WO2016071619A1

WO2016071619A1 - Procédé pour fabriquer une pale de turbine en céramique.

Info

Publication number: WO2016071619A1
Application number: PCT/FR2015/052953
Authority: WO
Inventors: Emilie HERNY; Jean-François RIDEAU; Moataz ATTALLAH; Gang Liu; Tim BUTTON; Yun Jiang
Original assignee: Microturbo
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-05-12
Also published as: BR112017009311A2; CN107000246A; FR3027840B1; RU2017119200A; RU2017119200A3; FR3027840A1; US20170361490A1; EP3215328A1

Abstract

Selon le procédé, on met en œuvre une technique de fusion sélective sur lit de poudre pour obtenir une empreinte de pale (12) dans un moule (10), on fournit une suspension à base céramique, on introduit cette suspension dans l'empreinte de pale (12), on réalise une étape de gelification de la suspension dans l'empreinte pour obtenir une pale apte à être extraite de l'empreinte et on extrait ladite pale de l'empreinte.

Description

Procédé pour fabriquer une pale de turbine en céramique

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer une pale de turbine en céramique.

Les pales de turbines, en particulier celles des turbines de turbomoteurs d'aéronefs, doivent répondre à de multiples exigences. En particulier, elles doivent être capables de supporter des températures très élevées, pouvant dépasser 1600K, et ont des formes complexes alliées à une grande précision qui nécessite donc de faibles tolérances de fabrication.

Il est connu de fabriquer des pales de turbines de turbomoteurs d'aéronefs en métal, ce qui permet de réaliser les formes souhaitées.

Cependant, les métaux ne pouvant pas supporter des gradients de températures de l'ordre précité sans se déformer, il est nécessaire de doter les pales métalliques de systèmes de refroidissement interne, qui sont complexes et onéreux.

Les céramiques étant des matériaux qui résistent à de très forts gradients de température, on a tenté de réaliser des pales de turbines dans de tels matériaux. En effet, avec des pales en matériau céramique, il n'est pas nécessaire de prévoir des systèmes de refroidissement des pales, même lorsque les températures auxquelles elles sont soumises atteignent

1600K ou davantage.

Cependant, la céramique n'étant pas aisément usinable, il est difficile, avec un matériau à base de céramique, d'obtenir les formes complexes souhaitées, avec la précision nécessaire, selon un procédé industrialisable.

Le brevet US 5,028,362 s'intéresse à la fabrication de pièces en céramique selon un procédé de coulage de gel ou « gel casting ». Selon ce procédé, une suspension à base céramique est coulée dans un moule, puis polymérisée. Ce brevet évoque la possibilité d'obtenir des pièces de formes complexes avec cette technique. Cependant, la géométrie des pièces qui sont ainsi fabriquées est dictée par la géométrie du moule. Ainsi, si la fabrication du moule n'obéit pas à des contraintes extrêmement strictes en termes de tolérances de fabrication nécessitant un usinage précis et coûteux, la forme des pièces obtenues à partir de ce moule risque de ne pas être suffisamment précise pour des applications particulièrement exigeantes, telles que les turbines de turbomoteurs d'aéronefs.

L'invention vise à proposer un procédé pour fabriquer une pale de turbine en céramique qui soit sensiblement exempt des inconvénients précités et qui, en particulier, permette la fabrication, au plan industriel, d'une pale en céramique avec une géométrie complexe et très précise.

Ce but est atteint par le fait que, pour fabriquer une pale de turbine en céramique, on met en oeuvre une technique de fusion sélective sur lit de poudre pour obtenir une empreinte de pale dans un moule, on fournit une suspension à base céramique, on introduit cette suspension dans l'empreinte de pale, on réalise une étape de gélification de la suspension dans l'empreinte pour obtenir une pale apte à être extraite de l'empreinte et on extrait ladite pale de l'empreinte.

Avec le procédé de l'invention, l'empreinte de pale peut être obtenue avec une géométrie complexe et très précise. Le moule présentant cette empreinte peut ensuite être utilisé au plan industriel pour fabriquer des pales de turbine par coulage d'une suspension à base de céramique. Les pales ainsi obtenues présentent rigoureusement la même géométrie que l'empreinte de pale laquelle, comme on l'a vu, est très précise. On peut ainsi fabriquer des pales de turbines résistant à de très forts gradients de température, selon des géométries complexes et très précises, sans qu'il ne soit nécessaire de mettre en œuvre des technologies coûteuses de refroidissement ou de rectification de formes.

Selon un premier mode de réalisation, pour obtenir l'empreinte de pale, on réalise directement le moule par fusion sélective sur lit de poudre.

