FR3081735A1 - Procede de fabrication d'une piece de turbomachine a evidement interne - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce de turbomachine, la pièce comportant au moins un évidement interne, le procédé comprenant les étapes consistant en : - la réalisation (110) d'une préforme de ladite pièce, par fabrication additive et dépôt de matériau couche par couche, au moyen d'au moins un premier matériau de construction qui est fondu et déposé pour réaliser ladite pièce, et d'au moins un second matériau sacrificiel qui est fondu et déposé pour occuper au moins une zone correspondant au moins en partie audit au moins un évidement, - l'enlèvement (120) du second matériau de ladite préforme de manière à libérer ladite zone, et - le frittage (130) de ladite préforme de façon à former ladite pièce.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE PIÈCE DE TURBOMACHINE À ÉVIDEMENT INTERNE
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine à évidement interne.
État de la technique
Dans une turbomachine, certaines pièces nécessaires au fonctionnement des moteurs ou des équipements présentent des évidements internes tels que des cavités ou canaux internes. Ces évidements internes peuvent être utilisés à des fins différentes.
Par exemple, les aubes de turbine d’une turbomachine peuvent présenter des canaux internes conformés pour qu’un flux d’air froid circule à l’intérieur des aubes, afin de refroidir la température en surface de l’aube. En effet, la température en surface des aubes excédant la température de fusion du matériau métallique, par exemple un alliage métallique, qui les constitue, il est nécessaire de contrôler le refroidissement des aubes.
Par exemple, une pièce d’un circuit de lubrification, telle qu’un restricteur, peut présenter des canaux internes conformés pour qu’un flux d’huile circule à l’intérieur de la pièce. Une configuration des canaux internes adéquate permet la génération de pertes de charge nécessaires au fonctionnement souhaité.
Par exemple, un échangeur thermique d’une turbomachine, présente des canaux internes de circulation de fluides conformés pour permettre un transfert d’énergie thermique d’un fluide vers un autre.
En général, de telles pièces sont difficiles à produire et nécessitent des techniques de fabrication longues et coûteuses.
Il a été envisagé d’obtenir de telles pièces par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre, communément désignée par l’acronyme anglais SLM pour « Selective Laser Melting». Le principe de la fabrication additive SLM se base sur la fusion de fines couches en deux dimensions (2D) de poudre, par exemple métallique, plastique, ou céramique, à l’aide d’un laser de forte puissance.
Cependant, lors de cette fabrication additive, de la poudre non fusionnée peut rester emprisonnée dans les canaux internes de la pièce, et donc être difficile à évacuer de ces canaux internes. Cette poudre peut ensuite être relâchée lors du fonctionnement de la pièce dans la turbomachine, ce qui peut, par exemple, augmenter le risque d’obturation de filtres de la turbomachine. Cet effet est d’autant plus important que les diamètres des canaux internes sont faibles et que leurs longueurs sont significatives.
De plus, lors de cette fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre d’une pièce, les états de surface des canaux internes sont variables et dépendent notamment de l’angle de construction. En effet, la rugosité de la surface est influencée par l’orientation de la construction (« upskin / downskin effect » en anglais). Ceci peut mener à des niveaux de performances techniques et économiques mitigés, notamment en raison des opérations de finition nécessaires pour améliorer les états de surface des canaux internes.
Il a également été envisagé d’obtenir de telles pièces par fabrication sans fusion, afin de s’affranchir des inconvénients des états de surface dépendant de l’angle de construction. De telles pièces pourraient ainsi être obtenues par moulage par injection de matériau métallique, communément désigné par l’acronyme MIM, ou bien par moulage de matériaux céramiques, communément désigné par l’acronyme CIM.
