FR3098740A1

FR3098740A1 - Procede de fabrication d’une piece metallique

Info

Publication number: FR3098740A1
Application number: FR1907957A
Authority: FR
Inventors: Hugo Sistach
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2039-07-15
Also published as: FR3098740B1

Abstract

Le présent document porte sur un procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche d’une pièce, l’ébauche étant réalisée à partir d’un premier mélange de premières particules métalliques et de deuxièmes particules de liant, le procédé comprenant les étapes suivantes :a) obtenir un premier ensemble comprenant une ébauche et un insert logé pour au moins une partie dans l’ébauche ;b) fritter le premier ensemble de manière à obtenir une pièce intermédiaire ;c) obtenir la pièce finale en retirant l’insert de la pièce intermédiaire. Figure à publier avec l’abrégé : figure 1

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE METALLIQUE

Domaine technique de l’invention

La présente divulgation concerne les procédés de fabrication de pièces métalliques pour turbomachine, telles que par exemple des secteurs d’étanchéité destinés à entourer une roue aubagée d’une turbine haute pression ou basse pression. En particulier, elle concerne les procédés de fabrication mettant en œuvre des techniques de moulage par injection de poudre métallique (connu sous l’acronyme MIM qui signifieMetal Injection Molding) et de fusion sélective de poudre par un faisceau de haute énergie (connu sous l’acronyme SLS qui signifieSelective Laser Sintering).

Etat de la technique antérieure

Dans le domaine de l’aéronautique, on utilise essentiellement deux méthodes de fabrication pour réaliser les pièces métalliques de géométries plus ou moins complexes.

La première méthode de fabrication, le moulage par injection de poudre métallique (MIM) consiste à préparer un mélange à partir de particules métalliques et de liant. Ce mélange est obtenu en mélangeant de façon homogène ces deux poudres, et en performant une extrusion de l’ensemble de ces poudres pour obtenir la matière première utilisée dans le MIM.

Le mélange est ensuite suffisamment chauffé pour faire fondre le mélange et permettre l’enrobage des particules de métal par le liant. Le mélange, ayant alors une consistance au moins pâteuse voire liquide, est ensuite injecté, à une pression déterminée, dans un moule dont l’empreinte correspond à la pièce à fabriquer. Après le refroidissement et solidification du liant thermoplastique, on extrait du moule une première ébauche de la pièce à fabriquer. S’en suivent des étapes de déliantage et de frittage. Le but de la première étape est d’extraire une première partie du liant présent dans l’ébauche, sans déformer cette dernière. Selon le liant utilisé, il s’agit d’une opération chimique ou thermique. On obtient, suite au déliantage, une deuxième ébauche de la pièce à fabriquer, qui est une structure poreuse formée des particules métalliques reliées par des résidus de liants. Le but de la deuxième étape est d’éliminer les résidus de liant, et d’assurer la fusion des particules métalliques entre elles, pour alors permettre la cohésion de la pièce. Cela est réalisé par chauffage dans un four à une température proche mais inférieure à la température de fusion des particules métalliques.

La seconde méthode de fabrication, la fusion sélective de poudre par un faisceau de haute énergie (SLS) consiste à fournir un matériau sous forme de poudre, à le déposer sur un support de construction, à réaliser une trace avec un faisceau de haute énergie (par exemple un faisceau laser, un faisceau d’électrons) sur le lit de poudre de manière à chauffer localement et permettre la fusion d’au moins une partie de la poudre, et de répéter en déposant plusieurs couches et en fusionnant avec les couches précédemment fusionnées. La mélange utilisé dans le MIM peut être également utilisé pour le SLS. Dans ce cas, les mêmes étapes de déliantage et de frittage sont réalisées sur la pièce intermédiaire au terme de la fusion par couche.

Ces procédés rendent complexes la réalisation de formes internes, ou la réalisation de formes complexes telles que par exemple les pas de vis. En effet, lors des étapes de frittage, les pièces ont tendance à s’aplanir modifiant alors les géométries des pièces, sauf si celles-ci sont supportées. Néanmoins, les supports actuels standards ne sont pas adaptés pour assurer que des géométries internes ou complexes soient préservées, même lors des étapes de frittage.

Aujourd’hui la réalisation de telles géométries nécessite de passer par des procédés de fonderie classique, de type à cire perdue ou par usinage des pièces obtenues après frittage.