Ainsi, le moule peut être directement fabriqué en une seule pièce à l'intérieur de laquelle l'empreinte de pale est définie en creux. Pour son utilisation en tant que moule, cette pièce peut être coupée en au moins deux parties de moule, par exemple par une technique de découpe fil (utilisant un fil dans lequel on fait passer un courant) ou une technique de découpe au laser de grande précision (utilisant un faisceau laser). Ces parties de moule peuvent être réunies pour former l'empreinte entre elles, ou séparées pour le démoulage de la pale formée dans cette empreinte.

On peut également, dès l'origine, former par fusion sélective sur lit de poudre au moins deux parties de moule pouvant être réunies pour former l'empreinte entre elles, ou séparées pour le démoulage de la pale formée dans cette empreinte.

Dans les deux cas, l'empreinte est formée avec une très grande précision et peut avoir des formes complexes requises pour une pale de turbine.

Selon un deuxième mode de réalisation, pour obtenir l'empreinte de pale, on réalise un modèle de pale par fusion sélective sur lit de poudre, on coule une pâte à base de polymère autour de ce modèle de pale, on fait durcir ladite pâte dé manière à former un bloc de moule, on coupe le bloc de moule pour obtenir aux moins deux parties de moule enserrant le modèle de pale, et on sépare lesdites parties pour extraire le modèle de pale du bloc de moule, de telle sorte que lesdites parties puissent être à nouveau réunies pour former l'empreinte de pale entre elles.

Selon ce deuxième mode de réalisation, c'est le modèle de pale qui est réalisé par fusion sélective sur lit de poudre et ce modèle sert à la fabrication du moule en formant l'empreinte de pale dans le moule, et la pale en céramique peut ensuite être fabriquée dans ce moule. Le moule étant fabriqué dans une pâte à base de polymère que l'on fait durcir sur le modèle de pale, il épouse très exactement la forme de ce modèle, de sorte que la géométrie de l'empreinte de pale ainsi obtenue dans le moule est très précise. De plus, le moule étant en matériau à base de polymère, il peut être découpé pour former les parties de moule, en mettant en œuvre une technique de découpe au laser ou une technique de découpe fil, comme évoqué plus haut.

Avantageusement, après avoir extrait la pale de l'empreinte, on réalise un séchage de ladite pale.

Avantageusement, après le séchage, on réalise un frittage de la pale.

Avantageusement, la base céramique de la suspension est du nitrure de silicium.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre la fabrication d'un moule par fusion sélective sur lite de poudre ; - la figure 2 montre un moule fabriqué par fusion sélective sur lit de poudre, avec une empreinte de pale ;

- la figure 3 montre le moule de la figure 2, coupé en deux parties, les deux parties étant ouvertes ;

- la figure 4 montre une pale fabriquée dans ce moule ;

- la figure 5 illustre la fabrication d'un bloc de moule à partir d'un modèle de pale fabriqué par fusion sélective sur lit de poudre ; et

- la figure 6 montre ce bloc de moule coupé en deux parties, le modèle de pale étant resté solidaire de l'une de ces parties.

En référence aux figures 1 à 4, on décrit d'abord le premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 montre un moule 10 sous la forme d'un bloc parallélépipédique, avec une empreinte de pale 12 à l'intérieur de ce bloc.

Ce moule a été fabriqué par fusion sélective sur lit de poudre. Selon cette technique, on opère une fusion sélective ou un frittage sélectif de lits de poudre par un faisceau de haute énergie, en particulier un faisceau laser ou un faisceau d'électrons. Plus précisément, comme le montre la figure 1, on fournit un matériau 1 sous forme de particules de poudre, dont on dépose une première couche Cl sur un support 2 et on balaie sélectivement cette première couche par le faisceau 3 de haute énergie, de manière à faire fondre la poudre précisément selon le parcours du faisceau sur la première couche, de sorte que la poudre fondue forme, par sa solidification pratiquement instantanée, une première strate solide de moule 10A. A l'aide d'une racle 4 ou analogue, on dépose successivement une multiplicité de couches de matériau 1 sur la première et on soumet chaque couche à un nouveau balayage du faisceau, de manière à former des strates successives et on élimine la poudre non fondue, jusqu'à obtenir le bloc représenté sur la figure 1. Par exemple, le matériau est initialement contenu dans une chambre 5 dont le fond 5A monte au fur et à mesure du dépôt des couches successives, pour que la racle 4 puisse racler progressivement le matériau en poudre pour l'amener dans la chambre adjacente 6, au-dessus du support 2 qui baisse au fur et à mesure de la construction des strates successives.

Cette technique permet d'opérer en trois dimensions avec une grande précision, et permet de former le moule 10 avec l'empreinte 12 en creux dans ce moule. La poudre utilisée est par exemple une poudre à base de Nylon®, de cire ou de métal, en particulier un alliage à base nickel. Le type de faisceau et sa puissance sont choisis en fonction de la poudre retenue.

