Brevet FR3002633A1 — publié le 20140829

Procédé de réalisation d'au moins une éprouvette représentative d'une pièce rechargée La présente invention concerne un procédé de réalisation d'au moins une éprouvette représentative d'une pièce rechargée, destinée à un essai de caractérisation mécanique. Dans une turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, il est connu de réaliser les aubes de turbine du corps haute pression en superalliage à base Nickel ou Cobalt à structure monocristalline ou à solidification dirigée. De telles aubes ont une bonne résistance aux hautes températures et aux fortes contraintes thermomécaniques auxquelles elles sont soumises en fonctionnement. Ces aubes sont montées avec un jeu faible par rapport à un anneau de stator, de sorte que des frottements sont générés au niveau des extrémités radialement externes des aubes, engendrant ainsi une usure des sommets d'aubes et l'apparition de criques. Afin de prolonger la durée de vie de ces pièces onéreuses, il est connu d'usiner la partie endommagée de l'aube, de recharger cette partie, puis d'effectuer un usinage final afin de recréer la géométrie de la pièce initiale. En outre, dans le cas des pièces neuves, des inclusions de matière céramique ou des défauts de structure, répartis de façon aléatoire, peuvent subsister après fabrication. Afin que ces défauts n'entrainent pas la mise au rebut de la pièce, il est également connu de les retirer par usinage, puis de recharger la pièce avant d'effectuer un usinage final afin de recréer la géométrie de la pièce. La réparation (dans le cas d'une pièce usée) ou la récupération (dans le cas d'une pièce neuve) peuvent être effectuées selon divers procédés, dont celui connu sous l'acronyme SWET (Superalloy Welding at Elevated Temperature ou Superalliage soudé à haute température). Un tel procédé consiste à préchauffer la pièce, totalement à l'aide de lampes à quartz ou localement par induction, puis à la recharger, par exemple par soudage TIG (Tungsten Inert Gas). Le préchauffage et/ou le rechargement sont en général réalisés dans une enceinte contenant un gaz inerte, tel que de l'Argon, afin d'éviter les risques d'oxydation. Afin d'évaluer les propriétés mécaniques des pièces rechargées à l'aide d'un tel procédé, il est nécessaire de réaliser des éprouvettes d'essai qui sont représentatives des pièces réelles, rechargées ou non. Ces éprouvettes sont ensuite utilisées lors d'essais de caractérisation mécanique, lors desquels elles sont soumises à des 10 contraintes mécaniques dans une machine d'essai, telles que des contraintes de compression, de traction, de fatigue ou encore des contraintes thermiques. La réalisation de ces éprouvettes est rendue difficile par le fait qu'elles doivent avoir une géométrie particulière et que les lingots de 15 matière à partir desquels sont réalisées les éprouvettes ont, pour certains types d'alliage, une forme de barreau cylindrique. Ceci est notamment le cas pour les alliages monocristallins de type AM1. Actuellement, une éprouvette à la géométrie désirée est extraite par usinage d'un lingot en forme de barreau cylindrique. L'éprouvette 20 comporte deux zones larges d'extrémité, destinées à être fixées sur des mors ou brides d'une machine d'essai, et une zone médiane moins large que les zones d'extrémités et destinée par exemple à se déformer, à rompre ou à se fissurer lors d'un essai. Une éprouvette représentative d'une pièce rechargée est 25 obtenue en usinant une rainure dans la zone médiane de l'éprouvette extraite du lingot, en rechargeant la zone de la rainure, puis en usinant à nouveau au moins la partie rechargée de façon à retrouver la géométrie d'origine de l'éprouvette. Cependant, lorsque le rechargement est réalisé par le procédé SWET utilisé sur les pièces réelles, l'éprouvette subit des 30 contraintes si fortes qu'elles engendrent des déformations irréversibles ou des défauts qui empêchent la mise en oeuvre correcte d'un essai de caractérisation mécanique. Le fait de soumettre l'éprouvette à un traitement thermique de détensionnement afin de libérer les contraintes mécaniques ne suffit à pas à remédier à ce problème. