Brevet FR2981867A1 — publié le 20130503

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE METALLIQUE POUR TURBOREACTEUR D'AERONEFS DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique utilisée dans les turboréacteurs d'aéronefs. Sans être limitatif, la pièce métallique considérée est avantageusement par exemple une turbine haute pression, ou une turbine basse pression de turboréacteur ; mais le procédé selon l'invention peut s'appliquer à toute pièce métallique présentant des parties fines, avec une épaisseur ne dépassant pas quelques millimètres, associées avec des parties plus épaisses, présentant une épaisseur de quelques centimètres. Le domaine technique de l'invention est donc, d'une façon générale, celui des moteurs d'aéronef, et plus particulièrement celui de la fabrication de pièces métalliques formant lesdits moteurs. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Un procédé particulier est privilégié pour fabriquer aujourd'hui certaines pièces métalliques pour les turboréacteurs d'aéronefs ; il réside dans un procédé par fusion sélective d'une poudre au moyen d'un faisceau dirigé, de type faisceau laser ou faisceau d'électrons. Un tel procédé est connu sous les noms de Direct Metal Laser Sintering, Selective Laser Melting ou Electron Beam Melting. Un tel procédé consiste à fabriquer une pièce métallique par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser ou au moyen d'un faisceau d'électrons commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser. De façon pratique, on dispose dans une cuve dont le fond est formé par un plateau mobile en translation, une première couche de poudre à l'aide d'un racleur ou d'un rouleau. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface du plateau et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser ou le faisceau d'électrons. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la pièce métallique. Après formation de cette première couche, le plateau est descendu d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche, puis une seconde couche de poudre est amenée par le racleur sur la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de la pièce métallique est formée à l'aide du faisceau. Ces opérations sont répétées jusqu'à fabrication complète de la pièce. Un tel procédé de fabrication permet d'écourter de manière significative les temps et les coûts de développement des pièces métalliques ainsi fabriquées. Cependant, pour les pièces métalliques présentant des parties d'épaisseur relativement importantes, un tel procédé de fabrication demeure lent : en effet, chacune des différentes couches successives présente une épaisseur comprise 10 entre vingt et cent micromètres, et le nombre de passages de la source énergétique de type faisceau laser ou faisceau d'électrons est donc élevé. La durée de fabrication de certaines pièces, par exemple les sections de turbines haute pression et/ou basse pression est ainsi tributaire de paramètres tels que la vitesse de balayage du faisceau, sa puissance, l'épaisseur de chacune des 15 couches superposées, le taux de recouvrement des passages du laser... Cette durée de fabrication peut ainsi atteindre quatre-vingt cinq heures. Par ailleurs, un bain liquide se forme lors de l'interaction entre le faisceau laser ou à électrons et le lit de poudre ; ce bain liquide est, au cours du processus de fabrication, relativement agité, et il est fréquent que des particules ou éjections 20 soient éjectées dudit bain liquide. Ces particules ou éjections retombent alors sur la surface qui doit subir le passage suivant du faisceau, ce qui peut être à l'origine de défauts de fabrication, défauts susceptibles de directement impacter la tenue mécanique de la pièce. De telles éjections sont favorisées par un nombre important de passage du faisceau sur une même zone. 25 Afin de tenter d'apporter une solution aux problèmes qui viennent d'être évoqués, on a proposé différentes solutions dans l'état de la technique. Une première solution réside dans la fabrication des pièces métalliques par usinage à partir d'un bloc de matière ; mais dans le cadre du développement de ces pièces, au cours duquel leur géométrie est susceptible d'être fréquemment 30 modifiée, une telle solution n'est pas adaptée ; il serait en effet alors nécessaire d'adapter, pour chacune des pièces considérées, notamment le cycle d'usinage et les outils de positionnement de la pièce. Une seconde solution consiste à fabriquer la pièce par fonderie. Une telle solution peut s'avérer intéressante uniquement pour des pièces réalisées en grand nombre, car le moule à utiliser est très coûteux. Une telle solution n'est absolument pas rentable dans le cadre du développement d'un turboréacteur au cours duquel la géométrie des pièces considérées peut constamment évoluer. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'objet de l'invention offre une solution aux problèmes qui viennent d'être exposés, en proposant un procédé de fabrication de pièces métalliques faisant intervenir partiellement une technique de fusion sélective par faisceau laser ou par faisceau d'électrons, tout en limitant l'utilisation de cette technique pour s'affranchir des principaux défauts qu'elle était susceptible de présenter, notamment une grande lenteur de fabrication de la pièce, et le risque d'apparition de défauts mécanique sur la pièce fabriquée dus à la présence d'éjection lors du passage du faisceau sur la poudre. En outre, le procédé selon l'invention est peu coûteux à mettre en oeuvre, y compris pour des pièces dont la géométrie au cours d'un processus de développement est susceptible d'évoluer relativement fréquemment. L'invention concerne ainsi essentiellement un procédé de fabrication d'une pièce métallique, ladite pièce comportant notamment un premier ensemble d'éléments présentant une épaisseur faible, et un deuxième ensemble d'éléments présentant une épaisseur importante, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes consistant à : - former une partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments par fusion sélective d'une poudre par balayage de la surface de la couche de poudre avec un faisceau laser ou avec un faisceau d'électrons ; - utiliser la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments comme un moule en réalisant une opération de remplissage, avec du métal liquide, d'une zone intérieure limitée par ladite partie périphérique; - refroidir la pièce métallique pour rendre solide la zone intérieure, limitée par la partie périphérique, remplie de métal. