Brevet FR2051798A1 — publié le 19710409

La présente invention concerne un procédé pour former un article profilé comportant une partie intérieure creuse telle qu'une ailette de turbo-machine. Une condition pour la production de moteurs à turbines 5 à gaz d'un rendement élevé, par exemple pour la propulsion des avions, est d'obtenir des éléments résistants et légers dont certains ont des profils très complexes. Des éléments typiques sont les ailettes et les aubes des compresseurs et des turbines profilées creuses des moteurs à réaction» Il est souvent désirable que XO ces éléments comportent des cavités intérieures soit pour la réduction de leur poids soit pouit leur refroidissement pendant le fonctionnement. Il existe différents procédés chimiques, mécaniques, électriques et électrolytiques pour l'enlèvement sélectif de matière d'articles fondus ou forgés sensiblement finis. Cependant, la 15 minceur des éléments, les profils complexes et parfois la matière d'un travail difficile entraînent des problèmes de fabrication difficiles à résoudre et nécessitant des opérations coûteuses. Le développement des techniques de diffusion à l'état solide largement décrites actuellement utilisées d'une façon assez générale a per-20 "lis de résoudre certains des problèmes de fabrication en permettant la liaison d'éléments fabriqués individuellement avec des liaisons relativement fortes. Cependant, la fabrication des éléments individuels pouvant être liés pose un problème en raison des tolérances étroites d'ajustage ou de l'intervalle minimal nécessaire entre 25 les éléments. Par suite, les outillages de forgeage, de moulage, d'usinage et autres pour obtenir des ajustages étroits entre les éléments séparés, ainsi que les étapes dei, fabrication pour obtenir les éléments, sont coûteux. De plus, il est difficile derégler les caractéristiques des éléments préparés individuellement et 30 d'obtenir des caractéristiques uniformes entre les éléments1 préparés séparément. L'invention a pour objet un procédé pour former un article profilé ayant une partie intérieure creuse par liaison de plusieurs éléments chacun produit à partir de produits disponibles en 35 magasin, tels que des barres, des tiges, des plaques et des feuilles. L'invention a aussi pour objet un procédé perfectionné pour former un tel article profilé à partir de plusieurs éléments dont les formes sont adaptées les unes aux autres du fait de leur formation sous la forme d'un ensemble non lié. 08214 2 2051798 Le procédé selon 11 invention pour former un article profilé ayant une partie Intérieure creuse et une surface extérieure est caractérisé par la formation d'^u moins- un premier et un -second élément, chacmn ayant -la forme d!tm ]irodai±fc- de laminage!, et chacun comportant une surface intérieure et une surface extérieure, la formation de chaque élément de façon que sa surface extérieure soit en relation avec le profil d'une surface extérieure de l'article et que-les surfaces extérieures des différents éléments soient en relation avec la forme de la surface extérieure de l'article, la préparation des surfaces intérieures des éléments pour que leurs formes soient adaptées les unes aux autres, l'assemblage des différents éléments pour obtenir une préforme par alignement des surfaces intérieures de façon qu'elles soient juxtaposées et pratiquement en contact les unes avec les autres, le formage de l'ensemble préformé en un premier ensemble d'article, la séparation des différents éléments de ce premier ensemble d'article, l'enlèvement sélectif de matière au moins de l'un des éléments à sa surface intérieure, le réassemblage des éléments pour obtenir m second ensemble d'article, et la liaison des différents éléments à leurs surfaces intérieures. Les caractéristiques de l'invention rassortiront plus particulièrement de la description suivantes donnée à titre d'exeirt-ple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective avec une partie en coupe d'une ailette de turbine à gaz comportant des parties intérieures creuses, la figure 2 est une vue en perspective d'une plaque et d'une feuille métalliques sous la forme de produits de laminoir, la figure 3 est une vue en perspective des éléments de la figure 2, la feuille convertie en ébauche d'ailette, la figure 4 est une vue en perspective.'et partiellement en coupe du premier ensemble profilé formé des éléments de la figurej, la figure 5 est une vue en perspective et partiellement en coupe de l'un des éléments de la figure 4 comportant des canaux intérieurs, ' la figure 6 est une vue en perspective et partiellement en coupe d'un second ensemble