Brevet FR2736851A1 — publié le 19970124

I L'invention concerne une pièce comportant des cavités, de préférence une ailette d'aube pour des ensembles de propulsion à turbine, cette pièce étant réalisée en des alliages métalliques à solidification orientée et présentant une structure basaltique et des joints de grains allongés, la pièce étant par ailleurs pourvue de rangées de trous qui relient la surface extérieure de la pièce aux cavités. De telles pièces sont actuellement utilisées de préférence en tant qu'aubes pour un ensemble de propulsion à turbine, les rangées de trous remplissant les fonctions les plus diverses, et étant réalisées par les procédés les plus divers, tels que le perçage au laser ou le perçage électrochimique. Dans ce cas, les joints de grains allongés constituent un inconvénient, notamment lorsque la distance entre les trous est moindre, parce que les défauts des joints de grains ou la séparation de joints de grains constituent des amorces de fissures de corrosion, qui par la propagation des fissures affaiblissent le matériau entre les trous, ce qui dans le cas de sollicitations mécaniques et thermiques élevées, peut conduire à la défaillance prématurée des pièces, et peut réduire de manière néfaste la durée de vie d'un ensemble de propulsion à turbine, en nécessitant ainsi l'augmentation de la fréquence des opérations de révision et d'entretien. Ces inconvénients se font ressentir de manière particulièrement grave dans le cas de la réalisation des rangées de trous par la technique au laser, parce que dans une pièce à cristallisation basaltique, la position des joints de grains ne peut être prévue à l'avance. La position des joints de grains allongés est le résultat de processus stochastiques de formation de germes au niveau d'une plaque de refroidissement, à partir de laquelle se propage le front de solidification du bain métallique en fusion dans la coquille de moulage pour une pièce. Par ailleurs, la position des joints de grains dépend de l'orientation cristallographique des germes suivant au gradient de température agissant localement, ce qui conduit à une sélection de grains naturelle. Des grains avec une orientation 001 parallèle aux gradients de température, sont favorisés sur le plan de la cinétique du développement, et de ce fait seuls peu de grains se développent à partir d'un élément d'amorçage ou d'une plaque de refroidissement. Entre les grains se forment des joints de grains qui affaiblissent le matériau; pour cette raison on additionne au bain d'alliage métallique pour de telles pièces, des éléments de renforcement des joints de grains, tels que C, B ou Zr, qui lors de la solidification du bain en fusion se séparent de préférence au niveau des joints de grains et y abaissent le point de fusion d'une valeur pouvant aller jusqu'à oC. Si durant le perçage au laser, de tels joints de grains sont touchés, cela conduit à des problèmes, notamment dans le cas d'épaisseurs de parois et de longueurs de perçage importantes, parce que d'une part peuvent se former des dépôts du matériau vaporisé par le laser, pouvant aller jusqu'à quelques centaines de micromètres et dans lesquels se forment des fissures, et d'autre part peuvent se produire une fusion et une fissuration des joints de grains pouvant atteindre jusqu'à 100 micromètres de profondeur. La fissuration des dépôts et des joints de grains peuvent s'additionner et engendrer un affaiblissement grave de la pièce pouvant aller jusqu'à la défaillance d'un ensemble de propulsion à turbine. Pour cette raison, il est exclu de mettre en oeuvre le perçage au laser, économique, d'une pièce en des matériaux à solidification orientée à structure basaltique également économiques, notamment pour des aubes mobiles très fortement sollicitées sur le plan dynamique dans un ensemble de propulsion à turbine. Aussi, l'homme de métier est ici contraint de mettre en oeuvre les matériaux monocristallins sensiblement plus chers, dont la fabrication est plus complexe et est soumise à un taux de rebut plus élevé. Dans le cas d'épaisseurs de paroi moindres, le risque de formation de dépôts durant le perçage au laser est certes plus réduit, mais il existe toutefois le risque, lors de la réalisation de trous d'air de refroidissement étroitement voisins, qui doivent protéger le matériau plus mince d'une sollicitation thermique excessive, que les fissures de joints de grains engendrées lors du perçage au laser, affaiblissent la pièce, en combinaison avec les trous d'air de refroidissement étroitement voisins. Le but de l'invention consiste à indiquer une pièce du type de celle mentionnée en introduction, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication, qui malgré une structure cristalline basaltique, et la présence de