WO2023285758A1 - Contre-forme améliorée pour la fabrication de pièce aéronautique métallique - Google Patents

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WO2023285758A1
WO2023285758A1 PCT/FR2022/051385 FR2022051385W WO2023285758A1 WO 2023285758 A1 WO2023285758 A1 WO 2023285758A1 FR 2022051385 W FR2022051385 W FR 2022051385W WO 2023285758 A1 WO2023285758 A1 WO 2023285758A1
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counter
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composite material
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Pierre Jean SALLOT
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Safran
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    • B22D29/001—Removing cores
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to the manufacture of aeronautical parts, in particular blades or rectifiers of aeronautical turbomachines, by solid-phase densification methods. More specifically, the invention relates to the counter-forms used in the manufacture of these aeronautical parts, to a method of manufacturing such a counter-form, and to a method of manufacturing such an aeronautical part.
  • Metallic aeronautical parts in particular turbine blades or rectifiers, are generally made with alloys based on nickel, titanium, or titanium aluminide.
  • manufacturing processes by solid phase densification can be used.
  • Such manufacturing processes by solid-phase densification include, for example, sintering under load, such as flash sintering or SPS (for "Spark Plasma Sintering” in English) or hot isostatic pressing (known as H IP for " Hot Isostatic Pressing” in English), or the injection of a mixture of metal powder and a thermoplastic polymer (known as the MIM process for “Metal Injection Molding” in English).
  • sintering under load such as flash sintering or SPS (for "Spark Plasma Sintering” in English) or hot isostatic pressing (known as H IP for " Hot Isostatic Pressing” in English)
  • H IP Hot Isostatic Pressing
  • MIM process Metal Injection Molding
  • SPS sintering is a sintering method using the Joule effect to heat the pre-compacted powder, constituting the part to be manufactured (in the present application, a powder based on nickel, titanium, or aluminide of titanium) in a hollow graphite tool between two electrodes, between which a pulsed current is applied, under an inert atmosphere or under vacuum, the tool being subjected to a uniaxial pressure, for example under the action of a hydraulic press .
  • the heating by Joule effect of the powder thus allows the densification of the part.
  • a preform of the part to be manufactured is placed in a container evacuated to vacuum before being hermetically sealed. Homogeneous pressure in all directions is thus applied to the part, via of the container, by injecting a neutral gas under pressure (for example argon or nitrogen) into the enclosure of the container.
  • a neutral gas under pressure for example argon or nitrogen
  • feedstock a constituent powder of the material to be manufactured is mixed with a polymer binder.
  • feedstock a constituent powder of the material to be manufactured is mixed with a polymer binder.
  • feedstock a constituent powder of the material to be manufactured is mixed with a polymer binder.
  • feedstock is then injected into a tool to form the part to be manufactured.
  • the binder is then removed in a debinding process.
  • a sintering operation on the part obtained can then be carried out.
  • the graphite tooling only deforms very little during cooling, which generates differential expansions and stresses which can lead either to the breakage of tools or their premature wear, or the breakage of the densified part. This is particularly the case for the geometries of the blades with wipers and feet, or even of the straighteners.
  • a method using such counter-forms conventionally comprises the manufacture of a counter-form by additive manufacturing, the partial sintering of the counter-form to give it rigidity, the filling of the counter-form with a powder to densifying, the joint SPS sintering of the constituent material of the counter-form and of the powder present inside the latter, and finally the shake-out of the counter-form to release the sintered part.
  • the materials used for the counterforms are ceramics, or a composite thereof, such as yttrium oxide stabilized zirconia (YSZ), alumina reinforced zirconia (ATZ), or alumina reinforced with zirconia (ZTA).
  • YSZ yttrium oxide stabilized zirconia
  • ATZ alumina reinforced zirconia
  • ZTA alumina reinforced with zirconia
  • the titanium or titanium aluminide alloys used to manufacture the blades or the straighteners are conventionally sintered by SPS at temperatures above 1350°C.
  • the above ceramic materials used for the counter-forms have a density greater than 80%, which makes their shake-out difficult and requires a specific step involving chemical or mechanical shake-out, potentially harmful for the part. subsequently manufactured and for the environment, the counter-form cannot be recycled.
  • the materials used for the part to be manufactured and the counter-form have different coefficients of thermal expansion, which can cause deformation of the part in the thinnest areas such as the trailing edges, the breakage of parts, or lead to the recrystallization of certain areas under stress, inducing mechanical reductions.
  • the first phase is of the "MAX phase” type, crystalline structure of generic formula M n+i AX n , combining characteristics of both metals and ceramics, and in particular having good thermal and electrical conductivity , good machinability, as well as damage tolerance and high temperature oxidation resistance.
  • the use of aluminum on the A site and of carbon on the X site makes it possible to ensure good chemical compatibility with the Al 4 C 3 phase. Furthermore, the use of aluminum on site A makes it possible to ensure the formation of a protective alumina layer by oxidation of the counterform. In addition, the use of carbon on the X site is advantageous in that it does not present the risk of contaminating the materials present, nor of reacting negatively with the Al 4 C 3 phase, unlike nitrogen.
  • the titanium or the chromium, used on the M site have melting temperatures higher than the temperatures used during the sintering of the part to be manufactured, making it possible to preserve their structure and their stability during the sintering.
  • they have coefficients of thermal expansion compatible with those of the materials to be densified, in particular alloys based on nickel, titanium, or titanium aluminide, and good thermal conductivity.
  • this first phase with a second phase of formula AI 4 C 3 is particularly advantageous.
  • aluminum carbide (Al 4 C 3 ) is an inorganic compound, whose melting point is very high (2200°C), and which can easily hydrolyze at room temperature, in the presence of an atmosphere. rich in water.
  • the composite material used for the counter-form of the present disclosure incorporates this second phase of aluminum carbide at the grain boundaries of the first phase. This makes it possible to make the composite material particularly reactive to atmospheres containing water.
