FR3073764A1 - Depot de stellite sur une piece de turbomachine - Google Patents

Abstract

Est concerné un procédé de préparation d'au moins une zone (15) d'une pièce (12) métallique de turbomachine à gaz pour aéronef, par du stellite. Sont prévues des étapes de : a) - recouvrement d'au moins la zone de la pièce par une couche (22) de stellite en poudre (20), b) - fusion sélective de la couche (22) de poudre sur la zone de la pièce, c) - recouvrement de la couche fusionnée de poudre (20) par une autre couche de poudre de stellite, d) - fusion sélective de ladite autre couche de poudre avec la couche fusionnée, e) - puis répétition des étapes c) et d), autant de fois que nécessaire.

Description

La présente invention concerne un procédé de préparation, y compris fabrication, réparation ou rechargement, d'au moins une pièce métallique de turbomachine à gaz pour aéronef, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

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

Lorsqu'une usure supérieure aux spécifications est détectée, la pièce doit être changée. Une alternative est de réparer ou recharger la zone usée avec de la matière. II est connu d’utiliser alors du stellite. On peut aussi prévoir de fabriquer directement une pièce localement recouverte de cette matière protectrice.

II est rappelé que le stellite est un alliage d'acier à haute teneur en chrome et en cobalt. L'alliage peut aussi contenir une petite quantité de tungstène ou de molybdène et une quantité petite mais importante de carbone. Un tel alliage peut ainsi comprendre (en poids) : Cobalt, Co57% ; Chrome, Cr 28-32% ; Tungstène, W 11-13% ; Carbone, C 2-3 %, Silicium, Si 1.2% ; Nickel, Ni 1% ; Fer, Fe 1% ; autres1.5%.

Comme autre matériau existant de protection par revêtement, et pouvant ici convenir, on peut mentionner l’inconel 625 (NiCr22Mo9Nb) ; marque déposée.

L’intervention sur les zones critiques concernées consiste alors typiquement en un soudage conventionnel à l'arc (MIG, TIG, plasma ou électrode enrobée), par projection laser ou par brasage diffusion. Si du stellite est utilisé, il est apporté sous forme de baguette ou en bobine. Ces procédés génèrent des déformations mécaniques importantes de la pièce et nécessitent des opérations de reprise par usinage. Des problèmes de criques autour et dans le matériau de revêtement sont trop fréquents, en raison du gradient thermique important lors de la dépose du matériau de revêtement. En outre, en cas de réparation jugée nécessaire, le matériau de revêtement doit être retiré, typiquement par fraisage local. Un nouveau matériau de revêtement est ajouté, ce qui pose de nouveau le problème de la dépose du matériau de revêtement et ses conséquences.

L'invention a notamment pour but de proposer un procédé de préparation de pièce du type précité, y compris donc fabrication, réparation ou rechargement, qui ne présente pas les inconvénients ci-avant. A cet effet, l'invention invite à utiliser un tel procédé qui se caractérise notamment en ce qu'il comprend des étapes de :

a) - recouvrement d’au moins la zone de la pièce par une couche de matériau de revêtement en poudre,

b) - fusion sélective de la couche de matériau de revêtement en poudre sur la zone de la pièce,

c) - recouvrement de la couche fusionnée de poudre par une autre couche de poudre de matériau de revêtement,

d) - fusion sélective de ladite autre couche de poudre avec la couche fusionnée,

e) - puis répétition des étapes c) et d), jusqu’à obtenir une épaisseur de matériau (de revêtement) déterminée.

Le procédé est arrêté quand la quantité (en particulier l’épaisseur) de matériau de revêtement nécessaire et suffisante a été atteinte et que donc les étapes précitées ont été répétées autant de fois que nécessaire à l’obtention de la pièce souhaitée.

Un tel apport de matériau de revêtement par fusion sélective d'une poudre métallique limite les contraintes mécaniques dues à la surchauffe liée à la matière apportée et permet d’intervenir de façon précise sur les zones concernées. Aucun usinage de reprise, long et coûteux, n'est nécessaire. Le procédé est utilisable sur pièce neuve ainsi que pour retoucher les pièces en réparation. II ne crée pas de crique ou de manque de matière dans la zone d’intervention.

Pour une mise en œuvre performante, il est proposé que, préalablement à l’étape a), au moins une partie de la pièce adjacente à ladite zone à recouvrir soit placée dans un bain de ladite poudre de matériau de revêtement.

Ainsi, on pourra se dispenser d’utiliser un masque.

