FR2961598A1 - Procede de controle d'une piece en titane ou en alliage de titane en vue de la detection de defauts d'usinage - Google Patents

Abstract

Procédé de contrôle d'une pièce en titane ou en alliage de titane en vue de la détection de défauts d'usinage, comprenant un dégraissage alcalin au trempé de la pièce, un rinçage de la pièce, un décapage de la pièce par dissolution chimique de sa couche « alpha-case », en plongeant la pièce (10) dans une cuve (59) contenant un bain (58) à base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, un rinçage de la pièce, un séchage de la pièce, un contrôle de l'épaisseur de matière retirée, et une inspection des surfaces de la pièce (10) en vue de la détection d'éventuels défauts d'usinage.

Description

Procédé de contrôle d'une pièce en titane ou en alliage de titane en vue de la détection de défauts d'usinage

La présente invention concerne un procédé de contrôle d'une pièce en titane ou en alliage de titane en vue de la détection de défauts d'usinage tels que des coups d'outil, des écrouissages, des incrustations, des surchauffes, etc. Un tambour de compresseur ou de turbine pour une turbomachine comprend plusieurs disques de rotor qui sont reliés entre eux par des parois sensiblement cylindriques ou tronconiques. Les disques de rotor sont réalisés indépendamment les uns des autres puis sont soudés entre eux et aux parois de révolution, par exemple par friction inertielle. Le tambour ainsi formé fait l'objet d'un usinage de finition, puis est contrôlé pour vérifier sa santé matière et qu'il ne comporte pas de traces ou de défauts d'usinage du type précité. Dans la technique actuelle, il est connu de contrôler des pièces en titane ou en alliage de titane par un procédé d'attaque électro-chimique appelé« Blue-etch ». Le procédé « Blue-etch » est décrit par exemple dans les documents FR-A1-2 677 669 et FR-A1- 2 677 670 de la Demanderesse et comprend plusieurs étapes successives parmi lesquelles une attaque acide de la pièce (qui permet de retirer une faible épaisseur de matière de l'ordre de quelques microns), une oxydation anodique de la pièce (de manière à y déposer une épaisseur de matière de quelques microns d'épaisseur), et une révélation qui permet aux défauts d'usinage de la pièce d'apparaître selon des formes et des couleurs qui leur sont propres. Pour garantir l'absence de défauts d'usinage sur un tambour, ce contrôle devrait être effectué sur le tambour fini, après assemblage des disques. Cependant, du fait de la géométrie complexe du tambour, il est difficile voire impossible d'obtenir des conditions optimales et homogènes d'oxydation anodique dans toutes les zones du tambour. Les disques du tambour définissent entre eux et avec les parois de révolution des poches annulaires qui sont difficilement accessibles. L'anodisation à l'intérieur de ces poches serait très difficile à réaliser, voire impossible. On connaît également par le document FR-A1-2 870 142 de la Demanderesse un procédé de décapage d'une pièce creuse pour le retrait par dissolution chimique de la couche contaminée riche en oxygène, communément appelée couche « alpha-case », qui se forme sur la pièce lors d'un traitement thermique. Le traitement thermique a pour conséquence de faire apparaître à la surface de la pièce une couche « alpha-case »fragile et cassante de quelques dizaines de microns d'épaisseur, qui est à l'origine de la formation de fissures et réduit considérablement la durée de vie de la pièce. La dissolution de la couche alpha-case est donc réalisée sur toute pièce en titane ou en alliage de titane ayant subi un traitement thermique.

L'invention a pour objet un procédé de contrôle d'une pièce en titane ou en alliage de titane, dans lequel les étapes précitées d'attaque chimique, d'oxydation anodique et de révélation du contrôle « Blue-etch » de la technique antérieure sont supprimées et l'étape de dissolution chimique de la couche « alpha-case » de la pièce est utilisée pour révéler d'éventuels défauts d'usinage de cette pièce. Cela simplifie considérablement le procédé de contrôle et le rend moins coûteux et réalisable sur une pièce complexe telle qu'un tambour de turbomachine. L'invention propose à cet effet un procédé de contrôle d'une pièce en titane ou en alliage de titane en vue de la détection de défauts d'usinage, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : a) dégraissage alcalin au trempé de la pièce ; b) rinçage de la pièce ; c) décapage de la pièce par dissolution chimique de sa couche « alpha-case », en plongeant la pièce dans un bain contenant un produit à base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, rinçage de la pièce ; d) séchage de la pièce ;

