FR3123817A1 - Procédé de production de disques de turbomachines - Google Patents
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Abstract
Le présent exposé concerne un procédé de fabrication de disques pour turbomachine, le procédé comprenant : - l’obtention d’une poudre d’alliage à base nickel ; - la mise en forme de la poudre pour obtenir un disque ; caractérisé en ce que l’obtention d’une poudre comprend : - l’atomisation d’un alliage à base nickel par atomisation par gaz par fusion induite d’électrode, EIGA, à partir d’une électrode en alliage à base nickel, aboutissant à une poudre brute ; et - le tamisage sous atmosphère inerte ou sous vide de la poudre brute à une coupe granulométrique comprise entre 150 µm et 50 µm, par exemple 125 µm ou 75 µm, aboutissant à la poudre d’alliage à base nickel. Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 4]
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne le domaine technique des disques de turbomachines. La présente invention concerne plus particulièrement le domaine des procédés de production de disques de turbomachines.
Etat de la technique antérieure
Les disques de turbomachines sont des pièces circulaires axisymétriques. Ces disques sont soumis à de grandes vitesses de rotation et de fortes charges centrifuges. Pour des raisons de performance, les disques les plus contraints des turboréacteurs et qui sont soumis aux températures les plus chaudes sont faits en alliage à base nickel. Ces alliages ont d’abord été utilisés dans la fabrication de moteurs militaires, puis également de moteurs civils de dernière génération, notamment les moteurs de forte puissance.
Aujourd’hui, le procédé de production de ce type de disques de turbomachines est le suivant :
- atomisation d’un alliage suivant un procédé d’atomisation par gaz avec fusion sous vide par induction (ou encore VIGA pour l’anglaisVacuum Induction melting Gas Atomization) pour obtenir une poudre brute ;
- tamisage de la poudre brute par une coupe granulométrique, généralement < 53 µm, et sous vide ou atmosphère neutre pour obtenir une poudre calibrée ;
- densification de la poudre calibrée en un lopin de forgeage comprenant la compaction isostatique à chaud et le filage sous forme de billette dans laquelle seront découpés les lopins de forgeage ;
- forgeage isotherme du lopin de forgeage et traitement thermique du lopin forgé ; et
- usinage du lopin forgé pour obtenir un disque.
- atomisation d’un alliage suivant un procédé d’atomisation par gaz avec fusion sous vide par induction (ou encore VIGA pour l’anglaisVacuum Induction melting Gas Atomization) pour obtenir une poudre brute ;
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- forgeage isotherme du lopin de forgeage et traitement thermique du lopin forgé ; et
- usinage du lopin forgé pour obtenir un disque.
La VIGA est illustrée par les figures 1A et 1B. La montre une tour d’atomisationTAprésentant une forme générale cylindrique sur la majeure partie de sa longueur et deux extrémités tronconiques : une extrémité d’entrée en position haute et une extrémité de sortie en position basse. La tour d’atomisation TA comprend également des sorties de gaz SG en partie haute pour l’évacuation de gaz et des entrées de gaz secondaire EGs en partie basse pour l’injection de gaz secondaire. La tour d’atomisation TA est refroidie à l’eau grâce à un circuit de refroidissement disposé autour. La tour d’atomisation TA comprend en outre un creuset Cr (sur la ) au niveau de son extrémité d’entrée pour la réception de matière première donnant l’alliage. L’alliage est chauffé jusqu’à fusion pour donner un alliage en fusion AF. Le creuset Cr présente sur une face inférieure un entonnoir de coulée T (en anglais tundish) prolongé par une buse B par où l’alliage en fusion AF s’écoule par gravité. Sous le creuset Cr figure un injecteur IG de gaz inerte. L’injecteur IG comprend une couronne d’injection CI prolongée par une couronne de convergence Cv. La couronne de convergence Cv guide le gaz vers le filet d’alliage en fusion AF qui s’écoule à travers la buse B et fragmente celui-ci en particules d’alliage en fusion Pf qui en se refroidissant forment les particules solides Ps sphériques de la poudre brute obtenue. Les particules solides Ps tombent par gravité le long de la tour d’atomisation TA et sont collectées à la sortie de celle-ci.
Les disques obtenus par ce procédé présentent des inclusions céramiques. Ces inclusions céramiques sont des sites d’amorçages de rupture dans la matière. La proportion d’inclusions céramiques dans le disque final est relativement faible et pour la plupart des propriétés mécaniques, la présence d’une inclusion céramique, notamment de moins de 53 µm au milieu d’une structure métallique homogène très résistante, n’a pas d’impact conséquent. C’est le cas par exemple pour les propriétés mécaniques en traction, au fluage et en ce qui concerne la propagation de fissure.
