Brevet FR2978078A1 — publié le 20130125

Procédé de fixation d'un élément métallique sur une pièce en alliage métallique monocristallin de turbomachine La présente invention concerne un procédé de fixation d'un élément métallique sur une pièce en alliage métallique monocristallin de turbomachine, telle qu'une aube de rotor pour une turbine de turbomachine. Une aube de rotor de ce type comprend une pale raccordée par une plate-forme à un pied du type en queue d'aronde, en sapin ou analogue, destiné à être inséré dans une rainure de forme complémentaire d'un disque de rotor de la turbine. L'aube de rotor comprend des canaux internes de circulation d'air de refroidissement, formés lors de la réalisation de l'aube de fonderie au moyen d'un noyau céramique autour duquel est coulé un alliage métallique en fusion. Ce noyau traverse une surface plane radialement interne du pied d'aube. Après refroidissement du matériau de coulée, le noyau céramique est retiré ou éliminé (par exemple par dissolution chimique), ce qui laisse libres des ouvertures sur la surface précitée du pied d'aube. Ces ouvertures communiquent avec les canaux internes de l'aube et peuvent servir à l'alimentation de ces canaux en air de refroidissement. Cependant, elles ont des formes et des dimensions variables qui ne permettent pas d'optimiser le débit d'air d'alimentation des canaux de l'aube. On a déjà proposé de fixer au moins une plaquette ou une pastille de calibration sur cette surface pour limiter et contrôler le débit d'air d'alimentation des canaux de l'aube à travers les ouvertures précitées. La pastille a une forme générale circulaire et est destinée à recouvrir une des ouvertures précitées de la surface du pied d'aube pour l'obturer et empêcher ainsi l'air de pénétrer dans les canaux de l'aube à travers cette ouverture. Deux pastilles ou plus peuvent être fixées sur la surface précitée du pied d'aube. La plaquette a une forme générale parallélépipédique et est destinée à recouvrir la quasi-totalité de la surface du pied d'aube. Elle comporte des orifices calibrés, c'est-à-dire ayant chacun une forme et des dimensions précises, qui communiquent chacun avec une des ouvertures de la surface du pied d'aube. Certaines des ouvertures de cette surface sont bouchées par la plaquette, et les autres communiquent avec les orifices calibrés de la plaquette. Dans la technique actuelle, chaque plaquette ou pastille est fixée par brasage sur la surface précitée du pied d'aube, cette opération de brasage consistant pour l'essentiel à déposer un métal d'apport entre la plaquette ou la pastille et la surface du pied d'aube, puis à placer l'ensemble dans un four porté à une température suffisante pour provoquer la fusion du métal d'apport. L'étape de brasage est précédée d'une étape de dégraissage et de décontamination mécanique de la pièce, d'une étape de pointage de la plaquette ou pastille, et d'une étape de dépôt d'un produit anti-étalement autour de la plaquette ou pastille. Le pointage est réalisé manuellement par décharge d'un condensateur électrique et permet d'immobiliser la plaquette ou pastille sur la surface du pied d'aube. Le produit anti-étalement est déposé manuellement et a pour rôle d'éviter toute coulure de la brasure. L'étape de brasage est suivie d'une étape de retrait du produit anti- étalement, d'une étape de contrôle visuel de la pièce, et d'une étape de revenu à haute température de la pièce pour améliorer les caractéristiques du matériau de la pièce. Le brasage d'une plaquette ou d'une pastille sur une surface d'un pied d'aube de rotor est donc une opération longue et complexe et coûteuse à réaliser. De plus, la répétabilité des cordons de brasure n'est pas très bonne du fait de la réalisation manuelle de certaines des étapes précitées. Par ailleurs, une aube de rotor est en général réalisée dans un alliage métallique monocristallin qui est un matériau réputé non soudable ou très difficilement soudable car des défauts métallurgiques tels que des criques peuvent apparaître lors du soudage de ce matériau et de la formation des cordons de soudure. Il existe donc un préjugé technique dans ce domaine, selon lequel il ne serait pas possible de fixer une plaquette ou une pastille du type précité sur une aube de rotor en alliage métallique