3 e) contrôle de l'épaisseur de matière retirée lors de l'étape c) ; et f) inspection des surfaces de la pièce en vue de la détection d'éventuels défauts d'usinage. Avantageusement, le rapport acide nitrique sur acide fluorhydrique du bain est au moins égal à 10, afin d'éviter un enrichissement en hydrogène L'étape a) du procédé selon l'invention a pour but de nettoyer la pièce, au moyen d'un produit dégraissant, tel que par exemple du Magnus® 663X commercialisé par la société Henkel. Pour cela, la pièce est plongée en tout ou partie dans un bain contenant le produit dégraissant, la durée d'immersion de la pièce dépend notamment de l'importance des contaminations présentes sur la pièce et de la concentration du bain en produit dégraissant. L'étape b) consiste à rincer la pièce pour éliminer le produit dégraissant sur sa surface. Le rinçage peut être réalisé avec de l'eau.

L'étape c) consiste à décaper la pièce par dissolution chimique de sa couche « alpha-case », en plongeant la pièce dans un bain contenant un produit à base d'acide nitrique (HNO3) et d'acide fluorhydrique (HF). La durée d'immersion de la pièce dans le bain dépend de l'enlèvement de matière souhaité, et donc de l'importance de la contamination de la pièce par la couche « alpha-case ». La vitesse de dissolution de la matière est en général de 1µm d'épaisseur par minute d'immersion. Avantageusement, la concentration en acide nitrique du bain est comprise entre 288 et 356 g/L et celle en acide fluorhydrique est comprise entre 15,5 et 29g/L avec une tolérance de 7%. Après le décapage, l'étape d) consiste à rincer la pièce, par exemple avec de l'eau. Cette étape est avantageusement réalisée le plus rapidement possible après le décapage pour stopper la dissolution chimique précitée. Pour les pièces à géométrie complexe, comme c'est le cas d'un tambour de compresseur ou de turbine pour turbomachine, des moyens de pompage peuvent être utilisés pour bien vider les cavités de la pièce (poches annulaires inter-disques du tambour) pendant les étapes du procédé, y compris les étapes de rinçage. Pour ces étapes de rinçage, une pulvérisation d'eau sur la pièce ou une immersion dans des bains de rinçage de la pièce, avec ou sans utilisation d'ondes ultrasonores, peuvent être pratiquées. L'étape e) consiste à sécher la pièce, par exemple avec de l'air comprimé, ou en l'introduisant dans une étuve. L'étape f) du procédé consiste à contrôler l'épaisseur de matière retirée lors de l'étape de décapage. La vérification de la quantité de matière dissoute peut être effectuée par pesée de la pièce à contrôler ou d'éprouvettes témoins, avant et après décapage. L'épaisseur dissoute correspond à l'épaisseur de la couche « alpha-case » et est de l'ordre de quelques dizaines de microns. Elle est donc supérieure à l'épaisseur de matière retirée par l'attaque chimique dans le contrôle « Blue-etch » de la technique antérieure (qui est de quelques microns). L'étape c) de décapage est avantageusement réalisée au moyen du dispositif décrit dans le document FR-A1-2 870 142 de la Demanderesse. Ce dispositif sera décrit plus en détail dans ce qui suit en référence aux dessins annexés. Il permet de plonger la pièce partiellement dans le bain de décapage et de la faire tourner autour d'un axe tout en pompant le produit décapant dans des cavités internes de la pièce, de façon à recycler le produit décapant dans ces cavités et ainsi uniformiser la dissolution chimique de la couche « alpha-case ». Le fait d'immerger partiellement la pièce tout en la faisant tourner permet d'uniformiser la profondeur de décapage sur toute la surface de la pièce, à l'intérieur comme à l'extérieur. En particulier, cette solution est préférable à une simple immersion totale de la pièce en raison des bulles d'air qui resteraient emprisonnées à l'intérieur de la pièce. Par exemple, on peut immerger la pièce sensiblement jusqu'à son axe de rotation.

Pour uniformiser la dissolution chimique, le produit peut être pompé en permanence à l'intérieur de la pièce tout en maintenant sensiblement constant le niveau du bain de produit décapant. Le produit décapant ainsi pompé est avantageusement réintroduit dans le bain à l'extérieur de la pièce. Etant donné que les cavités ont des volumes différents, le pompage peut être opéré en prélevant le produit décapant dans ces cavités, simultanément mais en ajustant les débits entre eux, sensiblement proportionnellement aux volumes respectifs de ces cavités. De cette façon, le renouvellement du produit décapant à l'intérieur des cavités s'opère régulièrement, le produit ayant à tout moment la même efficacité (ou en d'autres termes, le même degré d'épuisement) dans toutes les cavités.

