FR3098747A1

FR3098747A1 - Procede de fabrication d’une piece metallique

Info

Publication number: FR3098747A1
Application number: FR1907956A
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: FR3098747B1

Abstract

Le présent document porte sur un procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche d’une pièce disposée sur un support mécanique et comprenant au moins une partie fonctionnelle et au moins une partie non fonctionnelle, le support mécanique et l’ébauche étant réalisés 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 en introduisant au moins un insert à travers ladite au moins une partie non fonctionnelle de l’ébauche et au moins en partie à l’intérieur du support pour fixer l’ébauche sur ledit support ; b) fritter le premier ensemble de manière à obtenir une pièce intermédiaire ; c) obtenir la pièce finale en séparant la partie fonctionnelle de la pièce intermédiaire de la partie non fonctionnelle. 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 sur le lit de poudre (par exemple un faisceau laser, un faisceau d’électrons) 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. Le 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.

Pour les opérations de déliantage et de frittage, il est connu de disposer la première ébauche sur un support. Pour les pièces basiques, les supports sont des plaques planes, généralement en alumine. Pour les géométries plus complexes, les supports peuvent alors être profilés, et sont réalisés dans le même matériau que la première ébauche, de sorte à subir les mêmes réductions de dimensions que la pièce lors des opérations de frittage. Par exemple pour une pièce concave, un support en arc de cercle peut ainsi être utilisé.

Parfois, la gravité n’est pas suffisante pour maintenir la pièce en place sur le support : dans certains cas, notamment lorsque les pièces sont complexes, les pièces peuvent vriller, se décaler de leur position initiale sur le support, par exemple lors des étapes de déliantage et/ou de frittage.

Un tel déplacement des pièces peut provoquer la déformation de celles-ci et aboutir à des pièces non conformes.

Le présent document a notamment pour but de proposer un procédé, efficace et économique, permettant de surmonter les inconvénients précités.

Le présent document porte sur un procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche d’une pièce disposée sur un support mécanique et comprenant au moins une partie fonctionnelle et au moins une partie non fonctionnelle, le support mécanique et l’ébauche étant réalisés 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 en introduisant au moins un insert à travers ladite au moins une partie non fonctionnelle de l’ébauche et au moins en partie à l’intérieur du support pour fixer l’ébauche sur ledit support ;
b) fritter le premier ensemble de manière à obtenir une pièce intermédiaire ;
c) obtenir la pièce finale en séparant la partie fonctionnelle de la pièce intermédiaire de la partie non fonctionnelle.

Le procédé proposé permet d’assurer le maintien de l’ébauche sur le support lors du frittage de l’ébauche à l’aide des inserts. Les inserts sont disposés dans une partie non fonctionnelle, c’est-à-dire une partie sacrificielle non destinée à appartenir à la pièce finale. Cette partie non fonctionnelle est séparée de la partie fonctionnelle de l’ébauche, c’est-à-dire destinée à former la pièce finale, une fois l’opération de frittage effectuée.

Selon la géométrie de la pièce à réaliser et le support, il est envisageable d’avoir une ou plusieurs parties non fonctionnelles.

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

Pour assurer un maintien optimal, plusieurs inserts peuvent être logés dans une ou plusieurs parties non fonctionnelles de l’ébauche.

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

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

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’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 réalisé dans un matériau ne réagissant pas avec l’ébauche. Le reste de l’insert peut être constitué de n’importe quel matériau.

L’ébauche et le support mécanique peuvent être obtenus en même temps. 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. Cela permet d’avoir un support pouvant 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, peuvent donc être obtenus 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 être obtenu par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre à partir d’un 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 dilation et contraction, lors des 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.

Les troisièmes particules en céramique peuvent comprendre une ou plusieurs céramiques choisies parmi l’alumine, le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, les composites alumina-zircone, la zircone.

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

L’insert peut par exemple être une vis, ce qui permet un bon maintien de l’ébauche sur le support. 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 à l’aide d’un tournevis pour en être sorti.

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

Description détaillée de l’invention

Le procédé selon le présent document 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 circonfrentiellement 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 la présente divulgation.

Le procédé est réalisé à partir d’une ébauche de la pièce à fabriquer disposée sur un support mécanique.

Ainsi préalablement aux étapes de procédé, une ébauche 2 de la pièce à fabriquer, le secteur d’étanchéité, et un support 4 sont fabriqués, dont un exemple est illustré à la figure 2. Ils sont fabriqués par moulage par injection de poudre ou fusion sélective sur lit de poudre, et ceci à partir de la même matière première comprenant 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 réalisant 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 et le support 4 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 de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et du support 4 sous une pression prédéterminée. Après le refroidissement de l’ensemble et solidification du liant, l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et le support 4 sont extraits 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 le support 4 et l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité.

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

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, la face du support 4 qui est en contact avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité présente alors une forme complémentaire, en arc de cercle.

L’ébauche 2 du secteur d’étanchéité obtenue comprend au moins une partie fonctionnelle 6 et au moins une partie non fonctionnelle 8. La ou les parties fonctionnelles 6 sont les parties qui sont destinées à former au terme du procédé la pièce finale. La ou les parties non fonctionnelles 8 sont des parties dites sacrificielles et sont destinées à être disjointes des parties non fonctionnelles 8 aux parties fonctionnelles à la fin du procédé. Selon la géométrie de la pièce et du support, il peut y avoir une ou plusieurs parties non fonctionnelles.