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles : - le procédé comporte l'étape supplémentaire consistant à former les éléments du premier ensemble d'éléments par fusion sélective d'une poudre par balayage de la surface de la couche de poudre avec le faisceau laser ou avec le faisceau d'électrons ; - l'étape consistant à former la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments et l'étape consistant à former les éléments du premier ensemble d'éléments sont réalisées avant l'opération de remplissage de la zone intérieure limitée par la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments ; - la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments formée par fusion sélective de poudre définit un volume ouvert ; - la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments formée par fusion sélective de poudre définit un volume fermé présentant au moins un orifice ; - le procédé comporte l'étape supplémentaire consistant à, préalablement à l'opération de remplissage de la zone intérieure limitée par la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments, retirer la poudre non utilisée lors de l'étape de formation de la partie périphérique des éléments du deuxième ensemble d'éléments par fusion sélective de ladite poudre ; - les éléments du deuxième ensemble d'éléments sont des plateformes 25 d'une turbine de compresseur de turbomachine pour aéronefs, et les éléments du premier ensemble d'éléments sont des pales formant rayons de raccordement entre lesdites plateformes. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - à la figure 1, une vue schématique d'une installation permettant de réaliser une opération de fusion sélective de poudre ; - à la figure 2, un exemple de pièce métallique réalisable par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; à la figure 3, une représentation de la pièce métallique de la figure 2 dans une première étape de fabrication par le procédé selon l'invention ; - à la figure 4, une représentation de la pièce métallique de la figure 2 dans une deuxième étape de fabrication par le procédé selon l'invention. 15 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Une installation de fabrication d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre est représentée à la figure 1. Une telle installation est avantageusement utilisée pour la mise en ouvre du procédé selon l'invention, pour 20 la fabrication d'éléments de faible épaisseur présents dans la pièce considérée. L'installation représentée 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 25 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 permettant d'orienter et de déplacer le faisceau 11. Les étapes de fabrication d'une pièce métallique à l'aide de cette 30 installation sont les suivantes. 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 alors déplacé de la gauche vers la droite, de manière à racler ladite couche de poudre 2 issue du réservoir 1 et l'amener dans la cuve 5. La quantité de poudre 2 et la position du plateau 6 sont déterminées de façon à former une couche 12 de poudre d'une épaisseur choisie et constante. Un faisceau laser ou un faisceau d'électrons 11 balaye ensuite une zone déterminée de la couche 12 formée dans la cuve 5, de manière à fusionner localement la poudre 2, dans la zone balayée. Les zones fondues se solidifient de manière à former une première couche 13 de la pièce à fabriquer, cette couche 13 ayant par exemple une épaisseur de 20 à 100 pm (micromètres). Le plateau 6 est alors descendu puis une seconde couche de poudre 2 est amenée, de la même manière que précédemment, sur la 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'à la réalisation complète de la pièce. Dans le cas où la pièce est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau laser, la poudre 2 présente une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 50 pm. Dans le cas où la pièce est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre 2 à l'aide d'un faisceau d'électrons, la poudre 2 présente une granulométrie moyenne comprise entre 50 et 100 pm. La figure 2 montre un exemple de pièce métallique 200 fabricable par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La pièce métallique 200 est dans l'exemple représenté une portion d'une turbine basse pression d'un turboréacteur d'aéronef. Le procédé selon l'invention est toutefois susceptible de s'appliquer à toute pièce métallique présentant des éléments de faible épaisseur et des éléments d'épaisseur importante. D'une manière générale, on désigne par l'expression "pièce de faible épaisseur" une pièce présentant une épaisseur de quelques centaines de micromètres, typiquement comprise entre 0,3 et 4 millimètres. Les éléments d'épaisseur importante sont alors les éléments présentant une épaisseur supérieure à 4 millimètres. La pièce métallique 200 présente ainsi une première virole 201, dite virole externe, et une deuxième virole 202, dite virole interne, la première virole 201 et la deuxième virole 202 formant