Brevet FR2982782A1 — publié le 20130524

PROCEDE DE REPARATION DE PIECES METALLIQUES DE TURBOMACHINE REALISEES EN SL?ERALLIACE A BASE NICKEL OU B:SE COBALT AU MOYEN D'UN PROCEDE MIG AVEC COURANT ET FIL D'APF:.:U PULSES. DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines et des pièces métalliques en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt, et notamment des aubages de turbine haute pression, qui les composent. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de réparation d'aube de turbine au moyen d'un procédé MIG (pour Metal Inert Gaz). ETAT DE LA TECHNIQUE Classiquement, les aubes, ou ailettes, de turbine haute pression d'une turbomachine sont réalisées en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt à structure monocristalline ou à solidification dirigée afin de pouvoir résister aux hautes températures et aux contraintes thermomécaniques importantes auxquelles elles sont soumises pendant le fonctionnement de la turbomachine. En effet, les aubes de turbine sont montées avec un jeu aussi faible que possible par rapport à l'anneau de stator de la turbine de manière à assurer une bonne étanchéité. Les frottements lors du fonctionnement sont inévitables et entraînent alors une usure du sommet des aubes qui peut également générer des criques réparties de façon aléatoire sur la pale de l'aube. Lorsque les dommages atteignent un certain seuil, il est nécessaire de remplacer ces pièces afin de garantir le bon fonctionnement des turbines. Cependant, étant donné le coût de fabrication d'une telle aube, il est plus avantageux de les réparer. La réparation de ces aubes lorsqu'elles présentent des défauts de type crique, des défauts ponctuels, ou une usure du sommet, est réalisée au moyen d'un procédé connu sous le sigle SWET (pour Superalloys Welded at Elevated Temperature en langue anglaise). Ce procédé consiste à préchauffer localement (par induction) ou totalement (par lampes à quartz) la pièce à réparer puis à la recharger en métal d'apport. Le rechargement est effectué généralement manuellement par soudage TIG (pour Tungstene Inert Cas en langue anglaise), ou encore par mini plasma, avec un apport de métal sous forme de baguette. Le soudage TIG est un procédé de soudage à l'arc avec une électrode non fusible, sous atmosphère gazeuse. Cette technique peut être utilisée avec du métal d'apport notamment pour la construction ou le rechargement de pièces 15 métalliques. Le préchauffage de la pièce permet de réduire les forts gradients thermiques engendrés par le procédé de soudage et ainsi palier à l'apparition de fissurations, les superalliages y étant particulièrement sensibles. Cette opération implique de travailler en boîte argon pour éviter les risques 20 d'oxydation. La réussite de la réparation dépend fortement de l'habilité de l'opérateur et le taux de retouche est parfois important. Cependant, cette étape de préchauffage, notamment au moyen d'un inducteur, nécessite un positionnement précis de la pièce à réparer dans l'inducteur, complique l'accès à la pièce pour le rechargement manuel de 25 l'opérateur par l'encombrement de l'inducteur, et rend l'automatisation très complexe à mettre en oeuvre du fait que le système ne puisse se mouvoir rapidement, notamment par la présence d'une circulation d'eau de refroidissement dans l'inducteur. Selon une autre technique on met en oeuvre des procédés à haute énergie tels que le laser ou encore le plasma pour réaliser le rechargement. Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un procédé de réparation de pièces métalliques de turbomachine réalisées en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt permettant d'améliorer les conditions de travail de l'opérateur et de rendre possible l'automatisation d'un tel procédé de réparation, tout en diminuant les coûts de mise en oeuvre. A cette fin, l'invention propose un procédé de réparation d'une pièce métallique de turbomachine réalisée en superalliage à base Nickel (Ni) ou à base Cobalt (Co) et présentant au moins un défaut caractérisé en ce qu'il comporte une étape de rechargement dudit au moins un défaut, sans étape préalable de préchauffage, au moyen d'un appareillage de soudage MIG comportant un générateur de courant pulsé et un débit de fil de métal d'apport pulsé. Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'effectuer une réparation d'une pièce en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt sensible aux gradients thermiques en minimisant l'apport énergétique lors du rechargement de matière. Ce procédé MIG à courant et à fil pulsés qui est un perfectionnement du procédé de soudage appelé CMT (Cold Metal Transfert, en langue anglaise) est décrit de façon plus détaillée dans la demande de brevet FR2931714. Le procédé MIG à courant et à fil pulsés permet de travailler à des températures plus froides que les températures de travail des autres procédés à l'arc ce que permet de pouvoir s'affranchir de l'étape de préchauffage de la pièce. De plus, l'utilisation d'un procédé parfaitement contrôlable comme le procédé MIG permet de faciliter la répétabilité de réalisation des conditions de rechargement et