Brevet FR2981155A1 — publié le 20130412

Procédé de simulation numérique et de validation expérimentale de la propagation de fissures dans une pièce métallique La présente invention concerne un procédé de simulation numérique et de validation expérimentale de la propagation de fissures dans une pièce métallique, notamment une pièce d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Les pièces de turbomachine sont généralement dimensionnées en durée de vie, on calcule dès lors l'amorce et/ou la propagation d'une fissure 10 dans la pièce soumise à des contraintes ou à des déformations cycliques, dues à des sollicitations mécaniques et/ou thermiques. Les calculs en durée de vie prennent en compte l'amorçage de fissures, la propagation des fissures et la rupture finale. L'estimation de la durée de vie d'une pièce soumise à des 15 contraintes cycliques fait généralement appel à des simulations numériques s'appuyant notamment sur la loi de Paris. Ces simulations sont en particulier utilisées afin de simuler des propagations de fissures à partir de défauts de structure de géométrie simple. Les simulations numériques validées actuellement, notamment 20 dans l'industrie aéronautique, sont toutes basées sur des défauts de géométrie simple, qui ne sont pas suffisamment représentatifs des défauts réels des pièces utilisées par exemple dans les turbomachines. Un autre type de simulation permet de simuler la propagation de fissures à partir de défauts de structure ou de criques multiples avec des 25 géométries et des orientations complexes, c'est-à-dire très proches des défauts de structure réels. Ce type de simulation utilise la méthode des éléments finis X-FEM ou « eXtended Finite Element Method » (Moés, Nicolas; Dolbow, John; Belytschko, Ted (1999). "A finite element method for crack growth without remeshing". International Journal for Numerical 30 Methods in Engineering 46 (1): 131-150). Ce type de simulation n'est toutefois pas encore validé par l'industrie et n'est utilisé qu'à titre expérimental. L'échelle TRL (« Technology Readiness Level » qui peut se traduire par Niveau de Maturité Technologique) est un système de mesure employé notamment par l'industrie aéronautique afin d'évaluer le degré de maturité d'une technologie avant d'intégrer cette technologie dans un système. Plus le niveau TRL est important, plus la technologie est éprouvée. Le niveau de TRL le plus important est le niveau 9. A titre d'exemple, la simulation de la propagation de fissures à 10 l'aide de la méthode X-FEM possède un niveau de TRL égal à 6, qui n'est pas suffisant pour qu'elle soit utilisée dans les procédés industriels actuels. L'invention a pour but un procédé de simulation et de validation expérimentale de la propagation de fissures dans une pièce métallique, tel que les simulations numériques actuelles puissent obtenir un niveau de 15 TRL élevé et être considérées comme suffisamment fiables pour être intégrées dans les procédés industriels. A cet effet, elle propose un procédé de simulation numérique et de validation de la propagation de fissures dans une pièce métallique, notamment une pièce d'une turbomachine, comportant une étape de 20 simulation numérique consistant à générer une pièce virtuelle comportant au moins un défaut de structure, tel par exemple qu'une fissure, susceptible de se propager lorsque la pièce est soumise à des contraintes mécaniques et/ou thermiques, à simuler la propagation d'au moins une fissure dans la pièce soumise à de telles contraintes et à déterminer les caractéristiques 25 des fissures apparues dans la pièce virtuelle lors de cette simulation et/ou la durée de vie de la pièce virtuelle, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de validation consistant à réaliser, couche par couche et par fusion sélective de poudre, une pièce métallique comportant un défaut de structure, de géométrie similaire à celle du défaut de la pièce virtuelle, à 30 soumettre la pièce réelle à des contraintes mécaniques et/ou thermiques, à déterminer les caractéristiques des fissures apparues dans la pièce réelle et/ou la durée de vie de la pièce réelle, et à les comparer aux caractéristiques des fissures apparues dans la pièce virtuelle et/ou à la durée de vie de la pièce virtuelle. Les pièces réelles, qui peuvent être des éprouvettes, peuvent être fabriquées rapidement et avec précision par fusion sélective de poudre. Les défauts de structure ou fissures sont constituées par des zones non fondues, c'est-à-dire des cavités remplies de poudre non fondue, et peuvent avoir des géométries et/ou des orientations complexes. Le procédé de fusion