  • the degradation of the aluminum carbide is accompanied by a variation in volume and the release of gas, capable of fragmenting the grain boundary and propagating cracks in the first initial phase.
  • the composite material forming the counter-form can be dense and massive initially, and be reduced to powder by hydrolysis.
  • the chemical gradient between the aluminum carbide and the first phase containing aluminum and carbon is very limited, which makes it possible to limit the interdiffusion between the different chemical elements during the steps of forming the counterform and casting.
  • a fragmented material composed of grains of the first phase and of hydrated aluminum can be recovered. After drying, this material can be “recharged” with AI 4 C 3 and reused to manufacture new counterforms.
  • the composite material of the counter-form according to the present presentation thus combines the aforementioned advantages linked to the first phase, to the use of a second phase of formula AI 4 C 3 , allowing the production of parts of complex shapes. without having recourse to complex graphite tools, while allowing easy and rapid shake-out of the counter-form not requiring chemical solutions that are potentially harmful for the part manufactured subsequently and for the environment, and which can be recycled.
  • the first phase is of one of the formulas among Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 , Ti 2 AIC, Nb 4 AIC 3 , Nb 2 AIC or Mo 2 TiAIC 2 .
  • the Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 , Ti 2 AIC phases also have the advantage of covering the ranges of densification temperatures and thermal expansion coefficients of the materials considered and used to manufacture the part.
  • the Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 , Ti 2 AIC phases are aluminoforming.
  • the composite material comprises between 1 and 50% of second phase by volume of the composite material, preferably between 1 and 20%. These values make it possible to ensure the fragmentation of the composite material by hydrolysis, while leaving a sufficient volume of first phase in the composite material, making it possible to retain the technical advantages associated with this first phase.
  • this Al 4 C 3 phase fraction makes it possible to ensure the chemical stability of the material at high temperature, while making it possible to induce a phenomenon of hydrolysis facilitating shake-out.
  • an internal surface of the counter-form is covered by a layer of alumina.
  • the alumina layer has a thickness of between 1 and 50 ⁇ m. This thickness ensures the protection of the counterform during the manufacture of a part. More precisely, the alumina layer thus formed is thin enough not to have any impact on the mechanical shrinkage of the part during cooling, but chemically isolates the powder and the counter-form.
  • the mixture of powders making it possible to obtain the first phase may in particular comprise the mixture of pure powders of carbon, aluminum, titanium and/or chromium, and/or chromium carbide, and/or chromium carbide, and/or titanium carbide, and/or aluminum carbide.
  • the composite material constituting the counter-form is obtained by causing the various powders of the constituent elements of this material to react at high temperature.
  • This method has the advantage of involving, in the production of the composite material, the Al 4 C 3 phase, making it possible to provide the necessary elements Al and C, thus providing the aforementioned advantages.
  • the shaping step may comprise the injection of a binder onto a powder (called “binder jetting”), the injection of a mixture of metallic powder and of a polymer thermoplastic (or MIM process for "Metal Injection Molding” in English) or any other suitable known 3D printing process, preferably followed by sintering, or sintering under load called “flash sintering” (or SPS sintering for “Spark Plasma Sintering” in English), for example.
  • the mixing step comprises mixing the pure powders constituting the first phase so as to obtain the first phase in powder form, then mixing said first phase in powder form with a Al 4 C 3 powder so as to obtain the second phase.
  • the pure powders of carbon, aluminum, titanium and/or chromium and/or chromium carbide, and/or chromium carbide, and or titanium carbide, and/or aluminum carbide, for example, are mixed first, so as to obtain the first phase first, then the first phase obtained is mixed with an aluminum carbide powder in a second step, so as to obtain the second phase. This improves control of the proportions of each phase.
  • the mixing step comprises mixing pure constituent powders of the first phase with an excess Al 4 C 3 powder so as to form the composite material in one operation.
  • the mixing of the powders is not carried out in two stages (production of the first phase initially, then mixing with an aluminum carbide powder), but the The aforementioned pure powders are mixed in the same operation with an Al 4 C 3 powder in excess, that is to say in over-stoichiometry, thus allowing the formation of the composite material “in situ”.
  • the fact of reacting the Al 4 C 3 powder in over-stoichiometry with respect to the first phase sought makes it possible to maintain a controlled volume fraction of this phase in the final material.
  • a supply channel configured to allow the supply of the constituent powder of the part to be manufactured, is provided in the counter-form. shape.
  • a supply channel is provided in the structure of the counter-form, so as to place the internal cavity of the counter-form forming the negative of the part to be manufactured, in fluid communication with the exterior of the counter-form.
  • This channel makes it possible to facilitate the supply of powder of the constituent material of the part to be manufactured and to be densified.
  • the first phase is of formula Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 or Ti 2 AIC, the method comprising, after the step of shaping the counter-shape, a step of oxidation allowing the formation of an alumina layer on an internal surface of the counterform.
  • the phases of formula Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 or Ti 2 AIC are aluminoforming, and thus allow the formation of an alumina layer by simple oxidation of the counter-form, without requiring the addition of a complex multi-layer coating allowing the formation of this protective layer.
  • This oxidation step makes it possible to produce an adherent and dense layer of alumina on a wall of the internal cavity of the counter-form forming the negative of the part to be manufactured, able to protect the composite material, to further improve the shake-out of the densified part and to limit the risks of interdiffusion between the densified powder and the composite material constituting the counterform.
  • the subsequent densification step being carried out under vacuum, the latter does not pose any particular problem with respect to the composite material.
  • the oxidation step is carried out by placing the counter-form in an enclosure under air between 1000 0 C and 1400 0 C.
  • This presentation also relates to a method for manufacturing a metal aeronautical part, in particular a turbine part by solid-phase densification, using a counter-form obtained by a method according to any one of the preceding embodiments, the method comprising, after steps of filling the counter-form with a constituent powder of the part to be manufactured and of densifying said powder in the counter-form, a step of shake-out of the counter-form by stoving.
