339A1 - Procede de fabrication d'un article par liaison par diffusion et formage superplastique - Google Patents
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Abstract
Un procédé de fabrication d'une pale de soufflante (10) de moteur à turbine à gaz comprend la formation de trois pièces métalliques (30, 32, 34). Celles-ci sont assemblées en pile (36) de sorte que les surfaces plates (38, 42, 46, 48) soient en butée jointive. Chaleur et pression sont appliquées sur l'épaisseur des pièces métalliques (30, 32, 34) pour les lier par diffusion afin de former une structure monobloc (80) qui est forgée par refoulement à une extrémité (58) pour produire une augmentation d'épaisseur (82) pour former la base de pale (26). La structure monobloc (80) forgée par refoulement est ensuite formée par fluage à chaud et formée de façon superplastique pour obtenir la forme aérodynamique requise et l'extrémité épaissie (82) est usinée pour former la base de pale (26). Le procédé permet que des pièces métalliques plus fines de meilleure microstructure soient utilisées et augmente le rendement en pièces métalliques.
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un article par
liaison par diffusion et formage superplastique.
Il est connu de fabriquer des articles métalliques creux par liaison par diffusion et formage superplastique de pièces de métal. Ces pièces de métal comprennent un métal élémentaire, des alliages de métal, des matériaux
intermétalliques et des composites de matrice de métal.
Le procédé de liaison par diffusion et formage superplastique peut être utilisé pour produire des articles profilés, par exemple des pales de soufflante ou des aubes de guidage de sortie de conduit de soufflante, pour des moteurs à turbine à gaz par formage superplastique ou à chaud d'une structure monobloc
formée par le procédé de liaison par diffusion.
Un procédé pour fabriquer un article par liaison par diffusion et formage superplastique est décrit dans notre brevet européen EP0568201B. Dans EP0568201B, la structure monobloc formée par le procédé de liaison par diffusion est tordue avant que la structure monobloc soit formée de façon superplastique. De plus, la structure monobloc est formée par fluage à chaud
dans des moules de formage superplastique.
De plus, notre brevet GB2306353B décrit la fabrication d'une pale de soufflante par liaison par diffusion et formage superplastique. Dans GB2306353B, la structure monobloc est formée à partir de deux pièces métalliques qui définissent ensuite le profil extérieur de la pale de soufflante. Les deux pièces métalliques sont produites en coupant une fente inclinée dans un bloc de métal parallélépipédique pour produire deux pièces métalliques longitudinalement effilées. Les extrémités plus épaisses des pièces métalliques sont alignées pour former la base de la pale de soufflante et le reste des pièces métalliques sont usinées à l'épaisseur appropriée pour obtenir la distribution de
masse requise.
Ce procédé de fabrication requiert que l'épaisseur du bloc de métal parallélépipédique soit d'environ la moitié, légèrement inférieure à la moitié, de l'épaisseur de la base de la pale de soufflante finie afin de permettre à l'usinage de produire la base. Un problème avec ce procédé est qu'il gaspille du métal, du temps d'usinage et est coûteux. De plus, la microstructure du bloc de métal parallélépipédique n'est pas la microstructure optimale, en raison de l'épaisseur
du bloc métallique original.
Le problème est partiellement résolu, comme décrit dans GB2306353B, en utilisant des blocs de métal parallélépipédiques plus fins et en ajoutant des petits blocs supplémentaires aux extrémités plus épaisses des deux pièces métalliques longitudinalement effilées pour former la base de la pale de soufflante. Cependant, ce procédé gaspille toujours du métal, du temps d'usinage et est coûteux. La microstructure du bloc parallélépipédique est améliorée grâce à l'épaisseur plus faible du bloc parallélépipédique. Mais il présente également les besoins supplémentaires de soudage sur les petits blocs supplémentaires et d'évacuation des espaces entre les pièces métalliques et les blocs pour assurer qu'une liaison par diffusion se forme. La microstructure des pièces métalliques n'est pas encore la microstructure optimale en raison de l'épaisseur du bloc
métallique parallélépipédique d'origine.
En conséquence, la présente invention vise à proposer un nouveau procédé de fabrication d'un article par liaison par diffusion qui surmonte les
problèmes susmentionnés.
En conséquence, la présente invention fournit un procédé de fabrication d'un article de profil fini prédéterminé par liaison par diffusion et formage superplastique d'au moins deux pièces de métal comprenant les étapes consistant à: (a) former au moins deux pièces de métal, chaque pièce de métal comprenant au moins une surface, (b) appliquer un matériau de masque pour empêcher la liaison par diffusion avec des zones présélectionnées d'au moins une des surfaces d'au moins une des deux pièces de métal, (c) assembler les au moins deux pièces de métal en pile les unes sur les autres de sorte que les surfaces sont en butée jointive, (d) appliquer chaleur et pression sur l'épaisseur des au moins deux pièces de métal pour lier par diffusion les au moins deux pièces de métal les unes aux autres dans des zones autres que les zones présélectionnées pour former une structure monobloc, (e) chauffer la structure monobloc et pressuriser de façon interne la structure monobloc pour conduire la zone présélectionnée d'au moins une des pièces de métal à être formée à chaud pour produire un article creux de forme prédéterminée, caractérisé par l'étape, (f) de forger d'une extrémité de la structure monobloc formée par l'étape
pour produire une région d'épaisseur augmentée, avant l'étape.
De préférence, le procédé comprend après l'étape (e) et avant l'étape (f) le placement de la structure monobloc dans un moule de formation par fluage à chaud, le chauffage de la structure monobloc pendant qu'elle est dans le moule pour conduire la structure monobloc à être formée par fluage à chaud sur la
surface convexe du moule.
