FR3095145A1 - Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce métallique de turbomachine comportant une cavité (3), au moins un orifice (4, 5) débouchant à l’extérieur de la pièce (1) et dans la cavité (3), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : - réaliser une ébauche (1) de la pièce (1) par fabrication additive, - introduire une poudre abrasive (11) dans la cavité (3), - réaliser un vibrage de l’ébauche (1) de façon à réduire la rugosité de la surface (6) de la cavité (3) et/ou de l’orifice (4, 5) à l’aide de la poudre abrasive (11), - extraire la poudre abrasive (11) ladite cavité (3) et/ou de l’orifice (4, 5). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces par fabrication additive, et plus particulièrement par fusion sélective ou frittage sélectif de poudre.
Etat de la technique antérieure
Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces complexes. Lorsqu'il s'agit de la fabrication de pièces en alliage métallique ou en céramique, le procédé de fusion sélective ou de frittage sélectif de poudre permet d'obtenir des pièces complexes, qui sont difficilement réalisables ou non réalisables avec les procédés conventionnels tels que la fonderie, la forge ou l'usinage. Il est notamment possible de réaliser des pièces présentant des cavités difficiles d’accès. Le domaine aéronautique se prête particulièrement bien à l'utilisation de ce procédé.
En outre, ce procédé présente l'avantage d'être rapide et ne pas nécessiter d'outillage spécifique contrairement à la plupart des procédés conventionnels, ce qui réduit considérablement les coûts et les cycles de fabrication des pièces.
Un tel procédé comprend généralement une étape durant laquelle est déposée, sur un plateau de fabrication, une première couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou de céramique d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un faisceau laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par tranche, de la pièce finale. Un outillage et un procédé de fabrication d'une pièce par fusion sélective ou frittage sélectif de poudre sont par exemple décrits dans la demande de brevet français FR 3 030 323 au nom de la Demanderesse.
Un inconvénient d’un tel procédé est que la pièce ainsi réalisée présente une rugosité relativement élevée, ce qui peut être préjudiciable à la tenue mécanique et à la durée de vie de la pièce. Certains distributeurs de turbine notamment sont particulièrement soumis à une telle contrainte où les cavités internes, de structures complexes, ont pour fonction principale d’assurer le refroidissement de la pièce sans provoquer de dégradation.
Lorsque les tolérances demandées en termes d’état de surface concernent des surfaces auxquelles il est possible d’accéder, ces surfaces peuvent être polies par des procédés conventionnels. Cependant, les procédés de polissage conventionnels ne permettent pas de réduire la rugosité des surfaces des cavités qui sont difficiles d’accès.
L’invention vise à proposer une solution à ce problème, de façon simple, fiable et peu onéreuse.
Présentation de l’invention
A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce métallique de turbomachine comportant une cavité, au moins un orifice débouchant à l’extérieur de l’ébauche et dans la cavité, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à :
- réaliser une ébauche de la pièce par fabrication additive,
- introduire une poudre abrasive dans la cavité,
- réaliser un vibrage de l’ébauche de façon à réduire la rugosité de la surface de la cavité et/ou de l’orifice à l’aide de la poudre abrasive,
- extraire la poudre abrasive ladite cavité et/ou de l’orifice.
La cavité peut être partiellement remplie de poudre abrasive, de façon à permettre le mouvement des particules abrasives lors de l’étape de vibrage. A titre d’exemple, entre 45 et 95 % du volume de la cavité de l’ébauche peut être remplie à l’aide de la poudre abrasive. Le vibrage répartit la poudre sur la totalité des surfaces à polir, de façon à obtenir un état de surface homogène correspondant aux spécificités requises. L’intensité de la vibration ainsi que la durée de l’étape de vibration permettent d’ajuster la rugosité ou l’état de surface final de la pièce.
La poudre abrasive peut être mélangée à un lubrifiant.
La poudre est par exemple une poudre de type oxyde d’aluminium ou carbure de silicium. La granulométrie de la poudre utilisée est par exemple comprise entre 0,03 µm et 200 µm.
Le lubrifiant est par exemple de type huile de coupe pour machine-outil, c’est-à-dire une huile minérale comportant des additifs.
L’ébauche peut être métallique. L’ébauche est par exemple réalisée en alliage base nickel.
La durée de l’étape de vibrage peut être comprise entre 30 secondes et 5 minutes.
L’ébauche peut comporter au moins un premier orifice débouchant à l’extérieur de l’ébauche et dans la cavité, et au moins un second orifice débouchant à l’extérieur de l’ébauche et dans la cavité, la poudre abrasive étant introduite au travers du premier orifice par l’intermédiaire d’une buse d’injection, le second orifice étant obturé avant introduction de la poudre abrasive dans la cavité.
Le premier orifice et/ou la buse d’injection peut être obturée après introduction de la poudre abrasive dans la cavité et avant vibrage de l’ébauche.