  • the assembly is placed in a device, for example an oven, preferably with controlled humidity.
  • a device for example an oven, preferably with controlled humidity.
  • the presence of the Al 4 C 3 phase between the grain boundaries allows, in water-laden air, the disintegration of the core of the counterform. This facilitates the shake-out and therefore demolding of the part, while avoiding the use of chemical solutions, such as acids, potentially harmful for the manufactured part.
  • the method comprises, after the shake-out step, a recovery step, in which the material shake-out by stoving is recovered so as to be reused for the manufacture of another counter-form in starting from the mixing step.
  • Figure 1 shows a perspective view of a metal turbine blade comprising wipers
  • FIG. 2 Figure 2 schematically represents the blade of Figure 1, and a counter-form according to the present presentation, in two parts,
  • Figure 3 is a perspective view of a counter-form according to the present presentation, in one part,
  • FIG. 4 Figure 4 schematically represents the steps of a method of manufacturing a metal part according to a first embodiment in accordance with the description
  • Figure 5 schematically represents the steps of a method of manufacturing a metal part according to a second embodiment in accordance with the description.
  • Figure 1 shows a perspective view of a turbine blade 10 comprising an airfoil 12 having an underside 13 and an upper surface 14, a blade root 15 at its lower end, and a heel 16 at its end superior.
  • the blade 10 further comprises two sealing wipers 17 and 18 formed on the upper face of the heel 16 arranged transversely to the intrados 13 and extrados 14 sides.
  • Such a blade is obtained, according to the present description, by densification of a powder of the constituent material of the blade, in particular alloys based on nickel (Ni), titanium (Ti), or aluminide of titanium (TiAl), in a counter-form corresponding to the negative of the part to be manufactured, that is to say of the blade 10 in the present example.
  • Such a counter-form 1, in accordance with this presentation, is shown in perspective in Figure 2, with the blade 10 shown schematically in this figure.
  • the counter-form 1 comprises two parts 1a and 1b arranged on either side of the blade 10, each comprising a half-cavity, and intended to be assembled to form a counter-form 1 containing a complete cavity corresponding to the negative of blade 10.
  • Each half cavity respectively comprises a first portion 2a, 2b, a second portion 5a, 5b, a third portion 6a, 6b and slots 7a, 7b and 8a, 8b.
  • a passage 9a, 9b is also provided in each part 1a, 1b respectively of the counter-form 1 so as to form a supply channel 9 in the counter-form 1 after assembly of the two parts 1a and 1b , and to allow the supply of the aforementioned powder constituting the blade to be manufactured, when the parts 1a and 1b are assembled.
  • Figure 3 shows the against-form 1 after assembly of the two parts 1a and 1b. It will however be noted that this example is not limiting, the counter-form 1 being able to be manufactured in one piece in a single operation by a method described in more detail in the following description, so as to form a cavity comprising the different portions 2, 5, 6, 7, 8 and 9 mentioned above. [0054] Furthermore, the counter-form 1 comprises a composite material making it possible in particular to facilitate the removal of the latter, during the shake-out step described later.
  • the composite material comprises two phases: a first phase called “MAX phase”, and a second phase of formula AI 4 C 3 , in other words aluminum carbide.
  • the element used in group A is aluminum (Al) in order to ensure the formation of an alumina layer when aluminoforming phases are used.
  • the element used at the X site is carbon (C).
  • the phases containing nitrogen (N) often have lower melting temperatures than their counterparts containing carbon and the chemical compatibility with the Al 4 C 3 phase is not assured.
  • the element used on site M is determined such that the melting temperature and the coefficient of thermal expansion of the MAX phases considered are compatible with the constituent materials of the part to be sintered, in particular nickel-based alloys.
  • Ni having a thermal expansion coefficient of between 14 and 16x10 6 /°C
  • titanium (Ti) having a thermal expansion coefficient of between 10 and 13x10 6 /°C
  • titanium aluminide TiAl
  • TiAl titanium aluminide
  • the first phases retained can be of formula Cr 2 AIC, having a melting temperature greater than 1500° C. and a thermal expansion coefficient of approximately 13 ⁇ 10 6 /° C., TfeAIC 2 having a melting temperature above 1550°C and a coefficient of thermal expansion between 9 and 12X10 6 /°C, OR TjAlC having a melting temperature above 1550°C and a coefficient of thermal expansion between 7 and 10x10 6 /°C.
  • the second phase of formula AI 4 C 3 is a known carbide whose melting temperature is very high (2200° C.). It is also aluminoforming at high temperature. Nevertheless, the particularly advantageous property in the context of the invention is the ease with which this phase exhibits hydrolysis at ambient temperature in the presence of an atmosphere rich in water.
  • the decomposition of this phase follows the following reaction: AI4C3 + 1 2 H 2 0 4 AI(OH) 3 + 3 CH 4
  • This reaction can be catalyzed by optimizing the level of hygrometry but also the temperature.
  • the counterform 1 comprising this composite material can be easily eliminated by being degraded by hydrolysis, at the end of the blade or stator manufacturing process.
  • a first example of a blade manufacturing process according to the present disclosure is a process by sintering under load, called SPS sintering (for "Spark Plasma Sintering" in English) in the following description. .
  • SPS sintering for "Spark Plasma Sintering" in English
  • the first step S 100 of this method consists in manufacturing the counter-form 1 described above, in one or two parts.
  • step S100 for manufacturing counterform 1 is broken down into several steps. Initially, metal powders are mixed together, so as to obtain a composite powder comprising the first and the second phase (step S110).
  • metal powders are mixed together, so as to obtain a composite powder comprising the first and the second phase (step S110).