sélective de poudre permet en outre de créer des défauts dont les dimensions sont de l'ordre de quelques microns. La comparaison entre les fissures propagées lors de la simulation numérique et celles propagées à partir d'un test d'une pièce réelle, permettent de valider et, si nécessaire, de corriger le modèle mathématique utilisé pour la simulation numérique. Le procédé selon l'invention permet de vérifier et/ou de corriger efficacement, rapidement et à moindre frais, les modèles mathématiques utilisés pour les simulations numériques. Ce procédé peut être utilisé aussi bien pour calculer la durée de vie des pièces soumises à des contraintes cycliques (fatigue) que pour étudier le comportement des pièces sous d'autres types de sollicitations, tels que l'application d'un effort de traction simple ou l'application de contraintes thermiques. Selon une caractéristique de l'invention, la pièce virtuelle et la pièce réelle comportent une pluralité de défauts de structure. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pièce réelle est réalisée couche par couche, par dépôt de couches de poudre métallique et par fusion sélective des couches de poudre par balayage d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, au moins une zone d'au moins une couche de poudre n'étant pas fondue afin de créer au moins un défaut de structure de géométrie déterminée. Les défauts de structure générés dans la pièce sont donc des cavités remplies de poudre non fondue, auxquelles on peut facilement donner une géométrie complexe. La réalisation de la pièce réelle comporte par exemple les étapes successives suivantes, lorsque le faisceau laser ou d'électrons permet de fondre plusieurs couches superposées en un seul passage : - dépôt d'au moins un premier ensemble de couches de poudre sur un support et fusion de ces couches dans une zone définie, par balayage du faisceau laser ou du faisceau d'électrons dans cette zone, - dépôt d'au moins un deuxième ensemble de couches de poudre et fusion de ces couches dans une partie de la zone précitée, - dépôt d'au moins un troisième ensemble de couches de poudre et fusion de la poudre des couches du troisième ensemble dans la zone précitée ainsi que la poudre d'une partie supérieure seulement du deuxième ensemble de couches, un défaut de structure étant formée dans la pièce réelle ainsi obtenue par une cavité remplie de poudre issue d'une partie inférieure des couches du deuxième ensemble. De préférence, lors de la réalisation de la pièce réelle, on effectue au moins deux balayages successifs d'une même zone par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons. On réalise ainsi une double fusion de la poudre ce qui permet de conférer à la pièce une plus grande homogénéité et, ainsi, de meilleures caractéristiques mécaniques. Avantageusement, la pièce réelle est soumise uniquement à des efforts de traction afin de générer et propager des fissures. En effet, si la pièce est soumise à des efforts de compression, la poudre non fondue contenue dans les cavités constituant les défauts de structure de la pièce, peut être comprimée et supporter des efforts. L'apparition de fissures et/ou la propagation de fissures qui en résultent ne correspondent alors pas à celles d'une pièce présentant un défaut de structure formée par une crique ou une cavité vide. De préférence, la pièce réelle est soumise, de manière cyclique, à deux efforts de traction d'intensités différentes. La pièce est ainsi mieux sollicitée par des contraintes cycliques, les sollicitations appliquées étant toujours des efforts de traction. 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 représentant schématiquement les différentes étapes du procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'une installation de réalisation d'une pièce par fusion sélective de poudre, - les figures 3 à 6 sont des vues de détail illustrant schématiquement les différentes étapes de la réalisation, par fusion sélective de poudre, d'une éprouvette comportant un défaut de structure. Le procédé selon l'invention comporte tout d'abord une étape de simulation numérique consistant à générer une pièce virtuelle comportant au moins un défaut de structure (étape E1), tel par exemple qu'une fissure, susceptible de se propager lorsque la pièce est soumise à des contraintes mécaniques et/ou thermiques variables, et à simuler la propagation d'au moins une fissure dans la pièce soumise à de telles contraintes (étape E2). Une telle étape peut être réalisée à l'aide de la méthode des éléments finis X-FEM ou « eXtended Finite Element Method », du logiciel 25 MORFEO ou du logiciel code ASTER par exemple. La méthode X-FEM est connue et détaillée notamment dans l'article Moés, Nicolas; Dolbow, John; Belytschko, Ted (1999). "A finite element method for crack growth without remeshing". International Journal for Numerical Methods in Engineering 46 (1): 131-150. 