En revanche, la présence de ces inclusions céramiques, même très rare, a un fort impact sur les propriétés en fatigue et notamment en fatigue oligocyclique (ou la LCF pour l’anglaisLow Cycle Fatigue). La représente la durée de vieDDVen LCF de disques en fonction de la charge appliquée σ lors de l’essai. La courbe en trait plein représente la moyenne et la courbe en trait pointillé correspond à la durée de vie la plus faible observée.
Il a été observé que la courbe minimale en pointillés correspond à la présence d’inclusions céramiques à la surface des disquesSet que la courbe moyenne en trait plein correspond à la présence d’inclusions céramiques en sous-surfaceSS. Enfin, il a été également observé que la présence d’inclusions céramiques au cœur de la matière du disqueCcorrespond à une courbe LCF proche de la courbe moyenne.
Les inclusions céramiques proviennent de l’étape de la fabrication de la poudre brute et notamment de la VIGA. En effet, dans la VIGA, le creusetCr, l’entonnoir de couléeTet la buseBsont en céramique. L’alliage en fusionAFest en contact plus ou moins prolongé avec le matériau du creusetCr, celui de l’entonnoir de couléeTet celui de la buseB, interagit avec ceux-ci et en arrache par érosion des particules céramiques. Ces particules céramiques se retrouvent dans la poudre brute. La composition des particules céramiques comprend par exemple majoritairement de l’aluminium, du magnésium, du calcium, du phosphore, du silicium et de l’oxygène, notamment sous forme de céramiques types Al2O3-CaO ou Al2O3-MgO.
En fonction de leur taille et de leur forme, les particules de céramiques peuvent passer au travers du tamis et se retrouver dans la pièce finale. Lorsque ces particules céramiques se retrouvent dans la poudre finale mise en forme, étant en un matériau réfractaire, elles sont peu impactées par les opérations à chaud de compaction, filage, forgeage et traitement thermique lors de la fabrication de disques. Elles se retrouvent donc dans la pièce finie et impactent les propriétés mécaniques de celles-ci. Ainsi, il est important de s’assurer qu’il n’y a pas de telles particules dans les disques mis en opération.
Des contrôles ultrasons permettent d’identifier dans les billettes, les inclusions les plus grosses, notamment celles dont la plus grande dimension dépasse 200µm et dont le rapport longueur / largeur est important, de l’ordre de 4 à 5, qui leur permet de traverser le tamis utilisé. Si une telle particule est identifiée, le tronçon de la billette concerné est éliminé.
Un contrôle ultrason est également réalisé sur la pièce après forgeage et traitement thermique pour détecter la présence des inclusions qui ont conduit à des amorçages de criques (c’est-à-dire fissures) lors du forgeage. La présence de ces inclusions entraine le rebut de la pièce.
Par ailleurs, pour ce type de matériau présentant des inclusions céramiques, les courbes de dimensionnement minimales utilisées pour le dimensionnement des pièces doivent prendre en compte ce point.
En outre, la présence d’inclusions céramiques peu nombreuses mais aléatoirement réparties dans la pièce finie, nécessite une approche de dimensionnement différente de l’approche utilisée pour une pièce métallique classique, c’est-à-dire avec une structure homogène : il faut utiliser une approche probabiliste.
En effet, pour un matériau métallique classique, le dimensionnement est réalisé à l’aide de courbes de dimensionnement établies à partir d’essais sur éprouvettes prélevées sur des pièces finies. La microstructure, qui est homogène, est globalement équivalente d’une éprouvette à l’autre. Ainsi, l’éprouvette prélevée est représentative de la structure de toute la pièce.
Pour les alliages élaborés par VIGA, les résultats sur éprouvettes (donc les courbes de dimensionnement) ne sont représentatifs que des zones de la pièce ayant un volume test équivalent à celui des éprouvettes à cause de la présence d’inclusions céramiques aléatoirement réparties dans la pièce finie. C’est pour cette raison, que pour ces alliages, les essais de fatigue sont réalisés sur des éprouvettes de plus grande dimension, par exemple des éprouvettes ayant un volume utile de l’ordre de 5 à 10 fois supérieure à celui des éprouvettes de fatigue classiquement utilisées.
Cependant, dans les pièces réelles, certaines zones sont relativement massives et concernent donc des volumes significativement plus importants que celui des éprouvettes, même les plus grosses utilisées. Ces zones de pièce ne sont donc pas couvertes par ce réseau de dimensionnement sur grosses éprouvettes, il est nécessaire de requérir à une technique de dimensionnement probabiliste complexe.
