FR3103401A1 - Procédé d’addition de matière - Google Patents

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Terence Grall
Mathilde OLIVIER
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Abstract

La présente invention concerne un procédé d’addition de matière sur une pièce (I) existante comprenant au moins un matériau dit matériau de base (31). Le procédé comprend au moins les étapes suivantes :(a) dépôt, sur une surface de base (6) de la pièce (I), d’une poudre composite comprenant au moins le matériau de base (31) et un deuxième matériau dit matériau de brasage (32), et chauffage de la poudre (3) à une température de fusion du matériau de brasage (32), dite température de brasage, inférieure à la température de fusion du matériau de base (32), pour obtenir une couche solide non homogène, dite couche de brasure (6) ;(b) Traitement thermique de diffusion de l’ensemble de la pièce (I) à une température de diffusion, inférieure ou égale à la température de brasage et supérieure ou égale à 400°C, pour diffuser des éléments de la couche de brasure (6), de la surface de base (6) et de la pièce (I). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé d’addition de matière
La présente invention concerne le domaine des procédés d’addition de matière sur une pièce existante.
Les procédés de fabrication par métallurgie des poudres pour pièces métalliques à haute valeur ajoutée connaissent un essor conséquent ces dernières années en raison du développement des procédés de fabrication additive ou fabrication directe.
Les procédés de type LMD (Laser Metal Deposition) poudre et LMD fil permettent de déposer des couches de matière et ainsi réaliser des rechargements ou des géométries de type bossage sur des pièces.
Ces procédés présentent de multiples avantages. En effet, les dépôts présentent des caractéristiques mécaniques proche du matériau de base et un large panel de géométrie et d'utilisation sont possibles (fabrication de brute, rechargement pour réparation…).
Toutefois, ces procédés demandent un apport d’énergie important pour faire fondre le métal. Ces types de procédés ne sont ainsi pas envisageables sur des pièces présentant des parois fines ou sur des zones sensibles à un échauffement du matériau de base. En effet, un apport d’énergie important sur une paroi conduirait à une déformation de la pièce due aux contraintes résiduelles induites par le procédé.
En sus, les procédés de type LMD provoquent également la présence d’une zone affectée thermiquement. Ce type de zone engendre des abattements de durée de vie sur la pièce.
En conséquence, il serait souhaitable de disposer d’un procédé d’addition de matière sur une pièce existante permettant de limiter l’apport d’énergie sur le matériau de base.
Selon un premier aspect, l’invention propose un procédé d’addition de matière sur une pièce existante comprenant au moins un matériau dit matériau de base. Le procédé comprend au moins les étapes suivantes:
(a) dépôt, sur une surface de base de la pièce, d’une poudre composite comprenant au moins le matériau de base et un deuxième matériau dit matériau de brasage, et chauffage de la poudre à une température de fusion du matériau de brasage, dite température de brasage, inférieure à la température de fusion du matériau de base, pour obtenir une couche solide non homogène, dite couche de brasure ;
(b) Traitement thermique de diffusion de l’ensemble de la pièce à une température de diffusion, inférieure ou égale à la température de brasage et supérieure ou égale à 400°C, pour diffuser des éléments de la couche de brasure, de la surface de base et de la pièce.
Le chauffage de la poudre, de l’étape (a), peut être réalisé par un laser.
Le laser peut être focalisé sur la surface de base avant le début de l’étape (a).
L’étape (a) peut être réalisée par une buse d’amenée de poudre projetant la poudre dans un gaz porteur inerte tel que l’argon.
Le dépôt de poudre composite, de l’étape (a) peut être réalisé par une buse d’amenée de poudre dévidant un fil comprenant la poudre composite et un liant organique.
Le matériau de brasage peut être un alliage comprenant au moins du nickel, du cobalt et du silicium.
Le matériau de base peut comprendre du nickel ou de l’aluminium.
La poudre peut comprendre entre 10% et 40% de matériau de brasage et entre 60% et 90% de matériau de base.
La température de brasage peut être comprise entre 500°C et 1400°C.
A l’étape (b) la température de diffusion peut être comprise entre 900°C et 1300°C sur une durée comprise entre 1 heure et 16 heures.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un dispositif d’addition de matière sur une pièce existante adapté pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention, comprenant au moins un organe de chauffage et une buse d’amenée de poudre.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une pièce obtenue par un procédé d’addition de matière selon l’invention.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard du dessin annexé sur laquelle :
La figure 1 est un schéma d’un mode d’exécution du procédé selon l’invention.
La figure 2 est un schéma d’un dispositif d’addition de matière selon l’invention, le schéma présentant un agrandissement d’un apport de matière (poudre de brasure + poudre métallique)
La figure 3 est un schéma d’un dispositif d’addition de matière selon l’invention, le schéma présentant un agrandissement de la couche de matière déposée (brasure fondue + poudre métallique).