Le présent document a notamment pour but de proposer un procédé, efficace et économique, facilitant la réalisation de pièces à géométrie complexe et/ou comprenant des cavités internes.

Le présent document porte sur un procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche d’une pièce telle que par exemple un secteur d’étanchéité entourant une roue aubagée d’une turbine haute pression ou basse pression, l’ébauche étant réalisée à partir d’un premier mélange de premières particules métalliques et de deuxièmes particules de liant, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) obtenir un premier ensemble comprenant une ébauche et un insert logé pour au moins une partie dans l’ébauche ;
b) fritter le premier ensemble de manière à obtenir une pièce intermédiaire ;
c) obtenir la pièce finale en retirant l’insert de la pièce intermédiaire.

Ce procédé permet de réaliser des formes géométriques internes en marquant la forme de l’insert dans la pièce finale. Pour cela, au moins un insert est logé au moins en partie à l’intérieur d’une ébauche de la pièce à fabriquer pour imprimer la forme de l’insert dans la pièce, lors de l’opération de frittage.

Après le retrait de l’insert, on obtient une pièce finale comprenant l’empreinte de l’insert, formant alors une géométrie interne à la pièce.

L’insert est composé d’un matériau inerte lors des opérations de frittage, tel que par exemple la céramique, et indéformable, lors des opérations de frittage notamment.

Il est ainsi possible de loger un ou plusieurs inserts dans une ébauche de la pièce avant les opérations de frittage.

Les inserts peuvent être logés en intégralité ou en partie dans l’ébauche, de sorte à permettre par exemple à former des canaux internes débouchant dans la pièce.

L’ébauche peut être une première ébauche obtenue avant le déliantage, ou une deuxième ébauche obtenue après le déliantage de la première ébauche.

L’étape a) peut être précédée ou suivie de l’étape suivante :
- retirer au moins une partie du liant thermoplastique présent dans le premier ensemble.

Par conséquent, l’insert peut être inséré, avant ou après le déliantage de l’ébauche. De manière générale, il est plus facile d’introduire l’insert dans une première ébauche avant l’opération de déliantage.

L’étape a) peut être précédée d’une étape visant à disposer l’ébauche sur un support mécanique.

La disposition de l’ébauche sur le support, permet de maintenir la pièce lors des opérations de déliantage et/ou de frittage. Ce support est nécessaire pour prévenir la déformation de la pièce, et d’assurer ainsi la conformité de la pièce à la fin du procédé de fabrication.

Le support peut être réalisé en même temps que l’ébauche.

Le support peut ainsi être réalisé dans le même matériau que l’ébauche, en même temps. Cela permet d’avoir un support qui va rétrécir, et dont les dimensions évoluent simultanément avec l’évolution des dimensions des ébauches jusqu’à la pièce finale, notamment lors du frittage. Cela permet ainsi de réduire les risques de déplacement de la pièce sur le support qui accompagne les déformations des ébauches lors des différentes phases du procédé.

L’ébauche et/ou le support mécanique peuvent être obtenus par moulage par injection de poudre ou fusion sélective sur lit de poudre à partir du premier mélange.

Ainsi, une première ébauche et/ou le support, avant l’opération de déliantage, peut donc être obtenu par le biais de deux procédés, à partir d’un même mélange de particules métalliques et de particules de liant, de sorte à avoir des déformations identiques lors des opérations de déliantage et frittage.

L’insert peut comprendre au moins une surface extérieure destinée à venir en contact avec l’ébauche, ladite surface extérieure étant réalisée en céramique.

Pour assurer son rôle, l’insert ne doit pas réagir chimiquement avec le matériau constitutif de l’ébauche et de la pièce. En d’autres termes, l’insert doit être inerte vis-à-vis de ce matériau, en particulier lors du frittage. La céramique remplit ces conditions. La réaction de l’insert avec le matériau constitutif de l’ébauche s’amorce au niveau de l’interface où l’insert et l’ébauche sont en contact, il est suffisant de s’assurer qu’au moins la surface extérieure de l’insert, destinée à être en contact avec le matériau constitutif de l’ébauche, est réalisée dans un matériau ne réagissant pas avec l’ébauche. Le reste de l’insert peut être constitué de n’importe quel matériau.

L’insert peut être obtenu par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre à partir d’un deuxième mélange comprenant des troisièmes particules en céramique et des deuxièmes particules de liant.