joints de grains allongés, et malgré le positionnement de rangées de trous, exclut un affaiblissement de la pièce, tout en permettant que la pièce soit réalisée en un matériau économique et présente des rangées de trous pouvant être réalisées à l'aide d'un procédé économique. Conformément à l'invention, ce but est atteint au moyen d'une pièce à solidification orientée, qui présente des colonnes monocristallines dans la zone des rangées de trous, ou bien est exempte de joints de grains dans la zone des rangées de trous. La réalisation des rangées de trous dans des colonnes monocristallines n'est pas évidente d'emblée, parce que la position des joints de grains ne peut être prévue à l'avance dans les matériaux usuels, et parce que la position des rangées de trous pour des pièces d'ensembles de propulsion à turbine s'établit sur la base de critères calculés à l'avance et optimisés sur le plan de la mécanique des fluides, et ne peut modifiée ou déplacée conformément à une structure de joints de grains arbitraire d'un matériau économique à solidification basaltique. De ce fait on divulgue un nouveau matériau qui présente des colonnes monocristallines dans la zone des rangées de trous, en permettant ainsi de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, et en évitant l'apparition de fissurations des joints de grains et les défaillances des pièces qui y sont liées. Selon une configuration préférée de l'invention, les rangées de trous s'étendent dans la direction longitudinale de l'ailette d'aube. Cela est tout d'abord dû à des raisons de mécanique des fluides, mais fournit également une compatibilité avec la colonne monocristalline selon l'invention dans la zone d'une rangée de trous, de sorte que la colonne monocristalline est disponible dans toute sa longueur pour une rangée de trous. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les rangées de trous sont constituées de trous percés au laser. Comme les matériaux utilisés dans les ensembles de propulsion à turbine, et notamment dans le canal d'écoulement, sont d'une résistance élevée * telle que des procédés de perçage classiques par enlèvement de copeaux ne peuvent être mis en oeuvre, les rangées de trous sont produites par voie électrochimique en trous très fins, ce qui est excessivement compliqué, prend beaucoup de temps et est très coûteux, mais était incontournable jusqu'à présent pour le matériau usuel non dépourvu de joints de grains dans la zone de la rangée de trous. Des perçages réalisés au laser peuvent avantageusement être exécutés plus rapidement et de manière plus économique, de sorte que l'invention permet l'utilisation d'un matériau économique comportant des perçages de réalisation économique, pour la fabrication de la pièce conforme à l'invention. Par ailleurs l'invention consiste également à fournir un procédé de fabrication de pièces du type de celle mentionnée en introduction; conformément à l'invention, ce procédé est caractérisé par les étapes de procédé suivantes: a) préparation du moule de coulée comportant des fenêtres pour la fixation des noyaux destinés aux cavités, au moyen de supports transversaux qui sont ajustés dans les fenêtres, b) agencement de fenêtres supplémentaires, de manière à former à chaque fois deux fenêtres étroitement voisines en laissant libre des canaux étroits de coulée et de cristallisation entre les fenêtres, ou utilisation de noyaux en céramique appropriés pour la fabrication de modèles en cire dans le cas de la mise en oeuvre d'un procédé de moulage en cire perdue, c) solidification orientée de la pièce moulée avec formation d'une zone monocristalline de grand volume en forme de colonne, dans la direction du développement, au-dessus de chacun des canaux de coulée et de cristallisation, dans les zones des rangées de trous à percer au laser, d) perçage au laser de rangées de trous dans les zones en forme de colonne de la pièce, solidifiées sans joints de grains et donc de façon monocristalline. L'avantage du procédé conforme à l'invention réside dans le fait qu'un moyen auxiliaire déjà existant et mis en oeuvre pour fixer la position du noyau de moulage nécessaire à la réalisation de la cavité dans une pièce creuse, est utilisé en lui conférant une autre fonction supplémentaire. En conférant une forme appropriée à un support transversal et en rapprochant celui-ci d'un support transversal supplémentaire pour un noyau de moulage, on réalise avantageusement des passages étroits, voire sinueux selon un mode de réalisation préféré de l'invention, pour le bain de coulée, ces passages sélectionnant une orientation préférentielle de cristallisation, de sorte qu'à la sortie du passage entre les deux supports transversaux se développe une colonne monocristalline. En vue de mettre totalement