Le premier orifice, le second orifice et/ou la buse peuvent être rouverts avant l’étape d’extraction de la poudre abrasive.
Le second orifice peut être obturé à l’aide d’un organe d’obturation, ledit organe d’obturation étant en appui sur un plateau vibrant lors de l’étape de vibrage de l’ébauche.
Ledit organe d’obturation peut être en appui sur ledit plateau vibrant par l’intermédiaire d’un support.
L’étape d’extraction de la poudre abrasive peut comporter une étape de lavage par injection d’un liquide sous pression.
La pièce peut être séchée par injection d’air comprimé, après extraction de la poudre abrasive.
Le liquide ou l’air comprimé peuvent être injectés par un premier orifice et peuvent s’échapper par un second orifice, chaque orifice débouchant dans la cavité et à l’extérieur de l’ébauche.
La buse d’injection peut être fixée à l’ébauche avant introduction de la poudre abrasive puis être retirée après extraction de la poudre abrasive, lavage et séchage.
Le liquide sous pression et/ou l’air comprimé peuvent être injectés au travers de la buse d’injection.
L’ébauche peut être réalisée par un procédé de fusion sélective de poudre ou de frittage sélectif de poudre à l’aide d’un faisceau laser ou d’un faisceau d’électrons.
Un tel procédé permet de réaliser des pièces présentant des formes complexes. Ce procédé permet notamment de réaliser des pièces à partir de poudre d’alliage métallique ou de céramique.
L’invention concerne également un distributeur de turbine pour une turbomachine, obtenu par l’intermédiaire du procédé précité.
L’invention concerne par ailleurs une turbomachine comportant une pièce obtenue par l’intermédiaire du procédé précité.
La pièce réalisée peut être destinée à intégrer une turbomachine. Les orifices et la cavité peuvent avoir pour finalité de permettre la circulation d’un fluide, par exemple un fluide de refroidissement tel que de l’air ou de l’huile, ou encore du carburant, lors du fonctionnement de la turbomachine.
A titre d’exemple, la rugosité Ra finale des surfaces polies de la pièce peut par exemple être comprise entre 0,8 µm et 6,4 µm. La rugosité desdites surfaces de l’ébauche avant polissage peut par exemple être comprise entre 7 µm et 12 µm.
Brève description des figures
est une vue en coupe d’une ébauche obtenue par fabrication additive dans le cadre du procédé de fabrication selon l’invention,
est une vue schématique en coupe illustrant l’étape de remplissage de la cavité de la préforme à l’aide d’une poudre abrasive,
est une vue schématique en coupe illustrant l’étape de vibrage de la préforme dont la cavité est remplie de poudre abrasive,
est une vue schématique illustrant la réduction de la porosité à l’aide du procédé selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
Le procédé selon l’invention comporte tout d’abord une étape de fabrication d’une ébauche métallique d’une pièce 1 par fabrication additive, en particulier par fusion sélective de poudre ou frittage sélectif de poudre à l’aide d’un faisceau laser ou d’un faisceau d’électrons.
Comme illustré à la figure 1, la pièce est dans ce cas un distributeur de turbine comportant une pale 2a, une plate-forme dite radialement interne 2b et une plate-forme dite radialement externe 2c. Bien entendu, il est possible de réaliser d’autres types de pièces à l’aide du procédé selon l’invention.
Cette ébauche 1 est métallique et comporte une cavité interne 3, un premier orifice 4 débouchant dans la cavité 3 et à l’extérieur de l’ébauche 1, situés au niveau de la plate-forme radialement externe 2c, et des seconds orifices 5 débouchant dans la cavité 3 et à l’extérieur de l’ébauche 1, situés au niveau d’un bord de fuite 2d de la pale 2a.
La cavité 3 présente ici une forme générale rectangulaire.
L’ébauche 1 est par exemple réalisée en alliage à base de Nickel.
Les orifices 4, 5 et la cavité 3 ont pour finalité de permettre la circulation d’un fluide, par exemple un fluide de refroidissement tel que de l’air, lors du fonctionnement de la turbomachine.
Les surfaces internes des orifices 4, 5 et/ou de la cavité 3 sont relativement inaccessibles après fabrication de l’ébauche 1, ces surfaces présentant par ailleurs une rugosité relativement élevée, c’est-à-dire une surface 6 comportant des zones en creux 6a et des zones de pics 6b (voir figure 4, en trait pointillé), la différence de hauteur H entre les zones en creux 6a et les zones de pics 6b étant importante. A titre d’exemple, la rugosité Ra obtenue peut par exemple être comprise entre 7 µm et 12 µm.
Afin de pouvoir réduire la rugosité de ces surfaces 6 de façon à répondre aux spécificités du cahier des charges, le procédé selon l’invention prévoit de boucher les seconds orifices 5 à d’un organe d’obturation 7, comme illustré à la figure 2. L’organe d’obturation peut comporter un corps 8 à partir duquel s’étendent des plots d’obturation 9. Chaque plot d’obturation 9 peut obturer l’un des seconds orifices 5. Le corps 8 peut comporter une surface plane 10 opposée aux plots d’obturation 9.