30 Il est possible de générer une pièce qui comporte un ou plusieurs défauts de structure. Les géométries et/ou les orientations des fissures apparues lors de la simulation numérique sont ensuite déterminées (étape E3). Le procédé selon l'invention comporte ensuite une étape de validation consistant à réaliser, couche par couche et par fusion sélective de poudre, une pièce métallique comportant un défaut de structure, de géométrie similaire au défaut de la pièce virtuelle (étape E4), à soumettre la pièce réelle à des contraintes mécaniques et/ou thermiques (étape E5), à déterminer les caractéristiques des fissures apparues lors de cette simulation réelle (étape E6) et à les comparer aux caractéristiques des fissures obtenues lors de la simulation virtuelle (étape E7), de façon à valider ou corriger le modèle mathématique utilisé pour la simulation virtuelle (étape E8). La figure 2 illustre une installation de fusion sélective de poudre permettant de réaliser la pièce réelle, qui est par exemple une éprouvette cylindrique d'un diamètre de 15 mm et d'une hauteur de 60 mm. Cette installation comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2 et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation verticale 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 verticale 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 dans un plan horizontal A, et des moyens de génération 9 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. Un bac 12 de réception de la poudre excédentaire 13, adjacent à la cuve 5, peut également être prévu. Le fonctionnement de cette installation est le suivant. 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 plateau 6. La quantité de poudre 2 et la position du plateau 6 sont déterminées de façon à former une couche de poudre d'une épaisseur choisie et constante. En particulier, la poudre peut être appliquée par couches d'une épaisseur de 20 ilm. Dans le cas représenté à la figure 3, trois premières couches 15, 16, 17 de poudre sont déposées sur le plateau mobile 6. Le faisceau laser 11 ou un faisceau d'électrons, perpendiculaire au 10 plan A, balaye une première fois une zone déterminée desdites couches de poudre formées dans la cuve 5, de manière à les faire fondre localement. On désigne par A la zone des couches de poudre qui a été fondue. Le faisceau laser 11 est dans cet exemple réglé de façon à fondre simultanément trois couches de poudre (soit une épaisseur totale de 60 15 ilm) à chacun de ses passages. Les zones fondues se solidifient ensuite en formant une première couche de matière 18, cette couche ayant une épaisseur de 60 i.trn environ (figure 3). Trois autres couches de poudre 19, 20, 21 de 20 i.trn chacune sont 20 ensuite ajoutées sur la matière solidifiée 18. Certaines zones desdites couches 19, 20, 21 sont ensuite fondues par le faisceau laser 11. Dans l'exemple schématique représenté aux dessins, la zone A est divisée en trois sous-zones A1, A2 et A3. Seules les zones A1 et A3 sont balayées par le faisceau laser 11, la poudre des couches 19, 20 et 21 25 n'étant pas fondue dans la zone A2. Le laser fusionne donc simultanément les trois couches de poudre 19, 20, 21 dans les zones A1 et A3 (figure 4). Une autre couche 22 de poudre est ajoutée dans la cuve 5 (figure 5), puis le faisceau laser 11 balaye l'ensemble de la zone A de façon à fusionner la poudre des couches 20, 21 et 22. En particulier, le laser 30 fusionne la poudre de la couche 22 et la poudre des couches 20 et 21 située dans la zone A2 (figure 6). En outre, la matière précédemment solidifiée dans les zones A1 et A3 est également balayée par le faiceau laser 11. Il a été constaté que ceci n'a pas d'effet néfaste sur les caractéristiques mécaniques de la pièce. Après solidification, la pièce réalisée comporte une cavité 23, située dans la couche 19 et dans la zone A2. Cette cavité 23 constitue un défaut de structure dans la pièce ainsi réalisée. Ce procédé permet de former à l'intérieur de pièces métalliques des cavités 23 remplies de poudre non fondue, et qui peuvent présenter des géométries et des orientations complexes prédéterminées. Bien entendu, le laser pourrait être réglé pour ne fusionner qu'une ou deux couches de poudre à chacun de ses passages. De préférence, les couches de poudre fondues subissent deux passages successifs du