  • pure powders of aluminum (Al), carbon (C), chromium (Cr) and/or titanium (Ti), and/or chromium carbide (CrC), and/ or chromium carbide (Cr 7 C 3 ), and/or titanium carbide (TiC) are mixed with an excess aluminum carbide AI 4 C 3 powder, so as to form in situ a composite material comprising the first phase and the second phase, such that the second phase represents between 1 and 50%, preferably between 1 and 20% of the total volume of the composite material.
  • the counter-form 1 is shaped (step S120), so that the latter takes on the desired shape.
  • This step can be carried out by various known processes such as the injection of a binder onto a powder (called “binder jetting”), the injection of a mixture of metal powder and of a thermoplastic polymer (or MIM for "Metal Injection Molding” in English) or any other suitable known 3D printing process, preferably followed by sintering, or SPS sintering, for example, or any other suitable known process, or a combination of these different processes.
  • a supply channel 9 is provided, allowing the subsequent injection of metal powder.
  • step S130 a step of forming an alumina layer, making it possible to form a protective alumina layer with a thickness of between 1 and 50 ⁇ m can be carried out (step S130).
  • This step is carried out by oxidizing the counterform 1 by bringing the latter to a temperature of between 1000 and 1400°C.
  • This step is made possible by the fact that the phases of formula Cr 2 AIC, Ti 3 AIC 2 or Ti 2 AIC are aluminormous.
  • the counter-form 1 thus manufactured in step S100, and comprising the cavity described above corresponding to the negative of the blade, is then filled with a constituent powder of the blade to be manufactured (step S200), in particular a powder based on titanium (Ti), a nickel-based superalloy (Ni), or an intermetallic alloy such as titanium aluminide (TiAl), via the supply channel 9.
  • a constituent powder of the blade to be manufactured in particular a powder based on titanium (Ti), a nickel-based superalloy (Ni), or an intermetallic alloy such as titanium aluminide (TiAl), via the supply channel 9.
  • a ultrasound table can be used to facilitate the flow of the powder in the counter-form and its filling.
  • the counterform 1 containing the powder to be densified is then placed in a tool (not shown), preferably made of graphite, configured to perform the SPS sintering (step S300).
  • the SPS sintering is then carried out (step S400).
  • the counter-form 1 is placed in a press exerting an axial pressure on the counter-form 1.
  • a pulsed current is then applied to the counter-form 1, so as to heat the powder present in it. ci by Joule effect, allowing the densification of the powder.
  • the counter-form 1 is extracted from the graphite tooling, and eliminated by shake-out in order to obtain the final part (step S500).
  • the step S500 of releasing the counter-form 1 can be carried out by arranging the whole in an oven with controlled hygrometry (relative humidity RH >50%) or preferably in a steam autoclave, at temperatures between 100 and 180° C., and pressures between 6 and 12 bars. The application of pressure accelerates shake-out kinetics while facilitating vapor access to thin sections.
  • This step allows the disintegration of the counter-form 1, taking into account the presence of the second phase of formula AI 4 C 3 between the grain boundaries of the first phase.
  • a step of cleaning and finishing the blade obtained can also be carried out.
  • shake-out step S500 can be followed by a recovery step (step S600), or recycling, in which the composite material shake-out by stoving, then in powder form, is recovered so as to be reused for the manufacture of another counter-form 1, starting from the mixing step S110. More specifically, once the counter-form 1 has been degraded, a fragmented material composed of grains of the first phase and of hydrated aluminum is recovered. After drying, this material can be "reloaded” with AI 4 C 3 and reused to manufacture new counterforms 1.
  • step S110 of mixing the powders is broken down into two sub-steps.
  • the mixing step is carried out in a single operation, in which the composite material is formed in situ by the presence in excess of the Al 4 C 3 phase
  • the step S110 of mixing the powders within the framework of the second embodiment comprises initially the mixing of pure powders making it possible to obtain the first phase (step S111), the grinding in powder form of this first phase, then the mixing the first phase thus obtained with an Al 4 C 3 powder making it possible to obtain the composite material ex situ (step S112).
  • a first phase of formula Ti 3 AIC 2 can be obtained by mixing pure powders of titanium, aluminum and titanium carbide (Ti: Al: TiC ) according to the molar proportions 1: 1.05: 1.9 respectively.
  • the titanium grains have a diameter of less than 45 ⁇ m, a purity of 99.5%.
  • the aluminum grains have a diameter between 45 and 150 ⁇ m, a purity of 99.5% and the titanium carbide grains have a diameter of 2 ⁇ m, a purity of 99.5%, and a density of 7.82 g/cm3.
  • These different powders can be mixed in a ball mixer, then subjected to reactive sintering up to 1450°C. The poous mass thus obtained is ground to be reduced to powder.
  • step S600 in which the composite material decoked by stoving is recovered so as to be reused for the manufacture of another counter-form 1, the material can be "reloaded" by AI 4 C 3 starting again from step S112.
  • the pure powders can also be mixed with an Al 4 C 3 powder.
  • the Al 4 C 3 powder contributes to the formation of the first phase, but is not in sufficient quantity to form the composite material in situ, such that the second step S112 is necessary, and allows to add a necessary quantity of AI 4 C 3 powder, making it possible to obtain the proportions of AI 4 C 3 mentioned previously in the composite material.
  • step S200 of filling the counter-form 1 with a constituent powder of the blade to be manufactured is also carried out then, in step S300, the counter-form 1 containing said powder is placed in a deformable container.
  • HIP densification is performed in step S400, in which an inert gas (e.g. argon or nitrogen) is injected into the pressure vessel, then applying homogeneous pressure in all directions on the container containing the counter-form 1.
  • an inert gas e.g. argon or nitrogen
  • an injection of a mixture of metal powder and a thermoplastic polymer (known as the MIM process for "Metal Injection Molding" in English) can be carried out.
  • the counter-form 1 is inserted into a MIM injection press and a constituent powder of the material to be manufactured, mixed with a polymer binder, is injected into the counterform 1.
  • the polymer binder is then removed during a debinding process.