II est aussi proposé que, préalablement à l’étape a), on dispose au moins ladite zone de la pièce dans un bac :

- dont une paroi est traversée par ladite pièce, et

- dans lequel de la poudre du matériau de revêtement est amenée sur ladite zone, pour réaliser les étapes a) à e).

Un maintien adapté de la pièce sera ainsi obtenu, d’autant plus si le revêtement est à réaliser sur une/des zones d’aube de turbomachine. Les caractéristiques du stellite, par comparaison avec d’autres matériaux de revêtement, tel l’inconel 625 ™, se prêtent bien à une telle manière de faire. En liaison avec ce point, on notera que, quel que soit le choix retenu, le matériau de revêtement sera souvent différent du matériau métallique (constitutif) de la pièce (au moins à l’endroit de ladite zone).

La pièce concernée pourra typiquement être une ébauche d’aube de la turbomachine, c’est-à-dire un (une pièce) brut de fonderie. Dans la suite de la description, on assimile aube et ébauche d’aube.

Si on amène dans le bac, sur la zone à revêtir, la poudre par l’intermédiaire d’un racleur, pour réaliser les étapes a) à e), on limitera ainsi au juste nécessaire, même sans masque, la quantité de poudre utile à l’intervention, la poudre qui va fondre étant (sensiblement) alors uniquement celle située face à la surface à traiter.

Par ailleurs, le bac et/ou ledit bain de poudre protégera la zone à traiter de la pièce contre les éventuelles contaminations externes liées aux manipulations, au contact avec l'air, etc...

On aura compris que la pièce traitée sera favorablement une aube de turbomachine. En particulier, on pourra alors prévoir que la zone de la pièce comprenne ou présente une plateforme (appelé aussi talon) d’ébauche d’aube de la turbomachine bordée (ou délimitée) par deux zones latérales chacune située en regard d’une aube adjacente, circonférentiellement, autour d’un axe (X) autour duquel une série de telles aubes est adaptée à tourner.

Ainsi, on disposera de deux zones latérales d’une telle plateforme, ces zones latérales étant donc chacune situées à l’endroit où deux telles aubes, circonférentiellement successives autour dudit axe de rotation, sont face à face et peuvent être en contact.

On pourra exposer successivement à la poudre du revêtement plusieurs dites zones de la pièce, par pivotement, par rapport à la paroi, de la pièce et de son moyen de maintien ou support, si l’on conjugue un tel choix avec celui de prévoir :

- que la pièce traverse ladite paroi du bac par l’intermédiaire d’un support adapté pour pouvoir pivoter autour d’un axe parallèle à la direction suivant laquelle la pièce traverse la paroi, et/ou

- que soit utilisé un dispositif comprenant un moyen de maintien de la pièce (tel le support ci-avant) par l’intermédiaire duquel la pièce traverse ladite paroi du bac, ce moyen étant alors adapté pour pouvoir pivoter par rapport à cette paroi.

Utiliser, en tant que matériau de revêtement, du stellite en poudre, sans surchauffe locale excessive, et ce favorablement via un bac et/ou sous forme d’un bain de poudre, permettra de surmonter les problèmes liés aux formes parfois complexes des zones d’intervention et à l’aspect de plus en plus peu accessible de ces zones, ce qui réduit les possibilités d’intervention satisfaisante des techniques actuelles.

Concernant le dispositif qui peut être associé au procédé ci-avant pour le mettre en œuvre, il pourra en particulier comprendre :

- un bac, comme précité, dans lequel on aura disposée au moins ladite zone de la pièce,

- des moyens d’amenée de poudre de matériau de revêtement sur cette zone,

- un passage à travers donc une paroi du bac, pour que la pièce traverse cette paroi.

On pourra en particulier en outre prévoir que ladite paroi traversée par la pièce soit une paroi latérale dressée (qui pourra être verticale) du bac. Ainsi, on facilitera d’autant plus le revêtement si les zones à revêtir sont les deux zones latérales d’une plateforme d’aube de la turbomachine. En effet, ces deux zones latérales étant typiquement opposées l’une à l’autre par rapport à un axe longitudinal de l’aube, on pourra par simple pivotement autour de cet axe, exposer successivement à la poudre de revêtement plusieurs dites zones de la pièce, comme déjà expliqué.

D’ailleurs, pour limiter les manipulations et accélérer la préparation de la pièce, il est aussi proposé que ledit dispositif comprenne un moyen de maintien de la pièce par l’intermédiaire duquel la pièce traverse ladite paroi du bac et qui est adapté pour pouvoir pivoter par rapport à cette paroi. Ainsi, on pourra exposer successivement à la poudre du matériau de revêtement apportée par les moyens d’amené plusieurs dites zones de la pièce, par pivotement du moyen de maintien et de la pièce par rapport à ladite paroi.

