FR3104042A1

FR3104042A1 - Procédé de fabrication d’une pièce creuse à l’aide d’un noyau

Info

Publication number: FR3104042A1
Application number: FR1913893A
Authority: FR
Inventors: Denis Joubert Hugues; Alice Marie Lydie AGIER; Amandine Lorriaux; Edmond Camille Molliex Ludovic; Mirna BECHELANY
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: FR3104042B1

Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce creuse à l’aide d’un noyau L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce, comprenant au moins les étapes suivantes : l’obtention (110), par fabrication additive, d’un noyau présentant une structure interne poreuse ayant une porosité débouchante, la formation (120) d’un ensemble comprenant un élément ayant la forme de la pièce à fabriquer dans lequel est présent le noyau, la formation (130) de la pièce par introduction d’un matériau dans l’élément autour du noyau, et l’élimination sélective du noyau (140) par introduction dans la structure poreuse du noyau d’un milieu liquide apte à dissoudre le matériau du noyau. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé de fabrication d’une pièce creuse à l’aide d’un noyau

L’invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces, par exemple métalliques ou en matériau composite, qui comprennent une partie creuse. Elle concerne plus particulièrement un procédé dans lequel on fabrique une pièce autour d’un noyau destiné à être éliminé.

Pour fabriquer une pièce qui comporte une partie creuse, il est connu d’employer un noyau en céramique pour former la partie creuse, puis d’éliminer ce noyau de façon mécanique en le brisant ou par dissolution. En particulier, on utilise ce genre de noyaux dans les procédés du type fonderie à la cire perdue pour obtenir des pièces métalliques, ou encore lors de la fabrication de pièces en matériau composite, par exemple composite à matrice céramique (CMC). Dans l’un ou l’autre de ces procédés, le noyau peut être éliminé par immersion de la pièce comprenant le noyau dans un bain, par exemple basique, pour dissoudre le noyau.

Cette étape d’élimination du noyau (aussi appelée décochage) peut s’avérer longue lorsque les noyaux présentent une taille importante et une géométrie complexe. En outre, cette étape peut endommager des parties de la pièce pouvant aussi réagir au bout d’un certain temps avec le bain de décochage. Ce problème s’observe notamment pour les pièces en matériau CMC comprenant un renfort fibreux dont le revêtement d’interphase présent entre les fibres et la matrice peut réagir avec le bain.

Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication qui ne présente pas les inconvénients précités.

A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une pièce, comprenant au moins les étapes suivantes :
- l’obtention, par fabrication additive, d’un noyau présentant une structure interne poreuse ayant une porosité débouchante,
- la formation d’un ensemble comprenant un élément ayant la forme de la pièce à fabriquer dans lequel est présent le noyau,
- la formation de la pièce par introduction d’un matériau dans l’élément autour du noyau, et
- l’élimination sélective du noyau par introduction dans la structure poreuse du noyau d’un milieu liquide apte à dissoudre le matériau du noyau.

Lors de la formation de la pièce, le noyau permet de former une cavité ou partie creuse à l’intérieur de la pièce. L’élément ayant la forme de la pièce peut par exemple être une préforme fibreuse de la pièce ou un moule.

Par «débouchante»,on entend que la porosité peut communiquer avec l’extérieur du noyau, c’est-à-dire que la porosité peut être accessible depuis l’extérieur du noyau.

Le procédé selon l’invention est remarquable par l’utilisation d’un noyau qui présente une structure interne poreuse à porosité débouchante, réalisé par fabrication additive. La fabrication additive permet d’obtenir le noyau avec une structure interne poreuse contrôlée. En utilisant un tel noyau, on peut introduire le milieu liquide qui permet le décochage directement dans la structure interne poreuse et sa porosité débouchante permet une pénétration rapide dans le noyau tout en assurant une surface de contact entre le milieu liquide et le noyau plus importante que lorsque le noyau est plein. Ainsi, le noyau est éliminé plus rapidement, ce qui réduit la durée du procédé et les risques que le milieu liquide n’attaque aussi la pièce.

Dans un exemple de réalisation, la structure poreuse peut être une structure en treillis ou en nids d’abeilles. Ces structures permettent de conférer au noyau de bonnes propriétés mécaniques tout en conservant une surface de contact importante pour réduire la durée de l’étape d’élimination du noyau.

Dans un exemple de réalisation, un taux de porosité de la structure poreuse peut être supérieur ou égal à 40%, par exemple supérieur ou égal à 50%. Une porosité supérieure à ces valeurs permet d’assurer une élimination rapide et efficace du noyau en assurant une surface de contact plus importante entre le milieu liquide et le matériau du noyau.