De préférence, l'étape (a) comprend la formation d'une première pièce métallique, d'une deuxième pièce métallique et d'une troisième pièce métallique, la troisième pièce métallique comprenant deux surfaces plates, et l'étape (c) comprend l'assemblage des trois pièces de métal dans la pile les unes sur les autres de sorte que la troisième pièce de métal soit entre les première et deuxième
pièces de métal et que les surfaces plates sont en butée jointive.
L'article creux peut être une pale de soufflante ou une pale de compresseur. En variante, l'étape (a) comprend la formation d'une première pièce
métallique et d'une deuxième pièce métallique.
L'article creux peut être une aube de guidage de sortie de soufflante, une
pale de compresseur ou une pale de soufflante.
Après liaison par diffusion de la pile de pièces et avant la formation superplastique de la structure monobloc, la structure monobloc peut être chauffée et des charges peuvent être appliquées à des extrémités opposées de la structure monobloc pour tordre une extrémité par rapport à l'autre extrémité
pour profiler la structure monobloc avec une forme prédéterminée.
Après torsion de la structure monobloc et avant formation superplastique de la structure monobloc, la structure monobloc profilée peut être pressurisée de façon interne pour rompre la liaison adhésive entre le matériau de masque et l'au
moins une pièce dans la zone présélectionnée.
De préférence, après pressurisation interne de la structure monobloc pour rompre la liaison adhésive et avant la pressurisation interne de la structure monobloc pour former de façon superplastique au moins une pièce de métal, l'intérieur de la structure monobloc est évacué séquentiellement et alimenté en
gaz inerte pour éliminer l'oxygène de l'intérieur de la structure monobloc.
De préférence, après liaison par diffusion de la pile de pièces et avant formation superplastique de la structure monobloc, la structure monobloc est pressurisée de façon interne pour rompre la liaison adhésive entre le matériau de
masque et l'au moins une pièce dans la zone présélectionnée.
De préférence, après que les pièces de métal aient été disposées dans une pile et avant que les pièces de métal soient liées les unes aux autres par diffusion
pour former une structure monobloc, les bords des pièces de métal sont scellés.
De préférence, les bords des pièces de métal sont soudés les uns aux autres. De préférence, si les pièces de métal sont constituées d'un alliage de titane, les pièces de métal sont chauffées à une température égale à, ou supérieure à, 850 C et la pression appliquée est égale à, ou supérieure à, 20 x Nm'2 pour lier par diffusion les pièces les unes aux autres pour former une
structure monobloc.
De préférence, les pièces de métal sont chauffées à une température comprise entre 900 C et 950 C et la pression appliquée est comprise entre 20 x
lO5Nm-2 et 30 x lO5Nm2.
De préférence, la structure monobloc est chauffée à une température égale à, ou supérieure à, 850 C pour former de façon superplastique la structure monobloc. De préférence, la structure monobloc est chauffée à une température
comprise entre 900 C et 950 C.
De préférence, la structure monobloc est formée par fluage à chaud à une
température égale à, ou supérieure à, 740 C.
De préférence, l'étape (e) comprend un forgeage par refoulement.
De préférence, la région d'épaisseur augmentée est usinée. De préférence, la région d'épaisseur augmentée est usinée par la suite pour former une base à queue d'aronde ou une base en forme de sapin. De préférence, l'étape (e) comprend le chauffage de la structure monobloc à une température prédéterminée avant forgeage. De préférence, la structure monobloc est chauffée
à une température comprise entre 900 C et 950 C.
De préférence, dans l'étape (a), chacune des au moins deux pièces de
métal comprend au moins une surface plate.
De préférence, l'étape (a) comprend la formation d'au moins une pièce métallique longitudinalement effilée et l'étape (e) comprend le forgeage par
refoulement de l'extrémité plus épaisse de la pièce de métal.
De préférence, l'étape (a) comprend la formation de deux pièces de métal longitudinalement effilées, l'étape (c) comprend la disposition des extrémités plus épaisses des pièces de métal à une extrémité de la pile et l'étape (e) comprend le
forgeage par refoulement des extrémités plus épaisses des pièces de métal.
La présente invention est décrite plus complètement à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un article fabriqué par formage superplastique et liaison par diffusion selon la présente invention, - la figure 2 représente une vue éclatée d'une pile de trois pièces de métal, qui sont formées de façon superplastique, et liées par diffusion pour former un article selon la présente invention, la figure 3 est une vue en perspective de la pile de trois pièces de métal représentées sur la figure 2 représentant la structure monobloc après que l'étape de liaison par diffusion ait été effectuée, - la figure 4 est une vue en perspective de la structure monobloc après que l'étape de forgeage par refoulement ait été effectuée, et - la figure 5 représente une vue éclatée d'une pile de deux pièces de métal, qui sont formées de façon superplastique, et liées par diffusion
pour former un article selon la présente invention.
Une pale de soufflante de moteur à turbine à gaz à turbo-soufflante 10, représentée sur la figure 1, comprend un corps de forme aérodynamique 12 qui comprend un bord avant 14, un bord arrière 16, une surface concave 18, une surface convexe 20, une base 26 et un sommet 28. La pale de soufflante 10 est creuse et comprend une pluralité d'espaces 22 dans le corps aérodynamique 12
séparés par une structure de poutre Warren 24.
Sur la figure 2, trois tôles d'alliage de titane 30, 32 et 34 sont assemblées dans une pile 36. La tôle 30 comprend une seule surface plate 38, la tôle 32 comprend une seule surface plate 42 et la tôle 36 comprend deux surfaces plates 46 et 48. Les surfaces plates 38 et 46 des tôles 30 et 34, respectivement, sont disposées en butée l'une contre l'autre et les surfaces plates 42 et 48 des tôles 32 et 34, respectivement, sont disposées en butée l'une contre l'autre. Les tôles 30 et 32 sont effilées, d'épaisseur longitudinalement croissante de l'extrémité 58 à
l'extrémité 60.