Cette technique prend en compte la massivité de la zone considérée, la courbe de propreté de l’alliage (c’est-à-dire dans le cas des alliages élaborés par VIGA, le nombre de particules céramiques par kilogramme), la taille du défaut critique représenté par une inclusion céramique et la probabilité de présence du défaut critique. Plus concrètement, à partir de la durée de vie souhaitée, des informations relatives à la présence de fissures dans les pièces finies et des mesures réalisées sur éprouvettes de fatigue, la taille du défaut critique est déterminée pour chaque zone caractéristique du disque. La taille du défaut critique et la courbe de propreté du matériau permettent de calculer la probabilité de présence du défaut critique pourin finedéterminer les dimensionnements minimaux de la pièce.
Suivant cette méthode de fabrication, le seul paramètre sur lequel le fabricant peut jouer pour optimiser la durée de vie en fatigue de tels alliages est la taille des inclusions céramiques. Ainsi dans les années 2000, le tamisage avec une coupe granulométrique < 53µm a remplacé le tamisage classique de l’époque qui utilisait une coupe granulométrique < 75µm. La durée de vie des pièces a été allongée avec un gain d’un facteur 3 comme le montre la qui est un graphe montrant la durée de vie (DDV) en fonction de la contrainte appliquée (σ) pour deux coupes granulométriques : < 53 µm et < 75 µm. La courbe moyenne et la courbe minimale sont données pour les deux coupes granulométriques.
Ainsi, dans le procédé actuellement utilisé pour la fabrication de disques, l’étape de tamisage est importante car elle permet de réduire la quantité et la taille de particules céramiques dans la poudre qui sera mise en forme et au final, cela permet d’augmenter la durée de vie.
Par ailleurs, une coupe granulométrique < 53 µm conduit à une occurrence de particules de céramique comprise entre 5 et 40 particules par kilogramme de poudre.
Cependant, l’utilisation d’une coupe granulométrique si basse conduit également au rebut d’une quantité substantielle de la poudre produite par VIGA (entre 30 et 50 % en poids).
Présentation de l’invention
Un objectif de la présente invention est de pallier au moins un désavantage de la technique antérieure décrite ci-dessus. Notamment, un objectif de la présente invention est d’améliorer la durée de vie des disques de turbomachine exposés aux plus hautes températures.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de fabrication de disques pour turbomachine. Le procédé comprend :
- l’obtention d’une poudre d’alliage à base nickel ;
- la mise en forme de la poudre pour obtenir un disque ;
caractérisé en ce que l’obtention d’une poudre comprend :
- l’atomisation d’un alliage à base nickel par atomisation par gaz par fusion induite d’électrode, EIGA, à partir d’une électrode en alliage à base nickel, aboutissant à une poudre brute ; et
- le tamisage sous atmosphère neutre ou sous vide de la poudre brute à une coupe granulométrique comprise entre 150 µm et 50 µm, par exemple 125 µm ou 75 µm, aboutissant à la poudre d’alliage à base nickel.
- l’obtention d’une poudre d’alliage à base nickel ;
- la mise en forme de la poudre pour obtenir un disque ;
caractérisé en ce que l’obtention d’une poudre comprend :
- l’atomisation d’un alliage à base nickel par atomisation par gaz par fusion induite d’électrode, EIGA, à partir d’une électrode en alliage à base nickel, aboutissant à une poudre brute ; et
- le tamisage sous atmosphère neutre ou sous vide de la poudre brute à une coupe granulométrique comprise entre 150 µm et 50 µm, par exemple 125 µm ou 75 µm, aboutissant à la poudre d’alliage à base nickel.
D’autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont les suivantes.
Le procédé peut comprendre en outre la fabrication de l’électrode par la fusion par induction sous vide, VIM, ou le raffinage à creuset froid par refusion par arc plasma, PAM-CHR.
La VIM peut comprendre en outre une filtration par filtre en céramiques poreux.
La fabrication de l’électrode peut comprendre en outre un traitement de l’électrode obtenue par VIM par refusion sous laitier électroconducteur, ESR, et/ou par refusion à l’arc sous vide, VAR.
L’EIGA peut comprendre :
- la disposition de l’électrode présentant un axe longitudinal, de sorte que l’axe longitudinal de l’électrode soit vertical ;
- le chauffage sans contact de l’extrémité la plus basse de l’électrode aboutissant à un filet d’alliage en fusion s’écoulant par gravitation à travers une buse ; et
- l’injection, à la sortie de la buse, d’un gaz inerte dirigé vers le filet d’alliage en fusion et autour de celui-ci aboutissant à la pulvérisation du filet d’alliage.