  • a natural sintering without pressure on the part obtained can then be carried out. If the latter makes it possible to densify the part sufficiently, in particular if the relative density is greater than 99%, the shake-out of the counter-form 1, in accordance with step S500, can be carried out.
  • the natural sintering can be supplemented by an SPS or HIP densification cycle under pressure, by repeating steps S300 and S400 described above.
  • the debinding mentioned above can be immediately followed by SPS or HIP densification according to steps S300 and S400, without going through natural sintering.
  • one or the other of the densification modes can be used for the manufacture of the metal part, and apply to both modes. embodiment described above and described with reference to Figures 4 and 5. It will be noted in particular that the steps S100 of manufacturing the counter-form 1, S500 of shake-out and S600 of recovery of the material, are common to all the densification modes ( SPS, HIP or MIM) used.

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Abstract

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.

Description

Description
Titre de l'invention : Contre-forme améliorée pour la fabrication de pièce aéronautique métallique
Domaine Technique
[0001 ] 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.
Technique antérieure
[0002] 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.
[0003] 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 H IP pour « Hot Isostatic Pressing » en anglais), ou l’injection d’un mélange de poudre métallique et d’un polymère thermoplastique (dit procédé MIM pour « Métal Injection Molding » en anglais).
[0004] 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.
[0005] 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).
[0006] 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.
[0007] 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 10-12x106/°C pour les pièces métalliques). Or, compte tenu cb son coefficient de dilatation thermique (environ 2-3x106/°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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] Il existe donc un besoin pour une solution permettant de pallier au moins en partie aux inconvénients précités.
Exposé de l’invention
[0014] 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+1AICn, 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 AI4C3. [0015] On comprend que la première phase est de type « phase MAX », structure cristalline de formule générique Mn+iAXn, 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.
[0016] 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 AI4C3. 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 AI4C3, contrairement à l’azote.
[0017] 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.
[0018] En outre, l’association de cette première phase, avec une deuxième phase de formule AI4C3, est particulièrement avantageuse. En effet, le carbure d’aluminium (AI4C3) 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.
[0019] 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 AI4C3 et réutilisée afin de fabriquer de nouvelles contre-formes.
[0020] 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 AI4C3, 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.
[0021 ] Dans certains modes de réalisation, la première phase est de l’une des formules parmi Cr2AIC, Ti3AIC2, Ti2AIC, Nb4AIC3, Nb2AIC ou Mo2TiAIC2.
[0022] Ces phases présentent une bonne compatibilité chimique avec la deuxième phase AI4C3 et permettent d’obtenir un composite stable thermodynamiquement à haute température, pendant la phase de frittage. Les phases Cr2AIC, Ti3AIC2, Ti2AIC 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 Cr2AIC, Ti3AIC2, Ti2AIC sont aluminoformeuses. Les autres phases n’étant pas aluminoformeuses, il est préférable d’ajouter un revêtement permettant la formation d’une couche protectrice. Cet ajout n’est toutefois pas indispensable, d’autres oxydes ayant une fonction similaire à l’alumine, bien que moins adhérents que cette dernière, pouvant se former sur la contre-forme lorsque celle-ci est soumise à une étape d’oxydation.
[0023] 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 AI4C3 permet d’assurer la stabilité chimique du matériau à haute température, tout en permettant d’induire un phénomène d’hydrolyse facilitant le décochage. [0024] Dans certains modes de réalisation, une surface interne de la contre-forme est recouverte par une couche d’alumine.
[0025] 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.
[0026] Dans certains modes de réalisation, la couche d’alumine présente une épaisseur comprise entre 1 et 50 pm. 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.
[0027] 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+iAICn, 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 AI4C3, 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.
[0028] 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 AI4C3, permettant d’apporter les éléments Al et C nécessaires, apportant ainsi les avantages précités. [0029] 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 « Métal 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.
[0030] 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’AI4C3de manière à obtenir la deuxième phase.
[0031] 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.
[0032] Dans certains modes de réalisation, l’étape de mélange comprend le mélange de poudres pures constitutives de la première phase avec une poudre d’AI4C3en excès de manière à former le matériau composite en une opération.
[0033] 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’AI4C3en 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’AI4C3 en sur-stœchiométrie par rapport à la première phase recherchée permet de maintenir une fraction volumique contrôlée de cette phase dans le matériau final.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] Dans certains modes de réalisation, la première phase est de formule Cr2AIC, Ti3AIC2 ou Ti2AIC, 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.
[0037] Ainsi que mentionné précédemment, les phases de formule Cr2AIC, Ti3AIC2 ou Ti2AIC 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.
[0038] Dans certains modes de réalisation, l’étape d’oxydation est réalisée en disposant la contre-forme dans une enceinte sous air compris entre 10000 C et 14000 C.
[0039] 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.
[0040] 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 AI4C3 entre 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.
[0041] 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.
[0042] 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 AI4C3 lors 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.
Brève description des dessins
[0043] 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 :
[0044] [Fig. 1] La figure 1 représente une vue en perspective d’une aube métallique de turbine comprenant des léchettes,
[0045] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement l’aube de la figure 1 , et une contre-forme selon le présent exposé, en deux parties,
[0046] [Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective d’une contre-forme selon le présent exposé, en une partie,
[0047] [Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement les étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce métallique selon un premier mode de réalisation conforme à l’exposé,
[0048] [Fig. 5] La figure 5 représente schématiquement les étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce métallique selon un deuxième mode de réalisation conforme à l’exposé.
Description des modes de réalisation [0049] La figure 1 représente une vue en perspective d’une aube 10 de turbine comprenant un profil aérodynamique 12 ayant un intrados 13 et un extrados 14, un pied d'aube 15 à son extrémité inférieure, et un talon 16 à son extrémité supérieure. L’aube 10 comprend en outre deux léchettes 17 et 18 d’étanchéité formées sur la face supérieure du talon 16 disposées transversalement aux côtés intrados 13 et extrados 14.