à profit les avantages de l'invention, les supports transversaux et les supports transversaux supplémentaires sont disposés, lors de la solidification orientée, dans la partie inférieure de la pièce, dans laquelle il n'est pas nécessaire de réaliser des rangées de trous, de manière à former un espace libre étroit entre les supports transversaux, juste à l'endroit o doit se développer une colonne monocristalline dans la structure basaltique du matériau, pour l'agencement ultérieur d'une rangée de trous. Mais l'invention peut également être réalisée indépendamment de la fonction de support et de fixation des supports transversaux, en réalisant dans la zone inférieure du moule, des passages de coulée d'une faible largeur appropriée, pour y faire amorcer des colonnes monocristallines, dans les zones des rangées de trous ultérieures. La pièce est de préférence utilisée en tant qu'ailette d'aube d'une aube de rotor, les trous percés au laser étant agencés, en tant que trous d'air de refroidissement, dans la zone du bord avant et dans la zone de compression de l'ailette d'aube. Cette zone fortement sollicitée sur le plan thermique d'une pièce pour ensembles de propulsion à turbine, est ainsi munie; grace à l'air de refroidissement s'écoulant hors des rangées de trous, d'un film de refroidissement protégeant l'ailette d'aube. Selon une autre utilisation préférée, la pièce est utilisée en tant qu'ailette d'aube d'une aube de rotor, les trous percés au laser étant prévus pour influencer le décollement de la couche limite sur l'extrados de l'ailette d'aube. Dans de tels cas, les rangées de trous augmentent avantageusement, à l'aide d'air de refroidissement pénétrant dans les trous ou sortant des trous, le rendement d'un ensemble de propulsion, par le fait que le profil de l'ailette d'aube est modifié sur le plan aérodynamique. Selon une autre utilisation préférée, la pièce est utilisée en tant qu'ailette d'aube d'une aube de turbine, les trous percés au laser étant réalisés en tant qu'ouvertures de sortie d'écoulement d'un film de refroidissement, pour augmenter le rendement. Le rendement est ici avantageusement augmenté parce que la turbine peut fonctionner avec une température d'entrée plus élevée. Dans la suite l'invention va être explicitée plus en détail au regard de modes de réalisation préférés de l'invention, représentés sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, qui montrent Fig. 1 une aube conforme à l'invention et comportant une rangée de trous. Fig. 2 une aube conventionnelle comportant une rangée de trous. Fig. 3 un détail agrandi d'une rangée de trous à trous étroitement voisins, en un matériau d'aube usuel. Fig. 4 deux supports transversaux avec passage étroit. Fig. 5 deux supports transversaux avec passage sinueux. La figure 1 montre une aube 1 conforme à l'invention et comportant une rangée de trous 2. Cette rangée de trous relie les cavités à l'intérieur de l'aube 1, à l'environnement extérieur. De telles aubes 1 sont de préférence utilisées dans le canal d'écoulement d'ensembles de propulsion à turbine, et sont réalisées en alliages métalliques à solidification orientée, présentant une structure basaltique et des joints de grains allongés 3. La pièce à solidification orientée est constituée de colonnes monocristallines, qui sont entourées par les joints de grains 3; conformément à l'invention, dans le cas de cette aube il n'apparaît pas de joints de grains dans la zone de la rangée de trous 2. Cela est empêché par deux fenêtres 4 et 5. Des supports transversaux 6 et 7 s'étendent transversalement au travers du moule de coulée, dans la zone sous le pied d'aube 8 et portent le noyau de moulage qui remplit les cavités de la pièce, lors du moulage. Cette représentation permet d'entrevoir clairement que le bain de coulée est rétréci en un mince passage 9 dans la zone des fenêtres 4 et 5. Après la coulée du bain dans le moule non représenté, le bain se solidifie selon une orientation préférentielle 001, sur une plaque de refroidissement 10 au point de base du pied d'aube. Le front de solidification se propage vers le haut sous l'effet d'un gradient de température vertical, et doit à cette occasion dépasser les supports transversaux logés dans les fenêtres 4 et 5; dans le passage 9 règnent des conditions de développement extrêmement favorables pour l'orientation préférentielle 001, de sorte qu'à l'extrémité supérieure 11 de ce passage, qui est représenté de manière agrandie sur la figure 4, il ne reste plus qu'un seul cristal de l'orientation préférentielle, et qu'au-dessus se développe une colonne totalement monocristalline dans laquelle peut être réalisée ensuite, une rangée de trous, par perçage au laser, dans une zone exempte de joints de grains. Le passage 9 