Cependant, pour la fabrication par moulage par injection d’une pièce, il serait nécessaire de réaliser des inserts. La détermination de la gamme de fabrication de tels inserts et le moulage de ces inserts induiraient des coûts d’outillage importants. De plus, le pré-positionnement des inserts dans le moule d’injection est délicat et augmenterait le temps de fabrication de la pièce. En outre, la mise au point de ces inserts est difficile, puisqu’il faudrait que les inserts ne gênent pas l’écoulement du matériau métallique et ne génèrent pas de nouveaux défauts.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue.
Exposé de l’invention
À cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine, la pièce comportant au moins un évidement interne, le procédé comprenant les étapes consistant en :
la réalisation d’une préforme de ladite pièce, par fabrication additive et dépôt de matériau couche par couche, au moyen d’au moins un premier matériau de construction qui est fondu et déposé pour réaliser ladite pièce, et d’au moins un second matériau sacrificiel qui est fondu et déposé pour occuper au moins une zone correspondant au moins en partie audit au moins un évidement, l’enlèvement du second matériau de ladite préforme de manière à libérer ladite zone, et le frittage de ladite préforme de façon à former ladite pièce.
Avantageusement, le procédé de fabrication selon l’invention permet d’obtenir directement une pièce comprenant au moins un évidement interne. Ce procédé permet ainsi d’obtenir une pièce autrement que par injection, et donc d’obtenir une pièce qui ne serait pas réalisable par injection.
De plus, le procédé de fabrication selon l’invention est simplifié par rapport aux procédés de fabrication selon l’art antérieur, puisqu’il ne nécessite pas d’opération de dé-poudrage compliquée, comme cela est le cas pour les procédés de fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre par exemple.
En outre, le second matériau sacrificiel permet de servir de support lors de la fabrication de la pièce, ce qui garantit le respect de la géométrie de l’évidement interne.
Le premier matériau de construction peut comprendre au moins de la céramique.
Le premier matériau de construction peut comprendre au moins un matériau métallique et au moins un liant, le frittage comprenant au moins une sous-étape de déliantage de la pièce de manière à enlever le liant.
De préférence, le au moins un matériau métallique comprend un alliage métallique, par exemple à base de Nickel et Chrome.
De préférence, le second matériau est un matériau polymérique comprenant par exemple du polyéthylène glycol ou du polycarbonate.
L’étape d’enlèvement du second matériau peut comprendre une sous-étape de trempage de la préforme dans de l’eau ou dans un solvant de manière à dissoudre et retirer ce second matériau.
Selon un mode de réalisation, préalablement à l’étape de réalisation de la préforme, le procédé comprend les étapes consistant en :
la conception d’un modèle numérique en trois-dimensions (3D) de ladite pièce, le découpage dudit modèle en une pluralité de tranches, et au cours de l’étape de réalisation de la préforme, cette dernière est réalisée couche par couche sur la base dudit modèle.
L’étape de réalisation de la préforme peut être réalisée au moyen d’une imprimante 3D par extrusion et fusion de fils, dont un premier fil est dans ledit premier matériau et un second fil est dans ledit second matériau.
Selon un mode de réalisation, la pièce est une aube de turbine. En variante, la pièce est un restricteur de circuit de lubrification. En variante, la pièce est une pièce d’un échangeur thermique.
L’invention concerne également une pièce de turbomachine, comportant au moins un évidement interne, la pièce étant obtenue directement par le procédé de fabrication selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, cette pièce est une aube de turbine. En variante, cette pièce est un restricteur de circuit de lubrification. En variante, cette pièce est une pièce d’un échangeur thermique.
L’invention concerne également une turbomachine comportant une pièce obtenue directement par le procédé de fabrication selon l’invention.