Dans un exemple de réalisation, le noyau présente une paroi dont l’épaisseur peut être comprise entre 0,5 mm mm et 2 mm. La structure interne poreuse peut s’étendre à l’intérieur du volume interne formé par la paroi.

Dans un exemple de réalisation, un volume interne du noyau peut être fermé lors de la formation de la pièce, puis une ouverture peut être formée dans une paroi du noyau afin d’y introduire le milieu liquide. En d’autres termes, la porosité de la structure interne poreuse peut être bouchée lors de la formation de la pièce puis rouverte ou débouchée au moment de l’élimination du noyau. Cette caractéristique évite que du matériau ne s’introduise dans le noyau lors de la fabrication de la pièce.

Dans un exemple de réalisation, le noyau peut être en céramique. Par exemple, le noyau peut comprendre de la silice SiO₂, de l’alumine Al₂O₃et/ou de la zircone ZrO₂.

Dans un exemple de réalisation, le noyau peut être obtenu par stéréolithographie, fusion sélective sur lit de poudre, frittage sélectif sur lit de poudre, ou par projection de liant («binder jetting»).

Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer une pièce en matériau composite à matrice céramique comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’élément ayant la forme de la pièce étant une préforme fibreuse de la pièce, et la formation de la pièce étant réalisée par formation d’une matrice céramique dans la porosité de la préforme fibreuse. La préforme fibreuse peut comprendre des fibres de carbure de silicium SiC. Les fibres de la préforme peuvent être revêtues d’un revêtement d’interphase, par exemple d’un revêtement de nitrure de bore BN. La matrice peut comprendre du carbure de silicium SiC. Un tel procédé peut comprendre l’infiltration de la préforme fibreuse comprenant l’interphase et une première couche de matrice en carbure de silicium par du silicium ou un composé de silicium fondu.

Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer une pièce en métal par fonderie, l’élément ayant la forme de la pièce étant un moule, et la formation de la pièce étant réalisée par introduction d’un métal en fusion dans le moule et la solidification dirigée du métal présent dans le moule. Un tel procédé peut être du type fonderie à la cire perdue, dans lequel on forme un modèle en cire de la pièce autour du noyau, on forme une carapace en céramique autour du modèle en cire pour obtenir le moule et on élimine la cire avant d’introduire le métal en fusion dans le moule.

Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer une pièce de turbomachine.

Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer une aube de turbine de turbomachine aéronautique.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures:

La figure 1 est un ordinogramme montrant les étapes principales d’un procédé selon l’invention.

La figure 2 est un ordinogramme montrant les étapes d’un procédé selon un premier mode de réalisation dans lequel on fabrique une pièce en matériau CMC.

La figure 3 montre une aube de turbine de turbomachine aéronautique pouvant être obtenue par un tel procédé.

La figure 4 illustre schématiquement l’obtention d’un noyau par fabrication additive.

La figure 5 montre une vue du dessus du noyau de la figure 4 où l’on voit la porosité débouchante de la structure interne poreuse.

La figure 6 illustre schématiquement le placement du noyau dans une préforme fibreuse de la pièce.

La figure 7 illustre schématiquement l’introduction d’un milieu liquide dans le noyau pour l’éliminer.

La figure 8 est un ordinogramme montrant schématiquement les étapes d’un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention dans lequel on fabrique une pièce métallique par fonderie.

La figure 9 illustre les premières étapes d’un tel procédé.

La figure 10 illustre les dernières étapes d’un tel procédé.

L’ordinogramme de la figure 1 montre les étapes générales d’un procédé conforme à l’invention. Deux exemples de réalisation détaillés seront ensuite décrits.

Lors d’une première étape 110, on obtient un noyau par fabrication additive. Ce noyau va permettre de former une cavité dans la pièce à fabriquer. Il doit pouvoir ensuite être éliminé en utilisant un milieu liquide qui pourra dissoudre sélectivement le matériau du noyau.

Ce noyau présente une structure interne poreuse ayant une porosité débouchante. La porosité de la structure poreuse est supérieure à 30%, c’est-à-dire supérieure à la porosité intrinsèque du matériau du noyau en particulier lorsque celui-ci est réalisé en céramique. Dans l’invention, le noyau présente une structure interne permettant de conférer à celui-ci une porosité supérieure à 30%, par exemple 40%, voire 50%. Le pourcentage indiqué ici correspondant au pourcentage de vide ou creux par rapport au volume total du noyau. La structure interne peut être par exemple en treillis ou encore en nids d’abeille. Une structure en treillis peut comprendre un ensemble de poutres enchevêtrées reliées entre elles. Une structure en nids d’abeille peut comprendre un ensemble de canaux adjacents s’étendant selon une même direction ayant chacun une section hexagonale.