Les tôles d'alliage de titane 30 et 32 sont produites en découpant un bloc parallélépipédique original de titane le long d'un plan incliné pour former les deux tôles de titane métallique 30 et 32 comme décrit plus complètement dans
notre brevet GB2306353B.
Avant d'assembler les tôles 30, 32 et 34 dans la pile 36, la première tôle 30 est usinée dans une région 50, au centre d'une surface 40 de la première tôle 30, et la deuxième tôle 32 est usinée dans une région 52, au centre d'une surface 44 de la deuxième tôle 32. Les régions usinées centrales 50 et 54 sont profilées pour produire une variation de la distribution de masse de la pale de soufflante 10 du bord avant 14 au bord arrière 16 et de la base 26 au sommet 28 en faisant varier la profondeur d'usinage. Par exemple, en faisant varier l'épaisseur des première et deuxième tôles 30 et 32, dans la région usinée centrale 50 et 52 dans la direction entre les bords 54 et 56 et dans la direction entre les extrémités 58 et 60
des première et deuxième tôles 32.
L'usinage des régions usinées centrales 50 et 52 des première et deuxième tôles 30 et 32 respectivement est effectué par fraisage, usinage électrochimique, usinage chimique, usinage par électrodécharge ou tout autre procédé d'usinage adapté. Les surfaces en butée 38 et 46 des tôles 30 et 34 et les surfaces de butée 42 et 48 des tôles 32 et 34 respectivement sont ensuite préparées pour la liaison par diffusion par nettoyage chimique. Sur une des surfaces en butée 38 et 46, dans
cet exemple, sur la surface en butée 46, un matériau de masque 62 est appliqué.
De façon similaire, sur une des surfaces en butée 42 et 48, dans cet exemple la surface en butée 48, un matériau de masque 62 est appliqué. Le matériau de masque 62 peut être constitué d'yttria en poudre dans un liant et un solvant, par exemple, le matériau de masque appelé "Stopyt 62A" qui est commercialisé par une entreprise américaine appelée GTE Service Corporation, 100 Endecott
Street, Danvers, MA10923, Etats-Unis.
Le matériau de masque 62 est appliqué suivant les motifs souhaités, suivant le procédé de sérigraphie connu. Les motifs souhaités de matériau de masque 62 empêchent la liaison par diffusion entre les zones présélectionnées des tôles 30, 32 et 34. Dans cet exemple, le matériau de masque 62 est appliqué en lignes droites sur les surfaces 46 et 48 de la tôle 34 sauf pour des régions adjacentes aux bords 54 et 56 et aux extrémités 58 et 60 suffisantes pour
permettre une liaison par diffusion satisfaisante.
La tôle 30 comprend une paire de trous à cheville 64, qui sont alignés de façon axiale avec les trous de cheville correspondants 66 dans la tôle 32 et les trous de cheville 68 dans la tôle 34 pour assurer la relation de position correcte entre les trois tôles 30, 32 et 34. Les tôles 30, 32 et 34 sont maintenues dans cette relation de position par une paire de chevilles (non représentées) qui sont
insérées dans les trous de cheville alignés de façon axiale 64, 66 et 68.
Les tôles 30, 32 et 34 de la pile 36 sont placées ensemble pour piéger une extrémité d'un tuyau 70. Dans cet exemple, une rainure 72 est usinée sur la surface 38 de la première tôle 30 et une rainure 74 est usinée sur la surface 42 de la deuxième tôle 32 et une fente 76 est usinée dans la troisième tôle 34. Le tuyau est positionné pour dépasser d'entre les trois tôles 30, 32 et 34. Une extrémité du tuyau 70 est interconnectée avec le motif de matériau de masque 62 entre les tôles 30, 32 et 34. Une fois terminé l'assemblage de la manière décrite, celui-ci est soudé autour de sa circonférence de façon à souder les bords et extrémités des tôles 30, 32 et 34. Un assemblage soudé est formé, qui est scellé sauf à l'entrée
formée par le tuyau 70.
Il doit être noté que le tuyau 70 est situé à une extrémité, dans cet exemple l'extrémité 58, qui forme ensuite le sommet 28 de la pale de soufflante
, de l'assemblage scellé.
Le tuyau 70 est ensuite connecté à une pompe à vide qui est utilisée pour évacuer l'intérieur de l'assemblage soudé et ensuite un gaz inerte, par exemple de l'argon, est alimenté à l'intérieur de l'assemblage soudé. Cette évacuation et alimentation de gaz inerte à l'intérieur de l'assemblage soudé peut être répétée plusieurs fois afin de garantir que la plupart, ou sensiblement toutes les traces d'oxygène soient éliminées de l'intérieur de l'assemblage soudé. Le nombre de fois particulier que l'intérieur de l'assemblage soudé est évacué et purgé avec du gaz inerte dépend de la taille des pièces et de l'intégrité requise du composant ou article fini. Moins il reste de traces d'oxygène, meilleure est la qualité de la liaison par diffusion ultérieure. Le gaz inerte est alimenté pour pressuriser
l'intérieur de l'assemblage soudé sous pression atmosphérique.