monocristallin sans créer de défauts métallurgiques dans cet alliage. Ces défauts métallurgiques réduisent la durée de vie de l'aube et obligent donc à mettre au rebut une aube comportant de tels défauts. L'invention a notamment pour but de proposer une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet un procédé de fixation d'un élément métallique sur une pièce en alliage métallique monocristallin de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de soudage laser à clin du ou des bords périphériques de l'élément métallique, le faisceau laser étant déplacé autour de cet élément pour former un cordon de soudure à clin par fusion des matériaux de l'élément et de la pièce sans apport de matériau. Selon l'invention, l'élément métallique est donc fixé sur la surface de la pièce par soudage au laser, l'opération de soudage au laser étant moins longue et moins coûteuse que l'opération de brasage de la technique antérieure. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, on économise 15 euros sur le coût du procédé de fixation d'une plaquette sur une aube de rotor, et un gain de 3 jours sur le cycle de production de cette aube. L'invention permet de fixer un élément métallique sur une pièce réalisée dans un matériau réputé non soudable ou difficilement soudable, tel qu'un alliage monocristallin, par exemple à base de nickel tel qu'un alliage AMI, et ce sans risque de génération de défauts métallurgiques (tels que des grains recristallisés ou des criques). Un alliage du type AMI a typiquement la composition suivante : Ni (base), Cr (7,50/0), Co (6,50/0), Mo (20/0), Ta (80/0), W (5,50/0), Ti (1,20/0), Al (5,30/0) et C «0,010/0) et a une température de fusion de l'ordre de 1300°C. Le soudage est de préférence réalisé au moyen d'un laser à fibre. Un laser à fibre comprend une fibre optique dopée avec des ions de terres rares. La longueur d'onde du laser dépend de la nature de ces ions et est par exemple de l'ordre de 1 nm. Le soudage laser à fibre présente de nombreux avantages par rapport au soudage laser au CO2 ou YAG, notamment en termes de compacité et donc d'encombrement des moyens de génération du faisceau laser, de simplicité des moyens de refroidissement (à air) de la source du faisceau laser, de durée de vie de cette source, etc. L'élément métallique peut être une plaquette ou une pastille ayant une épaisseur inférieure à 1 mm, et qui est de préférence comprise entre 0,3 et 0,7mm, et par exemple de l'ordre de 0,5mm. Compte tenu de l'épaisseur relativement faible de la plaquette ou pastille, la puissance du laser peut être relativement faible. La puissance d'un laser à fibre est en général inférieure à 1 kW, et de préférence inférieure ou égale à 500W. Les paramètres du laser pour le soudage à clin d'une plaquette ou pastille précitée sont avantageusement : une puissance comprise entre 100 et 400W, une vitesse de déplacement du faisceau laser comprise entre 20 et 40mm/s et une focalisation du faisceau laser de +1,5 à +4mm. Le faisceau présente une tache focale dont le diamètre est compris entre 8 et 14µm, de préférence entre 9 et 13µm, plus préférentiellement entre 10 et 12µm, et par exemple de 11µm. Lors de la formation du cordon de soudure, le spot du faisceau laser est positionné de sorte que la moitié de sa section soit située sur la pièce et que la moitié restante de sa section soit située sur la plaquette ou la pastille. Le cordon de soudure à clin ou à recouvrement s'étend le long du ou des bords périphériques de la plaquette ou de la pastille. Dans le cas où une pastille est fixée sur la surface de la pièce, cette pastille est destinée à recouvrir le débouché d'un canal interne de la pièce afin de l'obturer. Le cordon de soudure à clin s'étend alors autour du débouché du canal de la pièce. La pastille peut avoir un diamètre de quelques millimètres (le diamètre peut être entre 5 et 6mm, et par exemple de l'ordre de 5,4mm). Dans le cas où une plaquette est fixée sur la surface de la pièce, cette plaquette comprend des orifices calibrés de passage d'air et est disposée sur la surface de la pièce de sorte que chacun de ses orifices calibrés communique avec le débouché d'un canal interne de la pièce, le cordon de soudure à clin entourant alors l'ensemble de ces débouchés. Cette plaquette peut