FR3076750A1 - Procede de fabrication d'une roue pour une turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une roue pour une turbomachine, notamment d'une roue de turbine, comportant un disque (21) à partir duquel des pales s'étendent radialement vers l'extérieur comportant les étapes consistant à : - réaliser un moule (11, 12) comportant une empreinte (13) du disque (21) et des pales de la roue, - réaliser un disque (21) dans un premier matériau, - placer le disque (21) dans le moule, dans la partie correspondante (14) de l'empreinte (13), - remplir l'empreinte (13) du moule (11, 12) à l'aide d'une poudre d'un deuxième matériau, destiné à former les pales, - former la roue par compression isostatique à chaud, - retirer le moule (11, 12) de manière à obtenir la roue comportant le disque (21) et les pales.

Description

DOMAINE [001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une roue pour une turbomachine, notamment d’une roue de turbine, en particulier pour un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.
CONTEXTE [002] Une roue de turbomachine comporte classiquement un disque ou moyeu à partir duquel des pales s’étendent radialement vers l’extérieur. Les roues de turbine sont des pièces fortement sollicitées et doivent présenter des propriétés mécaniques élevées. Le disque de la roue est essentiellement sollicité en traction alors que les pales sont soumises à plusieurs types de sollicitations, en particulier le fluage et la fatigue vibratoire.
[003] Afin de répondre à l’ensemble de ces besoins, les pales sont formées par des pièces distinctes, montées et assemblées au disque. Les disques sont habituellement usinés à partir de galets forgés et les pales sont réalisées par fonderie, puis assemblées au disque usiné.
[004] Le coût de fabrication des pales en fonderie est important, de même que le coût d’assemblage des différentes pales sur le disque.
RESUME DE L’INVENTION [005] L’invention vise à remédier à ces inconvénients, de manière simple, fiable et peu onéreuse.
[006] A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une roue pour une turbomachine, notamment d’une roue de turbine, comportant un disque à partir duquel des pales s’étendent radialement vers l’extérieur comportant les étapes consistant à :
réaliser un moule comportant une empreinte du disque et des pales de la roue, réaliser un disque dans un premier matériau, placer le disque dans le moule, dans la partie correspondante de l’empreinte, remplir l’empreinte du moule à l’aide d’une poudre d’un deuxième matériau, destiné à former les pales, former la roue par compression isostatique à chaud, retirer le moule de manière à obtenir la roue comportant le disque et les pales.
[007] De cette manière, le disque et les pales de la roue peuvent être réalisés dans deux matériaux différents. Il est ainsi possible de répondre aux différentes contraintes mécaniques ou thermiques pour chacune des parties de la roue, tout en permettant la réalisation d’une roue réalisée d’un seul tenant et non de plusieurs pièces devant être assemblées les unes aux autres. Un tel procédé permet par ailleurs de réduire les coûts et les temps de fabrication de la roue ainsi que les pertes de matière par rapport au procédé de fabrication de l’art antérieur.
[008] L’étape de compression isostatique à chaud permet de réaliser les pales à partir de poudre mais permet aussi la diffusion du deuxième matériau dans le premier matériau du disque, les deux matériaux pouvant appartenir à une même famille. Une telle diffusion permet de garantir l’assemblage des pales au disque. La compression isostatique à chaud permet de garantir les propriétés isotopiques du matériau obtenu, ainsi qu’une densité très élevée, par exemple supérieure à 99,9%, conférant une bonne santé métallurgique à la pièce obtenue.
[009] Le moule peut être réalisé par fabrication additive.
[010] Un tel procédé permet de réaliser des formes complexes tout en réduisant les coûts de fabrication. Ce procédé permet également de modifier aisément la forme et les dimensions de la roue à fabriquer, sans surcoût important.
[011] Le moule peut être réalisé par fusion sélective d’une poudre d’un troisième matériau, par exemple à l’aide d’un faisceau laser ou d’un faisceau d’électrons.
