FR3125239A1 - Contre-forme améliorée pour la fabrication de pièce aéronautique métallique - Google Patents
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Abstract
Contre-forme améliorée pour la fabrication de pièce aéronautique métallique Contre-forme (1) pour la fabrication de pièce aéronautique métallique, notamment de pièce de turbine par densification en phase solide, comprenant un matériau composite comprenant d’une part une première phase de formule Mn+1AlCn, où n = 1 à 3 et M étant un métal de transition choisi dans le groupe constitué du titane, et/ou du molybdène, et/ou du niobium, et/ou du chrome, le matériau composite comprenant d’autre part une deuxième phase de formule Al4C3. Figure pour l’abrégé : Fig. 3.
Description
L'invention concerne la fabrication de pièces aéronautiques, notamment d’aubes ou de redresseurs de turbomachine aéronautique, par des méthodes de densification en phase solide. Plus précisément, l’invention se rapporte aux contre-formes utilisées dans la fabrication de ces pièces aéronautiques, à un procédé de fabrication d’une telle contre-forme, et à un procédé de fabrication d’une telle pièce aéronautique.
Les pièces aéronautiques métalliques, notamment les aubes ou les redresseurs de turbines, sont généralement fabriquées avec des alliages à base de nickel, de titane, ou d’aluminure de titane. Afin de limiter le risque de contamination des matériaux constituant les pièces liées à l’utilisation de phases liquides lors des procédés de fabrication par fonderie, des procédés de fabrication par densification en phase solide peuvent être utilisés.
De tels procédés de fabrication par densification en phase solide comprennent par exemple le frittage sous charge, tels que le frittage flash ou SPS (pour « Spark Plasma Sintering » en anglais) ou le pressage isostatique à chaud (dit HIP pour « Hot Isostatic Pressing » en anglais), ou l’injection d’un mélange de poudre métallique et d’un polymère thermoplastique (dit procédé MIM pour « Metal Injection Molding » en anglais).
Le frittage SPS est une méthode de frittage utilisant l’effet Joule pour chauffer la poudre pré-compactée, constitutive de la pièce à fabriquer (dans la présente application, une poudre à base de nickel, de titane, ou d’aluminure de titane) dans un outillage creux en graphite entre deux électrodes, entre lesquelles un courant pulsé est appliqué, sous atmosphère inerte ou sous vide, l’outillage étant soumis à une pression uni axiale, par exemple sous l’action d’une presse hydraulique. Le chauffage par effet Joule de la poudre permet ainsi la densification de la pièce.
Dans le cas du frittage HIP, une préforme de la pièce à fabriquer est disposée dans un containeur évacué au vide avant d’être hermétiquement scellé. Une pression homogène dans toutes les directions est ainsi appliquée sur la pièce, par l’intermédiaire du containeur, en injectant dans l’enceinte du containeur un gaz neutre sous pression (par exemple de l’argon ou de l’azote).
Par ailleurs, lors du mélange par injection de poudre, dit procédé MIM, une poudre constitutive du matériau à fabriquer est mélangée avec un liant polymère. Le mélange obtenu, dit « feedstock », est alors injecté dans un outillage pour former la pièce à fabriquer. Le liant est ensuite éliminé au cours d’un processus de déliantage. Une opération de frittage sur la pièce obtenue peut ensuite être effectuée.
Ces types de procédés permettent de fabriquer des pièces démoulables, telles que certaines aubes de turbines. Néanmoins, ces procédés présentent certains inconvénients. En effet, pour le frittage SPS par exemple, après densification à haute température, le courant est coupé et la pièce refroidit. Durant cette phase de refroidissement, la pièce densifiée est toujours contenue par le moule en graphite lui ayant conféré sa forme, et subit une contraction liée à son coefficient de dilatation thermique (environ 10-12x10-6/°C pour les pièces métalliques). Or, compte tenu de son coefficient de dilatation thermique (environ 2-3x10-6/°C), l’outillage en graphite ne se déforme que très peu lors du refroidissement, ce qui engendre des dilatations différentielles et des contraintes qui peuvent mener soit à la casse des outillages ou à leur usure prématurée, soit à la casse de la pièce densifiée. C’est notamment le cas pour les géométries des aubes avec léchettes et pieds, ou encore des redresseurs.
