Brevet FR2962357A1 — publié le 20120113

Procédé de réparation ou de rechargement d'au moins une pièce métallique La présente invention concerne un procédé de réparation ou de rechargement d'au moins une pièce métallique d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Lors du fonctionnement de la turbomachine, certaines pièces sont soumises à des efforts, à des températures, voire à des frottements importants, générant des usures rapides et localisées. Lorsqu'une usure supérieure aux spécifications est détectée lors d'une opération de maintenance, la pièce doit être changée. Une alternative au changement coûteux d'une pièce coûteuse est de réparer ou recharger la zone usée avec de la matière. Pour cela, il est connu de recharger lesdites zones usées par soudage conventionnel à l'arc (MIG, TIG, plasma ou électrode enrobée), par projection laser ou par brasage diffusion. Ces procédés génèrent des déformations mécaniques importantes de la pièce et nécessitent des opérations de reprise par usinage afin que les dimensions finales de la pièce correspondent aux spécifications. L'invention a notamment pour but d'apporter un procédé de réparation ou de rechargement de pièce qui ne présente pas ces inconvénients. A cet effet, elle propose un procédé de réparation ou de rechargement d'au moins une pièce métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à : - positionner et fixer la pièce sur un plateau, la pièce comportant une extrémité supérieure dont la surface est plane et horizontale, - positionner sur le plateau et sur la pièce un masque comportant une surface plane horizontale s'étendant au niveau de l'extrémité supérieure de la pièce, et une ouverture formée dans ladite surface plane horizontale et dont le contour suit celui de l'extrémité supérieure de la pièce, - déposer une couche mince de poudre métallique sur la surface plane horizontale du masque et sur l'extrémité supérieure de la pièce, - procéder à la fusion sélective de cette couche mince de poudre sur l'extrémité supérieure de la pièce au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, - déplacer le plateau et la pièce verticalement d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche mince de poudre métallique et répéter les opérations de dépôt d'une couche mince de poudre et de frittage ou de fusion de cette couche sur l'extrémité supérieure de la pièce, si nécessaire. Le rechargement par fusion sélective d'une poudre métallique ne génère pas de déformation particulière de la pièce et permet de recharger des zones de façon très précise. Aucun usinage de reprise, long et coûteux, n'est nécessaire. Le masque permet en outre de réduire la quantité de poudre nécessaire au rechargement et à la réparation de la pièce, la poudre étant uniquement disposée au dessus de la surface plane horizontale et non en dessous. Le masque protège enfin la pièce contre les éventuelles contaminations externes liées aux manipulations, au contact avec l'air, etc... Selon une caractéristique de l'invention, le contour de l'ouverture du masque suit le contour de l'extrémité supérieure de la pièce, avec un jeu inférieur à 0,5 mm, préférentiellement de l'ordre de 0,2 mm. Ce jeu permet de faciliter le montage du masque sur la pièce et peut être sensiblement nul. Il ne doit pas être trop important afin que la poudre ne s'écoule pas sous la surface horizontale plane du masque. Selon une autre caractéristique de l'invention, préalablement au positionnement et à la fixation de la pièce sur le plateau, la géométrie de la pièce est déterminée, de façon à en déduire la géométrie de la zone à réparer ou à recharger. La géométrie de la pièce à réparer ou à recharger peut être déterminée par photogrammétrie. Ce procédé est notamment décrit dans le document FR 2 940 443 et consiste à modéliser la géométrie en trois dimensions d'une pièce à partir de plusieurs images prises selon différents angles de vue. De préférence, l'extrémité supérieure de la pièce est chauffée avant le dépôt et la fusion de la première couche mince de poudre métallique, ce qui facilite l'adhésion de la poudre en fusion à la pièce. Après exécution des opérations précitées, la pièce portée par le plateau peut subir un traitement thermique de libération des contraintes. Ceci permet d'éviter une déformation de la pièce après qu'elle soit séparée du plateau. En outre, après retrait de la pièce du plateau, la pièce peut subir un traitement de finition, par exemple par tribofinition, et/ou un contrôle dimensionnel non destructif. De façon avantageuse, l'extrémité supérieure de la pièce à réparer ou à recharger est initialement usinée par surfaçage ou par rectification de 20 manière à réaliser une surface plane. Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau de la poudre peut être différent de celui de la pièce. De cette manière, il est possible d'adapter le matériau d'une zone de la pièce à sa fonction et aux contraintes mécaniques ou thermiques auxquelles ladite zone est exposée. 25 Sous un autre aspect de l'invention, le procédé est exécuté pour une construction complète, couche par couche, de la pièce et comprend un dépôt d'une couche mince de poudre métallique sur un support à surface plane horizontale et la fusion sélective de cette couche mince par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons, puis une répétition de ces 30 opérations jusqu'à la construction complète de la pièce, en procédant comme précité. Dans ce cas, il ne s'agit plus de réparer ou de recharger une zone ciblée d'une pièce, mais de la construire entièrement couche par couche. De préférence, chaque couche mince a une épaisseur comprise entre 10 et 150 pm. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de réparation ou de rechargement d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre, pour l'exécution du procédé selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues agrandies d'une partie de l'installation de la figure 1, illustrant deux étapes successives du procédé, - la figure 4 est une vue en perspective, de dessus, d'un plateau équipé de pièces et d'un masque, - la figure 5 est une vue en perspective d'une aube destinée à être réparée ou rechargée à l'aide du procédé selon l'invention. Une installation de réparation ou de rechargement d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre est représentée à la figure 1. Elle comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2 et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation par une tige 4 d'un vérin, et une cuve voisine 5 dont le fond est constitué par un plateau mobile 6, également déplaçable en translation par une tige 7 d'un vérin. L'installation comporte en outre un racleur 8 permettant d'amener de la poudre du réservoir 1 vers la cuve 5, par déplacement le long d'un plan horizontal A, et des moyens 9 de génération d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, couplés à un dispositif 10 commandé par ordinateur pour orienter et déplacer le faisceau 11. Comme indiqué précédemment, lors du fonctionnement de la turbomachine, certaines pièces sont soumises à des efforts, à des températures, voire à des frottements importants, générant des usures rapides et localisées. Ces pièces sont notamment des aubes 12, par exemple de soufflante ou de compresseur haute pression. Une aube 12 de structure classique est représentée à la figure 5 et comporte un pied 13 relié à une pale 14 par l'intermédiaire d'une plate-forme 15. La pale 14 comporte une cloison transversale 16 à son extrémité 17 opposée au pied 13. Le procédé de réparation ou de rechargement de plusieurs aubes 12 va maintenant être détaillé. Tout d'abord, les extrémités supérieures 17 des aubes 12 sont usinées par surfaçage ou par rectification de manière à obtenir une surface plane, propre, non oxydée et non contaminée. La géométrie de chaque aube a été déterminée, de façon à en déduire la géométrie de la zone à réparer ou à recharger et le positionnement de l'aube 12 par rapport au plateau 6. Pour des pièces de forme complexe, comme cela est le cas des aubes 12, la géométrie de l'aube usée est déterminée par photogrammétrie. Ce procédé est notamment décrit dans le document FR 2 940 443 et consiste à modéliser la géométrie en trois dimensions d'une pièce à partir de plusieurs images prises selon différents angles de vue. On en déduit alors par calcul le positionnement de l'aube 12 à adopter par rapport au plateau 6 ainsi que la géométrie de la zone de l'aube 12 à recharger ou à réparer. Pour des pièces de forme simple ou de géométrie connue, un contrôle géométrique peut être réalisé de façon à vérifier la concordance entre chaque pièce et son modèle théorique existant, puis la zone à réparer ou à recharger peut être déterminée en fonction du modèle existant. Pour cela, les pièces à réparer font l'objet d'une réparation dite "standard", lors de laquelle elles sont toutes usinées et préparées aux mêmes dimensions afin de pouvoir apposer par reconstruction la partie manquante, calculée à partir du modèle existant. Cette partie reconstruite est surdimensionnée et est reprise en usinage afin d'obtenir, au final, une pièce présentant la dimension voulue. Les aubes 12 sont ensuite positionnées sur le plateau 6, à l'aide de supports 18 de formes complémentaires à celle des pieds 13, de façon à ce que les surfaces planes d'extrémité soient horizontales et s'étendent sensiblement dans le plan A. Un masque 19 en tôle est ensuite monté dans la cuve 5, sur le plateau 6 et sur les aubes 12, ledit masque 19 comportant une surface plane horizontale 20 s'étendant au niveau de l'extrémité supérieure 17 des aubes 12 (plan A) et des ouvertures 21 formées dans ladite surface plane horizontale 19 et dont les contours suivent ceux des extrémités supérieures 17 des aubes 12. Les ouvertures 21 peuvent être réalisées par découpe laser, par électroérosion, par électrochimie, le masque 19 pouvant encore être réalisé par fonderie rapide, par prototypage en trois dimensions, ou par tout autre usinage conventionnel. Le contour de chaque ouverture 21 du masque 19 suit le contour de l'extrémité supérieure correspondante 17, avec un jeu de montage j (figure 2) inférieur à 0,5 mm, préférentiellement de l'ordre de 0,2 mm. Les extrémités supérieures 17 des aubes 12 sont ensuite chauffées, par exemple au moyen du faisceau laser 11 et/ou par préchauffage du plateau 6 et des aubes 12. L'ensemble est ensuite mis sous ambiance contrôlée ou sous vide, de façon à ne pas polluer les zones de rechargement des aubes 12. Le rechargement des aubes 12 est réalisé de la manière suivante. Tout d'abord, le fond 3 du réservoir 1 est déplacé vers le haut de manière à ce qu'une certaine quantité de poudre 2 soit située au-dessus du plan horizontal A. Le racleur 8 est déplacé de la gauche vers la droite, de manière à racler ladite couche de poudre 2 dans le réservoir 1 et déposer une couche mince de poudre métallique sur la surface plane horizontale du masque et sur les extrémités supérieures des aubes. La poudre repose notamment sur les parois transversales 16 des aubes 12. La quantité de poudre 2 et la position du plateau 6 sont 5 déterminées de façon à former une couche 22 de poudre d'une épaisseur choisie et constante (figure 3). Un faisceau laser ou un faisceau d'électrons 11, perpendiculaire au plan A, balaye ensuite une zone déterminée de la couche 12 formée dans la cuve 5, de manière à fusionner localement la poudre 2, sur l'extrémité 10 supérieure de chaque aube 12. Les zones fondues se solidifient de manière à former une première couche 