FR3046555A1 - Procede de traitement thermique d'une preforme en poudre, et outillage permettant de le mettre en oeuvre - Google Patents

Procede de traitement thermique d'une preforme en poudre, et outillage permettant de le mettre en oeuvre Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'une préforme (2) obtenue par mise en forme d'une poudre, la préforme comprenant au moins un bord effilé (2b) et étant disposée sur un support (3) placé dans une enceinte (1) traversée par un flux gazeux, le procédé comprenant le traitement thermique de la préforme dans l'enceinte. Un déflecteur (9) est placé dans l'enceinte à proximité du bord effilé de la préforme de manière à dévier le flux gazeux traversant l'enceinte dudit bord effilé de la préforme. L'invention vise aussi un outillage destiné à être utilisé dans un tel procédé.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des traitements thermiques de préformes de pièces obtenues par mise en forme de poudres. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, au déliantage ou au frittage de préformes de pièces obtenues par mise en forme de poudre métallique ou céramique.
Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des procédés de fabrication de pièces tridimensionnelles en métal (ou alliage métallique) ou en céramique mettant en œuvre une étape de mise en forme d'une poudre afin d'obtenir une préforme (par exemple en utilisant une technique de moulage par injection de poudre (PIM ou MIM) à l'aide d'un liant, par exemple un liant organique, ou de moulage par compaction de poudre), suivie d'une étape de déliantage (si un liant est utilisé pour la mise en forme), et de frittage de la préforme. Les étapes de déliantage et de frittage sont généralement réalisées dans la même enceinte pour des raisons pratiques.
Cependant, il a été observé que les préformes présentant une extrémité effilée, c'est-à-dire d'épaisseur faible par rapport au reste de la préforme, peuvent subir des déformations au niveau de cette extrémité au cours du traitement thermique, ce qui n'est pas souhaitable. Ces déformations sont particulièrement remarquables lors du frittage d'aubes de turbomachine (par exemple une turbomachine aéronautique ou terrestre) obtenues par exemple par injection de poudre métallique (ou « métal injection moulding »), qui présentent une extrémité effilée au niveau de leur bord de fuite.
Objet et résumé de l'invention
Lors de l'étape de déliantage thermique ou de frittage, la préforme est disposée sur un support, dans l'enceinte d'un four. Pour évacuer les contaminants de l'enceinte du four (par exemple un liant évaporé, ou des traces d'oxygène) et de la préforme en cours de traitement, on a recours à un balayage gazeux, par exemple de gaz neutre (comme de l'argon, de l'hélium, du dihydrogène, etc.). Un tel balayage est aussi préféré lors d'un frittage, pour éviter l'évaporation d'éléments légers (par exemple de l'aluminium ou du chrome) de la poudre constituant la préforme. Le balayage gazeux consiste typiquement en un débit et une pression de gaz neutre imposés dans l'enceinte, qui comporte alors une entrée et une sortie de gaz, par exemple sur deux parois latérales opposées de l'enceinte.
Un exemple d'outillage permettant un tel balayage gazeux est représenté en coupe sur la figure 1. Cette figure montre une enceinte 1 d'un four dans laquelle est disposée une préforme 2 d'aube de turbomachine aéronautique en poudre métallique positionnée sur un support 3 adapté. La préforme d'aube présente un bord d'attaque 2a et un bord de fuite 2b. L'enceinte comprend deux parois latérales opposées 4a et 4b, la paroi 4a comprenant des orifices d'entrée de gaz 5a et la paroi 4b comprenant des orifices de sortie de gaz 5b. Le bord de fuite 2b est positionné en face des orifices d'entrée de gaz 5a. Un réservoir de gaz 6 est connecté aux orifices d'entrée 5a, et une vanne de régulation 7 permet de réguler le débit de gaz entrant dans l'enceinte 1. De l'autre côté de l'enceinte, au niveau de la paroi 4b, les orifices de sortie 5b sont connectés à une pompe 8 qui permet d'évacuer le gaz de l'enceinte et d'en réguler la pression. Le trajet du flux de gaz dans l'enceinte 1 est schématisé par des flèches. L'inventeur a montré à la suite d'essais, que les déformations de l'extrémité effilée de la préforme 2 (constituée ici par le bord de fuite 2b de l'aube) sont dues au flux de gaz qui peut soulever le bord de fuite 2b lorsqu'il chemine à proximité de celui-ci. Comme les températures atteintes lors du traitement thermique (ici un frittage) peuvent être très élevées, la préforme est plus facilement déformable plastiquement et ce phénomène est amplifié.