Enfin, l'étape g) du procédé consiste à inspecter des surfaces de la pièce, au moyen d'une caméra et/ou d'un endoscope par exemple, pour la détection d'éventuels défauts d'usinage. La dissolution chimique de la couche « alpha-case » à l'étape c) confère aux défauts d'usinage un aspect plus brillant, du fait de la différence de dissolution des grains de matière des défauts et du reste de la pièce. Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté pour le contrôle d'un tambour de compresseur ou de turbine d'une turbomachine, ce tambour étant en titane ou en alliage de titane. Le procédé selon l'invention comprend un nombre limité d'étapes, inférieur à celui du contrôle « Blue-etch » de la technique antérieure (qui comprend jusqu'à onze étapes). L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit di-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend une première cuve remplie d'un bain contenant un produit dégraissant, une seconde cuve remplie d'un bain contenant un produit à base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, des moyens de support, de déplacement et de mise en rotation de la pièce, des moyens de pompage pour prélever un produit dans des cavités internes de la pièce et le refouler dans le bain correspondant, et des moyens d'inspection de la pièce à contrôler comprenant par exemple une caméra et/ou un endoscope.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un tambour de turbomachine plongé dans un bain de dégraissage et illustre l'étape a) du procédé selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de mise en oeuvre de l'étape c) de décapage du procédé selon l'invention ; la figure 3 est une vue schématique du dispositif de la figure 2 qui est partiellement plongé dans un bain de décapage et illustre l'étape c) du procédé selon l'invention ; et la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale du tambour et de moyens d'inspection de ce tambour et illustre l'étape g) du procédé selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui illustre la première étape ou étape a) du procédé selon l'invention, qui consiste à plonger une pièce 10 à contrôler en titane ou en alliage de titane dans un bainl2 contenant un produit dégraissant.

La pièce 10 est ici un tambour de compresseur ou de turbine d'une turbomachine, ayant une géométrie complexe et comprenant plusieurs disques de rotor 14 coaxiaux qui sont reliés les uns aux autres par des parois de révolution 16. Les disques 14 définissent entre eux et avec les parois de révolution 16 des poches annulaires internes 18 difficilement accessibles. Le tambour est réalisé en titane ou en alliage de titane et est formé par l'assemblage, par exemple par soudage (FE ou FI), des disques de rotor 14 et des parois de révolution 16 entre eux. La première étape du procédé selon l'invention consiste à effectuer un dégraissage alcalin au trempé du tambour 10. Pour cela, le tambour 10 est immergé dans un bain 12 contenant le produit dégraissant, qui est par exemple du Magnus® 663X commercialisé par la société Henkel. La concentration en produit dégraissant du bain 12 est par exemple de 30-60g/L et la température du bain est par exemple de l'ordre de 60-90°C. La durée d'immersion du tambour peut par exemple varier entre 5 et 20min.

La seconde étape ou étape b) du procédé consiste à rincer le tambour 10, par exemple avec de l'eau. Pour cela, le tambour peut être plongé dans un bain d'eau ou rincé au moyen d'un jet d'eau. L'étape c) du procédé consiste à décaper le tambour 10 par dissolution chimique de sa couche « alpha-case », en plongeant partiellement le tambour dans un bain contenant un produit décapant à base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, et en faisant tourner le tambour autour de son axe de révolution tout en pompant le produit décapant dans les poches 18 du tambour, de façon à recycler le produit décapant dans ces poches et ainsi uniformiser la dissolution chimique de la couche « alpha-case ». Cette étape est mise en oeuvre au moyen du dispositif décrit dans le document FR-A1-2 870 142 et qui est présenté brièvement dans ce qui suit en référence à la figure 2. Ce dispositif 11 comporte un support 13 équipé de moyens de préhension et d'entraînement en rotation 17 du tambour 10 à décaper, ce support 13 comportant un portique 25 portant à sa partie supérieure, fixés à une plate-forme 27, tous les moyens (composants moteurs et électromécaniques) pour la préhension et l'entraînement en rotation du tambourl0.