- la disposition de l’électrode présentant un axe longitudinal, de sorte que l’axe longitudinal de l’électrode soit vertical ;
- le chauffage sans contact de l’extrémité la plus basse de l’électrode aboutissant à un filet d’alliage en fusion s’écoulant par gravitation à travers une buse ; et
- l’injection, à la sortie de la buse, d’un gaz inerte dirigé vers le filet d’alliage en fusion et autour de celui-ci aboutissant à la pulvérisation du filet d’alliage.
Le gaz inerte peut être de l’argon.
Le tamisage peut être réalisé avec une coupe granulométrique comprise entre 140 µm et 60 µm ou entre 130 µm et 70 µm.
La mise en forme peut comprendre :
- la densification à chaud de la poudre en un lopin de forgeage ;
- la fabrication du disque par forgeage isotherme, traitement thermique et usinage du lopin.
- la densification à chaud de la poudre en un lopin de forgeage ;
- la fabrication du disque par forgeage isotherme, traitement thermique et usinage du lopin.
La densification peut comprendre :
- la mise en conteneur sous vide de la poudre dans un conteneur hermétiquement fermé ;
- la compaction à chaud du conteneur ;
- le filage du conteneur compacté aboutissant à une barre cylindrique présentant une couche extérieure dans le matériau du conteneur et un cœur cylindrique en alliage à base nickel ; et
- l’élimination de la couche extérieure ;
- découpage du cœur cylindrique en lopin de forgeage.
- la mise en conteneur sous vide de la poudre dans un conteneur hermétiquement fermé ;
- la compaction à chaud du conteneur ;
- le filage du conteneur compacté aboutissant à une barre cylindrique présentant une couche extérieure dans le matériau du conteneur et un cœur cylindrique en alliage à base nickel ; et
- l’élimination de la couche extérieure ;
- découpage du cœur cylindrique en lopin de forgeage.
Brève description des figures
Claims (10)
- Procédé de fabrication de disques pour turbomachine, le procédé comprenant :
- l’obtention d’une poudre d’alliage à base nickel ;
- la mise en forme de la poudre pour obtenir un disque ;
caractérisé en ce que l’obtention d’une poudre comprend :
- l’atomisation d’un alliage à base nickel par atomisation par gaz par fusion induite d’électrode, EIGA, à partir d’une électrode en alliage à base nickel, aboutissant à une poudre brute ; et
- le tamisage sous atmosphère inerte ou sous vide de la poudre brute à une coupe granulométrique comprise entre 150 µm et 50 µm, par exemple 125 µm ou 75 µm, aboutissant à la poudre d’alliage à base nickel. - Procédé selon la revendication 1, comprenant la fabrication de l’électrode par le raffinage à creuset froid par refusion par arc plasma, PAM-CHR.
- Procédé selon la revendication 1, comprenant la fabrication de l’électrode par la fusion par induction sous vide, VIM.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel la VIM comprend en outre une filtration par filtre en céramiques poreux.
- Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel la fabrication de l’électrode comprenant en outre un traitement de l’électrode obtenue par VIM par refusion sous laitier électroconducteur, ESR, et/ou par refusion à l’arc sous vide, VAR.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’EIGA comprend :
- la disposition de l’électrode présentant un axe longitudinal, de sorte que l’axe longitudinal de l’électrode soit vertical ;
- le chauffage sans contact de l’extrémité la plus basse de l’électrode aboutissant à un filet d’alliage en fusion s’écoulant par gravitation à travers une buse ; et
- l’injection, à la sortie de la buse, d’un gaz inerte dirigé vers le filet d’alliage en fusion et autour de celui-ci aboutissant à la pulvérisation du filet d’alliage. - Procédé selon la revendication 6, dans lequel le gaz inerte est l’argon.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le tamisage est réalisé avec une coupe granulométrique comprise entre 140 µm et 60 µm ou entre 130 µm et 70 µm.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la mise en forme comprend :
- la densification à chaud de la poudre en un lopin de forgeage ;
- la fabrication du disque par forgeage isotherme, traitement thermique et usinage du lopin. - Procédé selon la revendication 9, dans lequel la densification comprend :
- la mise en conteneur sous vide de la poudre dans un conteneur hermétiquement fermé ;
- la compaction à chaud du conteneur ;
- le filage du conteneur compacté aboutissant à une barre cylindrique présentant une couche extérieure dans le matériau du conteneur et un cœur cylindrique en alliage à base nickel ; et
- l’élimination de la couche extérieure ;
- découpage du cœur cylindrique en lopin de forgeage.
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