profilé comportant des parties intérieures creuses, - 70 08214 3 2051798 les figures 7 et 8 sont des vues en perspective des pièces, pour l'embase et des entretoises pour des positions intermédiaires suivant la longueur, respectivement, et la figure 9 est une vue en perspective d'une préforme 5 d'ailette formée avec les éléments des figures 6, 7 et 8. Le procédé selon l'invention pour former un article profilé ayant une partie intérieure creuse consiste en premier lieu à former plusieurs éléments, chacun sous la forme d'un élément de produit de laminoir, et chacun ayant une surface intérieure et une 10 surface extérieure. Chaque élément est formé pour que sa surface extérieure ait un contour en rapport avec une partie de la surface extérieure de l'article de façon qu'ensemble les surfaces extérieures des différents articles soient en relation avec la surface extérieure de l'article. La surface intérieure de chacun des éléments 15 est préparée pour que sa forme concorde avec celle de la surface intérieure des autres éléments devant être ultérieurement liés. Les différents éléments sont ensuite assemblés pour obtenir un ensemble de préforme d'article par alignement de leurs surfaces intérieures juxtaposées et pratiquement en contact, bien 20 qu'il puisse exister un certain jeu, afin que les surfaces extérieures des éléments définissent une préforme d'article. L'ensemble constituant cette préforme d'article est ensuite formé,tel que par exemple par emboutissage à chaud dans une matrice pour obtenir un premier ensemble d'article. Cet ensemble peut avoir pratiquement la forme 25 de l'article profilé fini avec ou sans une enveloppe de protection mince d'une matière devant être enlevée consécutivement après la liaison. Comme les éléments sont formés ensemble pendant la production de l'ensemble de préforme, leurs surfaces en contact sont adaptées très étroitement les unes aux autres avec un minimum de 30 jeu, ce qui permet la liaison par une technique de diffusion à l'état solide. Après formage de l'ensemble de préforme, les éléments sont séparés les uns des autres et de la matière est enlevée sélectivement au moins de l'un des éléments à sa surface intérieure. 35 Cette opération établit la partie creuse de l'article. Les éléments sont ensuite réassemblés pour obtenir un second ensemble d'article, l'un des éléments comportant la partie creuse intérieure et les éléments étant liés à leurs surfaces intérieures. 70 08214 4 2051798 Le procédé selon l'invention utilisant des produits de laminoirs pour remplacer les éléments forgés précédemment utilisés typiquement, permet un approvisionnement en matière première d'un prix plus bas et une augmentation du taux d'utilisation de la ma-5 tière. Aucun outillage de forgeage n'est nécessaire, Des caractéristiques uniformes des matières premières peuvent être plus facilement assurées par le contrôle des opérations de production telles que le laminage au lieu de contrôler les températures de refoulement et de finissage. Un tel contrôle est nécessaire dans le cas 10 d'une pièce forgée ayant des différences de masse importantes des parties d'un article, par exemple entre la partie profilée et l'embase d'une ailette de turbo-machine. En utilisant l'invention, il est possible d'assurer un contrôle supérieur des tolérances pour les différents éléments. De plus, comme les éléments sont assem-15 blés pour obtenir une préforme et sont ensuite préparés à une forme approchant étroitement de celle de l'article profilé fini, un a jus-tage étroit des éléments est assuré. Dans le cas des procédés connus comportant la liaison par diffusion à l'état solide, les surfaces complémentaires devant être unies sont préparées séparé-20 ment et sont formées pour concorder l'une avec l'autre. Le formage en même temps des éléments pour 1'assemblage de la préforme par le procédé selon l'invention assure l'ajustage étroit nécessaire pour la liaison par diffusion à l'état solide qui est très coûteux et très difficile à obtenir par d'autres procédés. 