Une solution à ce problème pourrait être d'orienter la préforme de telle sorte que le bord de fuite 2b ne se trouve pas en face d'un orifice d'entrée de gaz 5a, comme dans l'exemple de la figure 1. Cependant, comme cela est visible sur la figure 2 dans laquelle le bord de fuite 2b n'est plus orienté vers les entrées 5a, le flux de gaz peut malgré tout créer une dépression au niveau de la face extrados de l'aube, et déformer ainsi le bord de fuite 2b.
La présente invention a donc pour but principal de permettre de réaliser un traitement thermique d'une préforme en poudre sous un balayage gazeux, tout en empêchant les déformations de la préforme dues au flux de gaz traversant l'enceinte.
Ce but est atteint par un procédé de traitement thermique d'une préforme obtenue par mise en forme d'une poudre, la préforme comprenant au moins un bord effilé et étant disposée sur un support placé dans une enceinte traversée par un flux gazeux, le procédé comprenant le traitement thermique de la préforme dans l'enceinte. Conformément à l'invention, un déflecteur est placé dans l'enceinte à proximité du bord effilé de la préforme de manière à dévier le flux gazeux traversant l'enceinte dudit bord effilé de la préforme.
Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'on utilise un déflecteur à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle on réalise le traitement thermique. Par déflecteur on entend, de façon connue en soi, un appendice aérodynamique permettant d'orienter un flux gazeux vers une direction souhaitée ou de l'en écarter. Ce déflecteur permet ici de dévier (ou détourner, ou encore éloigner) le flux de gaz au niveau du bord effilé de la préforme. On évite ainsi les déformations engendrées par le flux gazeux sur la préforme (et plus particulièrement au niveau du bord effilé) lorsqu'il traverse l'enceinte.
De préférence, le bord effilé de la préforme se situe à une première hauteur dans l'enceinte, et le déflecteur s'étend verticalement sur une deuxième hauteur supérieure à la première hauteur.
De préférence également, la préforme est orientée de manière à ce que le bord effilé soit positionné en face d'une arrivée de gaz dans l'enceinte, le déflecteur étant placé entre l'arrivée de gaz et le bord effilé de la préforme.
Selon un mode de réalisation, le déflecteur et le support sur lequel est disposée la préforme sont deux éléments distincts. Le déflecteur peut ainsi être réutilisé pour plusieurs traitements thermiques.
En variante, le déflecteur est intégré au support sur lequel est disposée la préforme. Dans ce cas, le déflecteur devra être intégré au support lors de sa fabrication.
Le traitement thermique de la préforme peut être un déliantage thermique de la préforme. En variante, le traitement thermique de la préforme peut être un frittage de la préforme. L'invention vise aussi un procédé tel que celui décrit précédemment, dans lequel une préforme d'aube de turbomachine aéronautique est traitée thermiquement, le bord effilé de la préforme correspondant à un bord de fuite de l'aube. L'invention vise encore un outillage destiné à être utilisé pour le traitement thermique d'une préforme obtenue par mise en forme d'une poudre, l'outillage comprenant un four muni d'une enceinte comprenant sur une paroi latérale un orifice d'entrée de gaz et sur une autre paroi latérale un orifice de sortie de gaz, et un support placé dans l'enceinte du four destiné à supporter la préforme. Conformément à l'invention, l'outillage comporte en outre un déflecteur positionné dans l'enceinte entre le support et l'orifice d'entrée de gaz. Comme expliqué précédemment, le déflecteur permet de dévier le flux de gaz qui traversera l'enceinte entre les orifices d'entrée et les orifices de sortie, du support sur lequel est disposée la préforme.
Selon un mode de réalisation de l'outillage, le déflecteur est intégré au support. En variante, le déflecteur et le support peuvent être deux éléments distincts.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - les figure 1 et 2 illustrent schématiquement différentes configurations d'outillages de l'art antérieur pour le traitement thermique de préformes en poudre, - les figures 3 et 4 illustrent schématiquement deux outillages pour le traitement thermique de préformes en poudre selon deux modes de réalisation de l'invention, respectivement.
Description détaillée de l'invention L'invention va maintenant être décrite dans son application au traitement thermique de préformes obtenues par mise en forme d'une poudre métallique, en alliage métallique ou en céramique. Plus précisément, l'invention permet de protéger une pièce traitée thermiquement des déformations entraînées par un flux de gaz traversant une enceinte chauffée (par exemple un four). Un tel traitement thermique peut par exemple consister en un déliantage thermique ou un frittage, comme cela sera décrit ci-après.