avoir une forme rectangulaire allongée, le cordon de soudure à clin comprenant deux portions longitudinales parallèles s'étendant le long des grands côtés de la plaquette, et deux portions transversales s'étendant le long des petits côtés de la plaquette. La plaquette peut avoir une longueur comprise entre 20 et 40mm, et par exemple de l'ordre de 28mm, et une largeur comprise entre 2 et 10mm, et par exemple de l'ordre de 5mm. Le cordon de soudure à clin peut former une boucle fermée et les extrémités du cordon de soudure peuvent se recouvrir sur une faible longueur. Avantageusement, le procédé consiste à réduire la puissance du laser (d'un facteur d'au moins deux ou trois par exemple) pendant le passage du faisceau laser dans la zone de recouvrement afin d'éviter la formation de défauts métallurgiques dans cette zone. La zone de recouvrement peut avoir une longueur de l'ordre de 1 à 3mm environ. Dans le cas du soudage laser d'une plaquette, le procédé comprend de préférence une étape supplémentaire de soudage laser par transparence de la plaquette sur la surface de la pièce, le faisceau laser étant déplacé sur la plaquette depuis un de ses bords périphériques jusqu'à un de ses bords périphériques opposés, pour former au moins un cordon de soudure par transparence par fusion des matériaux de la plaquette et de la pièce sans apport de matériau. Cette étape de soudage laser par transparence est de préférence réalisée avant l'étape de soudage laser à clin pour limiter le risque d'apparition de défauts métallurgiques lors de la superposition des cordons de soudure à clin et par transparence, au niveau des bords périphériques de la plaquette. Les cordons de soudure par transparence s'étendent de préférence entre deux ouvertures adjacentes de la plaquette de façon à isoler les débouchés précités des canaux les uns des autres. Les cordons de soudure par transparence forment des cordons transversaux qui sont sensiblement parallèles aux portions transversales précitées du cordon de soudure à clin. Les paramètres du laser pour le soudage par transparence sont avantageusement : une puissance comprise entre 200 et 500W, une vitesse de déplacement du faisceau laser comprise entre 25 et 45mm/s et une focalisation du faisceau laser de +1 à +3,5mm. Les étapes de soudage sont de préférence précédées d'une étape de positionnement et d'immobilisation de la plaquette sur la surface de la pièce, l'immobilisation de la plaquette étant réalisée par pointage laser, c'est-à-dire par formation d'un point de soudure induit par laser. Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté pour la fixation d'une plaquette ou d'une pastille du type précité sur une aube de rotor pour une turbine de turbomachine, cette aube comportant des canaux internes de circulation d'air qui débouchent sur une surface du pied d'aube sur laquelle est fixée par soudage laser la plaquette ou la pastille. La présente invention concerne également une aube de rotor pour une turbine de turbomachine, cette aube étant réalisée en alliage métallique monocristallin et comportant au moins un canal interne de circulation d'air débouchant sur une surface du pied d'aube, l'aube portant une plaquette ou pastille de calibration recouvrant au moins une partie de cette surface, caractérisée en ce que la plaquette ou pastille est fixée sur la surface du pied d'aube par un cordon de soudure à clin s'étendant autour de la plaquette ou de la pastille. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une aube de rotor d'une turbine de turbomachine ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective du pied d'une aube de rotor, sur une surface duquel est fixée une plaquette par le procédé selon l'invention ; et - la figure 3 est une vue schématique en perspective du pied d'une aube de rotor, sur une surface duquel sont fixées des pastilles par le procédé selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1, qui représente une aube 10 de rotor d'une turbine à gaz en particulier d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Cette aube 10 comprend une pale 12 rattachée à une plate-forme 14 et comportant un extrados 16 ou surface extérieure convexe et un intrados 18 ou surface intérieure concave qui sont reliés à leurs extrémités amont par un bord 20 d'attaque