L'assemblage soudé est évacué et est placé dans un four. L'assemblage soudé est ensuite chauffé à une température comprise entre 250 C et 350 C pour évaporer le liant du matériau de masque. Pendant l'élimination par cuisson du liant, l'assemblage soudé est continuellement évacué afin d'éliminer le liant d'entre les tôles 30, 32 et 34. Après que le liant ait été éliminé, ce qui est déterminé en surveillant les teneurs en liant dans le gaz extrait de l'assemblage soudé ou en maintenant l'assemblage soudé à la température comprise entre 250 C et 350 C pendant un temps prédéterminé, l'assemblage soudé est retiré du four et laissé à refroidir à température ambiante tout en étant continuellement évacué. Le liant est éliminé par cuisson de l'assemblage soudé à une basse température adaptée pour réduire, ou empêcher l'oxydation de la surface
extérieure de l'assemblage soudé.
Le tuyau 70 est ensuite scellé de sorte qu'il soit formé un vide dans l'assemblage soudé et qu'ainsi, un assemblage scellé soit formé. L'assemblage scellé est ensuite transféré soigneusement dans un autoclave. La température dans l'autoclave est augmentée de telle sorte que l'assemblage scellé soit chauffé à une température supérieure à 850 C. La pression d'argon dans l'autoclave est augmentée à plus de 20 atmosphères, 294 livres par pouce carré (20,26 x 105Nm'
2) et ces température et pression sont maintenus pendant un temps prédéterminé.
De préférence, l'assemblage scellé est chauffé à une température comprise entre 900 C et 950 C et la pression est comprise entre 294 livres par pouce carré (20,26 x 105Nm'2) et 441 livres par pouce carré (30,39 x 105Nm'2). Par exemple, si l'assemblage scellé est chauffé à une température de 925 C et la pression est augmentée à 300 livres par pouce carré, la température et la pression sont maintenues constantes pendant environ deux heures. La pression est ensuite diminuée à la valeur ambiante, la liaison par diffusion ayant été effectuée et l'assemblage scellé, qui est alors une structure monobloc 80, est retiré de l'autoclave. La liaison par diffusion est obtenue dans des régions 82 indiquées par des lignes pointillées et la liaison par diffusion a été inhibée dans d'autres
régions comme décrit sur la figure 3.
La structure monobloc 80 est ensuite forgée par refoulement à l'extrémité pour produire une augmentation d'épaisseur 84 à l'extrémité 60 comme décrit sur la figure 4, qui devient ensuite la base de la pale de soufflante 10. Le forgeage par refoulement comprend le placement de la structure monobloc 80 dans des moules de forgeage, le chauffage à une température de 900 C à 950 C et ensuite
le forgeage de l'extrémité 60.
Le tuyau 70 est retiré de la structure monobloc 80 et un deuxième tuyau
est raccordé à la structure monobloc 80.
La structure monobloc 80 est ensuite placée dans un moule de formation par fluage à chaud et la structure monobloc 80 est chauffée tandis qu'elle est dans le moule pour conduire la structure monobloc 80 à être fluée à chaud pour produire une forme de plan de sustentation. Pendant le processus de formation par fluage à chaud, la structure monobloc est chauffée à une température de
740 C.
La structure monobloc formée par fluage à chaud 80 est ensuite placée dans un moule de formation superplastique, qui comprend une surface concave et une surface convexe. Un gaz inerte, par exemple de l'argon, est introduit dans les zones, dans la structure monobloc formée par fluage à chaud 80, contenant le matériau de masque 62 afin de rompre la prise adhésive, que la pression de liaison par diffusion a créée. L'argon est soigneusement introduit dans les zones qui contiennent le matériau de masque 62, et l'argon s'infiltre à travers le matériau de masque 62 et atteint finalement l'extrémité opposée de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80. L'argon doit parcourir l'ensemble de la longueur de l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 de façon à rompre la prise adhésive entre le matériau de masque 62 et les pièces 30,
32 et 34 créée pendant l'étape de liaison par diffusion.
L'étape peut être conduite à température ambiante parce que le métal est élastique à température ambiante et l'allongement minimal, qui se produit, ne dépasse pas la limite d'élasticité. Par conséquent, la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 retrouve sa forme lorsque la pression est supprimée à la fin de l'étape. En variante, l'étape peut être conduite à la température de formation superplastique, bien qu'il existe un risque important de déformation plastique progressive sur la longueur de la structure monobloc formée par fluage à chaud , au lieu de la déformation simultanée de l'ensemble de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80. Néanmoins, l'homme du métier est capable de contrôler la rupture de la prise adhésive par contrôle adapté de la pression de l'argon. Le deuxième tuyau est ensuite connecté à une pompe à vide qui est utilisée pour évacuer l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 et ensuite un gaz inerte, par exemple de l'argon, est alimenté à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80. Ce procédé d'évacuation et d'alimentation de gaz inerte à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 peut être répétée plusieurs fois afin de garantir que la plupart, ou sensiblement toutes les traces d'oxygène soient éliminées de l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80. Le nombre de fois particulier que l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 est évacué et purgé avec un gaz inerte dépend de la taille des pièces et de l'intégrité requise du composant fini. Le gaz inerte est alimenté pour pressuriser l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 sous pression atmosphérique. La structure monobloc formée par fluage à chaud 80 et le moule de formation superplastique sont placés dans un autoclave. La structure monobloc formée par fluage à chaud 80 est de nouveau chauffée à une température supérieure à 850 C, de préférence entre 900 C et 950 C. Dans cet exemple, les moules et la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 sont chauffés à 925 C. Un gaz inerte, par exemple de l'argon, est introduit à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud 80 entre les tôles 30, 32 et 34, de façon à former à chaud les tôles 30 et 34 sur les surfaces du moule. Cela forme de façon superplastique la tôle 34 pour générer une structure interne creuse suivant
le motif du matériau de masque 62 appliqué.