Par ailleurs, pour autoriser un déplacement relatif de montée ou descente entre la pièce et une partie au moins du bac, la paroi latérale dressée du bac traversée par la pièce pourra être non solidaire d’une partie au moins des autres parois qui délimitent le bac.

Ainsi, on préservera l’intégrité du bac (pas de fuite de poudre, avec les moyens d’étanchéité requis entre la paroi latérale dressée du bac et lesdites autres parois dont elle désolidarisée) et on permettra à la zone concernée de la pièce d’être disposée à la hauteur requise, sans gêne.

Subsidiairement, il est même prévu à cet égard :

- que le dispositif comprenne en outre au moins un second bac de réserve de poudre de matériau de revêtement, adjacent au premier bac où est disposée au moins ladite zone de la pièce, et un racleur d’amenée de la poudre sur ladite zone suivant une direction de déplacement, et

- que la paroi latérale dressée du bac s’étende sensiblement parallèlement par rapport à la direction de déplacement du racleur.

L'invention sera si nécessaire mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique d'une installation selon l'art antérieur de réparation ou de rechargement d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre d’un matériau de revêtement,

- la figure 2 est une vue schématique montrant une roue mobile de turbomachine à gaz pour aéronef autour de son axe de révolution ; axe X,

- la figure 3 schématise une partie d’aube d’une telle turbomachine, avec un agrandissement local figure 3b,

- la figure 4 est un schéma en perspective, de dessus, d'un dispositif selon l'invention de préparation d’une aube à recouvrir localement du revêtement.

Une installation de préparation, spécifiquement de réparation ou de rechargement, d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre est représentée à la figure 1. Comme dans le cadre d’une solution compatible avec l’invention, elle comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2, telle que du stellite, et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation verticale par une tige 4 d'un vérin, et un bac ou cuve 5 voisin dont le fond est constitué par un plateau mobile 6, également déplaçable en translation verticale par une tige 70 d'un vérin. L'installation comporte en outre un racleur 8 de poudre permettant d'amener de la poudre du réservoir 1 vers le bac 5, par déplacement le long d'un plan horizontal A, et des moyens 9 de génération d'un faisceau d’énergie, tel que laser ou faisceau d'électrons, couplés à un dispositif 10 commandé par ordinateur pour orienter et déplacer le faisceau 11.

Comme indiqué précédemment, lors du fonctionnement d’une turbomachine à gaz pour aéronef, certaines pièces sont soumises à des efforts, à des températures, voire à des frottements importants, générant des usures rapides et localisées.

Ces pièces sont notamment des aubes 12, par exemple de roue mobile de turbine basse-pression. Comme toutes les autres aubes adjacentes deux à deux qui forment par exemple une dite roue mobile, chaque aube 12 est montée et peut tourner autour de l’axe de rotation X (figure 2) qui est l’axe de révolution de la roue mobile 17 et plus généralement l’axe longitudinal de la turbomachine. Un exemple d’aube 12, de structure classique, est représenté partiellement à la figure 2. Chaque aube comprend une pale 14 limitée radialement, suivant l’axe Z d’allongement de l’aube, par des plateformes respectivement interne 13 et externe 15. La plate-forme externe 15 porte des léchettes d’étanchéité16. La plate-forme externe 15 est la plate-forme de l’aube 12 la plus éloignée radialement de l’axe X.

Avec les figures 2 et 3, on peut constater que la plate-forme externe 15 présente deux zones latérales 15a, 15b, chacune située à l’endroit où deux aubes 12, circonférentiellement successives autour de l’axe X, sont face à face et peuvent être en contact.

C’est particulièrement à l’endroit de ces zones latérales 15a, 15b qui délimitent donc la plate-forme externe, ou talon, 15, entre deux aubes 12 ainsi adjacentes, que l’on a identifié notamment le problème précité d’efforts, de températures, voire de frottements importants, générant des usures rapides et localisées.

Pour limiter ces phénomènes et les rebuts de pièces préparées afin de tenter de résister aux dommages causés, mais devant quand même être mises au rebut du fait d’un processus de préparation insuffisamment adapté, il est donc ici proposé la solution suivante, qui peut en particulier être appliquée sur une aube 12 brut de fonderie (fabrication de pièce neuve) ou dans le cadre d’une réparation ou d’un rechargement d'au moins une zone, telle que 15a et/ou 15b, d’une pièce (telle que 12) métallique de turbomachine à gaz pour aéronef.