On notera que, sauf mention contraire, des signes de référence identiques sur les différentes figures désignent des caractéristiques identiques.
Pour réaliser une préforme en poudre, on dispose tout d'abord d'une poudre ayant les propriétés souhaitées en termes de matériau, de granulométrie, etc. La poudre est ensuite mise en forme directement par compaction, ou mélangée à un liant et injectée dans un moule, extrudée ou coulée, pour obtenir la préforme.
Lorsque la préforme contient un liant, elle peut être déliantée par immersion dans un solvant adéquat, puis être soumise à un traitement thermique de déliantage thermique. Une fois le déliantage terminé, la préforme est frittée, généralement dans la même enceinte que pour réaliser le déliantage thermique.
Durant les opérations de déliantage et de frittage (ou plus généralement, de traitement thermique), il est courant de soumettre l'enceinte à un balayage gazeux. Dans le cas du déliantage, ce balayage gazeux permet d'évacuer efficacement les liants évaporés ou dégradés vers l'extérieur de l'enceinte. Dans le cas du frittage, le balayage gazeux permet notamment de limiter la concentration en oxygène dans l'enceinte et de limiter la contamination de la préforme. En outre, un balayage gazeux est préféré lors du frittage pour limiter l'évaporation des éléments d'addition légers (comme l'aluminium ou le chrome), qui ont tendance à s'évaporer lorsque le frittage est réalisé sous vide. Ce balayage gazeux permet ainsi de conserver les propriétés chimiques de la pièce pendant le frittage.
La figure 3 montre un outillage pour effectuer un traitement thermique comprenant une enceinte 1 d'un four identique à celle des figures 1 et 2 décrites précédemment. L'enceinte comporte des orifices d'entrée de gaz 5a sur une paroi latérale 4a, des orifices de sortie de gaz 5b sur une paroi latérale 4b opposée à la paroi 4a, un réservoir de gaz 6, une vanne de régulation 7, ainsi qu'une pompe 8. L'enceinte 1 comprend en outre un support 3 sur lequel est disposée une préforme d'aube 2 de turbomachine aéronautique en poudre. La préforme 2 comprend un bord d'attaque 2a et un bord de fuite constituant un bord effilé 2b. L'épaisseur d'un tel bord effilé peut par exemple être inférieure à 1 mm.
Lors du traitement thermique, le flux gazeux traverse l'enceinte depuis la paroi 4a vers la paroi 4b entre les orifices d'entrée de gaz 5a et les orifices de sortie de gaz 5b, et suit un trajet schématisé par les flèches sur les figures.
Conformément à l'invention, l'enceinte 1 comprend également un déflecteur 9 placé à proximité du bord effilé 2b (correspondant au bord de fuite de l'aube) de la préforme 2 et configuré pour dévier le flux de gaz traversant l'enceinte du bord effilé 2b de la préforme 2. La préforme 2 sur son support 3 est orientée de telle sorte que le bord effilé 2b se situe en face des orifices d'entrée de gaz 5a, le déflecteur 9 étant positionné entre le bord effilé 2b et les orifices d'entrée 5a.
Le bord effilé 2b de la préforme 2 se situe à une hauteur hl dans l'enceinte. Le déflecteur 9 prend ici la forme d'un trapèze de hauteur h2, supérieure à la hauteur hl, afin de dévier plus efficacement le flux de gaz. De préférence, la hauteur h2 est supérieure d'au moins 2 mm de la hauteur hl, et ne la dépasse pas de plus de 15 mm (afin d'assurer un balayage gazeux suffisant dans l'enceinte).
De préférence encore, la largeur L1 de la petite base du déflecteur 9 (c'est-à-dire la base supérieure du déflecteur 9) est d'au moins 0,5 mm, et de préférence comprise entre 0,5 mm et 5 mm.
La distance LO séparant le déflecteur 9 du bord effilé 2b de la préforme 2 est préférentiellement inférieure à 10 mm, plus préférentiellement inférieure à 5 mm, voire encore plus préférentiellement inférieure à 2 mm. La distance LO peut également être définie par rapport à la hauteur du déflecteur comme suit : 0,5*hl < LO < l,5*hl.