L'amplitude du mouvement d'au moins une des tôles pendant la déformation est telle qu'il doive se produire un allongement superplastique. Le terme "superplastique" est un terme standard dans le métier de formation de
métal et n'est pas décrit ici.
Afin d'obtenir la formation superplastique sans rompre le métal aminci, l'argon est introduit par une série d'impulsions, à une vitesse précalculée qui permet d'atteindre une vitesse de déformation souhaitée, comme décrit aux pages 615 à 623 du livre "The science, technology and application of titanium" édité par R.I. Jaffe et N.E. Promisel, publié par Pergamon Press en 1970, qui est incorporé ici en référence. Le procédé garantit que le métal soit soumis à une vitesse de déformation qui atteigne la vitesse d'allongement maximale tolérée à n'importe que stade de la procédure. La vitesse d'application, et/ou le volume des impulsions de gaz peuvent donc varier pendant l'allongement des tôles 30, 32
et 34.
A la fin de la formation par formation à chaud/superplastique, l'atmosphère d'argon inerte dans la structure monobloc est maintenue tandis que la structure est refroidie. La structure monobloc est ensuite usinée et/ou meulée pour éliminer le métal en excès et pour produire les formes souhaitées de bord avant et de bord arrière 14 et 16 de la pale de soufflante 10 finie et pour usiner la région d'épaisseur augmentée 82 pour produire une base à queue d'aronde ou
une base en forme de sapin 26.
L'avantage du forgeage à chaud de la structure monobloc formée par liaison par diffusion des pièces métalliques est que des blocs métalliques parallélépipédiques originaux plus fins sont utilisés. Cela permet l'utilisation de blocs métalliques, et donc de pièces métalliques, présentant une microstructure améliorée. L'utilisation de blocs métalliques parallélépipédiques plus fins permet d'obtenir plus de pièces métalliques à partir d'un seul lingot de métal et donc plus de pales de soufflante à partir d'un seul lingot de métal. Cela dispense également
du besoin d'utiliser des blocs métalliques supplémentaires pour former la base.
Le degré d'usinage requis sur les pièces métalliques avant qu'elles soient liées par diffusion les unes aux autres est réduit parce que les pièces métalliques sont plus
proches de la forme et de la taille finies.
Par exemple, un seul lingot de titane a produit trente blocs parallélépipédiques, de 21 mm d'épaisseur, qui requiert ensuite une découpe
pour produire soixante pièces de métal pour former trente pales de soufflante.
Alors qu'un seul lingot de titane a produit quarante-cinq blocs parallélépipédiques, de 14 mm d'épaisseur, qui requiert une découpe pour produire quatre-vingt-dix pièces de métal pour former quarante-cinq pales de
soufflante. Cela représente une amélioration de 50 % de l'utilisation du matériau.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 5.
Dans ce mode de réalisation, deux tôles d'alliage de titane 90 et 92 sont assemblées dans une pile 94 comme décrit sur la figure 4. La tôle 90 comprend une surface plate 96 et la tôle 94 comprend une surface plate 100. Les surfaces plates 96 et 100 des tôles 90 et 92 respectivement sont disposées en butée l'une contre l'autre. Les tôles 90 et 92 sont effilées, d'épaisseur croissante,
longitudinalement de l'extrémité 112 à l'extrémité 114.
Les tôles d'alliage de titane 90 et 92 sont produites en découpant un bloc parallélépipédique de titane original le long d'un plan incliné pour former deux tôles de titane métallique longitudinalement effilées 90 et 92 comme décrit plus
complètement dans notre brevet GB2306353B.
Avant d'assembler les tôles 90 et 92 dans la pile 94, les première et deuxième tôles 90 et 92 sont usinées dans les régions 104 et 106 centrales des surfaces 98 et 102 des première et deuxième tôles 90 et 92 respectivement. Les régions usinées centrales 104 et 106 sont profilées pour produire une variation de la distribution de masse d'une pale desoufflante, une aube de guidage de sortie de soufflante ou d'une pale de compresseur, du bord avant au bord arrière et de la base au sommet en faisant varier la profondeur d'usinage. Par exemple, en faisant varier l'épaisseur des première et deuxième tôles 90 et 92 respectivement, dans les régions usinées centrales 104 et 106 dans la direction entre les bords 108 et 110 et dans la direction entre les extrémités 112 et 114 des première et
deuxième tôles 92 et 94.
L'usinage des régions usinées centrales 104 et 106 des première et deuxième tôles 90 et 92 est effectué par fraisage, usinage électrochimique, usinage chimique, usinage par électrodécharge ou tout autre procédé d'usinage adapté. Les surfaces en butée 96 et 100 des tôles 90 et 92, respectivement, sont ensuite préparées pour la liaison par diffusion par nettoyage chimique. Sur une des surfaces en butée 96 et 100, dans cet exemple la surface en butée 100, un matériau de masque 116 est appliqué. Le matériau de masque 116 peut être constitué d'yttria en poudre dans un liant et un solvant, par exemple, le matériau de masque appelé "Stopyt 62A" qui est commercialisé par une entreprise américaine appelée GTE Service Corporation, 100 Endecott Street, Danvers,
MA10923, Etats-Unis.
Le matériau de masque 116 est appliqué suivant les motifs souhaités, suivant le procédé de sérigraphie connu. Les motifs souhaités de matériau de masque 62 empêchent la liaison par diffusion entre les zones présélectionnées des tôles 90 et 92. Dans cet exemple, le matériau de masque 116 est appliqué au centre de la surface de la tôle 92 sauf pour des régions adjacentes aux bords 108 et 110 et aux extrémités 112 et 114 suffisantes pour permettre une liaison par
diffusion satisfaisante.