Pour remédier à cette limitation, il est connu d’utiliser des moules dits « à tiroirs », ayant différentes pièces agencées les unes avec les autres de manière à permettre la densification de la pièce suivant une forme prédéfinie, mais tout en permettant au moule de se rétracter lors du refroidissement de cette dernière. Les contraintes mécaniques appliquées par la pièce lors de son refroidissement engendrent notamment un mouvement des différentes parties du moule. Bien que cette technique présente des avantages, elle peut entraîner des bavures locales, et nécessite un ajustement très strict des pièces du moule qu’il est difficile de tenir du fait de son utilisation répétée en température et sous charge.
Pour pallier ces inconvénients, il est également connu d’utiliser des contre-formes correspondant au négatif de la pièce à fabriquer, permettant de produire des pièces complexes, ces contre-formes étant elles-mêmes disposées dans l’outillage graphite précité. Un procédé utilisant de telles contre-formes comprend classiquement la fabrication d’une contre-forme par fabrication additive, le frittage partiel de la contre-forme pour lui donner de la rigidité, le remplissage de la contre-forme par une poudre à densifier, le frittage SPS conjoint de la matière constitutive de la contre-forme et de la poudre présente à l’intérieur de celle-ci, et enfin le décochage de la contre-forme pour libérer la pièce frittée.
Ce procédé implique néanmoins différents inconvénients. D’une part, les matériaux utilisés pour les contre-formes sont des céramiques, ou un composite de celles-ci, telles que la zircone stabilisée par de l’oxyde d’yttrium (YSZ), la zircone renforcée par de l’alumine (ATZ), ou l’alumine renforcée par de la zircone (ZTA). Ces matériaux présentent l’inconvénient de na pas être conducteurs électriques, ce qui, notamment dans le contexte du frittage SPS, limite la génération de l’effet Joule dans la poudre à fritter, et peut entraîner des défauts de densification locaux dus à une inhomogénéité du champ thermique induit.
D’autre part, les alliages de titane ou d’aluminure de titane utilisés pour fabriquer les aubes ou les redresseurs sont classiquement frittés par SPS à des températures supérieures à 1350°C. Or, à ces températures, les matériaux céramiques ci-dessus utilisés pour les contre-formes, présentent une densité supérieure à 80%, ce qui rend leur décochage difficile et nécessite une étape spécifique impliquant un décochage chimique ou mécanique, potentiellement néfaste pour la pièce fabriquée ultérieurement et pour l’environnement, la contre-forme ne pouvant être recyclée.
En outre, les matériaux utilisés pour la pièce à fabriquer et la contre-forme présentent des coefficients de dilatation thermique différents, ce qui peut engendrer la déformation de la pièce dans les zones les plus fines telles que les bords de fuite, la rupture des pièces, ou entraîner la recristallisation de certaines zones sous contraintes, induisant des abattements mécaniques.
Il existe donc un besoin pour une solution permettant de pallier au moins en partie aux inconvénients précités.
Le présent exposé concerne une contre-forme pour la fabrication de pièce aéronautique métallique, notamment de pièce de turbine par densification en phase solide, comprenant un matériau composite comprenant d’une part une première phase de formule Mn+1AlCn, où n = 1 à 3 et M étant un métal de transition choisi dans le groupe constitué du titane, et/ou du molybdène, et/ou du niobium et/ou du chrome, le matériau composite comprenant d’autre part une deuxième phase de formule Al4C3.
On comprend que la première phase est de type « phase MAX », structure cristalline de formule générique Mn+1AXn, associant des caractéristiques à la fois de métaux et de céramiques, et présentant notamment une bonne conductivité thermique et électrique, une bonne usinabilité, ainsi qu’une tolérance à l’endommagement et une résistance à l’oxydation à haute température.