Cela permet notamment d’obtenir un insert ayant le même comportement mécanique en dilatation et contraction, lors de opérations de déliantage et de frittage. Ainsi, on évite la formation de criques, lors de la variation dimensionnelle de la pièce. En effet, l’utilisation d’un liant identique à celui utilisé dans l’ébauche, permet de réduire les contraintes et les déformations de la pièce dues à la non variation dimensionnelle de l’insert céramique. Ainsi, comme le support, il est envisageable d’utiliser un insert suivant les déformations des ébauches lors des différentes phases du procédé.

L’étape a) peut en outre comprendre :
- agencer l’insert dans un moule préalablement à l’injection du mélange préalablement à l’injection du mélange dans un moule, l’insert étant maintenu fixe dans le moule.

En particulier, lorsque la forme intérieure à réaliser est un canal dans la pièce par exemple, des inserts de la forme des canaux sont alors disposés dans le moule à injection. Lors de l’injection, le premier mélange chauffé pâteux voire liquide recouvre alors les inserts dans le moule. Ainsi la première ébauche, avant le déliantage et/ou le frittage, comprend les inserts.

L’étape a) peut de plus comprendre :
- introduire l’insert mécaniquement, de préférence par perçage ou par vissage dans l’ébauche.

L’insert peut par exemple être une vis. Ainsi, l’insert peut comprendre sur une partie extérieure périphérique un filetage. Ainsi dans ce cas, l’insert peut être vissé pour être logé dans l’ébauche, et dévissé pour en être sorti.

L’étape d) peut être réalisée en dévissant l’insert ou par dissolution chimique.

La dissolution se révèle particulièrement intéressante dans le cas de la réalisation de canaux. La dissolution chimique peut ainsi être réalisée par le biais d’une solution basique adaptée tel que par exemple l’hydroxyde de potassium (KOH), ou de l’hydroxyde de potassium (NaOH).

Brève description des figures

représente un logigramme du procédé selon la présente divulgation ;

illustre sur la partie A un exemple de secteur d’étanchéité sur un support et sur la partie B le même secteur d’étanchéité, disposé à côté de son support ;

illustre sur la partie A un premier exemple d’un premier ensemble selon le présent document et sur la partie B la pièce obtenue à partir de ce premier ensemble ;

illustre sur la partie A un deuxième exemple d’un premier ensemble selon le présent document et sur la partie B la pièce obtenue à partir de ce premier ensemble ;

illustre un exemple de secteur d’étanchéité obtenu suite au procédé selon l’invention.

Description détaillée de l’invention

Le procédé selon la présente divulgation vise à réaliser une pièce métallique de turbomachine, telle que par exemple un secteur d’étanchéité positionné autour d’une roue aubagée d’une turbine basse pression ou d’une turbine haute pression. Les secteurs d’étanchéité sont disposés bout à bout circonférentiellement autour de la roue aubagée, et sont supportés par le carter de turbine externe. Les secteurs d’étanchéité servent en particulier de support à des éléments abradables. Afin d’assurer l’étanchéité entre ces secteurs d’étanchéité, des lamelles d’étanchéité sont insérées dans des fentes débouchant aux extrémités circonférentielles des secteurs d’étanchéité adjacents.

La figure 1 est un logigramme représentant le déroulement du procédé selon le présent document.

Le procédé est réalisé à partir d’une ébauche 2 de la pièce à fabriquer.

Ainsi préalablement aux étapes de procédé, une ébauche 2 de la pièce à réaliser, du secteur d’étanchéité, est fabriquée, dont un exemple est illustré à la figure 2. L’ébauche 2 est fabriquée par moulage par injection de poudre ou fusion sélective sur lit de poudre, et ceci à partir de la même matière première, un premier mélange de premières particules métalliques et de deuxièmes particules de liant. Les particules de liant sont par exemple des particules de liant thermoplastique.

Le premier mélange est obtenu en mélangeant de façon homogène les premières particules métalliques et les deuxièmes particules de liant, et en performant une extrusion de ces poudres mélangées afin d’obtenir le mélange utilisé comme matière première dans la réalisation des pièces, métalliques. Lors de l’extrusion, la poudre de liant fond autour des particules de métal de sorte à encapsuler les particules de métal.

Une fois le premier mélange obtenu, celui-ci est utilisé pour réaliser l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre.