25 Le procédé selon l'invention est décrit ci-après en con- . sidérant le cas d'ailettes creuses à profils ou contours complexes du type utilisé dans les moteurs à réaction parce qu'elles représentent une des applications les plus utiles du procédé et parce que leurs formes et leurs profils posent des problèmes compliqués 30 pour la fabrication. Ces problèmes sont amplifiés par la présence des parties compliquées formant les embases ou les talons, ainsi que les parties situées aux extrémités ou dans des positions intermédiaires de l'ailette pour former des entretoises ou des cales latérales. Cependant, il doit être noté que l'invention peut être 35 utilisée pour des articles de différents types ainsi que de différentes formes et de différentes dimensions. La figure 1 représente en perspective et partiellement en coupe une ailette creuse 20 pouvant être formée par le procédé 70 08214 5 2051798 selon l'invention. Cette ailette comporte une partie profilée creuse 22 dans laquelle sont formées des parties creuses 24. Il est désirable pour le montage que l'ailette comporte une embase 26, et aussi l'ailette peut comporter une structure d'entretoises ou de 5 cales latérales 28 située dans une position intermédiaire entre les extrémités de la partie profilée. L'ailette proprement dite 22 peut être formée conformément à l'invention à partir de produits laminés représentés sur la figure 2 sous la forme d'une plaque 30 et d'une feuille 32, bien 10 que ces deux éléments puissent être des plaques. La plaque 30 comporte une surface extérieure 30a et une surface intérieure 30b et la feuille 32 une surface extérieure 32a et une surface intérieure32b. Avant leur utilisation par le procédé selon l'invention, les éléments 30 et 32 peuvent être préparés par un usinage superfi-15 ciel de finition de surface pour éliminer toute contamination. Les deux éléments sont ensuite formés par exemple par formage à chaud dans une matrice d'emboutissage pour obtenir un contour brut correspondant au contour de l'ailette 22, de la façon représentée sur la figure 3* Bien que le contour de l'ailette 22 de la figure 1 soit 20 plus complexe, par exemple en raison de sa torsion que les formes des éléments à contours bruts 30 et 32 de la figure 3, les contours des éléments tels que ceux de la figure 3 peuvent être obtenus d'après des mesures de l'ailette profilée finale 22 et d'après les besoins pour la matrice servant à former les éléments 30 et 32. Si l'élément 25 32 est une feuille, il n'est en général pas nécessaire de rapporter à cette étape du traitement sa forme au contour du type profilé de l'ailette profilée 22. Après le formage préliminaire de l'un des éléments 30 ou 32 ou des deux, leurs surfaces intérieures sont préparées, par 30 exemple par usinage pour que leurs formes concordent l'une par rapport à l'autre. Cela permet de les assembler pour une opération consécutive. Dans le cas de la combinaison représentée, les surfaces intérieures sont des surfaces usinées à plat pour la simplicité et la précision. Comme l'ailette profilée 22 est plus mince vers 35 l'extrémité 23, l'une des surfaces 30b et 32b ou les deux peuvent être usinées à plat en même temps que l'amincissement de l'élément 30 ou 32 ou des deux pour réduire l'épaisseur vers la partie devant former l'extrémité 23 de l'ailette. bad orfgfnal. 70 08214 6 2051798 Les éléments ainsi préparés sont alignés l-ua-par ..rapport à 1'.autre de façon que leurs surfaces intérieures soient pratiquement en contact l'une avec l'autre en dehors d'un intervalle résultant d'un défaut d'adaptation qui existe en général entre les éléments» 5 Cet assemblage constitue une préforme d'article ou d'ailette dont les éléments bien qu'alignés et maintenus ensemble ne sont pas liés. Cette préforme est ensuite formée, par exemple par .formage par emboutissage |/chaud pour obtenir le premier ensemble d'article représenté sur la figure 4. Cet ensemble a sensiblement 10 la forme et le contour de l'ailette profilée finale, sauf en ce qui concerne une enveloppe de matière superficielle de protection quand celle-ci est prévue. Cette enveloppe est enlevée ultérieurement par exemple par usinage chimique. Le formage de la préforme pour obtenir le premier ensemble d'article dont les éléments sont alignés 15 et maintenus ensemble pendant le formage mais qui ne sont pas liés, établit des surfaces intérieures, c'est-à-dire des surfaces entre les éléments avec un minimum d'intervalle ou de défaut d'adaptation. Cette opération prépare d'une façon inhérente la forme de ces surfaces pour la liaison par diffusion à l'état solide. Comme il a été 20 indiqué ci-dessus, ce procédé de liaison nécessite des tolérances très étroites qui par d'autres procédés sont obtenues seulement par préparation de chaque élément séparément au lieu d'être obtenues en même temps par concordance mutuelle comme c'est le cas selon l'invention. 