Dans le présent exposé, l’utilisation de l’aluminium sur le site A et du carbone sur le site X permet d’assurer une bonne compatibilité chimique avec la phase Al4C3. Par ailleurs, l’utilisation de l’aluminium sur le site A permet d’assurer la formation d’une couche d’alumine protectrice par oxydation de la contre-forme. En outre, l’utilisation du carbone sur le site X est avantageuse en ce qu’elle ne présente pas le risque de contaminer les matériaux en présence, ni de réagir négativement avec la phase Al4C3, contrairement à l’azote.
Par ailleurs, le titane ou le chrome, utilisés sur le site M, présentent des températures de fusion supérieures aux températures utilisées lors du frittage de la pièce à fabriquer, permettant de conserver leur structure et leur stabilité au cours du frittage. Par ailleurs, ils présentent des coefficients de dilatation thermique compatibles avec ceux des matériaux à densifier, notamment les alliages à base de nickel, de titane, ou l’aluminure de titane, et une bonne conductivité thermique.
En outre, l’association de cette première phase, avec une deuxième phase de formule Al4C3, est particulièrement avantageuse. En effet, le carbure d’aluminium (Al4C3) est un composé inorganique, dont la température de fusion est très élevée (2200°C), et qui peut aisément s’hydrolyser à température ambiante, en présence d’une atmosphère riche en eau. Ainsi, le matériau composite utilisé pour la contre-forme du présent exposé intègre cette deuxième phase de carbure d’aluminium aux joints de grains de la première phase. Cela permet de rendre le matériau composite particulièrement réactif aux atmosphères contenant de l’eau. La dégradation du carbure d’aluminium s’accompagne d’une variation de volume et d’un dégagement de gaz, à même de fragmenter le joint de grain et de propager des fissures dans la première phase initiale. Il est ainsi possible de propager le phénomène d’hydrolyse sur des distances relativement grandes, et ainsi de faciliter la fragmentation et le décochage de la contre-forme. En d’autres termes, le matériau composite formant la contre-forme peut être dense et massif initialement, et être réduit en poudre par hydrolyse.
D’autre part, le gradient chimique entre le carbure d’aluminium et la première phase contenant de l’aluminium et du carbone est très limité, ce qui permet de limiter l’interdiffusion entre les différents éléments chimiques lors des étapes de mise en forme de la contre-forme et de coulée. En outre, une fois le décochage de la contre-forme réalisé, un matériau fragmenté, composé de grains de la première phase et d’aluminium hydraté peut être récupéré. Après séchage, cette matière peut être « rechargée » en Al4C3et réutilisée afin de fabriquer de nouvelles contre-formes.
Le matériau composite de la contre-forme selon le présent exposé allie ainsi les avantages précités liés à la première phase, à l’utilisation d’une deuxième phase de formule Al4C3, permettant la réalisation de pièces de formes complexes sans avoir recours à des outillages graphites complexes, tout en autorisant un décochage aisé et rapide de le contre-forme ne nécessitant pas de solutions chimiques potentiellement néfastes pour la pièce fabriquée ultérieurement et pour l’environnement, et pouvant être recyclées.
Dans certains modes de réalisation, la première phase est de l’une des formules parmi Cr2AlC, Ti3AlC2, Ti2AlC, Nb4AlC3, Nb2AlC ou Mo2TiAlC2.
Ces phases présentent une bonne compatibilité chimique avec la deuxième phase Al4C3et permettent d’obtenir un composite stable thermodynamiquement à haute température, pendant la phase de frittage. Les phases Cr2AlC, Ti3AlC2, Ti2AlC présentent en outre l’avantage de couvrir les plages de températures de densification et de coefficients de dilatation thermique des matériaux considérés et utilisés pour fabriquer la pièce. En outre, les phases Cr2AlC, Ti3AlC2, Ti2AlC sont aluminoformeuses et ne nécessitent donc pas l’ajout d’un revêtement permettant la formation d’une couche protectrice.