La tôle 90 comprend une paire de trous à cheville 118, qui sont alignés de façon axiale avec les trous de cheville correspondants 120 dans la tôle 92 pour assurer la relation de position correcte entre les deux tôles 90 et 92. Les tôles 90 et 92 sont maintenues dans cette relation de position par une paire de chevilles (non représentées) qui sont insérées dans les trous de cheville alignés de façon
axiale 118 et 120.
Les tôles 90 et 92 de la pile 94 sont placées ensemble pour piéger une extrémité d'un tuyau 122. Dans cet exemple, une rainure 124 est usinée sur la surface 96 de la première tôle 90 et une rainure 126 est usinée sur la surface 100 de la deuxième tôle 92. Le tuyau 122 est positionné pour dépasser d'entre les deux tôles 90 et 92. Une extrémité du tuyau 122 est interconnectée avec le motif de matériau de masque 116 entre les tôles 90 et 92. Une fois terminé l'assemblage de la manière décrite, celui-ci est soudé autour de sa circonférence de façon à souder les bords et extrémités des tôles 90 et 92 les uns aux autres. Le tuyau 122 est également soudé autour de sa circonférence aux tôles 90 et 92. Un
assemblage soudé est formé, qui est scellé sauf à l'entrée formée par le tuyau 122.
Le tuyau 122 est ensuite connecté à une pompe à vide qui est utilisée pour évacuer l'intérieur de l'assemblage soudé et ensuite un gaz inerte, par exemple de l'argon, est alimenté à l'intérieur de l'assemblage soudé. Cette évacuation et alimentation de gaz inerte à l'intérieur de l'assemblage soudé peut être répétée plusieurs fois afin de garantir que la plupart, ou sensiblement toutes les traces d'oxygène soient éliminées de l'intérieur de l'assemblage soudé. Le nombre de fois particulier que l'intérieur de l'assemblage soudé est évacué et purgé avec du gaz inerte dépend de la taille des pièces et de l'intégrité requise du composant ou article fini. Moins il reste de traces d'oxygène, meilleure est la qualité de la liaison par diffusion ultérieure. Le gaz inerte est alimenté pour pressuriser
l'intérieur de l'assemblage soudé sous pression atmosphérique.
L'assemblage soudé est évacué et est placé dans un four. L'assemblage soudé est ensuite chauffé à une température comprise entre 250 C et 350 C pour évaporer le liant du matériau de masque. Pendant l'élimination par cuisson du liant, l'assemblage soudé est continuellement évacué afin d'éliminer le liant d'entre les tôles 90 et 92. Après que le liant ait été éliminé, ce qui est déterminé en surveillant les teneurs en liant dans le gaz extrait de l'assemblage soudé ou en maintenant l'assemblage soudé à la température comprise entre 250 C et 350 C pendant un temps prédéterminé, l'assemblage soudé est retiré du four et laissé à refroidir à température ambiante tout en étant continuellement évacué. Le liant est éliminé par cuisson de l'assemblage soudé à une basse température adaptée pour réduire, ou empêcher l'oxydation de la surface extérieure de l'assemblage
soudé.
Le tuyau 122 est ensuite scellé de sorte qu'il soit formé un vide dans l'assemblage soudé et qu'il soit ainsi formé un assemblage scellé. L'assemblage scellé est ensuite transféré soigneusement dans un autoclave. La température dans l'autoclave est augmentée de telle sorte que l'assemblage scellé soit chauffé à une température supérieure à 850 C. La pression d'argon dans l'autoclave est augmentée à plus de 20 atmosphères, 294 livres par pouce carré (20,26 x l05Nm'
2) et ces température et pression sont maintenus pendant un temps prédéterminé.
De préférence, l'assemblage scellé est chauffé à une température comprise entre 900 C et 950 C et la pression est comprise entre 294 livres par pouce carré (20,26 x 105Nm'2) et 441 livres par pouce carré (30,39 x 105Nm'2). Par exemple, si l'assemblage scellé est chauffé à une température de 925 C et la pression est augmentée à 300 livres par pouce carré, la température et la pression sont maintenues constantes pendant environ deux heures. La pression est ensuite diminuée à la valeur ambiante, la liaison par diffusion ayant été effectuée et l'assemblage scellé, qui est alors une structure monobloc 80, est retiré de l'autoclave. La structure monobloc est ensuite forgée par refoulement à l'extrémité 114 pour produire une augmentation d'épaisseur à l'extrémité 114 similaire à celle décrite sur la figure 4, qui devient ensuite la base de la pale de soufflante, de la pale de compresseur ou de l'aube de guidage de sortie de soufflante. Le forgeage par refoulement comprend le placement de la structure monobloc dans des moules de forgeage, le chauffage à une température de 900 C à 950 C et
ensuite le forgeage de l'extrémité 114.
Le tuyau 122 est retiré de la structure monobloc et un deuxième tuyau est
raccordé à la structure monobloc.
La structure monobloc est ensuite placée dans un moule de formation par fluage à chaud et la structure monobloc est chauffée tandis qu'elle est dans le moule pour conduire la structure monobloc à être fluée à chaud pour produire une forme de plan de sustentation. Pendant le processus de formation par fluage
à chaud, la structure monobloc est chauffée à une température de 740 C.
La structure monobloc formée par fluage à chaud est ensuite placée dans un moule de formation superplastique, qui comprend une surface concave et une surface convexe. Un gaz inerte, par exemple de l'argon, est introduit dans les zones, dans la structure monobloc formée par fluage à chaud, contenant le matériau de masque 116 afin de rompre la prise adhésive, que la pression de
liaison par diffusion a créée.
