FR3046740A1 - Procede de rechargement ou de fabrication d'une piece metallique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de rechargement ou de fabrication d'une pièce métallique comportant les étapes consistant à : -former au moins une couche (3) de matière sur un substrat (1), par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt de plusieurs cordons (8) de matière adjacents, lesdits cordons (8) étant réalisés par fusion d'un fil d'apport de métal (4), ladite couche (3) comportant, après solidification sur le substrat (1), une surface irrégulière (12) comportant des zones en saillie (13) et des zones en creux (14), -fusionner partiellement, par apport de chaleur (6), les cordons (8) déposés, de façon à ce que la matière ainsi fusionnée issue notamment des zones en saillie (13) soit dirigée vers les zones en creux (14), afin de lisser (16) la surface précitée (12).

Description

Procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique

La présente invention concerne un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique.

La demande de brevet FR 2 982 182, au nom de la Demanderesse, divulgue un procédé de fabrication de pièces par fusion sélective de poudres. Un tel procédé est également connu sous les noms anglais de « Direct Métal Laser Sintering » ou « Electron Beam Melting ».

Un tel procédé consiste à fabriquer une pièce par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser. De façon pratique, on dispose sur le fond d’une cuve formé par un plateau mobile en translation verticale, une première couche de poudre à l’aide d’un racleur. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface supérieure du plateau et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser ou le faisceau d’électrons. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la pièce métallique.

Après formation de cette première couche, le plateau est descendu d’une distance correspondant à l’épaisseur d’une couche, puis une seconde couche de poudre est amenée par le racleur sur la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de la pièce métallique est formée par fusion à l’aide du faisceau laser ou du faisceau d’électrons.

Ces opérations sont répétées jusqu’à fabrication complète de la pièce. Un tel procédé est difficilement applicable au rechargement de pièces existantes.

Lors du fonctionnement de la turbomachine, certaines pièces sont soumises à des efforts, à des températures, voire à des frottements importants, générant des usures rapides et localisées.

Lorsqu’une usure supérieure aux spécifications est détectée lors d’une opération de maintenance, la pièce doit être changée. Une alternative au changement d’une pièce coûteuse est de réparer ou recharger la zone usée avec de la matière.

Pour cela, il est connu de recharger lesdites zones usées par soudage conventionnel à l’arc (MIG, TIG, plasma ou électrode enrobée), par projection laser ou par brasage diffusion.

Ces procédés génèrent des déformations mécaniques importantes de la pièce et nécessitent des opérations de reprise par usinage afin que les dimensions finales de la pièce correspondent aux spécifications.

En particulier, la demande de brevet FR 2 874 624, au nom de la Demanderesse, divulgue un procédé de rechargement d’une pièce par projection laser, également connu sous le nom anglais « Laser Cladding ». Un tel procédé consiste à exposer un substrat à une source laser afin qu'une partie au moins de celui-ci entre en fusion, et à projeter simultanément une poudre métallique véhiculée par un gaz d'amenée, généralement un gaz neutre protecteur tel que de l’argon, sur la partie en fusion de ce substrat. L’utilisation de poudres pour la fabrication ou le rechargement de pièces permet de disposer de nombreuses nuances de métal. Les procédés utilisant de la poudre en tant que métal d’apport sont cependant onéreux, du fait notamment du coût de la poudre, et peuvent être complexes à mettre en œuvre. En effet, la manipulation d’un matériau sous forme de poudre nécessite des précautions particulières en termes de sécurité. Par ailleurs, les vitesses de rechargement ou de fabrication de tels procédés sont relativement faibles. D’autres procédés connus consistent à recharger une pièce par formation successives de couches, chaque couche étant formée de cordons de matière adjacents, obtenus par fusion d’un fil servant de métal d’apport, à l’aide d’une source de chaleur telle par exemple qu’un faisceau laser.