[012] Le troisième matériau est de préférence différent du premier matériau et/ou du deuxième matériau.
[013] Un tel procédé est également connu sous les termes de Fusion sélective sur lit de poudre ou, en anglais, les termes de Electron Beam Melting ou Sélective Laser Melting.
[014] 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 dans une cuve dont le fond est formé par un plateau mobile en translation, une première couche de poudre à l'aide d'un racleur. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface 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.
[015] 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 à l'aide du faisceau.
[016] Ces opérations sont répétées jusqu'à fabrication complète de la pièce. [017] Bien entendu, d’autres procédés de fabrication additive peuvent être utilisés.
[018] Le moule est par exemple réalisé en fer.
[019] Le disque peut être réalisé parforgeage.
[020] Le disque peut être réalisé en superalliage à base de nickel.
[021] Le disque est par exemple réalisé en Inconel 718, également désigné NiCr19Fe18Nb5Mo3Ti1AIC. Un tel matériau présente un coût relativement réduit.
[022] La poudre peut être en un superalliage à base de nickel.
[023] La poudre est par exemple en un matériau de type CM247LC. Un tel matériau permet de répondre aux exigences en termes de contraintes thermiques notamment et de tenue au fluage.
[024] Lors de l’étape de compression isostatique à chaud, la poudre et le disque peuvent être soumis à une température comprise entre 1160 et 1290°C, et à une pression comprise entre 103 et 150 Mpa.
[025] Les températures et pression précitées peuvent être appliquées pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 heures.
[026] L’étape de retrait du moule peut être réalisée par attaque chimique du moule.
[027] L’étape de retrait du moule par attaque chimique peut être réalisée en appliquant de l’acide nitrique, pendant une durée comprise par exemple entre 10 heures et 20 heures lorsque le moule est en fer.
[028] Le procédé peut comporter une étape de mise sous vide et/ou de retrait des gaz contenus dans l’empreinte du moule avant l’étape de compression isostatique à chaud.
[029] Pour cela, le moule peut comporter un orifice d’évacuation des gaz ou de mise sous vide de l’empreinte, ledit orifice débouchant dans l’empreinte.
[030] Le moule peut être scellé avant retrait des gaz et/ou mise sous vide de l’empreinte.
[031] Le procédé peut comporter une étape de finition de la roue obtenue après retrait du moule, par exemple par usinage ou par traitement de surface. [032] Le moule peut être formé de deux coquilles destinées à être assemblées l’une à l’autre au niveau d’un plan de joint, chaque coquille définissant une partie de l’empreinte du moule. Les deux parties peuvent comporter des moyens de positionnement des coquilles l’une par rapport à l’autre, tels par exemple que des plots de centrage.
[033] Le moule peut comporter au moins un orifice permettant l’introduction de la poudre dans l’empreinte du moule. Le moule peut comporter plusieurs orifices régulièrement répartis sur la circonférence de la roue.
[034] La forme de l’empreinte du moule peut être déterminée par calcul à l’aide d’un modèle prédictif prenant en compte les déformations liées à l’étape de compression isostatique à chaud. Ceci permet à la roue ainsi obtenue après compression isostatique à chaud de présenter la géométrie souhaitée.
[035] Le moule et/ou le disque peuvent présenter des moyens de positionnement permettant de positionner correctement le disque dans le moule.
[036] Le moule peut être scellé avant l’étape de compression isostatique à chaud, après introduction du disque dans le moule.
[037] L’ invention concerne également une roue d’une turbomachine obtenue par un procédé de fabrication du type précité, la roue comportant un disque réalisé dans un premier matériau et des pales réalisées dans un deuxième matériau, s’étendant radialement vers l’extérieur depuis le disque et formant une seule et même pièce structurelle avec le disque.
[038] En d’autres termes, le disque et les pales ne sont pas formés de plusieurs pièces distinctes assemblées les unes aux autres, comme cela est le cas dans l’art antérieur.