Dans l'exemple de la figure 2, le moule est fabriqué en une seule pièce, avec l'empreinte de pale en négatif dans sa partie centrale. Dans ce cas, pour pouvoir servir en tant que moule réutilisable, il est ensuite découpé selon la ligne de découpe 14 pour former deux parties de moules, 11A et 11B, visibles sur la figure 3, ayant chacune une demi- empreinte de pale, 13A et 13B. On comprend que ces deux parties pourront être réunies pour former l'empreinte entre elles, ou séparées pour permettre le démoulage de la pale formée dans cette empreinte. Sur les figures 2 et 3, on voit que le moule présente un canal de coulée 15, formé par exemple en deux parties respectives 15A et 15B sur chacune des parties de moule, pour permettre l'introduction de la matière de moulage de la pale dans le moule, lorsque ses deux parties sont réunies.

Alternativement, on peut choisir de réaliser d'emblée le moule sous la forme de deux parties de moule (ou davantage) pouvant être réunies pour former l'empreinte de pale 12 entre elles.

Pour obtenir un moule réutilisable, on favorisera, pour le matériau de la poudre soumise au processus de fusion sélective, du Nylon® ou une poudre métallique, par exemple un superalliage à base nickel.

Les matériaux de type cire seront favorisés pour fabriquer un moule perdu, qui est cassé pour démouler la pale formée dans l'empreinte.

Disposant du moule, on peut fabriquer la pale de turbine 16 représentée sur la figure 4. Si, comme c'est avantageusement le cas, le moule est réutilisable, plusieurs pales peuvent être successivement réalisées dans le même moule.

Pour fabriquer la pale, on réalise d'abord une suspension à base céramique, en particulier du nitrure de silicium. Pour cela, des particules de céramique sont mélangées avec un liant, un dispersant et de l'eau. Le liant est une résine durcissable, de préférence un monomère ou un glycol. Il a pour fonction, lors de la gélification puis du séchage de la suspension, après son injection ou son coulage dans le moule, d'agglomérer les particules de céramique en masse solide. Le dispersant est par exemple un polyacrylate d'ammonium. Il a pour fonction de maintenir les particules de céramique en suspension dans l'eau, avant le séchage. Avant l'injection ou le coulage dans le moule, un précurseur de durcissement est ajouté à la suspension, pour assurer la réticulation du liant.

La suspension, à l'état de suspension pâteuse, est introduite dans l'empreinte de pale à l'intérieur du moule. Sous l'effet du précurseur de durcissement, la suspension pâteuse se gélifie, jusqu'à former une pale suffisamment solide (corps cru) pour pouvoir être extraite du moule. Juste après l'injection ou la coulée de la suspension dans le moule, on réalise un dégazage du moule pour éliminer les éventuelles bulles d'air dans la suspension, avant sa gélification substantielle.

Après cette extraction, la pale semi-solide est séchée, puis frittée. En référence aux figures 5 et 6, on décrit maintenant le deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, c'est un modèle de pale 20 qui est fabriqué par fusion sélective sur lit de poudre, selon la technique décrite précédemment. Comme dans le cas précédent, le matériau utilisé pour la poudre soumise à la fusion sélective peut être une poudre à base de Nylon®, de cire ou de métal, et le type de faisceau et sa puissance sont choisis en fonction de la poudre retenue.

Disposant de ce modèle de pale, on peut ensuite fabriquer le moule. Pour cela, comme représenté sur la figure 5, on place le modèle de pale 20 dans une enceinte 22 et on coule une pâte 24 à base de polymère autour de ce modèle de pale. Cette pâte est en particulier un polymère à base de silicone tel que du Polydimethylsiloxane (PDMS). Elle contient également un précurseur de réticulation qui provoque un durcissement du moule autour du modèle de pale.

Une fois que le moule a atteint la consistance solide souhaitée, on le coupe pour obtenir deux parties de moule (ou davantage) 21A et 21B. Ces deux parties peuvent être séparées comme on le voit sur la figure 6 pour permettre l'extraction du modèle de pale 20. Ainsi, une fois le modèle de pale extrait, on obtient deux parties de moule (ou davantage) qui peuvent être réunies pour former l'empreinte de pale 12 entre elles, comme les deux parties de moule de la figure 3 forment entre elles l'empreinte de pale lorsqu'elles sont réunies. Parallèlement à la découpe du bloc de moule, on réalise un canal de coulée ou d'injection, par exemple en deux parties 25A et 25B, réalisées respectivement sur chacune des deux parties de moule 21A et 21B. Dans le moule ainsi obtenu, la pale peut être moulée à partir d'une suspension à base céramique, comme décrit en référence au premier mode de réalisation. La pale semi-solide (corps cru) peut ensuite être extraite du moule, puis séchée et frittée comme dans le premier mode de réalisation.