par conséquent de faciliter l'automatisation de la réparation des pièces métalliques en superalliage à base Nickel ou Cobalt, telles que des aubes de turbine haute pression. Le procédé particulier selon l'invention a également pour avantage de pouvoir déposer des volumes de matière importants tout en minimisant la zone d'affectation thermique de la pièce et donc sa fragilisation. Ainsi, le procédé selon l'invention peut être utilisé avantageusement pour le rechargement de pièces de faible épaisseur. Le procédé de rechargement selon l'invention peut également comporter une étape de traitement thermique post-rechargement de manière à améliorer les caractéristiques mécaniques de la partie rechargée. Grâce au traitement thermique, la pièce rechargée comporte des caractéristiques mécaniques sensiblement identiques à la pièce d'origine. Le cycle thermique a pour objectif de dissoudre les précipités (recuit de mise en solution) puis de les refaire précipiter de façon homogène et contrôlée (revenu de précipitation) de manière à améliorer la tenue mécanique de la partie rechargée. Le procédé de réparation selon l'invention est particulièrement destiné à la construction d'un volume de matière sur un substrat (i.e. sur une pièce d'origine). Le procédé de réparation d'une pièce métallique de turbomachine réalisée en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - préalablement à ladite étape de rechargement, le procédé comporte une étape d'usinage des défauts ; - préalablement à ladite étape d'usinage, le procédé comporte une étape de préparation de ladite pièce métallique à réparer, ladite étape de préparation consistant à un sablage et/ou à une désalumination ; - ledit procédé de réparation comporte une étape de traitement thermique du métal rechargé de manière à optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce métallique rechargée ; - ledit procédé de réparation comporte une étape d'usinage dudit métal rechargé de façon à réaliser la géométrie finale de ladite pièce métallique à réparer ; - ladite pièce métallique est une aube de turbine haute pression de turbomachine ; - ledit défaut est une crique usinée, une crique débouchante non usinée, une paroi de sommet d'aube ou un défaut ponctuel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbine de turbomachine présentant des défauts à réparer ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une aube de turbine de turbomachine présentant des défauts usinés ; - la figure 3 représente une partie d'une aube qui a été réparé selon le procédé de réparation selon l'invention. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire. Le procédé de réparation, selon l'invention, trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la réparation des aubes de turbine haute pression de turbomachine. Ainsi, un exemple de mise en oeuvre du procédé de réparation selon l'invention va être décrit ci-dessous pour la réparation d'une aube de turbine 2 982 782 6 haute pression d'une turbomachine. Dans la suite de la présente demande, les termes employés suivants sont compris comme suit : - le terme réparation inclut la réparation de pièces usagées ainsi que la 5 réparation de pièces neuves pouvant présenter des défauts de structure ou des inclusions de matière céramique ; - le terme rechargement désigne le dépôt de matière en fusion avec formation de strates successives permettant de réaliser un volume de matière ; 10 - le terme défaut désigne au moins l'un des défauts suivants : une crique sur la pièce, un manque de matière au sommet de l'aube, sur le bord de fuite ou sur une autre zone, un défaut ponctuel dû à une inclusion de céramique en fabrication. La figure 1 représente une aube mobile de turbine 10 d'un étage haute 15 pression. L'aube 10 est formée par une pale 12, une plateforme 13 et un pied 14 pour son montage sur une jante d'un disque de turbine (non représenté). A l'extrémité supérieure de la pale 12, l'aube 10 comporte des parois d'étanchéité 15 délimitant une zone formant une baignoire en son sommet. Ces parois d'étanchéité 15 coopèrent avec un anneau de turbine (non 20 représenté) de manière à ce que les gaz moteurs ne contournent pas la pale. Des orifices 16 pour le passage d'un fluide de refroidissement sont ménagés à proximité du bord d'attaque et du bord de fuite de la pale 12 de l'aube 10. Lors du fonctionnement de la turbomachine, les aubes subissent des contraintes thermomécaniques importantes occasionnant différents 25 dommages sur la pale 12. La figure 1 représente différents défauts pouvant apparaître après de nombreuses heures de fonctionnement. Ainsi, l'aube 10 peut présenter une usure 15a des parois d'étanchéité 15, des criques radiales 15b situées sur l'intrados ou l'extrados, des criques 15c sur la paroi de fond de la baignoire, des criques 12a parallèles à la direction du flux gazeux notamment sur la face intrados de la pale 12. Préalablement à l'étape de rechargement de matière qui sera décrite par la suite, l'aube de turbine 10 doit être préparer. La première étape du procédé de réparation selon l'invention consiste donc à réaliser un nettoyage, un sablage et une désalumination