Lors du moulage par injection de poudre, le premier mélange est porté à haute température de sorte à obtenir une pâte voire un liquide, qui est ensuite injecté dans un moule sous une pression prédéterminée. Après le refroidissement de l’ensemble et solidification du liant, l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est extraite du moule.

Lors de la fusion sélective sur lit de poudre, une première couche du premier mélange est disposée sur un support 4 de construction. La première couche est alors sélectivement fusionnée par le biais d’un faisceau de haute énergie, de sorte à former, suite au refroidissement des éléments de couche fusionnée. Cette étape est répétée, plusieurs couches sont successivement disposées les unes au-dessus des autres, et le laser balaie chacune de ces couches et fusionne sélectivement certaine partie de ces couches, avec les couches précédemment fusionnées de sorte à fabriquer verticalement l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité.

Avant de réaliser la première étape A du procédé, l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est disposée sur un support 4 adapté pour assurer le maintien de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité lors des différentes étapes du procédé.

Ce support 4 mécanique peut être réalisé en même temps que l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité ce qui permet d’avoir un support 4 mécanique avec les mêmes propriétés physiques que l’ébauche 2. Notamment, cela permet lors des étapes de frittage, induisant une déformation de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, d’assurer un maintien correct de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité sur le support 4, ce dernier subissant alors la même déformation. Le rôle de ce support 4 mécanique est de maintenir en place l’ébauche 2 lors des différentes étapes du procédé. Pour cela, la pièce et le support 4 sont fabriqués simultanément par moulage par injection de poudre ou fusion sélective sur lit de poudre à partir du premier mélange comme détaillé précédemment.

Une exemple d’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et de support 4 est illustré à la figure 2. Comme on peut le voir dans l’exemple, le secteur d’étanchéité est légèrement convexe, le support 4 présente une forme convexe complémentaire, d’arc de cercle.

La première étape A du logigramme, consiste à obtenir un premier ensemble 6 comprenant une ébauche 2 du secteur d’étanchéité et un insert 8 logé pour au moins une partie dans l’ébauche 2.

Ainsi, un ou plusieurs inserts 8 sont introduits à l’intérieur de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité. Les inserts 8 sont choisis de sorte que leurs formes externes générales correspondent à la forme géométrique que l’on souhaite réaliser dans la pièce finale.

Afin que les inserts 8 n’interagissent pas chimiquement avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, les inserts 8 comprennent au moins une surface extérieure, destinée à venir en contact avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, réalisée en céramique choisi parmi les céramiques suivantes : l’alumine, le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, les composites alumina-zircone, la zircone.

Le reste de la pièce peut être réalisé en céramique également, ou dans même matière que l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité. De manière générale, il suffit de s’assurer que la surface extérieure de l’insert 8 en contact avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité ne réagit pas avec cette dernière. On pourrait donc envisager d’utiliser un insert 8 sur lequel est disposée en surface de la poudre de céramique, telle que de l’alumine, du zircone, ou du magnésium, par projection ou par dépôt, empêchant toute interaction entre l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et l’insert 8 à l’interface entre les deux.

L’insert 8 peut être réalisé en céramique, par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre à partir d’un deuxième mélange. Le deuxième mélange comprend alors des troisièmes particules en céramique et des deuxièmes particules de liant. Ainsi, le deuxième mélange comprend le même liant que le premier mélange. La fabrication de l’insert 8 se fait similairement à l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, comme détaillé ci-dessus, mais à partir du deuxième mélange.

Dans l’exemple de premier ensemble 6 illustré sur la partie A de la figure 3, l’insert 8 vise à réaliser un trou non débouchant comprenant sur la surface intérieure une zone de filetage pour permettre de visser une vis. Pour cela un insert 8 en forme de vis est utilisé. Il est inséré par vissage à l’intérieure de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité pour former le premier ensemble 6. L’introduction de l’insert 8 dans l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est réalisée par vissage ou perçage.

Dans l’exemple de premier ensemble 6 illustré sur la partie A de la figure 4, l’insert 8 vise à réaliser un canal intérieur à la pièce. Pour cela, l’insert 8 présente une forme générale cylindrique, et est disposé de sorte à obtenir un canal traversant. L’insertion d’un tel insert 8 peut être réalisé par perçage ou lors de réalisation de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité. En effet, pour obtenir le premier ensemble 6, l’insert 8 peut être agencé et maintenu fixe dans un moule de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité préalablement à l’injection du premier mélange dans un moule, lorsque l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est obtenue par moulage par injection.

