Brevet FR2914204A1 — publié le 20081003

B08-0468FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Procédé de moulage de métal par injection pour applications aux matériaux bimétalliques et aubage profilé Invention de : KELLY Thomas Joseph MEYER Mark Kevin PARKS Melissa Jane FERRIGNO Stephen Joseph Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 26 mars 2007 sous le n 11/691.032 2 Procédé de moulage de métal par injection pour applications aux matériaux bimétalliques et aubage profilé La présente invention concerne de façon générale des pièces de turbines à gaz soumises à des hautes températures et, plus particulièrement, des pièces dans la composition desquelles entrent plusieurs alliages. Les techniques actuelles pour fabriquer des pièces bimétalliques impliquent l'utilisation de processus d'assemblage tels que le soudage à l'arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage par friction inertielle, le brasage et autres procédés similaires. Ces procédés sont coûteux risquent de laisser des zones affaiblies affectées par la chaleur et sont souvent difficiles à contrôler. Les charges thermiques et mécaniques appliquées à des éléments tels que les bords d'attaque et de fuite et les bouts d'un aubage profilé de turbine à gaz risquent d'avoir un effet négatif sur la durée de vie de l'aubage. Les aubages des turbines à gaz connaissent des problèmes de durée de vie au niveau du bout de l'aubage profilé, sous la forme d'une fissuration résultant de contraintes d'origine thermique et de pertes de matière par oxydation et frottements. On peut y apporter une solution à l'aide d'un alliage présentant une résistance accrue à l'oxydation et la corrosion par le milieu ambiant. Cependant, il n'est pas souhaitable d'améliorer la totalité de l'aubage profilé pour en faire un alliage résistant mieux à la chaleur et à l'oxydation, car cela accroît le coût, voire le poids de la pièce. On dispose de matières ayant de meilleures propriétés à haute température que les superalliages classiques. Cependant, leur densité plus forte et leur coût plus élevé que ceux de superalliages classiques n'encouragent pas à les utiliser pour fabriquer des pièces complètes de turbines à gaz, aussi sont-ils ordinairement utilisés comme revêtements ou comme petites parties de pièces. Ces matières qui résistent très bien au milieu ambiant se sont montrées difficiles à fixer aux alliages de base d'un aubage profilé. De la sorte, on a besoin d'un procédé de fabrication de pièces en matériaux bimétalliques. Il existe également un besoin pour un procédé pour fixer à des superalliages classiques des alliages résistant au milieu ambiant. 3 Le besoin ci-dessus est satisfait par la présente invention qui, selon un premier aspect, propose un procédé de fabrication d'un élément bimétallique, comprenant la réalisation d'une première ébauche constituée d'une poudre métallique d'un premier alliage. Une seconde ébauche contient une poudre métallique d'un deuxième alliage différent du premier alliage. Les première et seconde ébauches sont chauffées afin de fritter les poudres métalliques l'une avec l'autre et d'aboutir à un élément métallique consolidé. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un aubage profilé qui comprend la réalisation d'une première ébauche ayant une poudre métallique d'un premier alliage. La première ébauche comporte un corps d'aubage profilé ayant des côtés pression et aspiration incurvés, une coiffe de bout disposée entre les côtés pression et aspiration à une extrémité radialement extérieure du corps de l'aubage profilé, et un bout aminci sur une hauteur partielle s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la coiffe de bout. Une seconde ébauche est réalisée, comportant une poudre métallique d'un deuxième alliage différent du premier alliage, se présentant sous la forme d'un prolongement du bout aminci. Les première et seconde ébauches sont chauffées pour fritter les poudres métalliques l'une avec l'autre et donner un aubage profilé consolidé. Selon un autre aspect de l'invention, la première ébauche est fabriquée en réalisant un premier mélange d'une poudre métallique d'un premier alliage et d'un liant, en faisant fondre le liant et en extrudant le premier mélange dans un moule pour former une première ébauche, et en lessivant la première ébauche pour éliminer l'excédent de liant. La seconde ébauche est fabriquée en réalisant un premier mélange d'une poudre métallique d'un deuxième alliage et d'un liant, en faisant fondre le liant et en extrudant le second mélange dans un moule pour former une seconde ébauche, et en lessivant la première ébauche pour éliminer l'excédent de liant. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un aubage profilé ayant un corps d'aubage profilé à côtés pression et aspiration incurvés, une coiffe de bout disposée entre les côtés pression et aspiration à une extrémité radialement extérieure du corps d'aubage profilé et un bout aminci sur une hauteur partielle s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la coiffe et constitué d'une première ébauche comportant une poudre métallique d'un premier alliage. L'aubage profilé comporte également un prolongement du bout effilé, constitué d'une poudre métallique d'un deuxième alliage différent du premier alliage. Les première et seconde ébauches sont frittées pour consolider les poudres métalliques. 4 L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue en perspective d'un exemple d'aube mobile de turbine ; la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'une partie de l'aube mobile de turbine de la Fig. 1, représentant un bout aminci de celle-ci ; la Fig. 3 est une vue latérale schématique d'un dispositif de moulage par injection ; la Fig. 4 est une vue latérale schématique d'une ébauche au moment de sa sortie du moule représenté sur la Fig. 3 ; et la Fig. 5 est un organigramme d'un procédé de réunion d'éléments métalliques décrit dans la présente demande. Considérant les dessins sur lesquels les repères identiques désignent les mêmes éléments sur toutes les différentes vues, les figures 1 et 2 illustrent un exemple d'aube mobile 10 de turbine pour moteur à turbine à gaz. La présente invention s'applique tout aussi bien à la construction d'autres types de pièces métalliques telles que des aubes fixes de turbines, des cadres, des chambres de combustion et autre. L'aube mobile 10 de turbine comprend un aubage profilé 12 ayant un bord d'attaque 14, un bord de fuite 16, un bout 18, une emplanture 19, une paroi latérale concave côté pression 20, une paroi latérale convexe côté aspiration 22, une plate-forme 24 et une queue d'aronde 26. Dans le procédé selon la présente invention, l'aube mobile 10 de turbine est constituée d'une première et d'une seconde ébauches 32 et 34. Par exemple, la première ébauche 32 peut comporter les parois latérales 22 et 24 côtés pression et aspiration, une coiffe 28 de bout et un bout aminci 30, d'une hauteur partielle, formé d'une seule pièce. La première ébauche 32 comporte normalement un superalliage à base de nickel ou de cobalt, d'un type connu, ayant des propriétés de résistance aux températures élevées qui conviennent pour les conditions d'utilisation prévues. On citera comme exemples de matériaux connus pour construire la première ébauche 32, les alliages RENE 77, RENE 80, RENE 142 et RENE N4 et N5 à base de nickel. La seconde ébauche 34 comporte un prolongement de bout effilé adjacent au bout effilé 30 de hauteur partielle. De préférence, le prolongement du bout effilé comporte un alliage qui présente une excellente résistance à l'oxydation à haute température en comparaison de l'alliage de base de la première ébauche 32. Un exemple de matériau convenant à cette fin est constitué par un alliage à base de rhodium contenant d'environ trois pour cent à neuf pour cent, en pourcentage 5 atomique, d'au moins un métal à durcissement par précipitation choisi dans le groupe qui comprend le zirconium, le niobium, le tantale, le titane, l'hafnium et les mélanges de ceux-ci ; jusqu'à environ quatre pour cent, en pourcentage atomique, d'au moins un métal à durcissement par solution choisi dans le groupe comprenant le molybdène, le tungstène, le rhénium et les mélanges de ceux-ci ; d'environ un pour cent à environ cinq pour cent, en pourcentage atomique, de ruthénium ; jusqu'à environ dix pour cent, en pourcentage atomique, de platine ; jusqu'à environ dix pour cent, en pourcentage atomique, de palladium ; le reste étant du rhodium ; l'alliage comportant en outre une phase cubique à faces centrées et une phase à structure L12. Un autre matériau qui convient pour le prolongement 34 du bout effilé est un second alliage à base de rhodium contenant du rhodium, du platine et du palladium, dans lequel l'alliage est une microstructure sensiblement exempte de phase à structure L12 à une température supérieure à environ 1000 C. Plus particulièrement, le Pd est présent à raison d'environ 1 pour cent à environ 41 pour cent, en pourcentage atomique ; le Pt est présent dans une proportion qui dépend de la proportion de palladium, de façon que : a) pour une proportion de palladium allant d'environ 1 pour cent à environ 14 pour cent en pourcentage atomique, le platine