Dans certains modes de réalisation, le matériau composite comprend entre 1 et 50% de deuxième phase en volume du matériau composite, de préférence entre 1 et 20%. Ces valeurs permettent d’assurer la fragmentation du matériau composite par hydrolyse, tout en laissant un volume suffisant de première phase dans le matériau composite, permettant de conserver les avantages techniques liés à cette première phase. En outre, cette fraction de phase Al4C3permet d’assurer la stabilité chimique du matériau à haute température, tout en permettant d’induire un phénomène d’hydrolyse facilitant le décochage.
Dans certains modes de réalisation, une surface interne de la contre-forme est recouverte par une couche d’alumine.
La dégradation de la contre-forme, par hydrolyse du carbure d’aluminium dans une atmosphère contenant de l’eau, ne doit avoir lieu que lors du décochage de la contre-forme. Ainsi, la présence d’une couche d’alumine adhérente et dense en surface interne de la contre-forme permet de protéger le matériau composite de la dégradation pendant les autres étapes de fabrication d’une pièce précédant le décochage de la contre-forme.
Dans certains modes de réalisation, la couche d’alumine présente une épaisseur comprise entre 1 et 50 µm. Cette épaisseur permet d’assurer la protection de la contre-forme au cours de la fabrication d’une pièce. Plus précisément, la couche d’alumine ainsi formée est suffisamment fine pour ne pas avoir d’impact sur le retrait mécanique de la pièce lors du refroidissement, mais isole chimiquement la poudre et la contre-forme.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’une contre-forme pour la fabrication de pièce aéronautique métallique creuse, notamment de pièce de turbine par densification en phase solide, la contre-forme comprenant un matériau composite comprenant d’une part une première phase de formule Mn+1AlCn, où n = 1 à 3 et M étant un métal de transition choisi dans le groupe constitué du titane et/ou du niobium et/ou du molybdène et/ou du chrome, le matériau composite comprenant d’autre part une deuxième phase de formule Al4C3, la contre-forme étant obtenue par un procédé de métallurgie des poudres comprenant une étape de mélange dans laquelle des poudres permettant d’obtenir le matériau composite sont mélangées, et une étape de mise en forme.
Le mélange des poudres permettant d’obtenir la première phase peut notamment comprendre le mélange de poudres pures de carbone, d’aluminium, de titane et/ou de chrome, et/ou carbure de chrome, et/ou chromium carbide, et/ou de carbure de titane, et/ou de carbure d’aluminium. En d’autres termes, le matériau composite constitutif de la contre-forme est obtenu en faisant réagir les différentes poudres des éléments constitutifs de ce matériau à haute température. Ce procédé présente l’avantage de faire intervenir, dans l’élaboration du matériau composite, la phase Al4C3, permettant d’apporter les éléments Al et C nécessaires, apportant ainsi les avantages précités.
Par ailleurs, l’étape de mise en forme peut comprendre l’injection d’un liant sur une poudre (nommée « binder jetting » en anglais), l’injection d’un mélange de poudre métallique et d’un polymère thermoplastique (ou procédé MIM pour « Metal Injection Molding » en anglais) ou tout autre procédé d’impression 3D connu adapté, de préférence suivi d’un frittage, ou d’un frittage sous charge dit « frittage flash » (ou frittage SPS pour « Spark Plasma Sintering » en anglais), par exemple.
Dans certains modes de réalisation, l’étape de mélange comprend le mélange des poudres pures constitutives de la première phase de manière à obtenir la première phase sous forme de poudre, puis le mélange de ladite première phase sous forme de poudre avec une poudre d’Al4C3de manière à obtenir la deuxième phase.
En d’autres termes, les poudres pures de carbone, d’aluminium, de titane et/ou de chrome et/ou carbure de chrome, et/ou chromium carbide, et/ou de carbure de titane, et/ou de carbure d’aluminium par exemple sont mélangées en premier lieu, de manière à obtenir la première phase dans un premier temps, puis la première phase obtenue est mélangée à une poudre de carbure d’aluminium dans un deuxième temps, de manière à obtenir la deuxième phase. Cela permet d’améliorer la maîtrise des proportions de chaque phase.