Le noyau peut être en céramique, et par exemple comprendre de la silice SiO₂, de l’alumine Al₂O₃et/ou de la zircone ZrO₂. Le matériau du noyau peut être notamment adapté au type de pièce à fabriquer et au procédé de fabrication de la pièce.

Le noyau peut être obtenu par un procédé de fabrication additive sur lit de poudre, par exemple par fusion sélective sur lit de poudre ou frittage sélectif sur lit de poudre, par stéréolithographie ou encore par projection de liant («binder jetting»).

Dans un procédé de fusion sélective sur lit de poudre, on fait fondre sélectivement le liant d’un mélange d’une poudre céramique et d’un liant sur plusieurs couches successives pour obtenir une ébauche de noyau à l’état plastique, puis on élimine le liant de l’ébauche et on fritte l’ébauche déliantée pour obtenir le noyau.

Dans un procédé de frittage sélectif sur lit de poudre, on fritte sélectivement une poudre céramique sur plusieurs couches successives pour obtenir le noyau.

Dans un procédé de stéréolithographie, on polymérise sélectivement un liant photopolymérisable mélangé à une poudre céramique sur plusieurs couches successives pour obtenir une ébauche de noyau à l’état plastique, puis on élimine le liant de l’ébauche et on fritte l’ébauche déliantée pour obtenir le noyau.

Dans un procédé de projection de liant, on projette du liant sur une couche de poudre pour lier sélectivement des grains de poudre d’une couche de poudre, sur plusieurs couches successives, pour obtenir une ébauche de noyau à l’état plastique, puis on élimine le liant de l’ébauche et on fritte l’ébauche déliantée pour obtenir le noyau.

Puis, lors d’une deuxième étape 120, on forme un ensemble comprenant un élément ayant la forme de la pièce à fabriquer dans lequel le noyau est présent. L’élément ayant la forme de la pièce peut être par exemple une préforme fibreuse de la pièce ou encore un moule ayant la forme de la pièce, comme il sera décrit dans les exemples suivants.

Ensuite, lors d’une troisième étape 130, on forme la pièce par introduction d’un matériau dans l’élément autour du noyau. Lorsque l’élément est une préforme fibreuse de la pièce on peut introduire un matériau de matrice dans la porosité de la préforme. Lorsque l’élément est un moule on peut introduire le matériau dans le moule pour former la pièce. Lors de cette étape le noyau peut être préalablement fermé (c’est-à-dire que la porosité de la structure interne poreuse n’est plus débouchante) pour éviter que le matériau de la pièce ne s’introduise dans le noyau.

Enfin, durant une dernière étape 140, on élimine sélectivement le noyau en introduisant dans la porosité de la structure poreuse du noyau un milieu liquide apte à dissoudre le matériau du noyau. Pour réaliser cette étape, si le noyau a été fermé lors de l’étape précédente, une ouverture peut être pratiquée dans sa paroi pour faire déboucher la porosité et on introduit le milieu liquide dans le noyau par l’ouverture. Ce milieu liquide peut être une solution basique lorsque le noyau est en céramique, par exemple une solution de KOH ou de NaOH. De manière générale, on choisira le milieu liquide adapté pour dissoudre le matériau du noyau sans affecter le matériau de la pièce.

Un premier exemple de réalisation de l’invention va être décrit en référence aux figures 2 à 7. Dans cet exemple, on fabrique une aube de turbine 1, fixe ou mobile, de turbomachine aéronautique, en matériau composite à matrice céramique. L’aube de turbine 1 (figure 3) présente ici un pied 2, une plateforme 3 et un aubage 4 creux comprenant une cavité 5.

Durant une première étape 210 on réalise par fabrication additive un noyau 6 en céramique ayant la forme de la cavité 5 qui devra être formée dans l’aube 1. On peut par exemple utiliser une poudre en céramique 7 et un dispositif comprenant un laser 8 qui peut fritter sélectivement des couches successives de la poudre 7 pour former progressivement le noyau6.

Dans cet exemple, le noyau 6 présente une structure interne poreuse en nids d’abeilles. La porosité du noyau 6 débouche sur une extrémité 9 de celui-ci où l’on peut voir les sections hexagonales des canaux 10 formant les nids d’abeilles.