faisceau laser 11 ou du faisceau d'électrons afin de réaliser une double fusion desdites couches de poudres. La pièce est ensuite soumise à des contraintes mécaniques et/ou thermiques, par exemple à de la fatigue (étape E5). Pour cela, la pièce réelle est soumise, de manière cyclique et à une fréquence déterminée, à deux efforts de traction d'intensités différentes, de façon à propager des fissures à partir des défauts de structure. Les caractéristiques des fissures obtenues dans la pièce réelle sont ensuite déterminées (étape E6), puis comparées à celles de la pièce virtuelle obtenues lors de la simulation numérique (étape E7). On compare notamment les dimensions des fissures, leurs géométries, le nombre de fissures qui sont apparues à chacun des défauts de structure, etc... Cette comparaison permet de valider et/ou d'ajuster le modèle numérique qui a servi de base à la simulation numérique. Le procédé selon l'invention permet ainsi de valider et de corriger des modèles mathématiques théoriques (étape E8), afin que ces derniers soient suffisamment fiables pour être utilisés dans les procédés industriels de calcul de structure et de détermination de la durée de vie de pièces, notamment de pièces aéronautiques. REVENDICATIONS1. Procédé de simulation numérique et de validation de la propagation de fissures dans une pièce métallique, notamment une pièce d'une turbomachine, comportant une étape de simulation numérique consistant à générer une pièce virtuelle comportant au moins un défaut de structure, tel par exemple qu'une fissure, susceptible de se propager lorsque la pièce est soumise à des contraintes mécaniques et/ou thermiques, à simuler la propagation d'au moins une fissure dans la pièce soumise à de telles contraintes et à déterminer les caractéristiques des fissures apparues dans la pièce virtuelle lors de cette simulation et/ou la durée de vie de la pièce virtuelle, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de validation consistant à réaliser, couche par couche et par fusion sélective de poudre, une pièce métallique comportant un défaut de structure (19), de géométrie similaire à celle du défaut de la pièce virtuelle, à soumettre la pièce réelle à des contraintes mécaniques et/ou thermiques, à déterminer les caractéristiques des fissures apparues dans la pièce réelle et/ou la durée de vie de la pièce réelle et à les comparer aux caractéristiques des fissures apparues dans la pièce virtuelle et/ou à la durée de vie de la pièce virtuelle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce virtuelle et la pièce réelle comportent une pluralité de défauts de structure (19). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce réelle est réalisée couche par couche, par dépôt successif de couches de poudre métallique (15, 16, 17, 19, 20, 21, 22) et par fusion sélective des couches de poudre par balayage d'un faisceau laser (11) ou d'un faisceau d'électrons, au moins une zone (19) d'au moins une desdites couches de poudre n'étant pas fondue afin de créer au moins un défaut de structure de géométrie déterminée. 2 9 8 1 1 5 5 10 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la réalisation de la pièce réelle comportant les étapes successives suivantes : - dépôt d'au moins un premier ensemble de couches de poudre (15, 16, 17) sur un support (6) et fusion de ces couches (15, 16, 17) dans 5 une zone définie (A), par balayage du faisceau laser (11) ou du faisceau d'électrons dans cette zone (A), - dépôt d'au moins un deuxième ensemble de couches de poudre (19, 20, 21) et fusion de ces couches (19, 20, 21) dans une partie (A1, A3) de la zone précitée (A), 10 - dépôt d'au moins un troisième ensemble de couches de poudre (22) et fusion de la poudre des couches du troisième ensemble (22) dans la zone précitée (A) ainsi que la poudre d'une partie supérieure seulement (20, 21) du deuxième ensemble de couches (19, 20, 21), un défaut de structure étant formée dans la pièce réelle ainsi obtenue par une cavité (23) 15 remplie de poudre issue d'une partie inférieure (19) des couches du deuxième ensemble (19, 20, 21). 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que, lors de la réalisation de la pièce réelle, on effectue au moins deux balayages successifs d'une même zone par un faisceau laser (11) ou un 20 faisceau d'électrons. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce réelle est soumise uniquement à des efforts de traction afin de générer et propager des fissures. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce 25 réelle est soumise, de manière cyclique, à deux efforts de traction d'intensités différentes.