entre les supports transversaux 6 et 7, c'est-à-dire entre les fenêtres 4 et 5 qui se forment aussitôt que, après la solidification, les supports transversaux 6 et 7 ont été retirés, est positionné de manière telle, que la colonne monocristalline 12 se forme exactement dans la zone dans laquelle est réalisée ultérieurement, la rangée de trous 2. On obtient une sélection plus marquée de l'orientation préférentielle, lorsque le passage est sinueux, comme le montre la figure 5. A cet effet, il suffit de réaliser les sections des supports transversaux de manière à ce qu'elles présentent au moins une surface latérale courbe, les supports transversaux 6 et 7 étant étroitement rapprochés l'un de l'autre pour former un espace intermédiaire réduit. La figure 2 montre une aube conventionnelle 20 comportant une rangée de trous 22, qui présente des joints de grains 3 basaltiques, qui se sont développés de manière aléatoire. La figure 3 montre un détail agrandi présentant une rangée de trous 22. En raison de la réalisation des trous 22 au niveau de joints de grains, comme le montre le détail B sur la figure 3, il se forme des micro-fissures 23 issues de chaque trou et pouvant présenter une longueur allant jusqu'à 100 micromètres, le long des joints de grains. Lorsque l'entre-axes entre deux trous est égal à 1 mm et que le diamètre de perçage est de 0,8 mm, la pièce peut se déchirer le long du joint de grains 3 sous une faible sollicitation, et l'aube s'en trouver altérée. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation que l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreux changements et modifications sans sortir du domaine de l'invention. ]l REVENDICATIONS. 1. Pièce (1) comportant des cavités, de préférence une ailette d'aube pour des ensembles de propulsion à turbine, cette pièce étant réalisée en des alliages métalliques à solidification orientée et présentant une structure basaltique et des joints de grains allongés, la pièce étant par ailleurs pourvue de rangées de trous (2) qui relient la surface extérieure de la pièce aux cavités, caractérisée en ce que la pièce à solidification orientée présente des colonnes monocristallines dans la zone des rangées de trous (2), ou bien est exempte de joints de grains (3) dans la zone des rangées de trous (2). 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les rangées de trous (2) s'étendent dans la direction longitudinale de l'ailette d'aube. 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les rangées de trous (2) sont constituées de trous percés au laser. 4. Procédé de fabrication d'une pièce comportant des cavités, de préférence une ailette d'aube pour des ensembles de propulsion à turbine, cette pièce étant réalisée en des alliages métalliques à solidification orientée et présentant une structure basaltique et des joints de grains allongés, la pièce étant par ailleurs pourvue de rangées de trous (2) qui relient la surface extérieure de la pièce aux cavités, caractérisé par les étapes de procédé suivantes: a) préparation du moule de coulée comportant des fenêtres pour la fixation des noyaux destinés aux cavités, au moyen de supports transversaux qui sont ajustés dans les fenêtres, b) agencement de fenêtres supplémentaires, de manière à former à chaque fois deux fenêtres étroitement voisines en laissant libre des canaux étroits de coulée et de cristallisation entre les fenêtres, ou utilisation de noyaux en céramique appropriés pour la fabrication de modèles en cire dans le cas de la mise en oeuvre d'un procédé de moulage en cire perdue, c) solidification orientée de la pièce moulée avec formation d'une zone monocristalline de grand volume en forme de colonne, dans la direction du développement, au-dessus de chacun des canaux de coulée et de cristallisation, dans des zones des rangées de trous (2) à percer au laser, d) perçage au laser de rangées de trous (2) dans le monocristal et donc dans les zones en forme de colonne de la pièce, solidifiées sans joints de grains. 5. Utilisation de la pièce selon l'une des revendications 1 à 3, en tant qu'ailette d'aube d'une aube de rotor, les trous percés au laser étant agencés, en tant que trous d'air de refroidissement, dans la zone du bord avant et dans la zone de l'intrados de l'ailette d'aube. 6. Utilisation de la pièce selon l'une des revendications 1 à 3, en tant qu'ailette d'aube d'une aube de rotor, les trous percés au laser étant prévus pour influencer le décollement de la couche limite sur l'extrados de l'ailette d'aube. 7. Utilisation de la pièce selon l'une des revendications 1 à 3, en tant qu'ailette d'aube d'une aube de turbine, les trous percés au laser étant réalisés en tant qu'ouvertures de sortie d'écoulement d'un film de refroidissement pour augmenter le rendement.