Dans certains modes de réalisation, l’étape de mélange comprend le mélange de poudres pures constitutives de la première phase avec une poudre d’Al4C3en excès de manière à former le matériau composite en une opération.
En d’autres termes, selon cette configuration, le mélange des poudres n’est pas réalisé en deux temps (fabrication de la première phase dans un premier temps, puis mélange avec une poudre de carbure d’aluminium), mais les poudres pures précitées sont mélangées dans une même opération avec une poudre d’Al4C3en excès, c’est-à-dire en sur-stœchiométrie, permettant ainsi la formation du matériau composite « in situ ». Le fait de faire réagir la poudre d’Al4C3en sur-stœchiométrie par rapport à la première phase recherchée permet de maintenir une fraction volumique contrôlée de cette phase dans le matériau final.
Dans certains modes de réalisation, lors de l’étape de mise en forme de la contre-forme, un canal d’approvisionnement configuré pour permettre l’approvisionnement en poudre constitutive de la pièce à fabriquer, est prévu dans la contre-forme.
En d’autres, lors de mise en forme de la contre-forme par l’une des techniques d’impression 3D mentionnées ci-dessus, un canal d’approvisionnement est prévu dans la structure de la contre-forme, de manière à mettre la cavité interne de la contre-forme formant le négatif de la pièce à fabriquer, en communication fluidique avec l’extérieur de la contre-forme. Ce canal permet de faciliter l’approvisionnement en poudre du matériau constitutif de la pièce à fabriquer et à densifier.
Dans certains modes de réalisation, la première phase est de formule Cr2AlC, Ti3AlC2ou Ti2AlC, le procédé comprenant, après l’étape de mise en forme de la contre-forme, une étape d’oxydation permettant la formation d’une couche d’alumine sur une surface interne de la contre-forme.
Ainsi que mentionné précédemment, les phases de formule Cr2AlC, Ti3AlC2ou Ti2AlC sont aluminoformeuses, et permettent ainsi la formation d’une couche d’alumine par simple oxydation de la contre-forme, sans nécessiter l’ajout d’un revêtement multi couches complexe permettant la formation de cette couche protectrice. Cette étape d’oxydation permet de produire une couche d’alumine adhérente et dense sur une paroi de la cavité interne de la contre-forme formant le négatif de la pièce à fabriquer, à même de protéger le matériau composite, d’améliorer encore le décochage de la pièce densifiée et de limiter les risques d’interdiffusion entre la poudre densifiée et le matériau composite constitutif de la contre-forme. On notera en outre que l’étape ultérieure de densification étant réalisée sous vide, cette dernière ne pose pas de problème particulier vis-à-vis du matériau composite.
Dans certains modes de réalisation, l’étape d’oxydation est réalisée en disposant la contre-forme dans une enceinte sous air compris entre 1000°C et 1400°C.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication de pièce aéronautique métallique, notamment d’une pièce de turbine par densification en phase solide, utilisant une contre-forme obtenue par un procédé selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le procédé comprenant, après des étapes de remplissage de la contre-forme par une poudre constitutive de la pièce à fabriquer et de densification de ladite poudre dans la contre-forme, une étape de décochage de la contre-forme par étuvage.
En d’autres termes, après densification de la poudre par frittage SPS, par exemple, dans la contre-forme, l’ensemble est disposé dans un dispositif, par exemple une étuve, de préférence à hygrométrie contrôlée. Comme évoqué précédemment, la présence de la phase Al4C3entre les joints de grain permet, dans un air chargé en eau, la désagrégation du noyau de la contre-forme. Cela permet ainsi de faciliter le décochage et donc le démoulage de la pièce, tout en s’affranchissant de l’utilisation de solutions chimiques, telles que des acides, potentiellement néfastes pour la pièce fabriquée.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend, après l’étape de décochage, une étape de récupération, dans laquelle le matériau décoché par étuvage est récupéré de manière à être réutilisé pour la fabrication d’une autre contre-forme en repartant de l’étape de mélange.