Description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
les figures 1a et 1b sont des vues en perspective d’une aube de turbine de turbomachine obtenue par le procédé de fabrication selon l’invention, la figure 2 est une vue en perspective d’un restricteur de circuit de lubrification de turbomachine obtenu par le procédé de fabrication selon l’invention, la figure 3 est une vue en perspective d’une partie d’un échangeur thermique de turbomachine obtenue par le procédé de fabrication selon l’invention, la figure 4 représente un organigramme des étapes du procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine selon l’invention, la figure 5 représente une couche de la préforme de l’aube de turbine représentée sur les figures 1a et 1b réalisée lors de l’étape de réalisation du procédé de fabrication selon l’invention, la figure 6 représente la préforme de l’aube de turbine représentée sur les figures 1a et 1b au cours de l’étape de trempage du procédé de fabrication selon l’invention, la figure 7 représente une tranche du modèle numérique en 3D de l’aube de turbine représentée sur les figures 1 a et 1 b, et la figure 8 représente une machine simplifiée d’extrusion et fusion de fils utilisée pendant l’étape de réalisation du procédé de fabrication selon l’invention.
Description détaillée
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine.
De préférence, la pièce de turbomachine est une pièce métallique. La pièce de turbomachine peut également être une pièce en céramique.
La pièce de turbomachine comporte au moins un évidement interne. Un évidement interne peut être un canal interne ou une cavité interne.
Comme représenté sur les figures 1a et 1b, la pièce peut être une aube 10 de turbine de turbomachine. L’aube 10 comporte des évidements internes 12. Sur les figures 1a et 1b, les évidements internes 12 ont la forme de canaux internes. Les canaux internes sont conformés pour qu’un flux d’air froid circule à l’intérieur de l’aube 10, afin de refroidir la température en surface de l’aube 10.
Comme représenté sur la figure 2, la pièce peut être un restricteur 20 de circuit de lubrification de turbomachine. Le restricteur 20 comporte un évidement interne 22. Sur la figure 2, l’évidement interne 22 a la forme d’un canal interne conformé pour qu’un flux d’huile circule à l’intérieur du restricteur 20. Sur la figure 2, l’évidement interne 22 est représenté en pointillés.
Comme représenté sur la figure 3, la pièce peut être une pièce d’un échangeur thermique de turbomachine. La figure 3 représente une partie d’un échangeur thermique 30, et plus précisément deux étages 32 de circulation d’un premier fluide et deux étages 34 de circulation d’un second fluide. La pièce peut être un étage 32 de circulation du premier fluide et/ou un étage 34 de circulation du second fluide. Chaque étage 32, 34 comporte un évidement interne 36, ayant ici la forme d’un canal interne. Chaque étage 32, 34 comporte, dans les évidements 36, des ailettes 38 disposées de manière à définir une série de conduits internes. Les évidements internes 36 des étages 32, 34 sont conformés pour permettre un transfert d’énergie thermique entre le premier fluide et le second fluide.
La figure 4 représente un organigramme des étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine.
Le procédé de fabrication comprend une étape 110 de réalisation d’une préforme de la pièce par fabrication additive et dépôt de matériau couche par couche.
La préforme est réalisée au moyen d’au moins un premier matériau de construction qui est fondu et déposé pour réaliser la pièce.
Le premier matériau de construction peut comprendre au moins un matériau métallique et au moins un liant. Le matériau métallique peut comprendre un alliage métallique, par exemple à base de Nickel et Chrome. Le matériau métallique peut comprendre du Inconel ® 718 (NiCr19Fe19Nb5Mo3).
Le premier matériau de construction peut comprendre au moins de la céramique.
La préforme est réalisée au moyen d’au moins un second matériau sacrificiel qui est fondu et déposé pour occuper au moins une zone correspondant sensiblement à au moins un évidement interne. En particulier, chaque zone correspondant au moins en partie à un évidement interne est réalisée dans le second matériau.
Le second matériau sacrificiel peut être fondu et déposé pour occuper une partie d’une zone correspondant sensiblement à au moins un évidement interne. Autrement dit, la second matériau sacrificiel peut n’occuper qu’une partie de la zone correspondant sensiblement à au moins un évidement interne. Par exemple, une zone correspondant sensiblement à un évidement interne peut comprendre un mélange d‘air et du second matériau.