[0050] Une telle aube est obtenue, selon le présent exposé, par densification d’une poudre du matériau constitutif de l’aube, notamment des alliages à base de nickel (Ni), de titane (Ti), ou d’aluminure de titane (TiAI), dans une contre-forme correspondant au négatif de la pièce à fabriquer, c’est-à-dire de l’aube 10 dans le présent exemple.
[0051] Une telle contre-forme 1 , conforme au présent exposé, est représentée en perspective sur la figure 2, avec l’aube 10 représentée schématiquement sur cette figure. Dans cet exemple, la contre-forme 1 comprend deux parties 1a et 1b disposées de part et d’autre de l’aube 10, comprenant chacune une demi cavité, et destinées à être assemblées pour former une contre-forme 1 renfermant une cavité complète correspondant au négatif de l’aube 10. Chaque demi cavité comprend respectivement une première portion 2a, 2b, une deuxième portion 5a, 5b, une troisième portion 6a, 6b et des emplacements 7a, 7b et 8a, 8b. Ces différentes portions forment ensemble, lorsque les deux parties 1a et 1b de la contre-forme 1 sont assemblées (tel qu’illustré sur la figure 3), une première portion 2 correspondant au négatif du profil aérodynamique 12 de l’aube, une deuxième portion 5 correspondant au négatif du pied d’aube 15, et une troisième portion 6 correspondant au négatif du talon 16, et des emplacements 7 et 8 destinés à former les léchettes 17 et 18.
[0052] Un passage 9a, 9b est également prévu dans chaque partie 1 a, 1 b respectivement de la contre-forme 1 de manière à former un canal d’approvisionnent 9 dans la contre-forme 1 après assemblage des deux parties 1a et 1b, et à permettre l’approvisionnement de la poudre précitée et constitutive de l’aube à fabriquer, lorsque les parties 1 a et 1 b sont assemblées.
[0053] La figure 3 montre la contre-forme 1 après assemblage des deux parties 1a et 1b. On notera cependant que cet exemple n’est pas limitatif, la contre-forme 1 pouvant être fabriquée de manière monobloc en une seule opération par un procédé décrit plus en détails dans la suite de la description, de manière à former une cavité comprenant les différentes portions 2, 5, 6, 7, 8 et 9 précitées. [0054] Par ailleurs, la contre-forme 1 comprend un matériau composite permettant de notamment faciliter l’élimination de celle-ci, lors de l’étape de décochage décrite ultérieurement.
[0055] En effet, le matériau composite comprend deux phases : une première phase dite « phase MAX », et une deuxième phase de formule AI4C3, autrement dit du carbure d’aluminium.
[0056] Les phases MAX sont des matériaux dits stoechiométriques, connus en soi, de formule : Mn+1AXn, avec n=1 à 3, M étant un métal de transition, A un élément du groupe A et X du carbone et/ou de l’azote.
[0057] Dans le présent exposé, l’élément utilisé dans le groupe A est de l’aluminium (Al) afin d’assurer la formation d’une couche d’alumine lorsque des phases aluminoformeuses sont utilisées. L’élément utilisé sur le site X est du carbone (C). En effet, les phases contenant de l’azote (N) ont souvent des températures de fusion inférieures à leurs homologues contenant du carbone et la compatibilité chimique avec la phase AI4C3 n’est pas assurée. Enfin, l’élément utilisé sur le site M est déterminé de telle sorte que la température de fusion et le coefficient de dilatation thermique des phases MAX considérées soient compatibles avec les matériaux constitutifs de la pièce à fritter, en particulier les alliages à base de nickel (Ni), présentant un coefficient de dilation thermique compris entre 14 et 16x106/°C, de titane (Ti), présentant un coefficient de dilation thermique compris entre 10 et 13x106/°C, ou d’aluminure de titane (TiAI), présentant un coefficient de dilation thermique compris entre 10 et 13x106/°C. Les températures de frittage de ces matériaux sont par ailleurs supérieures à 1350°C.
[0058] Ainsi, dans l’application du présent exposé, les premières phases retenues peuvent être de formule Cr2AIC, ayant une température de fusion supérieure à 1500°C et un coefficient de dilation thermique d’environ 13x106/°C, TfeAIC2 ayant une température de fusion supérieure à 1550°C et un coefficient dedilation thermique compris entre 9 et 12X10 6/°C, OU TjAlC ayant une température de fusion supérieure à 1550°C et un coefficient de dilation thermique compris entre 7 et 10x106/°C.
[0059] La deuxième phase de formule AI4C3 est un carbure connu dont la température de fusion est très élevée (2200 °C). Elle est en oute aluminoformeuse à haute température. Néanmoins, la propriété particulièrement avantageuse dans le cadre de l’invention est la facilité que présente cette phase à s’hydrolyser à température ambiante en présence d’une atmosphère riche en eau. La décomposition de cette phase suit la réaction suivante : AI4C3 + 1 2 H20 4 AI(OH)3 + 3 CH4
[0060] Cette réaction peut être catalysée en optimisant le niveau d’hygrométrie mais également la température.
[0061 ] Ainsi, compte tenu de la présence de la deuxième phase de formule AI4C3, entre les joints de grain de la première phase, la contre-forme 1 comprenant ce matériau composite peut être aisément éliminée en étant dégradée par hydrolyse, à l’issue du procédé de fabrication de l’aube ou du redresseur.
[0062] A cet égard, un premier exemple d’un procédé de fabrication d’aubes selon le présent exposé est un procédé par frittage sous charge, nommé frittage SPS (pour « Spark Plasma Sintering » en anglais) dans la suite de la description. Les différentes étapes de ce procédé, selon d’un premier mode de réalisation, sont présentées sur la figure 4.
[0063] La première étape S 100 de ce procédé consiste à fabriquer la contre-forme 1 décrite ci-dessus, en une ou deux parties.