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Procédé
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé d’addition de matière sur une pièce existante I. Il est précisé que par procédé d’addition de matière sur une pièce existante I, il est entendu n’importe quel procédé de dépôt ou d’ajout de matière sur une pièce existante I. Ainsi ce procédé concerne aussi bien les procédés dits de rechargement consistant à réparer une pièce en rajoutant de la matière, que les procédés de fabrication dans lesquels de la matière est déposées sur un brut obtenu, par exemple, par usinage ou fonderie. Les procédés d’ajout de matière sur un brut permettent d’ajouter, par fabrication additive, une géométrie qui serait impossible à obtenir selon un autre mode de fabrication.
Le procédé selon l’invention comprend essentiellement les étapes suivantes:
(a) dépôt, sur une surface de base 6 de la pièce I, d’une poudre composite 3 comprenant au moins le matériau de base 31 et un deuxième matériau dit matériau de brasage 32 (les deux matériaux sont sous formes de poudre et mélangés), et chauffage de la poudre 3 à une température de fusion du matériau de brasage 32, dite température de brasage, inférieure à la température de fusion du matériau de base 31, pour obtenir une couche solide non homogène, dite couche de brasure5 ;
(b) Traitement thermique de diffusion de l’ensemble de la pièce à une température de diffusion inférieure ou égale à la température de brasage et supérieure ou égale à 400°C, pour diffuser des éléments de la couche de brasure 5, de la surface de base 6 et de la pièce I.
Ainsi, le procédé selon l’invention permet de tout d’abord solidifier la couche de brasure 5, sans atteindre une température qui pourrait modifier les caractéristiques du matériau de base 31, et donc de l’ensemble de la pièce I (i.e. la température de fusion du matériau de base). Ensuite, l’étape de traitement thermique, réalisée pour toute la pièce I permet d’homogénéiser la couche de brasure 5 avec le reste de la pièce I, tout en permettant de réaliser un traitement thermique pour l’ensemble de la pièce I. Ainsi, tel que cela sera détaillé ci-après, l’étape (b) peut s’intégrer dans une étape de traitement thermique prévue dans une gamme de fabrication, sans générer de doublon. En d’autres termes, on peut réaliser l’étape (a), puis effectuer d’autres opérations sur la pièce I et enfin réaliser l’étape (b).
D’une manière simplifiée la température de brasage est inférieure ou égale à la température de diffusion qui est elle-même inférieure à la température de fusion du matériau de base.
D’une manière particulièrement avantageuse, le chauffage peut être réalisé par un laser 2.
D’une manière encore plus avantageuse, le laser 2 peut être focalisé sur la surface de base, où va être projetée la poudre 3 avant même le début de l’étape (a). En d’autres termes, le laser 2 peut être focalisé, avant le début de la projection de poudre 3, sur la zone où va être projetée la poudre. Cette disposition permet de préchauffer la surface de base. Le laser 2 étant maintenu allumé, dans cet état, durant la totalité de l’étape (a).
Selon une disposition particulière, le dépôt de l’étape (a) peut être réalisé par une buse 6 d’amenée de poudre projetant la poudre dans un gaz porteur 33 inerte tel que l’argon.
Selon une autre disposition particulière, l’étape (a) peut être réalisée par une buse 6 d’amenée de poudre dévidant un fil comprenant la poudre composite et un liant organique. Typiquement, le liant organique peut être un matériau plastique.
Le matériau de brasage 32 peut être un alliage comprenant au moins un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cobalt, le chrome, le molybdène, l’aluminium, le titane, le carbone, et le bore.
Selon une disposition particulière, le matériau de brasage 32 comprend au moins du nickel, du cobalt et du silicium.
Selon une disposition encore plus particulière, le matériau de brasage 32 peut comprendre, en masse, au minimum: 17% de cobalt, 15% de chrome, 5% de molybdène, 4% d’aluminium, 3,5% de titane, 0,04% de carbone, 0,025% de bore. Le reste étant du nickel. Ainsi, dans cet exemple, le matériau de brasage 32 comprend, en masse, au maximum 55,435% de nickel.
Le matériau de base 31 peut comprendre au moins un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le titane, le fer, l’aluminium et le carbone.
La poudre 3 composite peut comprendre entre 10% et 40% de matériau de brasage 32 et entre 60% et 90% de matériau de base 31. Selon une disposition particulière, la poudre 3 composite peut comprendre 75% de matériau de base et 25% de matériau de brasage 32. Typiquement, la poudre 3 composite est un mélange dit Rechargement Brasage Diffusion (RBD).
Selon une disposition particulière, la température de brasage peut être comprise entre 500°C et 1400°C. D’une manière avantageuse, la température de brasage peut être comprise entre 600°C et 1300°C. D’une manière particulièrement avantageuse, la température de brasage peut être comprise entre 1000°C et 1300°C. Typiquement, la température de brasage peut par exemple être d’environ 1200°C.