La cavité 3 est ensuite remplie partiellement avec une poudre abrasive 11, éventuellement mélangée à un lubrifiant, au travers du premier orifice 4. Pour cela, une buse d’injection 12 peut être fixée au niveau du premier orifice 4.
La poudre 11 est par exemple une poudre de type oxyde d’aluminium ou carbure de silicium. La granulométrie de la poudre 11 utilisée est par exemple comprise entre 0,03 µm et 200 µm.
Le lubrifiant est par exemple de type huile de coupe pour machine-outil, c’est-à-dire une huile minérale comportant des additifs.
La buse 12 ou le premier orifice 4 est ensuite obturé et le corps 8 est fixé à un support 13, lui-même monté sur un plateau vibrant 14, comme illustré à la figure 3. En particulier, la surface 10 est en appui sur une surface plane du support 13.
L’ensemble est mis en vibration, pendant une durée comprise par exemple entre 30 secondes et 5 minutes, ce qui a pour effet de répartir la poudre abrasive 11 de façon homogène sur la surface interne 6 de la cavité 3 de façon à réduire sa rugosité et améliorer son état de surface.
L’ensemble est ensuite retiré du plateau vibrant 14 et l’organe d’obturation 7 est retiré. La buse d’injection 12 est également ouverte. La poudre abrasive 11 est retirée par gravité et/ou par l’intermédiaire d’un fluide sous pression, par exemple un liquide sous pression, injecté au travers de la buse 12. La totalité du liquide présent dans la cavité 3 est ensuite extrait, par exemple par injection d’air comprimé au travers de la buse 12.
La buse d’injection 12 peut ensuite être séparée du reste de la pièce 1.
La pièce 1 obtenue comporte alors une cavité 3 dont la surface interne 6 présente une rugosité faible.
En effet, comme cela est illustré en trait continu à la figure 4, la mise en œuvre du procédé selon l’invention permet de réduire sensiblement la différence de hauteur H’ entre les zones de pics 6b et les zones en creux 6a de ladite surface interne 6, de façon à réduire la rugosité de ladite surface 6.
A titre d’exemple, la rugosité Ra finale des surfaces 6 concernées de la pièce 1 peut par exemple être comprise entre 0,8 µm et 6,4 µm.
Un tel procédé est relativement simple et peu coûteux à mettre en œuvre. Il est par ailleurs particulièrement adapté à des pièces comportant des surfaces internes à polir qui sont difficiles d’accès.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce métallique de turbomachine comportant une cavité (3), au moins un orifice (4, 5) débouchant à l’extérieur de la pièce (1) et dans la cavité (3), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à :
    - réaliser une ébauche (1) de la pièce (1) par fabrication additive,
    - introduire une poudre abrasive (11) dans la cavité (3),
    - réaliser un vibrage de l’ébauche (1) de façon à réduire la rugosité de la surface (6) de la cavité (3) et/ou de l’orifice (4, 5) à l’aide de la poudre abrasive (11),
    - extraire la poudre abrasive (11) ladite cavité (3) et/ou de l’orifice (4, 5).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’ébauche (1) comporte au moins un premier orifice (4) débouchant à l’extérieur de l’ébauche (1) et dans la cavité (3), et au moins un second orifice (5) débouchant à l’extérieur de l’ébauche (1) et dans la cavité (3), la poudre abrasive (11) étant introduite au travers du premier orifice (4) par l’intermédiaire d’une buse d’injection (12), le second orifice (5) étant obturé avant introduction de la poudre abrasive (11) dans la cavité (3).
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier orifice (4) et/ou la buse d’injection (12) est obturée après introduction de la poudre abrasive (11) dans la cavité (3) et avant vibrage de l’ébauche (1).
  4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier orifice (4), le second orifice (5) et/ou la buse (12) sont rouverts avant l’étape d’extraction de la poudre abrasive (11).
  5. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le second orifice (5) est obturé à l’aide d’un organe d’obturation (7), ledit organe d’obturation (7) étant en appui sur un plateau vibrant (14) lors de l’étape de vibrage de l’ébauche (1).
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’étape d’extraction de la poudre abrasive (11) comporte une étape de lavage par injection d’un liquide sous pression.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce (1) est séchée par injection d’air comprimé, après extraction de la poudre abrasive (11).
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’ébauche (1) est réalisée par un procédé de fusion sélective de poudre ou de frittage sélectif de poudre à l’aide d’un faisceau laser ou d’un faisceau d’électrons.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la granulométrie de la poudre abrasive est comprise entre 0,03 µm et 200 µm.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la poudre abrasive est une poudre de type oxyde d’aluminium ou carbure de silicium.
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