soit présent à peu près jusqu'à une proportion définie par la formule (40+X) pourcentage atomique, X étant la proportion, en pourcentage atomique, de palladium ; et b) pour une proportion de palladium allant d'environ 15 pour cent à environ 41 pour cent en pourcentage atomique, le platine soit présent à raison d'un maximum d'environ 54 pour cent en pourcentage atomique ; le reste étant constitué de rhodium, le rhodium étant présent à raison d'au moins 24 pour cent en pourcentage atomique. Les première et seconde ébauches 32 et 34 sont fabriquées à l'aide d'un procédé de moulage par injection de métal (MIM) dans lequel une fine poudre métallique est mélangée avec un liant plastique et est extrudée sous une forme voulue à l'aide d'équipements de moulage de matière plastique. Pour chaque ébauche 32 et 34, le liant et la poudre métallique respective sont intimement mélangés l'un avec l'autre. Les mélanges sont ensuite chauffés pour faire fondre le liant et créer un fluide, la poudre métallique étant revêtue par le liant. Ensuite, les mélanges sont individuellement dotés de formes prédéterminées. Une 6 manière de mettre en forme les mélanges consiste à utiliser un dispositif de moulage par injection connu. La Fig. 3 représente une vue schématique d'un dispositif de moulage par injection 36 comprenant une première et une seconde frémies 38A et 38B, une première et une seconde extrudeuses 40A et 40B ayant chacune respectivement une vis tournante 42A, 42B. Les mélanges respectifs sont extrudés dans des parties de l'empreinte 46 d'un moule 44. Le moule 44 peut éventuellement être chauffé afin d'éviter une solidification extrêmement rapide du liant qui donnerait une ébauche cassante. Au lieu de faire fondre le liant lors d'une coulée distincte, le mélange pourrait être moulé de façon continue à l'aide d'équipements de moulage par injection connus permettant de faire fondre le liant à mesure qu'il passe par les vis 42A, 42B. Comme représenté sur la Fig. 4, une fois que les mélanges se sont solidifiés, le moule 44 est ouvert et l'ébauche combinée non compactée ou "crue" 48 qui en résulte, constituée des différentes ébauches 32 et 34, est extraite. L'ébauche combinée 48 contient des particules métalliques en suspension dans le liant solidifié. L'ébauche 48 ne convient pas pour servir de pièce finie, mais a une résistance mécanique suffisante pour subir d'autres transformations. L'ébauche 48 est lessivée pour éliminer la majeure partie du liant. Cela peut se faire en plongeant ou en lavant l'ébauche combinée 48 dans/avec un solvant adéquat qui dissout le liant mais n'attaque pas la poudre métallique. L'ébauche combinée 48 est ensuite frittée en chauffant l'ébauche combinée 48 à une température inférieure à la température de liquidus des poudres métalliques et suffisamment élevée pour amener les particules de poudre métallique à fusionner les unes avec les autres et à se consolider, en liant les deux ébauches individuelles 32 et 34. La température élevée fait également fondre et chasse le liant éventuellement restant. L'ébauche 48 est maintenue à la température voulue pendant un laps de temps suffisamment long pour aboutir à l'ébauche frittée "cuite" consolidée. Au terme du cycle de frittage, on laisse se refroidir l'aube mobile 10 de turbine obtenue (Fig. 1). L'aube mobile 10 de turbine peut subir une nouvelle consolidation à l'aide d'un procédé connu de compression isostatique à chaud ("CIP") pour assurer une densité sensiblement à 100%. Si on le souhaite, l'aube mobile 10 de turbine peut subir des opérations supplémentaires telles qu'un usinage final, un revêtement, un contrôle, etc. d'une manière connue. 7 Un procédé selon la demande est représenté sous la forme d'un organigramme sur la Fig. 5. Un premier et un deuxième alliages sont mélangés avec un liant pour former un premier et un second mélanges. Le premier et le second mélanges sont ensuite chauffés séparément pour faire fondre les liants respectifs. Dans cet état en fusion, les premier et second mélanges sont extrudés séparément dans un seul moule pour former un mélange combiné, qui est ensuite chauffé. L'excédent de liant est éliminé de l'ébauche qui en résulte. L'ébauche est ensuite frittée pour réunir intimement les mélanges combinés et former de la sorte une pièce bimétallique. 