25 Après la préparation de ce premier ensemble, les éléments 30 et 32 sont séparés et de la matière est enlevée sélectivement de l'un ou des deux éléments à leurs surfaces intérieures. Par.exemple, suivant le mode de réalisation de la figure 5* des canaux, des rainures, des dépressions ou autres 34 sont formés par enlèvement de 30 matière à partir de la surface intérieure 40b, par exemple par usinage mécanique ou chimiquei certains de ces canaux ou rainures pouvant occuper toutes les longueurs de l'élément ou pouvant se terminer à une distance convenable des bords, suivant les fonctions prévues. De même, comme il a été indiqué ci-dessus, une certaine quantité 35 de matière peut être enlevée pair réduire le poids, et d'autres matières peuvent être enlevées pour permettre un refroidissement ou l'accès d'un fluide. Après l'enlèvement de matière d'au moins l'un des éléments à nartir de sa surface intérieure, les éléments sont à nouveau assem- bad original 70 08214 7 2051798 blés pour obtenir un second ensemble d'articles, tel " que celui représenté sur la figure 6. Contrairement au premier ensemble, le second ensemble comporte une partie intérieure creuse. Les éléments de ce second ensemble sont ensuite liés ou unis par exemple par 5 un procédé courant de liaison par diffusion à l'état solide à haute température. Par ce procédé, les atomes de la matière à l'interface entre les éléments acquièrent une énergie de liaison supérieure du fait du chauffage et ils subissent des migrations à travers la jonction ce qui provoque la croissance de grains continus. 10 II en résulte une liaison à l'état solide dont la qualité dépend de la durée, de la température et de la pression pendant le traitement. En général, le chauffage augmente la vitesse de diffusion et réduit le temps nécessaire pour obtenir la liaison et la pression réduit la rugosité des surfaces pour établir un contact intime en-15 tre les parties à unir. Comme il a été indiqué ci-dessus, la formation du premier ensemble par le procédé selon l'invention à partir de la préforme constituée par deux ou plus de deux éléments assure de façon inhérente un ajustage intime entre les éléments. Il en résulte une meilleure liaison obtenue plus facilement. 20 A titre d'exemple une ailette profilée a été fabriquée par le procédé selon l'invention de la façon décrite ci-dessus, à partir d'un alliage à base de titane contenant nominalement en poids 6$ d'aluminium et 4# de vanadium, le reste étant du titane avec les impuretés éventuelles, Dans cet exemple, l'élément J>0, qui . 25 réalise l'élément convexe de l'ailette et l'élément 32 qui réalise l'élément concave de l'ailette de la façon représentée, étaient initialement des plaques. Après ccnft*nn£imdans une matrice de formage par emboutissagp à une température de 790 °C environ, rectification â un état de surface de moyenne quadratique 0,8^u,. et nettoyage dans de 30 la méthyléthylcétone, les deux éléments sont assemblés pour obtenir la préforme de la façon décrite ci-dessus. Cet ensemble est placé dans une matrice pour préforme à environ 990°C sous une pression o d'environ 700 kg/cm pendant environ 20 minutes. Le jeu maximal ou défaut d'adaptation trouvé entre les surfaces intérieures est de 35 0,125 mm environ. Les éléments ont ensuite été séparés pour l'enlèvement sélectif de matière des surfaces intérieures 30b et 3213 par usinage chimique dans une solution d'usinage chimique disponible commercialement sour tn marque ''Turco TFE 200" à une température d'environ ''3,5tc, 70 08214 8 2051798 Les éléments ainsi préparés ont été nettoyés dans de l'acétone et ensuite traités dans une solution de 15$ de HNO^ et de 5$ de HP, le reste étant de l'eau. Les éléments ont été ensuite assemblés à nouveau pour obtenir le second ensemble d'article du 5 type représenté sur la figure 6, et cet ensemble a été placé dans une matrice de formage par emboutissage à la presse, pendant 30mn -- p sous une charge d'environ 700 kg/cm dans le vidé, pour provoquer la liaison par diffusion à l'état solide des surfaces 30b et 32b. L'article obtenu à partir des éléments en T1-6A1-4V par 10 le traitement Indiqué ci-dessus est l'ailette 22 de la figure 1 sans l'embase 26 ni les entretoises 28. Les éléments devant former l'embase 26 et si désiré les entretoises 28 pour l'ailette de la figure 1 peuvent être préparés et être liés ensemble et à l'ailette profilée 22 de la même façon que dans le cas des éléments formant l'ailé lette profilée 22. Par exemple, les figures 7 et 8 représentent respectivement une pièce d'embase convexe 26a, une pièce d'embase concave 26b, une pièce d'entretoise convexe 28ji et une pièce d'entretoise concave 28b, ces deux dernières destinées à être fixées dans une position intermédiaire de la façon représentée sur la 20 figure 9, ces pièces pouvant être formées à partir de matière première en barre. Les surfaces intérieures respectives 26q_, 26d, 28£ et 28d devant s'adapter au profil de l'ailette sont obtenues par usinage. Ces pièces sont ensuite appliquées sur l'ailette 22 pour être liées par diffusion à l'état solide pour obtenir l'ailette 25 20 de la figure 9. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'ailette 22 à l'état de préforme peut comporter une enveloppe mince de matière de protection contre la contamination pendant le traitement. Après la liaison des pièces d'embases 26a et 26b et si nécessaire des éléments d'en-tretoisement 28a et 28b, l'ailette peut être soumise à un usinage chimique dans une solution de gravure pour enlever l'enveloppe de matière protectrice et pour obtenir des rayons de raccordement con-vanablespour l'adaptation des éléments saillants tels que les pièces 26a. et 26b de l'embase. 35 Une opération finale comporte en général l'usinage de finition des éléments ajoutés ainsi qu'un usinage de raccordement précis des bords de l'ailette. Il en résulte l'ailette complète creuse de la figure 1 obtenue à partir de produit laminé au lieu 70 08214 9 2051798 d'être obtenue à partir de pièces forgées coûteuses dont les dimensions sont plus difficiles à obtenir, et sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un outillage compliqué et coûteux. Il résulte de ce qui précède que l'invention apporte un 5 procédé pour former un article de profil ou de contour complexe et en particulier d'un article tel que l'ailette décrite ci-dessus à partir de plusieurs éléments obtenus de produits laminés courants Ces éléments sont ensuite mis en forme ensemble pour obtenir des surfaces complémentaires convenant facilement pour la liaison par 10 des procédés tels que la liaison par diffusion à l'état solide. En ce qui concerne l'utilisation de ce procédé pour la fabrication d'ailettes de turbo-machines, il ressort de ce qui précède que différents éléments tels que des parties saillantes formées de la même matière ou de matières compatibles peuvent être facilement 15 liés à l'article par le procédé selon l'invention. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 08214 10 2051798 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former un article profilé ayant une partie creuse et au moins une surface extérieure caractérisé par.la préparation d'au moins un premier et un second élément , chacun ayant la forme d'un produit laminé et une surface intérieure et une 5 surface extérieure, le formage de chaque élément pour que le contour de sa surface extérieure soit en relation avec une partie de la surface extérieure de l'article et que les surfaces extérieures des éléments assemblés soient en relation avec la forme de la surface extérieure de l'article, la préparation des surfaces intérieures 10 des éléments de façon que les formes de ces surfaces soient adaptées les unes aux autres, l'assemblage des éléments pour obtenir une préforme d'article par alignement des surfaces intérieures juxtaposées et pratiquement en contact les unes avec les autres, le formage de cette préforme pour obtenir un premier ensemble d'arti-15 cle, la séparation des éléments de ce premier ensemble, l'enlèvement sélectif de matière au moins de l'un des éléments à partir de sa surface intérieure, le réassemblage des éléments pour obtenir un second ensemble d'article, et la liaison des éléments à leurs surfaces intérieures. 20 2. Procédé selon la revendication 1 utilisé plus parti culièrement pour former une ailette creuse de turbo-machine comportant une partie d'ailette profilée avec une partie concave, une partie convexe, un bord d'attaque et un bord de fuite, caractérisé par le formage de l'un des éléments pour que sa surface extérieu-25 re soit en relation avec le contour de la surface extérieure de la partie concave de l'ailette creuse et le formage de l'autre élément pour que sa surface extérieure soit en relation avec les contours de la surface extérieure de la partie convexe de l'ailette creuse. 3. Procédé selon l'une des revendication 1 et 2 carac-30 térisé en ce que la liaison des éléments est effectuée par liaison par diffusion à l'état solide. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3 pour former une ailette creuse de turbo-machine comportant en plus de l'ailette profilée proprement dite une embase caractérisée par la 35 préparation de plusieurs éléments d'embase, chacun ayant une surface intérieure adaptée à une partie correspondante de la surface extérieure de l'ailette profilée, l'alignement des surfaces intérieures de ces éléments d'embase en les juxtaposant pratiquement en contact. avec les parties correspondantes de la surface extérieure de l'ailette et la liaison de ces éléments d'embase à l'ailette profilée.