Brevet FR2981590A1 — publié le 20130426

Procédé de réalisation d'une préforme frittée et d'assemblage de ladite préforme sur une pièce La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une préforme frittée et d'assemblage de ladite préforme sur une pièce, telle par exemple qu'une aube de turbomachine. Les aubes de turbomachine, notamment les aubes de turbine, sont soumises à de fortes contraintes de température et de pression, et à des phénomènes d'érosion ou d'usure qui engendrent des endommagements. Ceux-ci peuvent se traduire sous diverses formes, notamment sous la forme d'un manque de matière en sommet d'aube. Ces aubes peuvent être réparées par ajout de matière afin que l'aube réparée retrouve ses dimensions d'origine. Le procédé de réparation utilisé classiquement pour les aubes de turbine par exemple consiste à supprimer les défauts par usinage, à recharger l'aube au niveau des zones usinées par soudage, par exemple par soudage plasma déconfiné avec apport de fils ou par rechargement laser (Laser Metal Deposition ou LMD), et à usiner l'aube obtenue afin de retrouver le profil voulu, par exemple par électroérosion (Electrical Discharge Machining ou EDM) et/ou par polissage. L'aube subit également une opération de détensionnement thermique visant à libérer les contraintes. Un tel procédé de réparation comporte des étapes manuelles engendrant une relative variabilité dans les dimensions des pièces obtenues, la qualité de la réparation étant dépendante notamment de l'opérateur ayant effectué ces étapes. En outre, les aubes à réparer sont souvent réalisées dans des matériaux monocristallins qui peuvent se fissurer lorsqu'ils sont soumis à de telles opérations de rechargement ou de détensionnement. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. L'invention s'applique également à la réalisation de pièces neuves. En particulier, les aubes de turbine doivent présenter une bonne tenue au frottement à chaud en sommet d'aube et une bonne tenue au fluage dans d'autres zones de l'aube. Afin d'améliorer la tenue des aubes à différents types de contraintes, il peut être utile de réaliser une préforme frittée et d'assembler ladite préforme sur une aube. La préforme peut alors présenter, après assemblage sur l'aube, des caractéristiques mécaniques différentes de celles de l'aube, en particulier une bonne tenue au frottement à chaud. L'invention propose ainsi un procédé de réalisation d'une préforme frittée et d'assemblage de ladite préforme sur une pièce, telle par exemple qu'une aube de turbomachine, comportant les étapes consistant à réaliser une préforme par frittage d'une poudre métallique puis à assembler ladite préforme sur la pièce, caractérisé en ce que, lors de l'assemblage, la préforme est appliquée contre une surface de la pièce et soumise à une pression déterminée, la préforme et la pièce étant traversées par un courant continu pulsé. Le frittage flash ou Spark Plasma Sintering (SPS) est un procédé consistant à compacter une poudre et à la soumettre à un courant continu pulsé, le courant qui traverse la poudre générant de la chaleur. La chaleur n'est ainsi pas apportée par une source de chaleur externe. Ce même procédé est appliqué dans l'invention pour réaliser l'assemblage de la préforme frittée et de la pièce. Afin d'éviter des confusions, on parlera dans ce qui suit de frittage flash pour désigner le procédé utilisant l'application d'une pression déterminée et d'un courant continu pulsé afin de fritter une poudre pour former par exemple une préforme. On parlera en outre d'assemblage à l'aide du procédé SPS pour désigner le procédé utilisant l'application d'une pression déterminée et d'un courant continu pulsé afin d'assembler une préforme déjà frittée à une pièce. Dans le cas de l'invention, l'échauffement de la poudre et de la pièce traversées par le courant continu pulsé permet de réaliser l'assemblage ou le soudage de la préforme à la pièce en faisant intervenir un mécanisme de diffusion, sans risquer de provoquer des fissures dans la pièce même si celle-ci est réalisée dans un matériau sensible à la fissuration, tel par exemple qu'un matériau monocristallin, et sans provoquer