Par exemple, la suspension utilisée dans les deux modes de réalisation pour former la pale peut être obtenue comme suit (les valeurs données servent à déterminer les proportions).

On utilise une poudre de céramique à base de nitrure de silicium, par exemple du type commercialisé sous la référence Syalon® 050. Pour réaliser une suspension de 125 ml, on mélange d'abord 0.5086g de dispersant Dispex® A-40, dispersant à base de polyacrylate d'ammonium. On ajoute à ce mélange 3.75g de résine Nagase ChemteX EX-810®, un éther éthylène glycol de diglycidyle, jouant le rôle de liant, puis 23g de billes de broyage en alumine (par exemple des billes sphériques de 5.2mm de diamètre), et on agite l'ensemble pendant 30mn. On ajoute successivement de petites quantités de poudre Syalon® 050 et on active le broyage entre chaque ajout. Par exemple, on ajoute 23g de poudre Syalon® 050 et on active le broyage pendant 4h, puis on ajoute à nouveau 23g de poudre Syalon® 050 et on active le broyage pendant lOh, puis on ajoute 4.83g de poudre Syalon® 050 et on active le broyage pendant 2h. A l'issue de ce processus, on tamise la suspension afin d'enlever les billes de broyage et on ajoute le précurseur de durcissement. Par exemple, ce précurseur est du Bis(3-aminopropyl)amine. La quantité de précurseur de durcissement est telle que le ratio résine/précurseur de durcissement, exprimé en masse, est de 1/0,23. On obtient alors une suspension prête à être coulée dans le moule dans lequel est formée l'empreinte de pale.

Pour fabriquer la pale, on injecte la suspension dans le moule, par exemple un moule en PDMS obtenu selon le premier ou le deuxième mode de réalisation de l'invention, puis on réalise un dégazage du moule pour éliminer les bulles d'air. Le processus de gélification commence alors à température ambiante, de l'ordre de 18°C à 22°C. Au bout de 24h, la pale s'est suffisamment solidifiée pour former une pale semi-solide ou corps cru, pouvant être démoulée. On procède alors au démoulage soit en cassant le moule soit, s'agissant d'un moule réutilisable, en écartant ses différentes parties de moule. Après élimination de la carotte d'injection, la pale semi-solide est transférée dans un four, où elle est soumise à une température de l'ordre de 40°C pendant une durée suffisante (par exemple de l'ordre de 24h) pour réaliser un séchage complet de la pale. Une fois séchée, la pale est frittée.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour fabriquer une pale de turbine (16) en céramique, caractérisé en ce qu'on met en œuvre une technique de fusion sélective sur lit de poudre pour obtenir une empreinte de pale (12) dans un moule (10, 11A, 11B ; 21A, 21B), on fournit une suspension à base céramique, on introduit cette suspension dans l'empreinte de pale (12), on réalise une étape de gélification de la suspension dans l'empreinte pour obtenir une pale apte à être extraite de l'empreinte et on extrait ladite pale de l'empreinte.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fabrication du moule (10, 11A, 11B) par fusion sélective sur lit de poudre, pour obtenir l'empreinte de pale (12).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise le moule (10) en une seule pièce et on découpe ladite pièce en au moins deux parties de moules (11A, 11B) pouvant être réunies pour former l'empreinte (12) entre elles, ou séparées pour permettre le démoulage de la pale (16) formée dans cette empreinte.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise, par fusion sélective sur lit de poudre, aux moins deux parties de moule

(11A, 11B) pouvant être réunies pour former l'empreinte (12) entre elles, ou séparées pour le démoulage de la pale (16) formée dans cette empreinte.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour obtenir l'empreinte de pale (12), on réalise un modèle de pale (20) par fusion sélective sur lit de poudre, on coule une pâte (24) à base de polymère autour de ce modèle de pale (20), on fait durcir ladite pâte de manière à former un bloc de moule, on coupe le bloc de moule pour obtenir aux moins deux parties de moule (21A, 21B) enserrant le modèle de pale (20), et on sépare lesdites parties pour extraire le modèle de pale du bloc de moule, de telle sorte que lesdites parties puissent être à nouveau réunies pour former l'empreinte de pale entre elles.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on coupe le bloc de moule au laser.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, après avoir extrait la pale (16) de l'empreinte (20), on réalise un séchage de ladite pale.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, après le séchage, on réalise un frittage de la pale (16).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la base céramique de la suspension est du nitrure de silicium.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la poudre à laquelle la fusion sélective sur lit de poudre est appliquée contient du nylon, du métal ou de la cire.