En particulier, le second matériau est fondu et déposé dans la pièce, au niveau des zones correspondant sensiblement aux évidements internes. Le second matériau permet d’éviter un effondrement du premier matériau de construction, et donc un effondrement de la pièce. Ainsi, le second matériau a un rôle de support lors de la fabrication de la pièce.
Par exemple, sur la figure 5, la préforme 40 d’une l’aube de turbine est réalisée dans le premier matériau, et, dans la préforme 40, des zones 18 correspondant sensiblement aux évidements internes sont remplies de second matériau. Ici, la préforme 40 entoure les zones 18 correspondant sensiblement aux évidements internes.
Le second matériau peut être un matériau polymérique. Par exemple, le second matériau peut comprendre du polyéthylène glycol (PEG) ou du polycarbonate.
En particulier, les premier et second matériaux sont choisis de sorte que la préforme puisse être réalisée couche par couche simultanément avec les lesdits premier et second matériaux. Plus précisément, les premier et second matériaux peuvent être utilisés simultanément sans collage ou interférence entre ces deux matériaux.
Le procédé de fabrication comprend une étape 120 d’enlèvement du second matériau de la préforme de manière à libérer la ou chaque zone. En particulier, à l’issu de l’étape 120, la ou chaque zone correspondant sensiblement à au moins un évidement interne est vide. Par le terme « vide », on entend dépourvue du second matériau. Par exemple, à l’issu de l’étape 120, la ou chaque zone correspondant sensiblement à au moins un évidement interne peut être remplie d’air. Lorsqu’une zone de la préforme correspondant sensiblement à un évidement interne comprend un mélange d‘air et du second matériau, à l’issu de l’étape 120, cette zone peut être vide, c’est-à-dire remplie d’air.
L’étape 120 d’enlèvement est réalisée après refroidissement de la préforme. En effet, lors de l’étape de réalisation, les premier et second matériaux sont fondus, donc chauffés. L’enlèvement du second matériau de la préforme est réalisé après solidification de la préforme, et donc après refroidissement de cette dernière.
L’étape 120 d’enlèvement du second matériau peut comprendre une sousétape 122 de trempage de la préforme dans de l’eau ou dans un solvant de manière à dissoudre et retirer ce second matériau. En particulier, lorsque le second matériau est du PEG, la préforme est trempée dans de l’eau. Lorsque le second matériau est du polycarbonate, la préforme est trempée dans du solvant.
Par exemple, la figure 6 représente la préforme 40 d’une l’aube de turbine au cours de la sous-étape 122 de trempage. La préforme 40 est trempée dans une cuve 42 d’eau ou de solvant 44 afin d’enlever le second matériau 46 de la préforme 40, de sorte que la préforme 40 ne contiennent plus que le premier matériau 48.
En particulier, le second matériau est choisi de sorte qu’il puisse être éliminé de la préforme selon une technique qui n’engendre pas de dégâts sur la préforme.
Le procédé de fabrication comprend une étape 130 de frittage de la préforme de façon à former la pièce.
Le frittage est une consolidation d’un agglomérat de particules plus ou moins compact sous l’action de la chaleur. En particulier, le frittage est réalisé sans pression sur la préforme de la pièce.
Les particules de premier matériau constituant la préforme sont espacées les unes des autres, et plus précisément il existe des espaces vides entre ces particules. Le frittage permet de compresser la préforme, de sorte à éliminer les espaces vides entre les particules du premier matériau.
Ainsi, le frittage induit un retrait de matière de sorte à former la pièce.
Lors du frittage, la pièce peut se déformer. En effet, la compression de la pièce induit une réduction des dimensions de celle-ci. De ce fait, les zones correspondant sensiblement aux évidements internes peuvent se déformer, et plus précisément rétrécir.
En particulier, le volume des zones correspondant sensiblement aux évidements internes de la préforme peut être supérieur au volume des évidements internes de la pièce après frittage.