La figure 5 montre une vue de dessus de l’extrémité 9 du noyau 6 où la porosité débouche. Les canaux 10 s’étendent parallèlement à la direction longitudinale L du noyau 6. Le noyau 6 présente une paroi 11 délimitant la structure interne poreuse. La paroi peut présenter une épaisseur e0 comprise entre 0,5 mm et 2 mm, par exemple de l’ordre de 1 mm. Chaque canal 10 est séparé de son voisin par une paroi qui présente ici une épaisseur e1 comprise entre 0,2 mm et 1 mm, par exemple de l’ordre de 0,5 mm. Dans cet exemple, chaque canal 10 présente en section transversale une plus grande dimension interne e2 qui est comprise entre 1 mm et 4 mm, par exemple de l’ordre de 3mm. Dans une telle structure, la porosité de la structure poreuse du noyau 6 peut être supérieure ou égale à 40%, par exemple être de l’ordre de 45%. Le noyau 6 illustré présente en outre des points de calage 12 qui peuvent être utilisés pour aligner le noyau et le maintenir en position lors des étapes suivantes du procédé.

Puis, durant une étape 220 illustrée sur la figure 6, on insère le noyau 6 dans une préforme fibreuse 13 de l’aube 1. La préforme fibreuse 13 peut être obtenue par exemple par tissage tridimensionnel de fils ou torons en carbure de silicium et présenter un espace 14 sous la forme d’une poche dans lequel le noyau 6 est présent. Avant ou après cette étape 220, l’extrémité 9 du noyau 6 au niveau de laquelle débouchent les canaux 10 de la structure interne poreuse peut être éventuellement bouchée pour éviter que du matériau de matrice ne soit introduit dans le noyau.

Ensuite, durant une étape 230, on forme la pièce en introduisant une matrice dans la porosité de la préforme fibreuse 13. La matrice peut être en carbure de silicium SiC. Plus précisément, on peut d’abord utiliser un conformateur pour mettre en forme la préforme 13 comprenant le noyau 6, puis déposer sur les fibres de la préforme 13 un revêtement d’interphase (par exemple en nitrure de bore BN) par infiltration chimique en phase gazeuse, puis former une couche de carbure de silicium SiC par infiltration chimique en phase gazeuse, et enfin réaliser l’infiltration de la préforme 13 par du silicium ou un composé de silicium fondu (procédé MI ou «Melt Infiltration»).

Enfin, dans une étape 240, on élimine sélectivement le noyau 6 en céramique de la pièce 15 obtenue après l’étape 230 au moyen d’une solution de décochage 16 versée à l’intérieur du noyau 6 comme illustré sur la figure 7. Dans l’exemple décrit ici, le sommet de la pièce 15 est fermé par une baignoire 17 qui comprend un orifice 170 sur son fond permettant le passage de la solution 16 vers le noyau 6 à éliminer. En outre, toujours dans l’exemple décrit ici, le sommet des canaux 10 du noyau 6 est fermé par une plaque 18 réalisée par fabrication additive dans le même matériau que le noyau. L’espace 19 présent entre le fond de la baignoire 17 et la plaque 18 forme une chambre de répartition pour la solution 16 introduite par l’orifice 1. La solution de décochage 16 se répand sur la surface de la plaque 18 et attaque cette dernière, ce qui permet de distribuer la solution dans tous les canaux 10. La solution de décochage peut également être introduite dans le noyau par l’extrémité inférieure de la pièce suivant les mêmes conditions. Ici, la solution de décochage est une solution basique de KOH ou de NaOH. Une fois le noyau 6 éliminé, on obtient une aube 1 creuse en matériau CMC comprenant la cavité 5. Grâce à l’emploi du noyau, l’étape d’élimination est plus rapide car la surface de contact entre le noyau et la solution est augmentée. En outre, le contact entre la solution et la pièce est réduit, ce qui permet notamment de limiter la dégradation de l’interphase et d’obtenir de meilleures propriétés mécaniques pour la pièce.

Un deuxième exemple de réalisation de l’invention va être décrit en référence aux figures 8 à 10. Les figures 9 et 10 montrent des vues en coupe illustrant les différentes étapes du procédé. Dans ce mode de réalisation, on fabrique une aube de turbine 20 (figure 10) fixe ou mobile de turbomachine aéronautique en métal, par exemple en superalliage à base de nickel. L’aube 20 est creuse et présente dans cet exemple une cavité 21 et des canaux de refroidissement 22 débouchants. Le procédé qui sera décrit correspond à un procédé de fonderie à la cire perdue.

Comme pour le procédé décrit précédemment, dans une première étape 310, on réalise par fabrication additive un noyau 23 en céramique ayant la forme de la cavité 21 et des canaux de refroidissements 22. Le noyau 23 en céramique présente, comme le noyau 6, une structure interne poreuse ayant une porosité débouchante au niveau d’une extrémité 23a du noyau. On peut utiliser une structure interne poreuse en nids d’abeilles comme pour le noyau 6, ou d’autres formes.