23 de matière de rechargement, cette couche ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 10 à 150 pm. Plus particulièrement, la couche est comprise entre 10 et 40 pm, respectivement entre 50 et 150 pm, lorsque la poudre est fusionnée à l'aide 15 d'un faisceau laser, respectivement à l'aide d'un faisceau d'électrons. Les couches minces sont privilégiées car elles permettent d'améliorer la rugosité. Le plateau 6 est alors descendu puis une seconde couche de poudre 2 est amenée, de la même manière que précédemment, sur la 20 première couche de poudre. Par déplacement contrôlé du faisceau 11, une seconde couche de la pièce métallique est formée sur la première couche 13. Ces opérations sont répétées jusqu'au rechargement ou la réparation complète des aubes 12. Les couches présentent sensiblement la 25 même épaisseur. Dans le cas où les aubes 12 sont construites couche par couche par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau laser, la poudre 2 présente une taille de grain moyenne comprise entre 10 et 40 µm. Dans le cas où les aubes 12 sont construites couche par couche 30 par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau d'électrons, la poudre 2 présente une taille de grain moyenne comprise entre 50 et 100 µm. Le masque 19 est ensuite retiré, puis les aubes 12, les supports 18 et le plateau 6 subissent un traitement thermique de libération des contraintes consistant à chauffer l'ensemble pendant une période de temps déterminée. Les aubes 12 sont ensuite retirées de leur support 18 puis elles subissent un traitement de finition, par exemple de tribofinition, et un contrôle dimensionnel non destructif. Le matériau de la poudre 2 peut être identique, proche ou différent de celui des aubes 12 à recharger, en fonction des applications visées. Ce procédé peut également être utilisé afin de réaliser entièrement une pièce. Dans ce cas, le procédé décrit ci-dessus est exécuté pour une construction complète, couche par couche, de la pièce, et comprend un dépôt d'une couche mince de poudre métallique sur un support à surface plane horizontale et la fusion sélective de cette couche mince par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons, puis une répétition de ces opérations jusqu'à la construction complète de la pièce, en procédant comme précité. REVENDICATIONS1. Procédé de réparation ou de rechargement d'au moins une pièce métallique (12), caractérisé en ce qu'il consiste à : - positionner et fixer la pièce (12) sur un plateau (6), la pièce (12) comportant une extrémité supérieure (17) dont la surface est plane et horizontale, - positionner sur le plateau (6) et sur la pièce (12) un masque (19) comportant une surface plane horizontale (20) s'étendant au niveau de l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12), et une ouverture (21) formée dans ladite surface plane horizontale et dont le contour suit celui de l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12), - déposer une couche mince (22) de poudre métallique (2) sur la surface plane horizontale (20) du masque (19) et sur l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12), - procéder à la fusion sélective de cette couche mince (22) de poudre (2) sur l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12) au moyen d'un faisceau laser (11) ou d'un faisceau d'électrons, - déplacer le plateau (6) et la pièce (12) verticalement d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche mince (22) de poudre métallique (2) et répéter les opérations de dépôt d'une couche mince de poudre (2) et de frittage ou de fusion de cette couche sur l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12), si nécessaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour de l'ouverture (21) du masque (19) suit le contour de l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12), avec un jeu (j) inférieur à 0,5 mm, préférentiellement de l'ordre de 0,2 mm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, préalablement au positionnement et à la fixation de la pièce (12) sur le plateau (6), la géométrie de la pièce (12) est déterminée, de façon à en déduire la géométrie de la zone à réparer ou à recharger. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la géométrie de la pièce (12) à réparer ou à recharger est déterminée par photogrammétrie. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12) est chauffée avant le dépôt et la fusion ou le frittage de la première couche mince (22) de poudre métallique (2). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, après exécution des opérations précitées, la pièce (12) portée par le plateau (6) subit un traitement thermique de libération des contraintes. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, après retrait de la pièce (12) du plateau (6), la pièce (12) subit un traitement de finition et/ou un contrôle dimensionnel non destructif. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure (17) de la pièce (12) à réparer ou à recharger est initialement usinée par surfaçage ou par rectification de manière à réaliser une surface plane. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau de la poudre (2) est différent de celui de la pièce (12). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est exécuté pour une construction complète, couche par couche, de la pièce (12), et comprend un dépôt d'une couche mince (22) de poudre métallique (2) sur un support à surface plane horizontale et la fusion sélective de cette couche mince (22) par un faisceau laser (11) ou un faisceau d'électrons, puis une répétition de ces opérations jusqu'à la construction complète de la pièce (12), en procédant comme précité. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque couche mince a une épaisseur comprise entre 10 et 150 pm.30