5 LISTE DES REPERES 10 Aube mobile de turbine 12 Aubage profilé 14 Bord d'attaque 16 Bord de fuite 18 Bout 19 Emplanture 20 Paroi latérale concave côté pression 22 Paroi latérale convexe côté aspiration 24 Plate-forme 26 Queue d'aronde 28 Coiffe de bout 30 Bout aminci 32 première ébauche 34 Seconde ébauche 36 Dispositif de moulage par injection 38A Première trémie 38B Seconde trémie 40A Première extrudeuse 40B Seconde extrudeuse 42A Vis rotative 42B Vis rotative 44 Moule 46 Empreinte 48 Ebauche combinée 10 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un aubage profilé (12), comprenant : (a) la réalisation d'une première ébauche (32) constituée d'une poudre métallique d'un premier alliage, la première ébauche définissant un corps d'aubage profilé ayant des côtés pression et aspiration incurvés (20, 22), une coiffe (28) de bout disposée entre les côtés pression et aspiration à une extrémité radialement extérieure du corps d'aubage profilé et un bout aminci (30) sur une hauteur partielle, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la coiffe de bout ; to (b) la réalisation d'une seconde ébauche (34) constituée d'une poudre métallique d'un second alliage différent du premier alliage et mise sous la forme d'un prolongement du bout aminci ; et (c) le chauffage des première et seconde ébauches pour fritter les poudres métalliques l'une avec l'autre en un aubage profilé consolidé. 15 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réalisation de la première ébauche (32) comprend : (a) la réalisation d'un mélange de la poudre métallique du premier alliage et d'un liant ; la fusion du liant et l'extrusion du premier mélange dans un moule (44) pour former la première ébauche ; et 20 (b) l'élimination de l'éventuel excédent de liant. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réalisation de la seconde ébauche (34) comprend : (a) la réalisation d'un mélange de la poudre métallique du second alliage et d'un liant ; la fusion du liant et l'extrusion du second mélange dans un moule (44) 25 pour former la seconde ébauche ; et (b) l'élimination de l'éventuel excédent de liant. 4. procédé selon la revendication 2, dans lequel l'élimination de l'éventuel excédent de liant comprend le lavage de la première ébauche (32) avec un solvant choisi pour dissoudre le liant, mais pas la poudre métallique. 30 5. procédé selon la revendication 3, dans lequel l'élimination de l'éventuel excédent de liant comporte le lavage de la seconde ébauche (34) avec un solvant choisi pour dissoudre le liant, mais pas la poudre métallique. 6. Procédé de fabrication d'un aubage profilé (12), comprenant : (a) la réalisation d'une première ébauche (32) constituée d'une poudre 35 métallique d'un premier alliage, la première ébauche définissant un corps d'aubage 10 profilé ayant des côtés pression et aspiration incurvés (20, 22), une coiffe (28) de bout disposée entre les côtés pression et aspiration à une extrémité radialement extérieure du corps d'aubage profilé et un bout aminci (30) sur une hauteur partielle, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la coiffe de bout ; (b) la réalisation d'une seconde ébauche (34) constituée d'une poudre métallique d'un second alliage différent du premier alliage et mise sous la forme d'un prolongement du bout aminci ; et (c) le frittage des première et seconde ébauches l'une avec l'autre pour former un aubage profilé consolidé. l0 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la réalisation de la première ébauche (32) et de la seconde ébauche (34) comprend : (a) le mélange de la poudre métallique du premier alliage et d'un liant pour former un premier mélange, la fusion du liant et l'extrusion du premier mélange dans un moule (44) pour former la première ébauche ; 15 (b) le lessivage de l'éventuel excédent de liant pour l'éliminer de la première ébauche ; (c) le mélange de la poudre métallique du second alliage et d'un liant pour former un second mélange ; la fusion du liant et l'extrusion du second mélange dans le moule (44) pour former la seconde ébauche ; et 20 (d) le lessivage de l'éventuel excédent de liant pour l'éliminer de la seconde ébauche. 8. Aubage profilé (12) fabriqué selon le procédé exposé dans la revendication 6. 9. Aubage profilé (12), comprenant : 25 (a) un corps d'aubage profilé ayant des côtés pression et aspiration incurvés (20, 22), une coiffe (28) de bout disposée entre les côtés pression et aspiration à une extrémité radialement extérieure du corps de l'aubage profilé et un bout aminci (30) d'une hauteur partielle s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la coiffe de bout et constitué d'une première ébauche (32) contenant une poudre métallique d'un 30 premier alliage ; (b) un prolongement du bout aminci constitué d'une poudre métallique d'un second alliage différent du premier alliage ; et (c) les première et seconde ébauches contenant des poudres métalliques consolidées.