de recristallisation du substrat. Ce procédé d'assemblage est automatisé, le contrôle des paramètres du procédé SPS, tels par exemple que l'intensité du courant parcourant la préforme et la pièce, permettant de contrôler la qualité du soudage obtenu. En particulier, il est possible de contrôler le gradient thermique ainsi que la température maximale vue par la pièce afin d'éviter toute recristallisation d'une pièce monocristalline. En outre, les opérations d'usinage ultérieures, visant à redonner à la pièce ses dimensions et sa géométrie d'origine, sont considérablement limitées, aucune opération de libération des contraintes n'étant en outre nécessaire. De préférence, la préforme est réalisée par frittage d'une poudre métallique, tel par exemple qu'une poudre à base d'un métal de type 20 René142, X40 (KC25NW) et/ou Astroloy (NK17 CDAT). Selon une première forme de réalisation de l'invention, la préforme frittée est réalisée par moulage par injection de poudre métallique, lors duquel une charge d'alimentation ou feedstock, composée d'un mélange d'une poudre métallique et d'un liant à base de polymère, est injectée dans 25 un moule, la préforme moulée subissant ensuite une étape de déliantage lors de laquelle le liant est éliminé de la préforme, puis une étape de frittage lors de laquelle la préforme, constituée d'un empilement dense de poudre, est consolidée par un traitement thermique dans un four. Le moulage par injection de poudre métallique (Metal Injection 30 Molding ou MIM) comporte classiquement quatre étapes principales : préparation du feedstock, injection, déliantage et frittage. Le liant polymère permet l'injection du feedstock dans le moule et a pour rôle de véhiculer la poudre dans le moule durant la mise en forme. Les préformes frittées à l'aide d'un tel procédé ont une densité comprise entre 98 et 99,5 %. Avantageusement, le déliantage de la préforme comporte une étape de déliantage à l'aide d'un solvant non toxique, tel par exemple que de l'eau, et une étape de déliantage thermique sous atmosphère contrôlée, telle par exemple que de l'argon hydrogéné. Le déliantage à l'aide d'un solvant non toxique a un avantage environnemental mais ne suffit pas à retirer la majeure partie du liant. A titre d'exemple, après déliantage à l'eau, il reste environ 50 % du liant dans la préforme. Le retrait du reste du liant est alors réalisé par un déliantage thermique sous atmosphère contrôlée. Le déliantage à l'eau permet la création de galeries ou de cavités favorisant l'élimination totale du liant lors du déliantage thermique. De préférence, la charge d'alimentation ou feedstock est obtenue en mélangeant une poudre métallique et au moins un liant du type polyéthylène glycol, polypropylène, polyéthylène haute densité, cire. Selon une caractéristique de l'invention, la préforme frittée obtenue par moulage par injection de poudre métallique subit une étape de 20 compactage isostatique à chaud avant d'être assemblée à la pièce par soudage par diffusion. Le compactage isostatique à chaud (CIC ou HIP pour Hot Isostatic Pressure) est un procédé consistant à soumettre une enveloppe ou une capsule, préalablement remplie de poudre (ici sous la forme d'une préforme 25 frittée), à un traitement thermique sous pression isostatique. La pression est appliquée par l'intermédiaire d'un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'azote. Sous l'action simultanée de la pression et de la température, la préforme se densifie pour former un solide dont la densité est proche de la 30 valeur théorique (densité de 100 %). Le compactage isostatique à chaud permet une densification à basse température limitant ainsi le grossissement du grain, d'où son intérêt pour l'élaboration de matériaux nanocristallins. Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, la préforme frittée est réalisée par frittage flash, en compactant une poudre métallique et en la soumettant à un courant continu pulsé. La chaleur générée par le courant pulsé permet de fritter la poudre métallique. Les préformes frittées réalisées à l'aide d'un tel procédé ont une densité très élevée, quasiment égale à 100 % et ne nécessitent donc pas de traitement ultérieur, tel qu'un compactage isostatique à chaud. Avantageusement, la réalisation de la préforme frittée et l'assemblage de la préforme à la pièce sont réalisés en une seule étape, lors de laquelle une poudre est compactée directement sur la pièce, la poudre et la pièce étant soumises à un courant continu pulsé. Selon l'invention, le procédé peut consister à réparer une pièce usée dont la partie usée est usinée puis remplacée par la préforme assemblée à la pièce. En variante, le procédé peut consister à réaliser une pièce neuve constituée d'un substrat et d'une préforme assemblée au substrat, la préforme étant par exemple réalisée dans un matériau différent du substrat. 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 un organigramme du procédé selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un organigramme du procédé selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique illustrant l'assemblage de la préforme frittée au niveau du sommet d'une aube. Une première forme de réalisation du procédé selon l'invention est illustrée à la figure 1. Ce procédé comporte tout d'abord une étape 1 de réalisation d'une préforme frittée par moulage par injection de poudre métallique (procédé MIM ou Metal Injection Molding). Le procédé MIM comporte plusieurs sous-étapes successives, respectivement la préparation 11 d'une charge d'alimentation ou feedstock 11, l'injection 12 du feedstock dans un moule, le déliantage 13 de la préforme issue du moulage puis son frittage 14. Le feedstock est obtenu par mélange d'une poudre métallique et d'un liant du type polyéthylène glycol (PEG), polypropylène (PP), polyéthylène haute densité (HDPE) et/ou d'une cire. La poudre métallique a une granulométrie moyenne (D50) comprise entre 10 et 45 ilm, la granulométrie D90 (diamètre des particules au percentile 90 de la répartition granulométrique cumulée) étant par exemple inférieure à 120 ilm. La poudre métallique est par exemple réalisée à base d'un métal 15 de type X40 (KC25NW) ou René142. Le feedstock comporte en outre un taux de charge compris entre 60 et 75. Le taux de charge (Tc) est le rapport du volume de poudre métallique sur le volume total de poudre métallique et de liant. On notera qu'un taux de charge trop élevé, c'est-à-dire présentant 20 une trop faible quantité de liant, est à l'origine d'une trop forte viscosité, ce qui rend l'étape d'injection relativement difficile. De plus, des bulles d'air peuvent également être présentes dans le feedstock et peuvent être à l'origine d'apparition de défauts, tels que des fissures, lors du déliantage. A l'inverse, un taux de charge trop faible, c'est-à-dire présentant 25 une quantité trop importante de liant, peut conduire à des hétérogénéités importantes dans une pièce ainsi qu'à un affaiblissement de la pièce lors du déliantage. Le feedstock est, après broyage en granulés, injecté dans un moule à une température comprise entre 180°C et 200°C. 30 La préforme injectée subit ensuite un déliantage à l'aide d'un solvant non toxique, tel par exemple que de l'eau, et un déliantage thermique sous atmosphère contrôlée, par exemple sous argon hydrogéné, afin d'éviter l'oxydation de la poudre métallique. Le déliantage à l'eau peut être réalisé par immersion de la préforme dans un bain d'eau déminéralisée à une température comprise par exemple entre 50 et 70°C, des moyens permettant d'agiter le bain étant également prévus. Le déliantage thermique et le pré-frittage peuvent être réalisés en plaçant la préforme dans un four, à une température d'environ 900°C, pendant une durée d'environ 10 minutes. A l'issue du déliantage, la préforme est constituée d'un empilement dense de poudre métallique, qui est consolidée par une opération de frittage. Cette opération est réalisée dans un four à une température comprise entre 1100 et 1200°C, inférieure à la température de fusion du métal de base. La température de fusion du X40 (métal de base) est de l'ordre de 1250°C. La préforme obtenue à l'issue du frittage 14 a une densité comprise entre 98 et 99,5 %. Afin d'augmenter encore la densité de la préforme frittée, celle-ci subit un compactage isostatique à chaud 2 (CIP ou HIP - Hot Isostatic Pressure). Cette opération consiste à placer la préforme frittée dans enveloppe ou une capsule, puis à la soumettre à un traitement thermique sous pression isostatique. La pression à l'intérieur de la capsule est par exemple comprise entre 100 et 150 MPa et la température est comprise entre 1120 et 1190°C. La pression est appliquée par l'intermédiaire d'un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'azote. La durée de la compression est par exemple de 3 heures. La densité de la préforme à l'issue du compactage isostatique à chaud 2 est alors supérieure à 99,9 %. La préforme 4 est ensuite assemblée 3 à une pièce à l'aide du 30 procédé SPS (Spark Plasma Sintering), par exemple à une aube de turbine d'une turbomachine 5. En particulier, dans le cas d'une aube 5 dont le sommet a subi des dégradations, la zone 6 de sommet d'aube est usinée, puis la préforme 4 est assemblée à l'aube 5 afin de reconstruire la géométrie du sommet. Les surfaces à assembler de l'aube 5 et de la préforme 4 doivent être débarrassées de toute contamination (oxydes, graisses, ...) avant assemblage. Afin de réaliser cet assemblage SPS, l'aube 5 est emprisonnée dans une première électrode 7 recouverte d'une matrice conductrice, par exemple en graphite. La première électrode 7 est formée de deux parties 7a, 7b fixées l'une à l'autre et définissant une empreinte correspondant à la géométrie de l'aube, cette empreinte débouchant vers l'extérieur par une ouverture 8 d'insertion d'une deuxième électrode 9, au niveau du sommet de l'aube 5. La deuxième électrode 9 est également recouverte d'une matrice conductrice, par exemple en graphite. Les deux électrodes 7, 9 sont reliées aux bornes d'une source 10 de courant continu pulsé. Après insertion de l'aube 5 dans l'empreinte de la première électrode 7, la préforme frittée 4 est appliquée contre la zone 6 de sommet d'aube à reconstruire, puis une pression est appliquée sur la préforme 4 par la seconde électrode 9. Un courant continu pulsé circule alors au travers desdites électrodes 7, 9, de la préforme 4 et de l'aube 5, de façon à chauffer la préforme 4 et la surface de sommet de l'aube 5 et souder par diffusion ainsi la préforme 4 à l'aube 5. A l'origine, la préforme frittée 4 est constituée d'une poudre de métal de base 11 à l'état solide. Sous l'effet de la température (provoqué par le passage du courant pulsé) et de la pression, on observe une compaction de la poudre et la création de zones de diffusion entre les grains de poudre. Ces poudres restent à l'état solide tout au long de l'assemblage SPS. L'aube 5 ainsi reconstruite possède des caractéristiques mécaniques comparables à celles de l'aube d'origine. Les températures mises en oeuvre lors d'un tel assemblage sont en outre compatibles avec les superalliages classiquement utilisés pour la réalisation des aubes. L'assemblage par le procédé SPS est réalisé à une pression comprise entre 50 et 100 MPa et à une température comprise entre 800°C et 1000°C durant 2 à 10 min. L'intensité du courant traversant la préforme est pilotée via un PID (« Proportionnel Intégral Dérivé ») afin d'obtenir la température de consigne de frittage. En général les trains de pulses ont la 10 forme suivante : 12 pulses de 3,3 ms, puis 2 temps morts de 3,3 ms chacun. On remarque que la température atteinte lors de l'assemblage par le procédé SPS est inférieure à la température de fusion du métal de base. Une deuxième forme de réalisation du procédé selon l'invention, représentée à la figure 2, consiste à réaliser la préforme frittée, non plus 15 par moulage par injection de poudre métallique (MIM), mais par frittage flash 1', selon un procédé similaire à celui exposé précédemment. Pour cela, une poudre métallique est comprimée ou compactée entre deux électrodes conductrices, la poudre métallique étant traversée par un courant continu pulsé permettant de la chauffer à une température 20 de frittage. Le frittage flash s'effectue sous une pression comprise entre 50 et 100 MPa, à une température comprise entre 800°C et 1100°C. Lors du frittage, la température augmente progressivement selon une rampe de l'ordre de 100°C par minute, jusqu'à un palier correspondant à la 25 température de frittage, où la température est maintenue sensiblement constante pendant une durée de 3 à 5 minutes. La préforme frittée obtenue 4 a une densité quasiment équivalente à la densité théorique de 100 %. Il n'est donc pas nécessaire de lui faire subir un traitement complémentaire par compression isostatique à chaud. 