[0064] Conformément au présent exposé, l’étape S100 de fabrication de la contre- forme 1 se décline en plusieurs étapes. Dans un premier temps, des poudres métalliques sont mélangées entre elles, de manière à obtenir une poudre composite comprenant la première et la deuxième phase (étape S110). Selon le premier mode de réalisation, des poudres pures d’aluminium (Al), de carbone (C), de chrome (Cr) et/ou de titane (Ti), et/ou de carbure de chrome (CrC), et/ou de chromium Carbide (Cr7C3), et/ou de carbure de titane (TiC) sont mélangées avec une poudre de carbure d’aluminium AI4C3 en excès, de manière à former in situ un matériau composite comprenant la première phase et la deuxième phase, de telle sorte que la deuxième phase représente entre 1 et 50%, de préférence entre 1 et 20% du volume total du matériau composite.
[0065] Une fois l’étape de mélange effectuée, la contre-forme 1 est mise en forme (étape S120), de manière à ce que cette dernière prenne la forme souhaitée. Cette étape peut être réalisée par divers procédés connus tels que 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 « Métal Injection Molding » en anglais) ou tout autre procédé d’impression 3D connu adapté, de préférence suivi d’un frittage, ou d’un frittage SPS, par exemple, ou tout autre procédé connu adapté, ou une combinaison de ces différents procédés. Au cours de cette étape de mise en forme, en particulier de l’impression 3D par l’une des techniques précitées, un canal d’approvisionnement 9 est prévu, permettant l’injection ultérieure de poudre métallique.
[0066] Ensuite, une étape de formation d’une couche d’alumine, permettant de former une couche d’alumine protectrice d’épaisseur comprise entre 1 et 50 pm peut être effectuée (étape S130). Cette étape est réalisée par oxydation la contre-forme 1 en portant cette dernière à une température comprise entre 1000 et 1400°C. Cette étape est rendue possible par le fait que les phases de formule Cr2AIC, Ti3AIC2 ou Ti2AIC sont aluminormeuses.
[0067] La contre-forme 1 ainsi fabriqué à l’étape S100, et comprenant la cavité décrite ci-dessus correspondant au négatif de l’aube, est ensuite remplie par une poudre constitutive de l’aube à fabriquer (étape S200), notamment une poudre à base de titane (Ti), d’un superalliage à base de nickel (Ni), ou un alliage intermétallique tel que l’aluminure de titane (TiAI), par l’intermédiaire du canal d’approvisionnement 9. Une table à ultrason peut être utilisée afin de faciliter l’écoulement de la poudre dans la contre- forme et son remplissage.
[0068] On notera que pour la densification des matériaux à base de nickel, l’utilisation d’une première phase de formule Cr2AIC est à privilégier, et pour la densification des matériaux à base d’aluminure de titane ou de titane, l’utilisation d’une première phase de formule Ti2AIC ou Ti3AIC2 est à privilégier. Ces choix s’appuient sur les compatibilités de ces différents matériaux en termes de dilatation thermique, mais également de compatibilité chimique entre la première phase et l’alliage à densifier. En effet, le titane présente plus de risque de diffuser à haute température avec le nickel, et le chrome présente le risque de former des phases fragilisantes avec le titane.
[0069] La contre-forme 1 contenant la poudre à densifier est ensuite disposée dans un outillage (non représenté), de préférence en graphite, configuré pour réaliser le frittage SPS (étape S300).
[0070] Le frittage SPS est ensuite réalisé (étape S400). Au cours du frittage SPS, la contre-forme 1 est disposée dans une presse exerçant une pression axiale sur la contre- forme 1. Un courant pulsé est ensuite appliqué à la contre-forme 1 , de manière à chauffer la poudre présente dans celle-ci par effet Joule, permettant la densification de la poudre.
[0071] Lorsque la densification de la pièce est terminée, la contre-forme 1 est extraite de l’outillage graphite, et éliminée par décochage afin d’obtenir la pièce finale (étape S500). L’étape S500 de décochage de la contre-forme 1 peut être réalisée en disposant l’ensemble dans une étuve à hygrométrie contrôlée (humidité relative HR >50%) ou de préférence dans un autoclave à vapeur d’eau, à des températures comprises entre 100 et 180°C, et des pressions comprises entre 6 et 12bars. L’application d’une pression permet d’accélérer la cinétique de décochage tout en facilitant l’accès des vapeurs aux sections fines. Cette étape permet la désagrégation de la contre-forme 1 , compte tenu de la présence de la deuxième phase de formule AI4C3 entre les joints de grain de la première phase. Une étape de nettoyage et de finition de l’aube obtenue peut également être effectuée.
[0072] Enfin, l’étape S500 de décochage peut être suivie par une étape de récupération (étape S600), ou recyclage, dans laquelle le matériau composite décoché par étuvage, alors sous forme de poudre, est récupéré de manière à être réutilisé pour la fabrication d’une autre contre-forme 1 , en repartant de l’étape de mélange S110. Plus précisément, une fois la dégradation de la contre-forme 1 réalisée, un matériau fragmenté composé de grains de la première phase et d’aluminium hydraté est récupéré. Après séchage, cette matière peut être « rechargée » en AI4C3 et réutilisée afin de fabriquer de nouvelles contre-formes 1.
[0073] Les différentes étapes d’un procédé de fabrication d’aubes ou de redresseur de turbines par densification selon un deuxième mode de réalisation du présent exposé, sont présentées sur la figure 5.
[0074] Le procédé selon le deuxième mode réalisation diffère du procédé selon le premier mode de réalisation en ce l’étape S110 de mélange des poudres est décomposée en deux sous-étapes. En effet, alors que dans le cadre du premier mode de réalisation, l’étape de mélange est réalisée en une seule opération, dans laquelle le matériau composite est formé in situ de par la présence en excès de la phase AI4C3, l’étape S110 de mélange des poudres dans le cadre du deuxième mode de réalisation comprend dans un premier temps le mélange de poudres pures permettant d’obtenir la première phase (étape S111), le broyage sous forme de poudre de cette première phase, puis le mélange de la première phase ainsi obtenue avec une poudre d’AI4C3 permettant d’obtenir ex situ le matériau composite (étape S112).