Puis, durant une deuxième étape 320, on forme un moule en céramique autour du noyau 23. Pour ce faire, on forme un modèle en cire 24 de la pièce autour du noyau 23, et on recouvre le modèle en cire 24 d’une carapace en céramique 25 par trempes dans une barbotine comprenant une poudre céramique et sablages successifs. On élimine la cire et on cuit la carapace en céramique 25 pour obtenir un moule 26 (figure 10). Comme pour l’exemple précédent, on peut fermer l’extrémité 23a du noyau 23 avant l’étape suivante.

Ensuite, on positionne le moule 26 dans un four 27 configuré pour réaliser une solidification dirigée. Durant l’étape suivante 331, on introduit un métal 28 en fusion dans le moule 26 de sorte à remplir l’espace dans le moule 26 tout autour du noyau 23.

Puis, durant l’étape 332 on procède à la solidification dirigée du métal présent dans le moule. Durant cette étape, on fait varier le gradient de température dans le moule 26 pour faire croitre un cristal métallique du bas du moule, où une partie en chicanes permet de sélectionner une orientation cristallographique prédéfinie, vers le haut du moule. Une fois cette étape terminée on obtient un ensemble comprenant l’aube 20 monocristalline dans laquelle est présent le noyau 23 à l’intérieur du moule 26. On peut ensuite rouvrir l’extrémité 23a du noyau 23 si elle a été fermée préalablement.

Enfin, durant l’étape 340 on peut éliminer simultanément le noyau 23 et le moule 26 en céramique dans un bain de décochage 29 à une température et une pression adéquates. Cette étape peut être réalisée dans un autoclave de décochage. En variante, le moule peut être décoché avant l’étape 340 avec de l’eau sous pression. Toujours en variante, il est possible d’éliminer le noyau 23 et le moule 26 en plusieurs étapes distinctes, notamment si les matériaux du noyau 23 et du moule 26 sont différents et nécessitent des solutions de décochage différentes. Comme précédemment, la solution utilisée pour le bain peut être une solution de KOH ou de NaOH. La porosité débouchante du noyau 23 permet une meilleure pénétration de la solution dans le noyau, et une dissolution plus rapide du matériau du noyau que si ce dernier ne présentait pas de structure interne poreuse ayant une porosité débouchante. On peut finalement procéder à des usinages de finition pour obtenir l’aube 20.

Claims

Procédé de fabrication d’une pièce (1; 20), comprenant au moins les étapes suivantes:
- l’obtention (110; 210; 310), par fabrication additive, d’un noyau (6; 23) présentant une structure interne poreuse ayant une porosité débouchante,
- la formation (120; 220; 320) d’un ensemble comprenant un élément (13; 26) ayant la forme de la pièce à fabriquer dans lequel est présent le noyau,
- la formation (130; 230; 331, 332) de la pièce par introduction d’un matériau dans l’élément autour du noyau, et
- l’élimination sélective du noyau (140; 240; 340) par introduction dans la structure poreuse du noyau d’un milieu liquide (16; 29) apte à dissoudre le matériau du noyau.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la structure poreuse est une structure en treillis ou en nids d’abeilles.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un taux de porosité de la structure poreuse est supérieur ou égal à 40%, par exemple à 50%.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le noyau (6) présente une paroi (11) dont l’épaisseur (e0) est comprise entre 0,5mm et 2mm.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel un volume interne du noyau (6; 23) est fermé lors de la formation de la pièce, puis une ouverture est formée dans une paroi du noyau afin d’y introduire le milieu liquide.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le noyau (6; 23) est en céramique.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le noyau (6; 23) est obtenu par stéréolithographie, fusion sélective sur lit de poudre, frittage sélectif sur lit de poudre, ou par projection de liant.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on fabrique une pièce (1) en matériau composite à matrice céramique comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’élément ayant la forme de la pièce étant une préforme fibreuse (13) de la pièce, et la formation de la pièce étant réalisée par formation d’une matrice céramique dans la porosité de la préforme fibreuse.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on fabrique une pièce (20) en métal par fonderie, l’élément ayant la forme de la pièce étant un moule (26), et la formation de la pièce étant réalisée par introduction d’un métal en fusion (28) dans le moule et la solidification dirigée du métal présent dans le moule.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on fabrique une pièce de turbomachine (1; 20).
Procédé selon la revendication 10, dans lequel on fabrique une aube de turbine (1; 20) de turbomachine aéronautique.