Plus précisément, un moteur électrique 29 entraîne un support 31 d'axe horizontal, porté par un montant 32 s'étendant sous la plate-forme 27. Le support 31 est entraîné par l'intermédiaire d'un jeu de pignons 33. Ce support est conformé et dimensionné pour s'adapter à une extrémité 36 du tambour. Le support 31 est largement ajouré pour ne pas entraver la circulation du produit décapant à l'intérieur du tambour.

Un élément tournant 37 non motorisé porte des bras 38 venant s'adapter à l'autre extrémité 39 du tambour. L'élément tournant est porté par un montant vertical 41 monté sous la plate-forme 27. L'ensemble se déplace axialement pour permettre la mise en place du tambour. Le support 31 et l'élément tournant 37 ont le même axe horizontal. Une fois mis en place, le tambour est maintenu entre eux en étant centré par les deux extrémités circulaires 36 et 39. Il peut donc tourner autour de son propre axe de rotation placé en position horizontale. La plate-forme 27 porte aussi une pompe 50 dont l'entrée 51 est connectée à un conduit ayant une extrémité 53 agencée axialement (axe X'X) et raccordée à un collecteur 54, rigide et démontable, susceptible d'être installé axialement à l'intérieur du tambour, comme représenté. Des conduits d'aspiration 55 souples sont raccordés à ce collecteur 54. Chaque conduit 55 plonge dans l'une des poches 18du tambour 10 lorsque le collecteur 54 et le tambour sont en place sur le support 13, comme visible sur la figure 2. La longueur d'un conduit dépend de la cavité qui lui correspond pour que son extrémité inférieure se situe au voisinage de la paroi de révolution 16 du tambour dans sa partie la plus profondément immergée, c'est-à-dire au fond de ladite poche 18 correspondante. Ainsi, les moyens de pompage 50, 54, 55 sont adaptés à prélever en permanence du produit décapant à l'intérieur du tambour et au fond de chaque poche 18, lorsque le tambour est partiellement immergé dans une cuve 59 remplie d'un bain 58 contenant le produit décapant (figure 3).

En outre, un détecteur de niveau 60 est placé sur le portique et l'installation comporte des moyens pour ajuster la position du support 13 (en hauteur) en sorte que le tambour soit immergé partiellement jusqu'à une hauteur prédéterminée, par exemple, selon l'exemple, jusqu'à son axe de rotation X'X.

Dans cet exemple de réalisation et comme représenté en figure 3, c'est l'ensemble du support 13, c'est-à-dire le portique 25 lui-même, qui est plongé dans la cuve remplie du bain décapant. Pour ce faire, il est porté et transporté par des moyens de levage 61, faisant par exemple partie d'un pont roulant ou analogue de l'installation. Lesdits moyens de levage 61 permettent d'ajuster la position du support 13 et par conséquent du tambour 10 dans la cuve; ils sont à cet effet pilotés par le détecteur de niveau 60, lequel est fixé sur le support à un emplacement tel qu'il détecte la surface du bain de produit décapant lorsque le tambour est immergé sensiblement jusqu'à l'axe X'X. Les moyens de levage 61 peuvent être asservis au niveau détecté, pour maintenir le détecteur de niveau 60 à la surface du bain 58 de produit décapant. De préférence, l'installation comporte des moyens pour maintenir un niveau sensiblement constant de produit décapant par rapport au tambour. Comme les moyens de pompage prélèvent du produit décapant au fond du tambour, la pompe 50 est agencée pour recycler en permanence le produit décapant dans la cuve 59, à l'extérieur du tambour. Un conduit 56 connecté à la sortie de refoulement 52 de la pompe plonge dans la cuve. Ce recyclage permet en pratique de maintenir le niveau de produit décapant à un niveau constant dans la cuve dès lors que le support 13 a été plongé dans celle-ci à une profondeur déterminée par le détecteur de niveau 60.

Du fait que le produit décapant est pompé en permanence dans les poches 18 du tambour et au fond de celles-ci, puis recyclé dans la cuve à l'extérieur du tambour, l'activité du produit décapant est maintenue homogène en tous points de la cuve. Pour déterminer le temps de traitement nécessaire en tenant compte de l'activité du produit décapant (lequel s'épuise progressivement) il suffit de décaper au préalable une éprouvette ayant subi le même traitement thermique que le tambour et d'en déduire un temps de décapage pour le tambour. Pendant le décapage lui-même, le pompage est équilibré entre les poches, ce qui permet encore d'uniformiser le décapage dans celles-ci.