La première étape du procédé, c’est-à-dire l’obtention du premier ensemble 6, peut être réalisée avant ou après que l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité soit soumise à une opération de déliantage, c’est-à-dire avant ou après le retrait d’une partie du liant présent dans l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, ou le premier ensemble 6 le cas échéant (c’est-à-dire de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et de l’insert 8). En particulier, lors que l’insert 8 est réalisé à partir du deuxième mélange, le premier ensemble 6 est soumis au déliantage, de sorte que l’insert 8 est soumis aux mêmes déformations que l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité lors du déliantage et du frittage pour obtenir la pièce finale.

La deuxième étape B du procédé consiste à fritter le premier ensemble 6 de manière à obtenir une pièce intermédiaire. Lors du frittage, les résidus de liant sont éliminés du premier ensemble 6, et les particules métalliques de la structure fusionnent les unes aux autres pour assurer la cohésion de la pièce. Pour cela, le premier ensemble 6 est soumis à un traitement thermique dans un four par exemple.

Lorsque l’insert 8 est réalisé à partir du deuxième mélange, les dimensions de l’insert 8 évoluent simultanément avec les réductions de variations de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité lors des opérations de déliantage et frittage. De cette manière, les contraintes dans la pièce sont réduites.

La troisième étape C du procédé consiste à obtenir la pièce finale 12 en retirant l’insert 8 de la pièce intermédiaire.

Dans l’exemple illustré dans la partie B de la figure 3, l’insert 8 étant une vis, le retrait de l’insert 8 se fait en dévissant l’insert 8 de la pièce finale 12.

Dans l’exemple illustré dans la partie B de la figure 4, l’insert 8 est retiré en plongeant le premier ensemble 6 dans un bain chimique, comprenant par exemple de la soude caustique ou toute autre composé chimique apte à la dissolution de céramique, tel que par exemple de l’hydroxyde de potassium (KOH), ou de l’hydroxyde de potassium (NaOH).

Ainsi, une fois l’insert retiré, l’empreinte de ce dernier définit une cavité interne 10 (débouchante ou non) dans la pièce finale 12.

La fente 14 du secteur d’étanchéité illustrée à la figure 5, destinée à recevoir des lamelles d’étanchéité permettant de réaliser l’étanchéité circonférentielle entre deux secteurs adjacents, est réalisée à l’aide d’un insert 8 similaire à celui illustré à la figure 4.

Claims

Procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche (2) d’une pièce telle que par exemple un secteur d’étanchéité entourant une roue aubagée, l’ébauche (2) étant réalisée à partir d’un premier mélange de premières particules métalliques et de deuxièmes particules de liant, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) obtenir un premier ensemble (6) comprenant une ébauche (2) et un insert (8) logé pour au moins une partie dans l’ébauche (2) ;
b) fritter le premier ensemble (6) de manière à obtenir une pièce intermédiaire ;
c) obtenir la pièce finale (12) en retirant l’insert (8) de la pièce intermédiaire.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape a) est précédée ou suivie par l’étape suivante :
- retirer au moins une partie du liant thermoplastique présent dans l’ébauche (2) ou le premier ensemble (6).
Procédé selon la revendication 1ou 2, dans lequel, l’étape a) est précédé d’une étape visant à disposer l’ébauche (2) sur un support (4) mécanique.
Procédé selon la revendication 3, dans lequel le support (4) est réalisé en même temps que l’ébauche (2).
Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’ébauche (2) et/ou le support (4) mécanique sont obtenus par moulage par injection de poudre ou fusion sélective sur lit de poudre à partir du premier mélange.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’insert (8) comprend au moins une surface extérieure destinée à venir en contact avec l’ébauche (2), ladite surface extérieure étant réalisée en céramique.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’insert (8) est obtenu par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre à partir d’un deuxième mélange comprenant des troisièmes particules en céramique et des deuxièmes particules de liant.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape a) comprend :
- agencer l’insert (8) dans un moule préalablement à l’injection du mélange ébauche (2) préalablement à l’injection du mélange dans un moule, l’insert (8) étant maintenu fixe dans le moule.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape a) comprend :
– introduire l’insert (8) mécaniquement, de préférence par perçage ou par vissage dans l’ébauche (2).
Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’insert (8) comprend sur une partie extérieure périphérique un filetage.