[039] 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.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1 est une vue en perspective d’une installation de fabrication de pièces par fusion sélective de poudre, utilisée pour la fabrication du moule ;
la figure 2 est une vue éclatée, en perspective, illustrant les deux coquilles du moule ainsi que le disque ;
la figure 3 est une vue éclatée, en perspective, illustrant le disque en position dans l’empreinte de l’une des coquilles du moule ;
la figure 4 est une vue en perspective, avec écorché partiel, du disque en position dans le moule ;
la figure 5 est une vue en perspective de la roue.
DESCRIPTION DETAILLEE [040] Une installation de fabrication d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre est représentée à la figure 1. Elle comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2 et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation par une tige d'un vérin par exemple, et une cuve voisine 4 dont le fond est constitué par un plateau mobile 5, également déplaçable en translation par une tige d'un vérin par exemple.
[041] L'installation comporte en outre un racleur 6 permettant d'amener de la poudre 2 du réservoir 1 vers la cuve 4, par déplacement le long d'un plan horizontal P, et des moyens 7 de génération d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, couplés à un dispositif 8 permettant d'orienter et de déplacer le faisceau 9.
[042] Les étapes de fabrication d'une pièce métallique 10 à l'aide de cette installation sont les suivantes.
[043] Tout d'abord, le fond 3 du réservoir 1 est déplacé vers le haut de manière à ce qu'une certaine quantité de poudre 2 soit située au-dessus du plan horizontal P. Le racleur 6 est alors déplacé de la gauche vers la droite, de manière à racler ladite couche de poudre 2 issue du réservoir 1 et l'amener dans la cuve 4. La quantité de poudre 2 et la position du plateau 5 sont déterminées de façon à former une couche de poudre 2 d'une épaisseur choisie et constante.
[044] Un faisceau laser ou un faisceau d'électrons 9 balaie ensuite une zone déterminée de la couche formée dans la cuve 4, de manière à fusionner localement la poudre 2, dans la zone balayée. Les zones fondues se solidifient de manière à former une première couche de la pièce à fabriquer 10, cette couche ayant par exemple une épaisseur de 10 à 100 microns.
[045] Le plateau 5 est alors descendu puis une seconde couche de poudre 2 est amenée, de la même manière que précédemment, sur la première couche de poudre 2. Par déplacement contrôlé du faisceau 9, une seconde couche de la pièce métallique est formée sur la première couche 13.
[046] Ces opérations sont répétées jusqu'à la réalisation complète de la pièce 10.
[047] Dans le cas où la pièce 10 est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau laser, la poudre 2 présente une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 50 microns.
[048] Dans le cas où la pièce est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau d'électrons, la poudre 2 présente une granulométrie moyenne comprise entre 50 et 100 microns.
[049] Une telle installation est utilisée pour réaliser deux coquilles 11, 12 d’un moule, illustré aux figures 2 à 4.
[050] Chaque coquille 11, 12 présente une forme cylindrique d’axe A, comportant une empreinte 13 comportant une partie annulaire 14 délimitée par une partie cylindrique 15 radialement interne ou centrale, une partie radialement externe annulaire 16 et une paroi de fond 17 et des évidements 18 s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la partie annulaire 14 de l’empreinte 13. L’une des coquilles 11, 12, ici la coquille inférieure 11, comporte des plots de centrage 19 s’étendant axialement depuis la partie annulaire externe 16 et répartis sur la circonférence, par exemple trois plots de centrage 19, destinés à venir s’engager dans les trous complémentaires de la coquille opposée 12.
[051] L’ une au moins des coquilles 11, 12, ici la coquille supérieure 12, comporte des orifices 20 répartis sur la circonférence, débouchant dans l’empreinte correspondante 13 au niveau de la base des évidements 18.
[052] Un disque 21 est engagé dans la partie annulaire 14 de l’empreinte 13 du moule 11, 12, formé des deux empreintes 13 des deux coquilles 11, 12. Le disque 21 est préalablement réalisé par forgeage. Le disque 21 est réalisé en superalliage à base nickel, par en Inconel 718, également désigné NiCr19Fe18Nb5Mo3Ti1AIC. Le disque 21 peut alors ne subir aucune opération d’usinage avant sa mise en place dans l’empreinte du moule 11, 12.