Dans un tel cas, après solidification des cordons constitutif de la couche, cette dernière comporte une surface irrégulière comportant des zones en saillie et des zones en creux. Lorsque la couche suivante est formée sur la surface irrégulière de la couche précédente, on constate des défauts de fusion ou de liaison générant des zones en creux au sein de la matière ajoutée.

Afin de remédier à cet inconvénient, il est notamment possible de réduire les dimensions des sections des cordons et/ou d’augmenter le taux de recouvrement des cordons. Lors de la réalisation des cordons, ceux-ci sont généralement superposés en partie, de façon à ce qu’un cordon recouvre partiellement le cordon adjacent déposé précédemment. Un taux de recouvrement de 0% correspond au cas où deux cordons adjacents ne sont pas recouverts l’un par rapport à l’autre et un taux de recouvrement de 100% correspond au cas où deux cordons se recouvrent en totalité l’un par rapport à l’autre.

Plus la section des cordons est faible ou plus le taux de recouvrement est important, plus la réalisation de la couche est longue et moins la surface de la couche ainsi formée est irrégulière. A l’inverse, plus la section des cordons est importante ou plus le taux de recouvrement est faible, plus la réalisation de la couche est rapide mais plus la surface de la couche ainsi formée est irrégulière.

Il convient alors de trouver le meilleur compromis entre la rapidité de réalisation de la couche formée, ce qui a un impact sur le coût du procédé de rechargement, et l’irrégularité de la surface de la couche formée, en vue d’éviter les défauts de fusion ou de liaison précités.

Un autre procédé connu consiste à usiner la surface irrégulière, par exemple par fraisage, avant de former une autre couche par dépôt de cordons de matière. De cette manière, on évite les défauts de fusion ou de liaison précités. Un tel procédé est cependant relativement complexe, long et onéreux et engendre des pertes de matière. Un tel usinage nécessite en outre l’utilisation de lubrifiant, ce qui peut polluer la surface à recharger. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes. A cet effet, elle propose un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique comportant les étapes consistant à : -former au moins une couche de matière sur un substrat, par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt de plusieurs cordons de matière adjacents, lesdits cordons étant réalisés par fusion d’un fil d’apport de métal, ladite couche comportant, après solidification sur le substrat, une surface irrégulière comportant des zones en saillie et des zones en creux, -fusionner partiellement, par apport de chaleur, les cordons déposés, de façon à ce que la matière ainsi fusionnée issue notamment des zones en saillie soit dirigée vers les zones en creux, afin de lisser la surface précitée. L’utilisation d’une source de chaleur afin de lisser la surface irrégulière permet de réduire la complexité du procédé de fabrication ou de rechargement sans engendrer de perte de matière, par comparaison avec le procédé utilisant un usinage de ladite surface irrégulière.

Au moins une autre couche de matière peut être formée par dépôt de plusieurs cordons de matière adjacents, sur la surface précédemment lissée.

Le cordon peut obtenu par fusion d’un fil métallique à l’aide d’une source de chaleur de type faisceau laser, faisceau d’électrons ou arc électrique.

Dans un tel cas, le fil métallique et la source de chaleur balaient le substrat de façon à déposer les cordons en fonction de la géométrie de la pièce à réaliser ou du rechargement à effectuer.

Par ailleurs, la fusion partielle des cordons déposés peut être réalisée à l’aide d’une source de chaleur ponctuelle déplacée le long de la surface irrégulière.

En particulier, la fusion partielle des cordons déposés peut être réalisée à l’aide de la même source de chaleur que celle permettant la fusion du fil métallique.

Le procédé selon l’invention est ainsi considérablement simplifié puisqu’une même source de chaleur peut être utilisée pour réaliser les couches constituées de cordons et pour effectuer l’opération de lissage, le fil pouvant être simplement retiré lors de l’opération de lissage.

La source de chaleur permettant la fusion partielle desdits cordons peut être déplacée selon une trajectoire croisant lesdits cordons.