Par exemple, comme représenté sur la figure 5 les flèches F illustrent le rétrécissement des zones correspondant sensiblement aux évidements internes de la préforme 40 suite au frittage.
Au cours de l’étape de frittage, bien que les zones correspondant sensiblement aux évidements internes peuvent se déformer, les évidements internes de la préforme ne se referment pas sur eux-mêmes. Autrement dit, le nombre de zones correspondant sensiblement aux évidements internes de la préforme est égal au nombre d’évidements internes de la pièce après frittage.
Avantageusement, le procédé de fabrication permet d’obtenir directement la pièce de turbomachine à évidement interne.
Lorsque le premier matériau de construction comprend au moins un matériau métallique et au moins un liant, l’étape 130 de frittage peut comprendre au moins une sous-étape 132 de déliantage de la pièce de manière à enlever le liant.
Selon un mode de réalisation, préalablement à l’étape 110 de réalisation de la préforme, le procédé peut comprendre une étape 100 de conception d’un modèle numérique en trois-dimensions (3D) de la pièce.
Le modèle numérique peut inclure différents paramètres de l’impression.
Par exemple le modèle numérique en 3D de la pièce peut être généré pour tenir en compte des déformations de la pièce dues au frittage. En particulier, un facteur d’agrandissement peut être appliqué aux dimensions de la pièce pour générer le modèle numérique, afin de prendre en compte le retrait de matière lors du frittage de la préforme.
En particulier, comme les zones correspondant sensiblement aux évidements internes rétrécissent lors du frittage, le modèle numérique peut être généré en incluant une quantité de second matériau supérieure à la quantité de second matériau permettant de remplir les évidements internes de la pièce. Autrement dit, la quantité de second matériau prévue par le modèle numérique est supérieure à la quantité de second matériau qui remplirait l’évidement interne de la pièce.
Ainsi, la quantité de second matériau prévue par le modèle numérique peut correspondre au volume des zones correspondant sensiblement aux évidements internes de la préforme, et non pas au volume des évidements internes de la pièce.
Le procédé peut comprendre, après l’étape 100, une étape 102 de découpage du modèle numérique en une pluralité de tranches.
Le découpage du modèle numérique peut être effectué par un logiciel, dit « slicer >> en anglais.
Par exemple, la figure 7 représente une tranche d’un modèle numérique en 3D d’une aube de turbine de turbomachine. Sur la figure 7, la pièce entoure les zones 16 correspondant sensiblement aux évidements internes, qui sont ici vides.
Au cours de l’étape 110 de réalisation de la préforme, la préforme peut être réalisée couche par couche sur la base du modèle numérique.
L’étape 110 de réalisation de la préforme peut être réalisée au moyen d’une imprimante 3D par extrusion et fusion de fils. La préforme peut ainsi être réalisée par impression par dépôt de matière fondue (FDM, acronyme de « Fused Deposition Modeling >> en anglais). En particulier, un premier fil de l’imprimante 3D peut être réalisé dans le premier matériau, et un second fil de l’imprimante 3D peut être réalisé dans le second matériau. Autrement dit, une première tête d’extrusion de l’imprimante 3D dépose le premier matériau, tandis qu’une seconde tête d’extrusion de l’imprimante 3D dépose le second matériau. En variante, une unique tête d’extrusion peut être utilisée pour l’extrusion des deux fils.
Par exemple, la figure 8, une machine 50 d’extrusion et fusion de fils est représentée de façon simplifiée. La machine 50 comporte un plateau 52 d’impression sur lequel est imprimé la préforme 40, un moyen de stockage des fils du premier matériau, par exemple une bobine 54 de fils du premier matériau 56, un moyen de stockage des fils du second matériau, par exemple une bobine 58 de fils du second matériau 60, et au moins une tête d’extrusion, également appelée buse d’extrusion ou extrudeur. Sur la figure 8, la machine 50 comprend une première tête d’extrusion 62 qui est configurée pour déposer le premier matériau et une seconde tête d’extrusion 64 qui est configurée pour déposer le second matériau.