Le déflecteur 9 peut présenter une géométrie de type pyramidale (pouvant être tronquée, comme le déflecteur 9 trapézoïdal) avec une base par exemple polygonale, et une élévation présentant un angle de dépouille a compris entre 1° et 45°, préférentiellement entre 1° et 20°, encore plus préférentiellement entre 1° et 10°. L'angle de dépouille a est défini comme l'angle formé par un côté du déflecteur avec la verticale. L'angle de dépouille a pourra être plus généralement choisi pour optimiser le profil aérodynamique du déflecteur 9 tout en limitant son coût de fabrication. En effet, plus l'angle de dépouille sera réduit, plus le coût de fabrication du déflecteur 9 sera diminué, car le déflecteur sera plus petit. A l'inverse, plus l'angle de dépouille sera grand, meilleur sera le profil aérodynamique du déflecteur 9 et son efficacité pour dévier le flux gazeux.
La figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le déflecteur 9' est intégré au support 3' de la préforme 2. Dans cet exemple, le déflecteur 9' prend une forme biseautée, et forme un logement avec le support 3' dans lequel est positionné le bord effilé 2b de la préforme.
Le déflecteur 9' peut présenter des caractéristiques identiques au déflecteur 9 de la figure 1, notamment en ce qui concerne sa hauteur hl (définie au point le plus haut du déflecteur 90, sa largeur L1 et sa distance au bord effilé LO.
La préforme 2 subit généralement une contraction isotrope dans tout son volume lorsqu'elle est frittée (jusqu'à 30% selon la poudre utilisée). Par conséquent, dans le cas où le traitement thermique est un frittage, on pourra utiliser un support 3, 3' consommable apte à se contracter avec la préforme afin de ne pas la déformer. Un tel support 3, 3' consommable peut être réalisé en utilisant une poudre identique à celle de la préforme, éventuellement mise en forme avec un liant. On pourra se référer au document FR 2944721 qui décrit un tel support consommable. En variante, on peut également utiliser un support permanent ou semi-permanent comme décrit dans les demandes de brevet françaises (non publiées à ce jour) déposées le 6 juillet 2015 et portant les numéros de dépôt FR1556373 et FR1556376.
Lorsque le déflecteur 9' est intégré au support 3', il pourra être fabriqué simultanément avec le support 3' et comprendre un matériau identique à celui-ci.
Le déflecteur 9 déporté (figure 3) peut comprendre un matériau d'une autre nature que le matériau de la préforme, qui devra présenter une température de fusion supérieure à la température maximale à laquelle il sera soumis durant le traitement thermique (afin de conserver ses propriétés géométriques et ne pas se déformer lors du traitement thermique). Un tel matériau peut par exemple être choisi parmi les céramiques (alumine, zircone, Yttrine, etc.), ou encore un alliage métallique, par exemple à base de nickel, cobalt, etc.
En variante, le déflecteur 9, 9' peut comprendre un matériau de même nature que celui de la poudre de la préforme à traiter thermiquement (par exemple en titane ou en Ta6V, lorsque la préforme comprend un alliage Ta6V). Le déflecteur 9, 9' pourra être obtenu également par mise en forme d'une poudre, de la même manière que la préforme 2.
Un procédé et un outillage selon l'invention sont particulièrement bien adaptés à la fabrication de pièces pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc.
On notera enfin que l'invention ne se limite pas seulement à la fabrication de pièces pour l'aéronautique, mais peut également servir à fabriquer des pièces de turbomachines industrielles terrestres, comme des aubes de turbine.
Exemple
Une aube de redresseur de turbomachine aéronautique a été réalisée par le procédé décrit ci-dessous.
On prépare une composition d'injection comprenant 60% en volume d'une poudre d'un alliage du type TA6V (de granulométrie D9o<35pm, atomisée sous argon) et 40% en volume d'un mélange de liants comprenant du polyéthylène, du polyéthylène glycol et du polyprolylène (sous forme de granulés).
La composition est chauffée à 190°C, puis injectée dans un moule ayant la forme de l'aube à fabriquer. Le moule est ensuite refroidis à une température de 50°C, puis la préforme obtenue est démoulée. On supprime les bavures et ies carottes dues à l'injection sur ia préforme obtenue.
De la même manière, on réalise un support muni d'un déflecteur tel que celui décrit en référence à la figure 4, à l'aide de la même composition et dans un moule ayant une forme adaptée.