et à leurs extrémités aval par un bord 22 de fuite. La pale 12 de l'aube est raccordée par la plate-forme 14 sensiblement rectangulaire à un pied 24, qui est du type en sapin dans l'exemple représenté, au moyen duquel l'aube 10 est montée sur un disque (non représenté) du rotor de la turbine à gaz, par emmanchement de ce pied 24 dans une rainure de forme complémentaire de la périphérie du disque de rotor. L'aube 10 est ventilée intérieurement et refroidie au moyen d'une cavité ou de canaux internes de circulation d'air, qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal A de l'aube 10 et qui sont alimentés par des ouvertures 26 débouchant sur une surface 28 plane d'extrémité du pied 24 de l'aube. Dans l'exemple représenté, la surface 28 du pied d'aube comprend six ouvertures 26 qui sont alignées les unes derrière les autres. Des fentes 30 de sortie d'air alimentées par les canaux internes sont formées sur une partie de l'intrados 16 proche du bord de fuite 22. Le procédé selon l'invention a pour but la fixation par soudage laser d'une plaquette 32 (figure 2) ou d'une pastille 34 (figure 3) sur la surface 28 précitée du pied d'aube, en vue de la calibration du débit d'air d'alimentation des canaux internes de l'aube. En figure 2, la plaquette 32 est fixée sur la surface 28 du pied d'aube par deux étapes successives de soudage laser, à savoir une étape de soudage laser par transparence et une étape de soudage laser à clin. Dans l'exemple représenté, la plaquette 32 a une forme rectangulaire allongée et a une longueur et une largeur qui sont légèrement inférieures à celles de la surface 28 du pied d'aube de sorte que la plaquette recouvre la quasi-totalité de cette surface. La plaquette 32 est réalisée en Hastelloy X et a par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5mm, une longueur de l'ordre de 28 mm et une largeur de l'ordre de 5mm. La plaquette 32 comprend quatre orifices 36 qui sont chacun destinés à communiquer avec une des ouvertures 26 précitées de la surface 28 du pied d'aube. Les quatre orifices 36 de la plaquette 32 communiquent donc avec quatre ouvertures 26 de la surface 28 et les deux ouvertures 26 restantes de cette surface sont obturées par la plaquette 32. Les quatre orifices 36 de la plaquette ont des dimensions et des formes prédéterminées qui permettent de déterminer avec précision les débits d'air d'alimentation des canaux de l'aube. Une première étape du procédé selon l'invention consiste à positionner la plaquette 32 sur la surface 28 du pied d'aube puis à l'immobiliser dans cette position par pointage laser. Pour cela, au moins un point de soudure est créé par impulsion laser entre la plaquette 32 et l'aube. Le procédé consiste ensuite à former des cordons de soudure 40 transversaux par soudage laser par transparence entre la plaquette 32 et la surface 26 du pied d'aube, chacun de ces cordons de soudure s'étendant entre deux orifices 36 adjacents de la plaquette. Ces cordons 40 transversaux s'étendent depuis un bord longitudinal de la plaquette 32 jusqu'au bord longitudinal opposé de la plaquette. Ils ont pour but d'assurer une étanchéité entre les ouvertures 26 du pied d'aube et d'éviter donc toute communication fluidique entre deux ouvertures 26 adjacentes, entre la plaquette 32 et la surface 28 du pied d'aube, c'est-à-dire dans le plan de joint de la plaquette et de cette surface. Le soudage par transparence peut être réalisé au moyen d'un automate. Lors du soudage laser par transparence, les paramètres du laser sont de préférence une puissance comprise entre 200 et 500W, une vitesse de déplacement du faisceau comprise entre 25 et 45mm/s et une focalisation de +1 à +3,5mm. Le procédé consiste ensuite à former au moins un cordon de soudure 38 par soudage laser à clin ou à recouvrement sur tout le pourtour de la plaquette 32. Le cordon de soudure 38 à clin comprend ici deux portions longitudinales parallèles s'étendant le long des grands côtés de la plaquette 32, et deux portions transversales s'étendant le long des petits côtés de la plaquette. Le soudage à clin peut également être réalisé par un automate. Lors du soudage laser à clin, les paramètres du laser pour le soudage à clin sont de préférence une puissance comprise entre 100 et 400W, une vitesse de déplacement