En d’autres termes, une fois la dégradation de la contre-forme réalisée, un matériau fragmenté composé de grains de la première phase et d’aluminium hydraté peut être récupéré. Après séchage, cette matière peut être « rechargée » en Al4C3lors de l’étape de mélange et être ainsi réutilisée afin de fabriquer de nouvelles contre-formes. Il est ainsi possible de recycler la contre-forme décochée, permettant ainsi de répondre au moins en partie aux problématiques environnementales précitées.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
Claims (12)
- Contre-forme (1) pour la fabrication de pièce aéronautique métallique, notamment de pièce de turbine par densification en phase solide, comprenant un matériau composite comprenant d’une part une première phase de formule Mn+1AlCn, où n = 1 à 3 et M étant un métal de transition choisi dans le groupe constitué du titane, et/ou du molybdène, et/ou du niobium, et/ou du chrome, le matériau composite comprenant d’autre part une deuxième phase de formule Al4C3.
- Contre-forme (1) selon la revendication 1, dans lequel la première phase est de l’une des formules parmi Cr2AlC, Ti3AlC2, Ti2AlC, Nb4AlC3, Nb2AlC ou Mo2TiAlC2.
- Contre-forme (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau composite comprend entre 1 et 50% de deuxième phase en volume du matériau composite, de préférence entre 1 et 20%.
- Contre-forme (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une surface interne de la contre-forme (1) est recouverte par une couche d’alumine.
- Contre-forme (1) selon la revendication 4, dans lequel la couche d’alumine présente une épaisseur comprise entre 1 et 50 µm.
- Procédé de fabrication d’une contre-forme (1) pour la fabrication de pièce aéronautique métallique creuse, notamment de pièce de turbine par densification en phase solide, la contre-forme (1) comprenant un matériau composite comprenant d’une part une première phase de formule Mn+1AlCn, où n = 1 à 3 et M étant un métal de transition choisi dans le groupe constitué du titane, et/ou du molybdène, et/ou du niobium, et/ou du chrome, le matériau composite comprenant d’autre part une deuxième phase de formule Al4C3, la contre-forme (1) étant obtenue par un procédé de métallurgie des poudres comprenant une étape de mélange dans laquelle des poudres permettant d’obtenir le matériau composite sont mélangées, et une étape de mise en forme.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape de mélange comprend le mélange des poudres pures constitutives de la première phase de manière à obtenir la première phase sous forme de poudre, puis le mélange de ladite première phase sous forme de poudre avec une poudre d’Al4C3de manière à obtenir la deuxième phase.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape de mélange comprend le mélange des poudres pures constitutives de la première phase avec une poudre d’Al4C3en excès de manière à former le matériau composite en une opération.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel, lors de l’étape de mise en forme de la contre-forme, un canal d’approvisionnement configuré pour permettre l’approvisionnement en poudre constitutive de la pièce à fabriquer, est prévu dans la contre-forme.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel la première phase est de formule Cr2AlC, Ti3AlC2ou Ti2AlC, le procédé comprenant, après l’étape de mise en forme de la contre-forme, une étape d’oxydation permettant la formation d’une couche d’alumine sur une surface interne de la contre-forme.
- Procédé de fabrication d’une pièce aéronautique métallique, notamment d’une pièce de turbine par densification en phase solide, utilisant une contre-forme (1) obtenue par un procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, le procédé comprenant, après des étapes de remplissage de la contre-forme par une poudre constitutive de la pièce à fabriquer et de densification de ladite poudre dans la contre-forme, une étape de décochage de la contre-forme par étuvage.
- Procédé selon la revendication 11, comprenant, après l’étape de décochage, une étape de récupération, dans laquelle le matériau décoché par étuvage est récupéré de manière à être réutilisé pour la fabrication d’une autre contre-forme en repartant de l’étape de mélange.
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