[0075] A titre d’exemple, lors de l’étape S111 , une première phase de formule Ti3AIC2 peut être obtenue en mélangeant des poudres pures de titane, d’aluminium et de carbure de titane (Ti : Al : TiC) suivant les proportions molaires 1 : 1.05 : 1.9 respectivement. Dans ce cas, les grains de titane présentent un diamètre inférieur à 45 pm, une pureté de 99,5%. Les grains d’aluminium présentent un diamètre compris entre 45 et 150 pm, une pureté de 99,5% et les grains de carbure de titane présentent un diamètre de 2 pm, une pureté de 99,5%, et une masse volumique de 7,82 g/cm3. Ces différentes poudres peuvent être mélangées dans un mélangeur à boulet, puis soumises à un frittage réactif jusqu’à 1450°C. Le massif poeux ainsi obtenu est broyé pour être réduit en poudre.
[0076] Dans ce cas de figure, lors de l’étape S600 dans laquelle le matériau composite décoché par étuvage est récupéré de manière à être réutilisé pour la fabrication d’une autre contre-forme 1 , la matière peut être « rechargée » en AI4C3 en repartant de l’étape S112. On notera en outre que, lors de l’étape S111 , les poudres pures peuvent également être mélangées avec une poudre AI4C3. Dans ce cas, la poudre d’AI4C3 contribue à la formation de la première phase, mais n’est pas en quantité suffisante pour former in situ le matériau composite, de telle sorte que la deuxième étape S112 est nécessaire, et permet d’ajouter une quantité nécessaire de poudre d’AI4C3, permettant d’obtenir les proportions d’AI4C3 mentionnées précédemment dans le matériau composite.
[0077] Le premier et le deuxième mode de réalisation ci-dessus ont été décrits en référence à un premier exemple d’application, dans lequel le processus de densification solide de la poudre contenue dans la contre-forme 1 , comprenant les étapes S200 à S400, est réalisé par frittage SPS. Cet exemple n’est cependant pas limitatif, d’autres procédé de densification solide pouvant être employés.
[0078] Par un exemple, à la place du frittage SPS, un pressage isostatique à chaud (dit H IP pour « Hot Isostatic Pressing » en anglais) peut être utilisé. Dans ce cas, l’étape S200 de remplissage de la contre-forme 1 par une poudre constitutive de l’aube à fabriquer, est également effectuée puis, à l’étape S300, la contre-forme 1 contenant ladite poudre est disposée dans un containeur déformable. La densification HIP est effectuée à l’étape S400, dans laquelle un gaz neutre (par exemple de l’argon ou de l’azote) est injecté dans l’enceinte sous pression, appliquant alors une pression homogène dans toutes les directions sur le containeur contenant la contre-forme 1. Une fois la densification terminée, et le containeur éliminé par usinage mécanique ou chimique, la contre-forme 1 est ensuite décochée dans les conditions décrites ci-dessus à l’étape S500, puis le matériau est récupéré à l’étape S600.
[0079] De manière alternative, à la place du frittage SPS, une injection d’un mélange de poudre métallique et d’un polymère thermoplastique (dit procédé MIM pour « Métal Injection Molding » en anglais) peut être réalisée. Dans ce cas, lors de l’étape S200, la contre-forme 1 est insérée dans une presse d’injection MIM et une poudre constitutive du matériau à fabriquer, mélangée avec un liant polymère, est injectée dans la contre- forme 1. Le liant polymère est ensuite éliminé au cours d’un processus de déliantage. Un frittage naturel sans pression sur la pièce obtenue peut ensuite être effectué. Si ce dernier permet de densifier suffisamment la pièce, notamment si la densité relative est supérieure à 99%, le décochage de la contre-forme 1 , conformément à l’étape S500, peut-être effectué. Néanmoins, s’il est nécessaire de densifier davantage la pièce, le frittage naturel peut être complété par un cycle de densification SPS ou HIP sous pression, en répétant les étapes S300 et S400 décrites ci-dessus. De manière alternative, le déliantage mentionné ci-dessus peut être immédiatement suivi d’une densification SPS ou HIP conformément aux étapes S300 et S400, sans passer par un frittage naturel.
[0080] Ainsi, l’un ou l’autre des modes de densification (SPS, HIP ou MIM), ou une combinaison de ceux-ci, peut être utilisé pour la fabrication de la pièce métallique, et s’appliquent aux deux modes de réalisation décrits précédemment et décrits en référence aux figures 4 et 5. On notera en particulier que les étapes S100 de fabrication de la contre-forme 1 , S500 de décochage et S600 de récupération du matériau, sont communes à tous les modes de densification (SPS, HIP ou MIM) utilisés.
[0081 ] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
[0082] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Revendications
[Revendication 1] 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+1AICn, 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 AI4C3
[Revendication 2] Contre-forme (1) selon la revendication 1 , dans lequel la première phase est de l’une des formules parmi Cr2AIC, Ti3AIC2, Ti2AIC, Nb4AIC3, Nb AIC ou Mo2TiAIC2.
[Revendication 3] 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%.
[Revendication 4] 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.
[Revendication 5] Contre-forme (1) selon la revendication 4, dans lequel la couche d’alumine présente une épaisseur comprise entre 1 et 50 pm.
[Revendication 6] 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+1AICn, 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 AI4C3, 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.
[Revendication 7] 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’AI4C3de manière à obtenir la deuxième phase.
[Revendication 8] 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’AI4C3 en excès de manière à former le matériau composite en une opération.
[Revendication 9] 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.
[Revendication 10] Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel la première phase est de formule Cr2AIC, Ti3AIC2 ou Ti2AIC, 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.
[Revendication 11] 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.
[Revendication 12] 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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