L'étape peut être conduite à température ambiante parce que le métal est élastique à température ambiante et l'allongement minimal, qui se produit, ne dépasse pas la limite d'élasticité. Par conséquent, la structure monobloc formée par fluage à chaud retrouve sa forme lorsque la pression est supprimée à la fin de l'étape. Dans l'alternative, l'étape peut être conduite à la température de formation superplastique, bien qu'il existe un risque important de déformation plastique progressive sur la longueur de la structure monobloc formée par fluage à chaud, au lieu de la déformation simultanée de l'ensemble de la structure
monobloc formée par fluage à chaud.
Le deuxième tuyau est ensuite connecté à une pompe à vide qui est utilisée pour évacuer l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud et ensuite un gaz inerte, par exemple de l'argon, est alimenté à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud. Ce procédé d'évacuation et d'alimentation de gaz inerte à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud peut être répété plusieurs fois afin de garantir que la plupart, ou sensiblement toutes les traces d'oxygène soient éliminées de l'intérieur de la
structure monobloc formée par fluage à chaud.
La structure monobloc formée par fluage à chaud et le moule de formation superplastique sont placés dans un autoclave. La structure monobloc formée par fluage à chaud est de nouveau chauffée à une température supérieure à 850 C, de préférence entre 900 C et 950 C. Dans cet exemple, les moules et la structure monobloc formée par fluage à chaud sont chauffés à 925 C. Un gaz inerte, par exemple de l'argon, est introduit à l'intérieur de la structure monobloc formée par fluage à chaud entre les tôles 90 et 92, de façon à former à chaud les tôles 90 et 92 sur les surfaces du moule. Cela génère une structure interne creuse
suivant le motif du matériau de masque 116 appliqué.
A la fin de la formation par formation à chaud/superplastique, l'atmosphère d'argon inerte dans la structure monobloc est maintenue tandis que la structure est refroidie. La structure monobloc est ensuite usinée et/ou meulée pour éliminer le métal en excès et pour produire les formes souhaitées de bord avant et de bord arrière de la pale de soufflante, pale de compresseur ou aube de guidage de sortie de soufflante finie. La région d'épaisseur augmentée de la structure monobloc est usinée pour produire une base à queue d'aronde ou une base en forme de sapin pour la pale de soufflante ou pale de compresseur ou un
élément de fixation adapté pour une aube de guidage de sortie de soufflante.
La pale de soufflante, pale de compresseur ou aube de guidage de sortie de soufflante formée à partir de deux pièces métalliques est une structure creuse
simple sans structure de poutre Warren.
L'avantage du forgeage à chaud de la structure monobloc formée par liaison par diffusion des pièces métalliques est de nouveau que des blocs métalliques parallélépipédiques originaux plus fins sont utilisés. Cela permet l'utilisation de blocs métalliques, et donc de pièces métalliques, présentant une
microstructure améliorée.
L'utilisation de blocs métalliques parallélépipédiques plus fins permet d'obtenir plus de pièces métalliques à partir d'un seul lingot de métal et donc plus de pales de soufflante, pales de compresseur ou aubes de guidage de sortie de soufflante à partir d'un seul lingot de métal. Cela dispense également du besoin d'utiliser des blocs métalliques supplémentaires pour former la base ou l'élément de fixation. Le degré d'usinage requis sur les pièces métalliques avant qu'elles soient liées par diffusion les unes aux autres est réduit parce que les pièces
l o10 métalliques sont plus proches de la forme et de la taille finies.
Il est avantageux de forger par refoulement la structure monobloc au lieu de forger par refoulement les pièces métalliques avant la liaison par diffusion, parce que le forgeage par refoulement des pièces métalliques rendrait rugueuse la surface des pièces métalliques, ce qui rend difficile la liaison par diffusion des
pièces métalliques les unes aux autres.
Bien que la description soit faite en référence à des pales de soufflante,
pales de compresseur et aubes de guidage de sortie de soufflante, l'invention est également applicable à d'autres articles creux, ou composants creux, nécessitant une région d'épaisseur augmentée pour former un élément de fixation ou pour
d'autres fonctions.
Bien que la description fasse référence à des tôles ou des pièces de titane,
l'invention est également applicable à d'autres tôles ou pièces de métal, qui
peuvent être formées à chaud ou formées de façon superplastique.
Bien que la description soit faite en référence à la liaison par diffusion de
surfaces plates des pièces de métal, il peut être possible de lier par diffusion des
surfaces profilées des pièces de métal.
Claims (25)
1.- Procédé de fabrication d'un article de profil fini prédéterminé par liaison par diffusion et formage superplastique d'au moins deux pièces de métal comprenant les étapes consistant à: (a) former au moins deux pièces de métal, chaque pièce de métal comprenant au moins une surface, (b) appliquer un matériau de masque pour empêcher la liaison par diffusion avec des zones présélectionnées d'au moins une des surfaces d'au moins une des deux pièces de métal, (c) assembler les au moins deux pièces de métal en pile les unes sur les autres de sorte que les surfaces sont en butée jointive, (d) appliquer chaleur et pression sur l'épaisseur des au moins deux pièces de métal pour lier par diffusion les au moins deux pièces de métal les unes aux autres dans des zones autres que les zones présélectionnées pour former une structure monobloc, (e) chauffer la structure monobloc et pressuriser de façon interne la structure monobloc pour conduire la zone présélectionnée d'au moins une des pièces de métal à être formée à chaud pour produire un article creux de forme prédéterminée, caractérisé par l'étape, (f) de forger d'une extrémité de la structure monobloc (80) formée par l'étape (d) pour produire une région d'épaisseur augmentée (82),
avant l'étape (e).