Le produit décapant est un mélange d'acide nitrique (HNO3) et d'acide fluorhydrique (HF), qui contient avantageusement au moins 10 fois plus d'acide nitrique que d'acide fluorhydrique, en poids. De préférence, la concentration en acide nitrique du bain est comprise entre 288 et 356g/L et celle en acide fluorhydrique est comprise entre 15,5 et 29g/L avec une tolérance de 7%. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, le bain comporte 320g/L d'acide nitrique et 22g/L d'acide fluorhydrique. Le bain peut en outre comprendre du titane dissous, par exemple entre 0,3 et 1g/L. La température du bain peut être comprise entre 15 et 35°C et la durée d'immersion du tambour dans le bain peut être de l'ordre de 5min environ.

Les étapes d) et e) du procédé consistent ensuite à rincer le tambour, par exemple avec de l'eau, puis à le sécher, par exemple au moyen d'air comprimé. L'étape f) du procédé selon l'invention consiste à contrôler l'épaisseur de matière retirée lors de l'étape c) de dissolution chimique. La vitesse de dissolution de la matière dans le bain de décapage dépend notamment de la concentration en acide de ce bain et de la durée d'immersion du tambour. Pour déterminer l'épaisseur de matière retirée lors de l'étape c), on procède comme indiqué dans ce qui précède, en pesant le tambour ou des éprouvettes témoins avant et après immersion, et en calculant l'épaisseur de matière retirée, par exemple par la formule suivante : e = 1000 [(P1- P2) / S. d] dans laquelle e est l'épaisseur dissoute par face d'une éprouvette (en millimètres), P1 et P2 sont respectivement les masses de l'éprouvette avant et après immersion (en grammes), S est la surface de l'éprouvette (en mm2), et d est la masse volumique du matériau (titane ou alliage de titane - qui est le même que celui du tambour) exprimé en g/cm3. La dernière étape h) du procédé selon l'invention consiste à inspecter des surfaces du tambour en vue d'y détecter d'éventuels défauts d'usinage, cette inspection étant réalisée au moyen d'un endoscope et/ou d'une caméra, comme cela est représenté schématiquement en figure 4.

La caméra 70 est introduite dans chaque poche 18 du tambour 10 pour y détecter la présence de défauts d'usinage, cette caméra étant reliée à des moyens de visualisation (tels qu'un écran 72) de l'image captée par la caméra. Du fait de la dissolution chimique de la couche « alpha-case » à l'étape c), les éventuels défauts 74 à la surface du tambour ont un aspect plus brillant qui est facilement détectable dans les images prises au moyen de la caméra 70.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'une pièce (10) en titane ou en alliage de titane en vue de la détection de défauts d'usinage, caractérisé en ce qu'il 5 comprend les étapes de : a) dégraissage alcalin au trempé de la pièce ; b) rinçage de la pièce ; c) décapage de la pièce par dissolution chimique de sa couche « alpha-case », en plongeant la pièce dans un bain (58) contenant un produit à 10 base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, d) rinçage de la pièce ; e) séchage de la pièce ; f) contrôle de l'épaisseur de matière retirée lors de l'étape c) ; et g) inspection des surfaces de la pièce en vue de la détection d'éventuels 15 défauts d'usinage.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bain (58) contient au moins dix fois plus d'acide nitrique que d'acide fluorhydrique, en poids.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bain 20 (58) contient de 288 à 356 g/L d'acide nitrique et de 15,5 à 29 g/L d'acide fluorhydrique avec une tolérance de 7%.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape f) est réalisée au moyen d'une caméra (70) et/ou d'un endoscope. 25
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce à contrôler est un tambour (10) de turbine ou de compresseur d'une turbomachine.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape c) est réalisée en plongeant la pièce partiellement dans le 30 bain (58) et en la faisant tourner tout en pompant le produit décapant dans des cavités internes de la pièce, de façon à recycler le produit décapantdans ces cavités et ainsi uniformiser la dissolution chimique de la couche « alpha-case ».
7. 7. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une première cuve remplie d'un bain (12) contenant un produit dégraissant, une seconde cuve (59) remplie d'un bain (58) contenant un produit à base d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique, des moyens (13) de support, de déplacement et de mise en rotation de la pièce, des moyens (50) de pompage pour prélever un produit dans des cavités internes de la pièce et le refouler dans le bain correspondant, et des moyens (70) d'inspection de la pièce à contrôler comprenant par exemple une caméra et/ou un endoscope.