[053] Après mise en place du disque 21 dans la coquille correspondante 11 (figure 3), le moule 11, 12 est refermé (figure 4) puis on introduit de la poudre métallique dans l’empreinte 13 du moule 11, 12 au travers des orifices 20. Cette poudre vient remplir les cavités restantes de l’empreinte 13 du moule 11, 12, en particulier les évidements 18 des coquilles 11, 12.
[054] L’empreinte 13 du moule 11, 12 est ensuite portée sous vide, par aspiration des gaz contenus dans ladite empreinte 13 au travers d’un orifice non visible sur les figures. Le moule 11, 12 est ensuite scellé au niveau du plan de joint 22 notamment. La poudre et le disque 21 contenus dans le moule subissent ensuite un traitement isostatique à chaud lors duquel on applique une pression élevée dans l’empreinte 13 ainsi qu’une température élevée. La pression 13 est par exemple comprise entre 103 et 150 Mpa et la température est par exemple comprise entre 1160°C et 1290°C. La durée de l’étape de compression isostatique à chaud est comprise entre 1 heure et 2 heures. La poudre est ainsi alors compactée de manière à former des pales 23 (figure 5), rattachées au disque 21 par diffusion du métal de la poudre dans le métal du disque 21.
[055] Le moule 11, 12 est ensuite attaqué chimiquement par acide nitrique pendant une durée comprise par exemple entre 10 heures et 20 heures lorsque le moule est en fer.
[056] On obtient alors une roue 24 comportant un disque 21 et des pales 23 réalisés dans deux matériaux différents, et formant une seule et même pièce. La roue 24 peut subir un traitement de surface de finition ou un usinage de finition par exemple.

Claims (11)

1. Procédé de fabrication d’une roue (24) pour une turbomachine, notamment d’une roue (24) de turbine, comportant un disque (21) à partir duquel des pales (23) s’étendent radialement vers l’extérieur, ledit procédé comportant les étapes consistant à :
réaliser un moule (11, 12) comportant une empreinte (13) du disque (21 ) et des pales (23) de la roue (24), réaliser un disque (21 ) dans un premier matériau, placer le disque (21) dans le moule, dans la partie correspondante (14) de l’empreinte (13), remplir l’empreinte (13) du moule (11, 12) à l’aide d’une poudre d’un deuxième matériau, destiné à former les pales (23), former la roue (24) par compression isostatique à chaud, retirer le moule (11, 12) de manière à obtenir la roue (24) comportant le disque (21) et les pales (23).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moule (11, 12) est réalisé par fabrication additive.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moule (11, 12) est réalisé par fusion sélective d’une poudre d’un troisième matériau, par exemple à l’aide d’un faisceau laser ou d’un faisceau d’électrons (9).
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le disque (21 ) est réalisé par forgeage.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le disque (21) est réalisé en superalliage à base de nickel.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la poudre du deuxième matériau est en un superalliage à base de nickel.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lors de l’étape de compression isostatique à chaud, la poudre du deuxième matériau et le disque (21) sont soumis à une température comprise entre 1160 et 1290°C, et à une pression comprise entre 103 et 150 Mpa.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’étape de retrait du moule (11, 12) est réalisée par attaque chimique du
5 moule.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de mise sous vide et/ou de retrait des gaz contenus dans l’empreinte (13) du moule (11, 12) avant l’étape de compression isostatique à chaud.
10 10. Roue (24) d’une turbomachine obtenue par un procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, la roue (24) comportant un disque (21) réalisé dans un premier matériau et des pales (23) réalisées dans un deuxième matériau, s’étendant radialement vers l’extérieur depuis le disque (21) et formant une seule et même pièce
15 structurelle avec le disque (21 ).
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