Selon d’autres dispositions, la température de brasage peut être comprise entre 400°C et 1600°C.
Selon une disposition particulière, la température de diffusion peut être comprise entre 900°C et 1300°C sur une durée comprise entre 1 heure et 16 heures. D’une manière avantageuse, la température de diffusion peut être comprise entre 1000°C et 1200°C Typiquement, l’étape (b) peut, par exemple, être un chauffage à 1160°C durant 2 heures.
Avantageusement, la température de brasage peut être supérieure d’au moins 20°C à la température de diffusion. D’une manière particulièrement avantageuse, la température de brasage peut être supérieure d’au moins 40°C à la température de diffusion.
D’une manière particulièrement avantageuse, l’étape (b) permet la diffusion de l’ensemble des éléments entre la couche de brasure 5, de la surface de base 6 et du matériau de base 31 pour obtenir une structure homogène. De plus, dans le cas par exemple d’une gamme de fabrication intégrant le procédé d’addition de matière selon l’invention, l’étape (b) peut très avantageusement être une étape de traitement thermique pour l’ensemble de la pièce.
En d’autres termes, l’étape (b) n’ajoute pas nécessairement une étape dans la gamme de fabrication de la pièce I, si un traitement thermique est de toute façon nécessaire dans la gamme.
Ainsi, le procédé selon l’invention permet, dans un premier temps, de solidifier la poudre 3 projetée en faisant fondre le matériau de brasage 32, à la température de brasage. La température de brasage étant inférieure à la température de fusion du matériau de base constituant la pièce, la pièce I n’est pas altérée par le chauffage de l’étape (a). Ensuite, l’ensemble de la pièce subie un traitement thermique (étape (b)) qui permet de réaliser une diffusion entre la couche de brasure, la surface de brasage et la pièce pour homogénéiser l’ensemble.
Dispositif d’addition de matière
Selon un autre aspect, en référence aux figures 2 et 3, l’invention propose un dispositif d’addition de matière 1 sur une pièce existante I, adapté pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. Le dispositif comprend au moins un organe de chauffage 2 et une buse 4 d’amenée de poudre.
Classiquement, le dispositif peut comporter dans une chambre de fabrication fixe :
- un plateau mobile sur lequel est déposée la pièce,
- la buse 4 adaptée pour projeter sélectivement de la poudre ou déposer du fil,
- l’organe de chauffage 2 commandé pour balayer sélectivement la pièce I et la couche de brasure 6,
- un réservoir d’alimentation de poudre ou de fil.
Pièce
Selon un autre aspect l’invention concerne une pièce I obtenue par le procédé selon l’invention.

Claims (12)

  1. Procédé d’addition de matière sur une pièce (I) existante comprenant au moins un matériau dit matériau de base (31), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes suivantes:
    (a) dépôt, sur une surface de base (6) de la pièce (I), d’une poudre composite comprenant au moins le matériau de base (31) et un deuxième matériau dit matériau de brasage (32), et chauffage de la poudre (3) à une température de fusion du matériau de brasage (32), dite température de brasage, inférieure à la température de fusion du matériau de base (32), pour obtenir une couche solide non homogène, dite couche de brasure (6);
    (b) Traitement thermique de diffusion de l’ensemble de la pièce (I) à une température de diffusion, inférieure ou égale à la température de brasage et supérieure ou égale à 400°C, pour diffuser des éléments de la couche de brasure (6), de la surface de base (6) et de la pièce (I).
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le chauffage de la poudre, de l’étape (a), est réalisé par un laser (2).
  3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le laser (2) peut-être focalisé sur la surface de base (6) avant le début de l’étape (a).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’étape (a) est réalisée par une buse (4) d’amenée de poudre projetant la poudre (3) dans un gaz porteur (33) inerte tel que l’argon.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dépôt de poudre (3) composite, de l’étape (a) est réalisé par une buse (4) d’amenée de poudre dévidant un fil comprenant la poudre (3) composite et un liant organique.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau de brasage (32) est un alliage comprenant au moins du nickel, du cobalt et du silicium.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau de base (31) comprend du nickel ou de l’aluminium.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la poudre (3) comprend entre 10% et 40% de matériau de brasage et entre 60% et 90% de matériau de base.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la température de brasage est comprise entre 500°C et 1400°C.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel à l’étape (b) la température de diffusion est comprise entre 900°C et 1300°C sur une durée comprise entre 1 heure et 16 heures.
  11. Dispositif (1) d’addition de matière sur une pièce existante adapté pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant au moins un organe de chauffage (2) et une buse (4) d’amenée de poudre.
  12. Pièce (I) obtenue par un procédé d’addition de matière selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
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