Le déliantage par solvant est ensuite réalisé sur le support muni du déflecteur et la préforme pour éliminer notamment le polyéthylène glycol (PEG). Le cycle de déliantage par solvant du PEG est d'environ 48 heures pour une pièce de 8 mm d'épaisseur, lorsque le solvant est régulé à une température de 60°C. Le solvant utilisé est de l'eau pure. La préforme et le support sont séchés 1 heure à 70°C dans une étuve.
Après séchage, le support est disposé dans l'enceinte d'un four sur une plaque en zircone, et la préforme est disposée sur le support comme illustré sur la figure 4.
Dans le four, un balayage gazeux d'argon est mis en place : la pression est maintenue à 20 mbar et le débit de gaz entrant dans l'enceinte est de l'ordre de 10 Litres/min. Le balayage gazeux permet d'augmenter l'efficacité du déliantage, et d'éviter la contamination de la préforme, et l'évaporation des éléments légers lors du frittage. Les paramètres du balayage gazeux d'argon sont ici identiques durant le déliantage et le frittage.
On effectue plusieurs paliers de déliantage thermique, puis un palier de frittage. Le cycle des températures dans l'enceinte du four est le suivant : - augmentation de la température depuis l'ambiante jusqu'à 200°C par une rampe de montée en température à 5°/min, - augmentation de la température jusqu'à 350°C par une rampe de montée en température à 2°C/min, - maintien de la température à 350°C pendant 1 heure, - augmentation de la température jusqu'à 470°C par une rampe de montée en température à 2°C/min, - maintien de la température à 470°C pendant 1 heure, - augmentation de la température jusqu'à 1250°C par une rampe de montée en température à 5°C/min, - maintien de la température à 1250°C pendant 4 heures (palier de frittage), et - diminution de la température à 80°C par une rampe de descente en température à 10°C/min.
La pièce obtenue est refroidie, puis extraite de l'enceinte du four. On peut ensuite effectuer des traitements post-frittage comme un compactage isostatique à chaud, un trempé-revenu et des usinages de finition, etc. L'aube ainsi obtenue après le frittage n'a pas subi de déformations au niveau de son bord de fuite. Enfin, comme le flux gazeux a pu être conservé durant les cycles de traitement thermique le déliantage a été efficace, et les propriétés chimiques de la pièce n'ont pas été altérées lors du frittage.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de traitement thermique d'une préforme (2) obtenue par mise en forme d'une poudre, la préforme comprenant au moins un bord effilé (2b) et étant disposée sur un support (3 ; 30 placé dans une enceinte (1) traversée par un flux gazeux, le procédé comprenant le traitement thermique de la préforme dans l'enceinte, caractérisé en ce qu'un déflecteur (9 ; 9') est placé dans l'enceinte à proximité du bord effilé de la préforme de manière à dévier le flux gazeux traversant l'enceinte dudit bord effilé de la préforme.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bord effilé (2b) de la préforme (2) se situe à une première hauteur (hl) dans l'enceinte, et en ce que le déflecteur (9 ; 90 s'étend verticalement sur une deuxième hauteur (h2) supérieure à la première hauteur.
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la préforme (2) est orientée de manière à ce que le bord effilé (2b) soit positionné en face d'une arrivée de gaz (5a) dans l'enceinte (1), le déflecteur (9 ; 90 étant placé entre l'arrivée de gaz et le bord effilé de la préforme.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le déflecteur (9) et le support (3) sur lequel est disposée la préforme (2) sont deux éléments distincts.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le déflecteur (90 est intégré au support (3') sur lequel est disposée la préforme (2).
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement thermique de la préforme (2) est un déliantage thermique de la préforme.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement thermique de la préforme (2) est un frittage de la préforme.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une préforme d'aube (2) de turbomachine aéronautique est traitée thermiquement, le bord effilé (2b) de la préforme correspondant à un bord de fuite de l'aube.
  9. 9. Outillage destiné à être utilisé pour le traitement thermique d'une préforme (2) obtenue par mise en forme d'une poudre, l'outillage comprenant un four muni d'une enceinte (1) comprenant sur une paroi latérale (4a) un orifice d'entrée de gaz (5a) et sur une autre paroi latérale (4b) un orifice de sortie de gaz (5b), et un support (3 ; 30 placé dans l'enceinte du four destiné à supporter la préforme, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un déflecteur (9 ; 90 positionné dans l'enceinte entre le support et l'orifice d'entrée de gaz.
  10. 10. Outillage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le déflecteur (9') est intégré au support (30-
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