La première étape A du logigramme, consiste à obtenir un premier ensemble 10 en introduisant au moins deux inserts 12 respectivement à travers lesdites au moins deux parties non fonctionnelles 8 de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité et au moins en partie à l’intérieur du secteur d’étanchéité support 4 pour fixer l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité sur ledit support 4.

Ainsi, un ou plusieurs inserts 12 sont introduits à l’intérieur de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, dans la ou les parties de l’ébauche 2 non fonctionnelles. En fonction de la géométrie de la pièce souhaitée et du maintien nécessaire pour réaliser une telle géométrie, il est possible d’utiliser plusieurs inserts 12 répartis autour ou de part et d’autres des extrémités de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité. Au minimum deux inserts 12 de part et d’autre de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité peuvent être utilisés.

Afin que les inserts 12 n’interagissent pas chimiquement avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, les inserts 12 comprennent au moins une surface extérieure, destinée à venir en contact avec l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité, réalisée en céramique choisie parmi les céramiques suivantes : l’alumine, le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, les composites alumina-zircone, la zircone.

Le reste de l’insert 12 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 12 en contact avec l’ébauche 2 ne réagit pas avec cette dernière. On pourrait donc envisager d’utiliser un insert 12 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 12 à l’interface entre les deux.

Lorsque l’intégralité de l’insert 12 est réalisée en céramique, l’insert 12 peut être indéformable, notamment lors des opérations de frittage auxquelles est soumise l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité.

L’insert 12, ou au moins sa partie extérieure, peut être réalisé, 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 (parmi les céramiques cités ci-dessus) et des deuxièmes particules de liant. Ainsi, le deuxième mélange comprend le même liant que le premier mélange. La fabrication de l’insert 12 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 10 illustré sur la partie A de la figure 3, deux inserts 12 sont utilisés. Afin d’assurer un maintien correct de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité sur le support 4, les inserts 12 sont des vis, traversant la ou les parties non fonctionnelles 8 et logés en partie dans le support 4. Les inserts 12 sont introduits par vissage à l’intérieur de l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité pour former le premier ensemble 10. L’introduction de l’insert 12 dans l’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est réalisée par vissage ou perçage.

La première étape A du procédé, c’est-à-dire l’obtention du premier ensemble 10, peut être réalisée avant ou après que l’ébauche 2 soit soumise à une opération de déliantage, c’est-à-dire avant ou après le retrait d’une partie du liant présent dans le premier ensemble 10 (c’est-à-dire dans l’ébauche du secteur d’étanchéité, le support 4 et l’insert 12). En particulier, lorsque l’insert 12 est réalisé à partir du deuxième mélange, le premier ensemble 10 est soumis au déliantage, de sorte que l’insert 12 est soumis aux mêmes déformations que l’ébauche 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 10 de manière à obtenir une pièce intermédiaire. Lors du frittage, les résidus de liant sont éliminés du premier ensemble 10, et les particules métalliques de la structure fusionnent les unes aux autres pour assurer la cohésion de la pièce intermédiaire. Pour cela, le premier ensemble 10 est soumis à un traitement thermique dans un four par exemple.

Lorsque les inserts 12 sont réalisés à partir du deuxième mélange, les dimensions des inserts 12 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 14 en séparant la partie fonctionnelle 6 de la pièce intermédiaire des parties non fonctionnelle.

L’ébauche 2 du secteur d’étanchéité est donc découpée pour séparer les parties fonctionnelles des parties non fonctionnelles 8. La séparation des parties fonctionnelles est réalisée par usinage, par découpage au jet d’eau ou par découpage laser.

Dans l’exemple illustré dans la partie B de la figure 3, les deux parties non fonctionnelles 8 sont découpées.

Claims

Procédé de fabrication d’une pièce métallique, à partir d’une ébauche (2) d’une pièce disposée sur un support (4) mécanique et comprenant au moins une partie fonctionnelle (6) et au moins une partie non fonctionnelle (8), le support (4) mécanique et l’ébauche (2) étant réalisés 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 (10) en introduisant au moins un insert (12) à travers ladite au moins une partie non fonctionnelle (8) de l’ébauche (2) et au moins en partie à l’intérieur du support (4) pour fixer l’ébauche (2) sur ledit support (4) ;
b) fritter le premier ensemble (10) de manière à obtenir une pièce intermédiaire ;
c) obtenir la pièce finale (14) en séparant la partie fonctionnelle (6) de la pièce intermédiaire de la partie non fonctionnelle (8).
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 le premier ensemble (10) .
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’insert 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 3, dans lequel l’ébauche (2) et le support (4) mécanique sont obtenus en même temps.
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 (12) est obtenu par moulage par injection de poudre ou par fusion sélective sur lit de poudre à partir d’un mélange comprenant des troisièmes particules en céramique et des deuxièmes particules de liant.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les troisièmes particules en céramique comprennent une ou plusieurs céramiques choisies parmi l’alumine, le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium, les composites alumina-zircone, la zircone.
Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape a) comprend :
- introduire l’insert (12) mécaniquement, de préférence par perçage ou par vissage dans l’ébauche (2).
Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’insert (12) est introduit mécaniquement, de préférence par perçage ou par vissage.