2.- Procédé selon la revendication 1 dans lequel le procédé comprend après l'étape (f) et avant l'étape (e) les étapes de placer la structure monobloc (80) dans un moule de formation par fluage à chaud, de chauffer la structure monobloc (80) pendant qu'elle est dans le moule pour conduire la structure monobloc (80) à être formée par fluage à chaud sur la surface
convexe du moule.
3.- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel l'étape (a) comprend de former une première pièce métallique (30), une deuxième pièce métallique (32) et une troisième pièce métallique (34), la troisième pièce métallique (34) comprenant deux surfaces plates (46, 48), et l'étape (c) comprend d'assembler les trois pièces de métal (30, 32, 34) dans la pile (36) les unes sur les autres de sorte que la troisième pièce de métal (34) soit entre les première et deuxième pièces de métal (30, 32) et que les
surfaces plates (38, 42, 46, 48) sont en butée jointive.
4.- Procédé selon la revendication 3 dans lequel l'article creux (10) est
une pale de soufflante ou une pale de compresseur.
5.- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel l'étape (a) comprend de former une première pièce métallique (90) et une
deuxième pièce métallique (92).
6.- Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'article creux (10) est une aube de guidage de sortie de soufflante, une pale de compresseur ou
une pale de soufflante.
7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans
lequel, après liaison par diffusion de la pile de pièces et avant la formation superplastique de la structure monobloc (80), la structure monobloc (80) est chauffée et des charges sont appliquées aux extrémités opposées de la structure monobloc (80) pour tordre une extrémité par rapport à l'autre extrémité pour profiler la structure monobloc (80) en une forme prédéterminée.
8.- Procédé selon la revendication 7 dans lequel, après torsion de la structure monobloc (80) et avant la formation superplastique de la structure monobloc (80), la structure monobloc (80) profilée est pressurisée de façon interne pour rompre la liaison adhésive entre le matériau de masque et l'au
moins une pièce (30, 32, 34, 90, 92) dans la zone présélectionnée.
9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans
lequel après liaison par diffusion de la pile (36, 94) de pièces (30, 32, 34, 90, 92) et avant la formation superplastique de la structure monobloc (80), la structure monobloc (80) est pressurisée de façon interne pour rompre la liaison adhésive entre le matériau de masque et l'au moins une pièce (30,
32, 34, 90, 92) dans la zone présélectionnée.
10.- Procédé selon la revendication 9 dans lequel après pressurisation interne de la structure monobloc (80) pour rompre la liaison adhésive et avant la pressurisation interne de la structure monobloc (80) pour former de façon superplastique au moins une pièce de métal, l'intérieur de la structure monobloc (80) est évacué séquentiellement et alimenté en gaz
inerte pour éliminer l'oxygène de l'intérieur de la structure monobloc (80).
11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans
lequel après que les pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) aient été disposées dans une pile (36, 94) et avant que les pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) soient liées les unes aux autres par diffusion pour former une structure monobloc (80), les bords des pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) sont
scellés.
12.- Procédé selon la revendication 11 dans lequel les bords des pièces
de métal (30, 32, 34, 90, 92) sont soudés les uns aux autres.
13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans
lequel les pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) sont faites d'un alliage de titane, les pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) sont chauffées à une température égale à, ou supérieure à, 850 C et la pression appliquée est égale à, ou supérieure à, 20 x l05Nm'2 pour lier par diffusion les pièces les
unes aux autres pour former une structure monobloc.
14.- Procédé selon la revendication 13 dans lequel les pièces de métal (30, 32, 34, 90, 92) son chauffées à une température comprise entre 900 C et 950 C et la pression appliquée est comprise entre 20 x 105 Nm2 et 30 x
Nm-2.
15.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 dans
lequel la structure monobloc (80) est chauffée à une température égale à, ou supérieure à, 850 C pour former de façon superplastique la structure
monobloc (80).
16.- Procédé selon la revendication 15 dans lequel la structure monobloc (80) est chauffée à une température comprise entre 900 C et
950 C.
17.- Procédé selon la revendication 2 dans lequel la structure monobloc (80) est formée par fluage à chaud à une température égale à, ou
supérieure à, 740 C.
18.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 dans
lequel l'étape (f) comprend de forger par refoulement.
19.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18
comprenant d'usiner la région d'épaisseur augmentée (82).
20.- Procédé selon la revendication 19 dans lequel la région d'épaisseur augmentée (82) est usinée pour former une base à queue
d'aronde (26) ou une base en forme de sapin.
21.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 20 dans
lequel l'étape (f) comprend de chauffer la structure monobloc (80) à une
température prédéterminée avant forgeage.
22.- Procédé selon la revendication 21 dans lequel la structure monobloc (80) est chauffée à une température comprise entre 900 C et
950 C.
23.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 22 dans
lequel dans l'étape (a), chacune des au moins deux pièces de métal (30, 32,
34, 90, 92) comprend au moins une surface plate (38, 42, 46, 48, 96, 100).
24.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23 dans
lequel l'étape (a) comprend de former au moins une pièce de métal longitudinalement effilée (30, 32, 90, 92) et l'étape (f) comprend de forger par refoulement l'extrémité plus épaisse (60) de la pièce de métal (30, 32,
, 92).
25.- Procédé selon la revendication 24 dans lequel l'étape (a) comprend de former deux pièces de métal longitudinalement effilées (30, 32, 90, 92) , l'étape (c) comprend de disposer les extrémités plus épaisses (60) des pièces de métal (30, 32, 90, 92) à une extrémité (60) de la pile (36, 94) et l'étape (f) comprend de forger par refoulement les extrémités plus
épaisses (60) des pièces de métal (30, 32, 90, 92).
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