Cette pièce métallique à revêtir pourra être en un superalliage à base nickel, tel I1NCO718 ™ (NC19FeNb). D’autant plus avec un matériau de revêtement différent du matériau métallique constitutif de ladite pièce (au moins à l’endroit à revêtir), on devra permettre une fusion de ce matériau, alors sous forme de poudre, avec le matériau métallique à revêtir.

Supposons qu’il s’agisse de recharger une zone 15a. Les étapes successives conseillées sont les suivantes, en référence à la figure 4 (où l’on retrouve des parties de la solution de la figure 1, avec des références numériques multipliés par 10 par rapport à celles de la figure 1) :

a) - on vient d’abord recouvrir la zone 15a par une couche 22 de matériau de revêtement en poudre, du stellite dans l’exemple,

b) - via les moyens 90 de génération du faisceau d’énergie 110, on réalise ensuite une fusion de la couche 22 de poudre 20 sur la zone 15a,

c) - on vient ensuite recouvrir la couche fusionnée de poudre 20 par une autre couche de cette poudre,

d) - puis, de nouveau, on réalise une fusion sélective de cette autre couche de poudre 20 avec la couche fusionnée,

e) - et ensuite, répétition des étapes c) et d), autant de fois que nécessaire.

Figures 3, 3b, on a schématiquement repéré respectivement 22a et 22b, à titre symbolique, deux couches successives de matière 20 fusionnées qui forment, dans cet exemple et en fin d’intervention, le revêtement protecteur en stellite attendu, avec l’épaisseur déterminée e finale souhaitée.

Pour disposer dans le bain 20 de poudre de stellite au moins ladite zone 15a à recouvrir, on a préalablement fait traverser par la pièce une paroi 28 du bac 50 qui environne le bain de stellite où est placée la zone à traiter. La pièce traverse la paroi 28 de façon étanche à la poudre via un passage 26.

Ainsi, alors que l’essentiel de la pale 14 est hors du bac 50, la zone 15a y est située (et même les zones 15a, 15b).

Une fois la pièce 12 ainsi placée, c’est le racleur 80 des moyens 81 d’amenée de poudre de stellite sur ladite zone 15a qui intervient : flèche 32.

Ainsi, la poudre 20 devant être fusionnée sur la zone 15a est amenée depuis le réservoir adjacent 10, qui définit un second bac de réserve de poudre de stellite.

Deux points non négligeables de la présente solution sont en outre les suivants, lesquels, bien que dissociables, sont complémentaires en ce qu’ils concourent efficacement à la performance de la solution de l’invention appliquée au stellitage d’une aube 12 :

- d’abord, ladite paroi environnante 28 traversée par la pièce 12 le sera favorablement par l’intermédiaire d’un support 34 formant moyen de maintien de la pièce 12 et adapté à pivoter autour de l’axe B, lequel est alors parallèle à la direction suivant laquelle la pièce 12 traverse la paroi 28,

- par ailleurs, ladite paroi environnante 28 sera favorablement une paroi latérale dressée du bac 50, comme on le voit figure 4.

Avec la première caractéristique, on va non seulement, comme déjà mentionné, pouvoir exposer successivement à la poudre de stellite 20 plusieurs dites zones de la pièce 12, par pivotement du moyen de maintien 34 et de la pièce 12 par rapport à la paroi 28, mais aussi pouvoir orienter au mieux chaque zone à traiter. Ainsi, les deux zones latérales opposées 15a, 15b pourront être traiter successivement, par simple rotation autour de l’axe B. On va notamment gagner du temps de cycle.

Avec la seconde caractéristique, on va non seulement pouvoir exposer à chaque couche de poudre 20/22 la/chaque surface supérieure de la/des zone(s) 15a, 15b à stelliter, mais on va aussi faciliter l’accès à la pièce 12 et, en particulier dans le cas du stellitage d’une extrémité d’aube, pouvoir plus facilement positionner précisément des zones latérales tortueuses et peu aisées d’accès en terme de traitement de surface comme le sont certains endroits d’une plate-forme d’aube, telle la plate-forme externe 15, du fait de la géométrie particulière de l’aube.