du faisceau laser comprise entre 20 et 40mm/s et une focalisation de +1,5 à +4mm. Le cordon de soudure 38 à clin forme avantageusement une boucle fermée, les extrémités du cordon se chevauchant sur une longueur de 1 à 3mm environ. Pour éviter l'apparition de défauts métallurgiques lors de ce chevauchement, la puissance du laser est réduite pendant le passage du faisceau laser dans la zone de recouvrement des cordons de soudure, par exemple de 300W à 100W. En figure 3, deux pastilles 34 sont fixées sur la surface 28 du pied 30 d'aube par soudage laser à clin ou à recouvrement, chacune de ces pastilles recouvrant et obturant une des ouvertures 26 de la surface 28. Chaque pastille 34 a une forme circulaire et un diamètre légèrement supérieur à celui des ouvertures 26 du pied d'aube. Chaque pastille 34 a par exemple un diamètre de l'ordre de 5,4mm et une épaisseur de l'ordre de 0,5mm. Une première étape du procédé selon l'invention consiste à positionner chaque pastille 32 sur la surface 28 du pied d'aube puis à l'immobiliser dans cette position par pointage laser, comme décrit dans ce qui précède. Le procédé consiste ensuite à former un cordon de soudure 42 à clin ou à recouvrement par soudage laser autour de chaque pastille 34. Le cordon de soudure 42 a une forme circulaire fermée dont les extrémités se recouvrent, comme indiqué dans ce qui précède. Les paramètres de fonctionnement du laser lors du soudage à clin de la pastille peuvent être les mêmes que ceux utilisés lors du soudage à clin d'une plaquette. REVENDICATIONS1. Procédé de fixation d'un élément métallique sur une pièce (10) en alliage métallique monocristallin de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de soudage laser à clin du ou des bords périphériques de l'élément, le faisceau laser étant déplacé le long de ce ou de ces bords périphériques pour former un cordon de soudure (38) à clin par fusion des matériaux de l'élément et de la pièce sans apport de matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage 10 est réalisé au moyen d'un laser à fibre. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce (10) est réalisée en alliage monocristallin à base de nickel, et par exemple en alliage AMI . 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 15 ce que les paramètres du laser pour le soudage à clin sont une puissance comprise entre 100 et 400W, une vitesse de déplacement du faisceau laser comprise entre 20 et 40mm/s et une focalisation de +1,5 à +4mm. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le cordon de soudure (38) à clin formant une boucle fermée et les 20 extrémités du cordon de soudure se recouvrant, le procédé consiste à réduire la puissance du laser pendant le passage du faisceau laser sur le recouvrement des extrémités du cordon. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de soudage laser par transparence de 25 l'élément sur la surface de la pièce, le faisceau laser étant déplacé sur l'élément depuis un de ses bords périphériques jusqu'à un de ses bords périphériques opposés, pour former au moins un cordon de soudure (40) par transparence par fusion des matériaux de l'élément et de la pièce sans apport de matériau. 30 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de soudage laser par transparence est réalisée avant l'étape de soudage laserà clin. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les paramètres du laser pour le soudage par transparence sont une puissance comprise entre 200 et 500W, une vitesse de déplacement du faisceau comprise entre 25 et 45mm/s et une focalisation de +1 à +3,5mm. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de soudage est précédée d'une étape de positionnement et d'immobilisation par pointage laser de l'élément sur la pièce. 10.Aube de rotor (10) pour une turbine de turbomachine, cette aube étant réalisée en alliage métallique monocristallin et comportant au moins un canal interne de circulation d'air débouchant sur une surface (28) du pied d'aube, l'aube portant une plaquette (32) ou une pastille (34) de calibration recouvrant au moins une partie de cette surface, caractérisée en ce que la plaquette ou la pastille est fixée sur la surface du pied d'aube par un cordon de soudure (38) à clin s'étendant autour de la plaquette ou de la pastille.