Le fil du premier matériau 56 est entraîné et fondu par la première tête d’extrusion 62, qui dépose le premier matériau selon le modèle numérique couche par couche sur le plateau 52. De même, le fil du second matériau 60 est entraîné et fondu par la seconde tête d’extrusion 64, qui dépose le second matériau selon le modèle numérique couche par couche sur le plateau 52.
Le plateau 52 peut être configuré pour descendre au fur et à mesure que la préforme est réalisée. Autrement dit, le plateau 52 peut être configuré pour s’éloigner des têtes d’extrusion 62, 64 lorsque celles-ci réalisent la préforme. En variante, les têtes d’extrusion 62, 64 peuvent être configurées pour monter au fur et à mesure que la préforme est réalisée. Autrement dit, les têtes d’extrusion 62, 64 peuvent être configurées pour s’éloigner du plateau 52 lorsqu’elles réalisent la préforme. En variante, à la fois le plateau 52 peut être configuré pour descendre et les têtes d’extrusion 62, 64 peuvent être configurées pour monter.
Bien que majoritairement décrit pour une aube de turbine, un restricteur de circuit de lubrification ou une pièce d’un échangeur thermique, le procédé de fabrication selon l’invention peut être utilisé pour produire tout type de pièce de turbomachine, et notamment tout type de pièce métallique ou céramique de turbomachine.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine, la pièce comportant au moins un évidement interne, le procédé comprenant les étapes consistant en :
    - la réalisation (110) d’une préforme de ladite pièce, par fabrication additive et dépôt de matériau couche par couche, au moyen d’au moins un premier matériau de construction qui est fondu et déposé pour réaliser ladite pièce, et d’au moins un second matériau sacrificiel qui est fondu et déposé pour occuper au moins une zone correspondant au moins en partie audit au moins un évidement,
    - l’enlèvement (120) du second matériau de ladite préforme de manière à libérer ladite zone, et
    - le frittage (130) de ladite préforme de façon à former ladite pièce.
  2. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit premier matériau de construction comprend au moins un matériau métallique et au moins un liant, ledit frittage (130) comprenant au moins une sous-étape de déliantage (132) de la pièce de manière à enlever le liant.
  3. 3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un matériau métallique comprend un alliage métallique, par exemple à base de Nickel et Chrome.
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit second matériau est un matériau polymérique comprenant par exemple du polyéthylène glycol ou du polycarbonate.
  5. 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape d’enlèvement (120) dudit second matériau comprend une sous-étape de trempage (122) de la préforme dans de l’eau ou dans un solvant de manière à dissoudre et retirer ce second matériau.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, préalablement à l’étape de réalisation (110) de la préforme, le procédé comprend les étapes consistant en :
    - la conception (100) d’un modèle numérique en trois-dimensions (3D) de ladite pièce,
    - le découpage (102) dudit modèle en une pluralité de tranches, et au cours de l’étape de réalisation (110) de la préforme, cette dernière est réalisée couche par couche sur la base dudit modèle.
  7. 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de réalisation de la préforme est réalisée au moyen d’une imprimante 3D par extrusion et fusion de fils, dont un premier fil est dans ledit premier matériau et un second fil est dans ledit second matériau.
  8. 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pièce est une aube (10) de turbine ou un restricteur (20) de circuit de lubrification ou une pièce (32, 34) d’un échangeur thermique.
  9. 9. Pièce de turbomachine, comportant au moins un évidement interne (12, 22, 36), la pièce étant obtenue directement par le procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, cette pièce étant par exemple une aube (10) de turbine ou un restricteur (20) de circuit de lubrification ou une pièce (32, 34) d’un échangeur thermique (30).
  10. 10. Turbomachine comprenant une pièce selon la revendication précédente.
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