En d’autres termes, la trajectoire de la source de chaleur lors de l’étape de lissage ne suit pas la même trajectoire que la source de chaleur lors de l’étape de réalisation des cordons. De cette manière, on garantit que la source de chaleur permet la fusion à la fois des zones en saillie et des zones en creux.

Les cordons peuvent être sensiblement parallèles les uns aux autres, ou présenter des sections parallèles les unes aux autres, la source de chaleur permettant la fusion partielle desdits cordons étant déplacée perpendiculairement auxdits cordons. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont respectivement des vues schématiques, de dessus et de côté, d’une zone d’une pièce à recharger, illustrant une première étape du procédé selon l’invention, - les figures 3 et 4 sont des vues correspondant aux figures 1 et 2, illustrant une deuxième étape du procédé selon l’invention, - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 2, illustrant une troisième étape du procédé selon l’invention.

Les figures 1 et 2 représentent une première étape d’un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique, telle par exemple qu’un carter de turbine ou de compresseur pour une turbomachine, par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.

Ladite pièce métallique comporte une zone ou un substrat 1 à reconstruire. Pour cela, une surface 2, par exemple une surface plane, a été préparée, par exemple par usinage, en vue de son rechargement.

Le matériau du substrat 1 est par exemple un alliage de type TA6V.

Pour effectuer un tel rechargement, une première couche de matière 3 est déposée sur la surface du substrat. Pour cela, un fil de métal 4, par exemple en TA6V, est amené à l’aide de moyens de distribution de fil 5 au niveau de la surface 2 du substrat 1. Parallèlement, un faisceau 6 généré par un laser 7, par exemple un laser de type YAG, est focalisé au niveau de la surface 2 du substrat 1, plus particulièrement en regard de l’extrémité du fil 4, de manière à provoquer sa fusion. Le déplacement du fil 4 et du faisceau laser 6 le long du substrat 1 permet de former des cordons de matière 8.

La trajectoire Ta du fil 4 et du faisceau laser 6 est représentée en traits pointillés à la figure 1. Cette trajectoire comporte des sections linéaires 9a s’étendant selon un axe noté y, reliées par des sections de liaison 10a. Bien entendu, toute autre trajectoire pourrait être utilisée, cette trajectoire Ta ayant été choisie à titre d’exemple. Les cordons 8 formés sont donc des cordons rectilignes parallèles et adjacents, se recouvrant partiellement deux à deux. Le taux de recouvrement est par exemple compris entre 50 et 70% et est préférentiellement de l’ordre de 60%. A titre d’exemple, le diamètre du fil 4 peut être de 1,2 mm, chaque cordon 8 peut présenter une dimension selon un axe x (perpendiculaire à l’axe y et parallèle à la surface du substrat) de l’ordre de 1,2 mm, l’énergie du faisceau laser 6 peut être de 3500 W, la vitesse d’avance du fil 4 et dudit faisceau laser 6 peut être de 2 m/min, le diamètre du faisceau laser 6 au niveau de la pièce à recharger pouvant être de l’ordre de 4 mm.

Le substrat 1 a par exemple une épaisseur de l’ordre de 7 mm. L’angle d’inclinaison a1 du faisceau laser 6 par rapport à la normale 11 à la surface 2 est compris entre 5 et 30°, par exemple de l’ordre de 15°. L’angle d’inclinaison a2 du fil 4 par rapport à la normale 11 est par exemple compris entre 40 et 80°, par exemple de l’ordre de 60°. A l’issue de cette première étape et après solidification des cordons de matière 8, la surface 2 du substrat 1 est recouverte d’une couche de matériau similaire ou identique à celui du substrat 1. La couche 3 comporte une surface irrégulière 12 tournée vers le haut à la figure 2, ladite surface 12 comportant des zones en saillie ou des bosses 13, d’une part, et des zones en creux ou des sillons 14, d’autre part.