des plateformes reliées entre elles par des pales 203 formant rayon de raccordement entre les plateformes. Dans le procédé selon l'invention, on propose de fabriquer par fusion sélective, par exemple selon le procédé décrit à la figure 1, d'une part les parties peu épaisses de la pièce métallique 200 - ici les pales 203 - et d'autre part une partie périphérique 301, visible aux figures 3 et 4, dite peau, des parties plus épaisses - ici les viroles 201 et 202. La pièce est ainsi fabriquée dans son intégralité, par des passages successifs d'un faisceau laser ou d'un faisceau à électrons, mais ces passages ne sont réalisés qu'aux endroits formant la peau 301 ; le volume intérieur à la peau ainsi créé est rempli de poudre non transformée par le passage du faisceau. La peau 301 présente alors une épaisseur de quelques millimètres, typiquement 2 à 4 millimètres sur le contour des parties épaisses de la pièce. Les figures 3 et 4 montrent différentes étapes de la fabrication de la peau 301, qui est faite simultanément à la fabrication des pales 203 selon le procédé illustré à la figure 1. Une fois la peau achevée, on procède à une opération de vidage de la poudre non solidifiée par le passage du faisceau. Cette opération est réalisée en retirant la poudre par une face de chaque virole non fermée par une partie rendue solide suite au passage du faisceau, ou alors par des ouvertures laissées présentes dans le cas où la peau 301 forme un volume fermé. Suit ensuite une étape de remplissage d'un volume intérieur 302 laissé vide, délimité par la peau. Le remplissage est réalisé au moyen de métal porté à une température suffisante pour qu'il soit sous forme liquide, soit par la face non fermée de chaque virole, soit par les ouvertures laissées présentes dans le cas où la peau 301 forme un volume fermé. La peau 301 sert alors de moule, ou de bac de rétention. Elle est complétée jusqu'à ce que le volume intérieur 302 soit totalement comblé. La peau 301 fera partie intégrante de la pièce finale 200. On fait alors refroidir la pièce 200, par exemple en la laissant reposer à température ambiante ; le métal liquide se solidifie alors, pour former un ensemble compact. Le procédé selon l'invention permet d'utiliser les avantages de la technique de fusion sélective par laser ou par faisceau d'électrons (avec une grande flexibilité d'utilisation et la non nécessité d'un outillage spécifique), et les avantages de la fonderie (avec une rapidité de solidification, une facilité de remplissage et un coût de fabrication faible) tout en n'étant pas confronté aux inconvénients de ces deux techniques, à savoir, pour la technique de fusion sélective, un temps de balayage trop important pour les fortes sections massives et le risque de créer des défauts à cause des éjections provenant du bain liquide, et pour la fonderie, la nécessité de fabriquer un moule pour chaque configuration et géométrie de pièce métallique. La durée et les coûts de fabrication sont ainsi réduits. Dans un exemple de réalisation, les matériaux utilisés pour ce type de pièces sont généralement des superalliages base nickel, comme le René 77, l'IN100, le DS200 ou l'AMI.15 REVENDICATIONS1 - Procédé de fabrication d'une pièce métallique (200), ladite pièce (200) comportant notamment un premier ensemble d'éléments (203) présentant une épaisseur faible, et un deuxième ensemble d'éléments (201 ; 202) présentant une épaisseur importante, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes consistant à : - former une partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments par fusion sélective d'une poudre par balayage de la surface de la couche de poudre avec un faisceau laser ou avec un faisceau d'électrons ; - utiliser la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments comme un moule en réalisant une opération de remplissage, avec du métal liquide, d'une zone intérieure (302) limitée par ladite partie périphérique (301) ; - refroidir la pièce métallique (200) pour rendre solide la zone intérieure (302), limitée par la partie périphérique (301), remplie de métal. 2- Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire consistant à former les éléments (203) du premier ensemble d'éléments par fusion sélective d'une poudre par balayage de la surface de la couche de poudre avec le faisceau laser ou avec le faisceau d'électrons. 3- Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape consistant à former la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments et l'étape consistant à former les éléments (203) du premier ensemble d'éléments sont réalisées avant l'opération de remplissage de la zone intérieure (302) limitée par la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments. 2 98186 7 10 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments formée par fusion sélective de poudre définit un volume ouvert. 5 5- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments formée par fusion sélective de poudre définit un volume fermé présentant au moins un orifice. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire consistant à, préalablement à l'opération de remplissage de la zone intérieure (302) limitée par la partie périphérique (301) des éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments, retirer la poudre non utilisée lors de l'étape de formation de la partie périphérique (301) des éléments (203) du deuxième ensemble d'éléments par 15 fusion sélective de ladite poudre. 7- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments (201 ; 202) du deuxième ensemble d'éléments sont des plateformes d'une turbine de compresseur de turbomachine pour aéronefs, et en ce que les éléments (203) du premier ensemble d'éléments sont 20 des pales formant rayons de raccordement entre lesdites plateformes.