Ace sujet, il est d’ailleurs proposé, voire conseillé :

- que la paroi latérale dressée 28 en cause s’étende sensiblement parallèlement par rapport à la direction 32 de déplacement du racleur 80,

- et/ou que, pour autoriser un mouvement de déplacement relatif de montée ou descente (plus ou moins vertical a priori) entre la pièce 12 et une partie au moins du bac 50, la paroi latérale dressée 28 soit non solidaire d’une partie au moins des autres parois qui délimitent le bac, telle les trois autres parois latérales dressées 36,38,40 (figure 4). Des étanchéités vis-à-vis de la poudre seront assurées.

Dans ce cas la paroi latérale dressée 28 sera solidaire du fond 60.

Et cette paroi dressée 28 sera alors favorablement légèrement plus haute que les trois autres parois latérales dressées 36,38,40 afin d’anticiper la descente et de conserver un rebord 280 au niveau de la surface de dépôt ; voir figure 4.

On aura compris que le mouvement de déplacement relatif de montée ou descente pourra demeurer réalisé par un vérin, du type de celui précité.

Si, pour des déplacements dissociés, la paroi latérale dressée 28 portant l’aube 12 est non solidaire du fond 60, on pourra d’un côté faire varier le niveau supérieur de la poudre dans le bac 50 (vérin à tige 70), de l’autre adapter indépendamment la hauteur de positionnement de l’aube 12 (flèches verticales figure 4), voire sécuriser le guidage latéral du racleur 80 au-dessus du bac 50.

Claims (11)

1. Procédé de préparation d'au moins une zone d’une pièce (12) métallique de turbomachine à gaz pour aéronef, avec un matériau de revêtement en poudre, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de :

a) - recouvrement d’au moins la zone de la pièce (12) par une couche (22) de matériau de revêtement en poudre (20),

b) - fusion sélective de la couche (22) de poudre sur la zone de la pièce (12),

c) - recouvrement de la couche fusionnée de poudre (20) par une autre couche de matériau de revêtement,

d) - fusion sélective de ladite autre couche de poudre (20) avec la couche fusionnée,

e) - puis répétition des étapes c) et d), jusqu’à obtenir une épaisseur de matériau déterminée.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pièce (12) est une ébauche d’aube de la turbomachine.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la zone de la pièce (12) comprend une plateforme d’ébauche d’aube de la turbomachine bordée par deux zones latérales (15a, 15b), lesdites zones latérales étant chacune situées en regard d’une aube adjacente circonférentiellement autour d’un axe (X) autour duquel une série de telles aubes est adaptée à tourner.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, préalablement à l’étape a), on dispose au moins ladite zone de la pièce (12) dans un bac (50) :

- dont une paroi (28) est traversée par ladite pièce (12), et

- dans lequel du matériau de revêtement en poudre (22) est amené sur ladite zone (12), pour réaliser les étapes a) à e).

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite paroi (28) est traversée par la pièce (12) par l’intermédiaire d’un support adapté pour pouvoir pivoter autour d’un axe (B) parallèle à la direction suivant laquelle la pièce (12) traverse ladite paroi (28).

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, le matériau de revêtement poudre est du stellite.

7. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, qui comprend :

- un bac (50) dans lequel est disposée au moins ladite zone de la pièce (12),

- des moyens (80,81 ) d’amenée d’un matériau de revêtement en poudre (22) sur ladite zone (12),

- un passage (26) à travers une paroi (28) du bac pour que la pièce (12) traverse cette paroi.

8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite paroi (28) traversée par la pièce (12) est une paroi latérale dressée du bac.

9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel, pour autoriser un déplacement relatif de montée ou descente entre la pièce (12) et une partie au moins du bac (50), la paroi latérale dressée (28) du bac traversée par la pièce (12) est non solidaire d’une partie au moins des autres parois qui délimitent le bac.

10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9 :

- qui comprend en outre au moins un second bac (10) de réserve de poudre de stellite, adjacent au premier bac (50) où est disposée au moins ladite zone de la pièce (12), et un racleur (80) d’amenée de matériau de revêtement en poudre sur ladite zone suivant une direction (32) de déplacement, et

- dans lequel (22) la paroi latérale dressée du bac s’étend sensiblement parallèlement par rapport à la direction (32) de déplacement du racleur.

11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, qui comprend en outre un moyen de maintien (34) de la pièce (12) par l’intermédiaire duquel la pièce traverse ladite paroi (28) du bac et qui est adapté pour pouvoir pivoter par rapport à ladite paroi (28), afin de permettre d’exposer successivement au matériau de revêtement en poudre (22) apporté par les moyens d’amené plusieurs dites zones de la pièce, par pivotement du moyen de maintien (34) et de la pièce (12), par rapport à ladite paroi (28).