30 La préforme frittée 4 est ensuite assemblée à l'aube 5 par le procédé d'assemblage SPS, de la même manière que précédemment. Selon une troisième forme de réalisation, non représentée, la préforme frittée 4 et son assemblage à l'aube 5 sont réalisés en une seule étape lors de laquelle une poudre est compactée directement sur l'aube 5, la poudre et l'aube 5 étant soumises à un courant continu pulsé. Cette opération est réalisée à une pression comprise entre 50 et 100 MPa et à une température comprise entre 800°C et 1000°C pendant une durée de 3 à 10 minutes. Comme indiqué précédemment, les différentes formes de réalisation du procédé selon l'invention s'appliquent aussi bien à la réparation de pièces usées qu'à la réalisation de pièces neuves. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une préforme frittée (4) et d'assemblage de ladite préforme (4) sur une pièce, telle par exemple qu'une aube (5) de turbomachine, comportant les étapes consistant à réaliser (1, 1') une préforme (4) par frittage d'une poudre métallique puis à assembler (3) ladite préforme (4) sur la pièce (5), caractérisé en ce que, lors de l'assemblage, la préforme (4) est appliquée contre une surface de la pièce (5) et soumise à une pression déterminée, la préforme (4) et la pièce (5) étant traversées par un courant continu pulsé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme (4) est réalisée par frittage d'une poudre métallique composée d'un mélange d'une poudre de métal de base (11), tel par exemple qu'une poudre à base d'un métal de type René142, X40 et/ou Astroloy. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la préforme frittée (4) est réalisée par moulage par injection de poudre métallique, lors duquel une charge d'alimentation ou feedstock, composée d'un mélange d'une poudre métallique et d'un liant à base de polymère, est injectée (12) dans un moule, la préforme moulée subissant ensuite une étape de déliantage (13) lors de laquelle le liant est éliminé de la préforme, puis une étape de frittage (14) lors de laquelle la préforme, constituée d'un empilement dense de poudre, est consolidée par un traitement thermique dans un four. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le déliantage (13) de la préforme (4) comporte une étape de déliantage à l'aide d'un solvant non toxique, tel par exemple que de l'eau, et une étape de déliantage thermique sous atmosphère contrôlée, par exemple d'argon hydrogéné. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la 30 charge d'alimentation ou feedstock est obtenue en mélangeant une poudremétallique et au moins un liant du type polyéthylène glycol, polypropylène, polyéthylène haute densité, cire. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la préforme frittée (4) obtenue par moulage par injection de poudre métallique subit une étape de compactage isostatique à chaud avant d'être assemblée à la pièce (5) par soudage par diffusion. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme frittée (4) est réalisée par frittage flash (1'), en compactant une poudre métallique et en la soumettant à un courant continu pulsé. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la préforme frittée (4) et son assemblage à la pièce (5) sont réalisés en une seule étape lors de laquelle une poudre est compactée directement sur la pièce (5), la poudre et la pièce (5) étant soumises à un courant continu pulsé. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à réparer une pièce usée (5) dont la partie usée est usinée puis remplacée par la préforme (4) assemblée à la pièce (5). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une pièce neuve constituée d'un substrat et d'une préforme (4) assemblée au substrat, la préforme étant par exemple réalisée dans un matériau différent du substrat.