Une deuxième étape du procédé selon l’invention consiste à aplanir cette surface irrégulière 12, comme illustré aux figures 3 et 4. Cette deuxième étape consiste à déplacer le fil 4 en retrait et à déplacer le faisceau laser 6 le long d’une trajectoire Tb parcourant la surface irrégulière 12 ainsi formée.

Une partie de cette trajectoire Tb est illustrée en traits pointillés à la figure 3. Cette trajectoire comporte des sections linéaires 9b s’étendant selon l’axe x, perpendiculaire à l’axe y, reliées par des sections de liaison 10b. Comme précédemment, toute autre trajectoire pourrait être utilisée, cette trajectoire Tb ayant été choisie à titre d’exemple.

Lors de cette deuxième étape, les cordons 8 sont partiellement fusionnés au niveau de leur partie supérieure. Plus particulièrement, le matériau présent au niveau de la surface irrégulière 12 est fusionné à l’aide du faisceau laser 6 de façon à réduire les dimensions des zones en saillie 13 et de façon à combler les zones en creux 14 avec la matière en fusion.

La surface 16 obtenue à l’issue de la deuxième étape, après solidification de la matière, est une surface relativement plane et régulière.

Lors de cette deuxième étape, l’énergie du faisceau laser 6 peut être de 2000 W et la vitesse d’avance du fil 4 et dudit faisceau 6 peut être de 5 m/min. Le taux de recouvrement est par exemple compris entre 60 et 90 %, par exemple de l’ordre de 75 ou 80 %.

Une deuxième couche de matière 17 peut ensuite être déposée sur la surface plane 16 ainsi réalisée, de la même manière que lors de la première étape. La surface irrégulière 12 obtenue à l’issue de cette troisième étape pourra alors à nouveau être fusionnée partiellement, comme lors de la deuxième étape, avant ajout d’une couche, etc.

On procède ainsi couche par couche jusqu’à rechargement complet de la pièce.

Bien entendu, il est possible de de superposer au moins deux couches de matériau 3, 17 formés par des cordons adjacents 8, comme dans la première étape, avant de réaliser une fusion partielle de la surface irrégulière 12, comme dans la deuxième étape précitée.

Le procédé selon l’invention permet de pouvoir recharger ou reconstruire tout type de pièce métallique, de façon fiable, simple et peu coûteuse, en utilisant un matériau se présentant sous la forme d’un fil, un tel matériau pouvant être manipulé aisément sans précaution particulière.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique comportant les étapes consistant à : -former au moins une couche (3) de matière sur un substrat (1 ), par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt de plusieurs cordons (8) de matière adjacents, lesdits cordons (8) étant réalisés par fusion d’un fil d’apport de métal (4), ladite couche (3) comportant, après solidification sur le substrat (1), une surface irrégulière (12) comportant des zones en saillie (13) et des zones en creux (14), -fusionner partiellement, par apport de chaleur (6), les cordons (8) déposés, de façon à ce que la matière ainsi fusionnée issue notamment des zones en saillie (13) soit dirigée vers les zones en creux (14), afin de lisser (16) la surface précitée (12).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une autre couche de matière (17) est formée par dépôt de plusieurs cordons (8) de matière adjacents, sur la surface (16) précédemment lissée.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les cordons (8) sont obtenus par fusion d’un fil métallique (4) à l’aide d’une source de chaleur de type faisceau laser (6), faisceau d’électrons ou arc électrique.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fusion partielle des cordons (8) déposés est réalisée à l’aide d’une source de chaleur ponctuelle (6) déplacée le long de la surface irrégulière (12).
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusion partielle des cordons (8) déposés est réalisée à l’aide de la même source de chaleur (6) que celle permettant la fusion du fil métallique (4).
6. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la source de chaleur (6) permettant la fusion partielle desdits cordons (8) est déplacée selon une trajectoire (Tb) croisant lesdits cordons (8).
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les cordons (8) sont sensiblement parallèles les uns aux autres, la source de chaleur (6) permettant la fusion partielle desdits cordons (8) étant déplacée perpendiculairement (9b) auxdits cordons (8).