dans des bains d'acide afin d'enlever les différents revêtements de surface. La deuxième étape du procédé de réparation est une étape d'usinage des défauts 15a, 15b, 15c, 12a de l'aube de manière à les ouvrir et à permettre un dépôt satisfaisant de métal de rechargement. Cette étape d'usinage peut être réalisée manuellement par exemple au moyen d'une fraise à boule ou automatiquement au moyen d'un procédé d'électroérosion, également appelé EDM (pour Electrical Discharge Machinig en langue anglaise). La figure 2 illustre différents défauts usinés 12u1, 12u2 et 12u3. La troisième étape du procédé de réparation est une étape de rechargement des défauts usinés préalablement 12u1, 12u2 et 12u3 par un rechargement massif de matière (ou de métal d'apport), au moyen d'un procédé de soudage par arc du type MIG (pour « Metal Inert Gaz ») à courant pulsé et à débit de fil d'apport pulsé. Le rechargement de matière est réalisé par superposition de cordons de matière métallique (ou de métal d'apport), de sections importantes. Le nombre de passes, c'est-à-dire le nombre de cordons de matière à appliquer, est déterminé en fonction de la hauteur de matière désirée ainsi que de la largeur des cordons définis. Le procédé de soudage MIG permet de construire ou de reconstruire des parties de pièces grâce à un taux de dépôt important sous la forme de cordons de sections importantes. La longueur et la largeur des cordons du rechargement sont définies par l'opérateur en fonction du débit du fil et des paramètres de soudage (vitesse, intensité...). Le métal d'apport utilisé est un métal d'apport de nuance de superalliage identique ou différent du superalliage de l'aube de turbine à réparer. Le procédé de rechargement par soudage MIG permet de travailler à des températures plus froides que les températures de travail des autres procédés à l'arc. Ainsi, le procédé selon l'invention favorise le refroidissement rapide du cordon et induit par conséquent un gradient de température faible dans la pièce ainsi qu'un faible temps de maintien dans l'intervalle de fragilité (BTR pour Brittle Temperature Range en langue anglaise). Le procédé de réparation comporte également une quatrième étape, optionnelle, de traitement thermique. Le traitement thermique permet d'avoir des caractéristiques mécaniques des zones rechargées identiques à la pièce d'origine si les caractéristiques mécaniques des zones rechargées ne sont pas suffisantes par rapport aux sollicitations de la pièce. En revanche, pour une application du procédé de réparation des sommets d'aubes de turbine haute pression il n'est pas nécessaire de réaliser un traitement thermique. Le procédé de réparation selon l'invention a été décrit principalement pour une utilisation de type réparation d'une aube de turbine de turbomachine. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. A titre d'exemple, le procédé selon l'invention pourrait également être utilisé pour la réparation d'autres pièces d'une turbomachine réalisées en superalliage à base Nickel ou à base Cobalt. L'invention a été principalement décrite pour la réparation d'une aube de turbine usagée ; toutefois, l'invention est également applicable à une aube de turbine neuve comportant des défauts de structure ou des inclusions de REVENDICATIONS1. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine réalisée en superalliage à base Nickel (Ni) ou à base Cobalt (Co) et présentant au moins un défaut (15a, 15b, 15c) caractérisé en ce qu'il comporte une étape de rechargement dudit au moins un défaut (15a, 15b, 15c), sans étape préalable de préchauffage de ladite pièce (10), au moyen d'un appareillage de soudage MIG comportant un générateur de courant pulsé et un débit de fil de métal d'apport pulsé. 2. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon la revendication précédente caractérisé en ce que préalablement à ladite étape de rechargement, le procédé comporte une étape d'usinage des défauts (15a, 15b, 15c). 3. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon la revendication précédente caractérisé en ce que préalablement à ladite étape d'usinage, le procédé comporte une étape de préparation de ladite pièce métallique (10) à réparer, ladite étape de préparation consistant à un sablage et/ou à une désalumination. 4. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit procédé de réparation comporte une étape de traitement thermique du métal rechargé de manière à optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce métallique (10) rechargée. 5. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que leditprocédé de réparation comporte une étape d'usinage dudit métal rechargé de façon à réaliser la géométrie finale de ladite pièce métallique (10) à réparer. 6. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite pièce métallique (10) est une aube de turbine haute pression de turbomachine. 7. Procédé de réparation d'une pièce métallique (10) de turbomachine selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit défaut (15a, 15b, 15c) est une crique usinée, une crique débouchante non usinée, une paroi de sommet d'aube ou un défaut ponctuel.