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 5 efficace et économique à ces problèmes. A cet effet, elle propose un procédé de réalisation d'au moins une éprouvette représentative d'une pièce rechargée, destinée à un essai de caractérisation mécanique, comportant les étapes consistant à : (a) former une rainure dans un lingot oblong, ladite rainure 10 s'étendant transversalement à l'axe longitudinal du lingot, (b) former au moins une cloison par rechargement de matière dans la rainure, ladite cloison s'étendant selon l'axe longitudinal du lingot et reliant les deux parties du lingot situées de part et d'autre de la rainure, (c) extraire, par usinage, au moins une éprouvette dudit lingot et 15 de ladite cloison, ladite éprouvette comportant deux zones d'extrémité destinées à être fixées sur des mors ou brides d'une machine d'essai, et une zone médiane située entre lesdites zones d'extrémité, dont au moins une partie est issue de la cloison. Les éprouvettes réalisées à l'aide d'un tel procédé sont 20 conformes aux spécifications imposées pour la réalisation d'essais de caractérisation mécanique. En particulier, elles ne subissent pas de déformations importantes lors du rechargement et peuvent être réalisées facilement à partir de lingots en forme de barreau cylindrique. A titre d'exemple, il est possible de réaliser une éprouvette 25 simulant une pièce rechargée, à l'aide du procédé selon l'invention, et une éprouvette saine, c'est-à-dire non rechargée, dans un lingot appartenant à la même coulée. Des essais peuvent ensuite être réalisés sur les deux éprouvettes puis les résultats peuvent être comparés à des fins d'analyse. On notera que le procédé selon l'invention permet de réaliser 30 plusieurs éprouvettes rechargées dans un même lingot. Ceci revêt une importance particulière car le nombre de lingots d'une même coulée est généralement limité et que les essais doivent être réalisés sur une même coulée pour que les tests soient représentatifs. On peut ainsi réaliser au moins deux éprouvettes (de préférence trois éprouvettes) à partir d'une même coulée. Ainsi, plusieurs cloisons globalement parallèles les unes aux autres peuvent être formées dans la rainure de façon à extraire ensuite plusieurs éprouvettes dudit lingot et desdites cloisons. De préférence, on réalise deux surfaces planes de référence de part et d'autre de la gorge, avant de former la cloison. Ces surfaces planes serviront de référence lors de la formation de la cloison par rechargement. Le bord supérieur de la cloison formée, c'est-à-dire le bord de la cloison opposé au fond de la rainure, peut ainsi affleurer les surfaces planes précitées. Selon une caractéristique de l'invention, l'une au moins desdites surfaces planes de référence comporte au moins une marque, telle par exemple qu'une encoche, définissant l'emplacement de la cloison. Selon une autre caractéristique de l'invention, on forme, à chaque extrémité du lingot, deux surfaces planes de référence, parallèles et opposées. Ces surfaces planes sont des zones de références formant des méplats permettant de faciliter la préhension et/ou le positionnement du lingot dans un outillage pour éviter les désaxages entre les diverses opérations. En outre, la cloison peut être réalisée par rechargement de 25 matière par soudage, par exemple par soudage TIG. Dans ce cas, le lingot peut être chauffé avant et/ou pendant la formation de la cloison. Le rechargement est ainsi effectué conformément au procédé SWET décrit plus haut. Avantageusement, le lingot et la cloison subissent un traitement thermique de libération des contraintes mécaniques avant l'extraction de l'éprouvette, ce qui permet d'éviter toute déformation de l'éprouvette. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'éprouvette est extraite par électroérosion à l'aide d'un fil de découpe. Enfin, le lingot peut être en matériau à structure monocristalline, par exemple en superalliage à base Nickel, de préférence du type AM1. 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 de face d'un lingot en forme de barreau cylindrique, utilisé pour la réalisation d'éprouvettes conformément au procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective dudit lingot, dans lequel une rainure et des surfaces de référence ont été usinées, - la figure 3 est une vue illustrant schématiquement le lingot monté sur un outillage, à l'intérieur d'un caisson contenant un gaz inerte, lors des opérations de chauffage du lingot et de formation des cloisons par 20 rechargement de matière, - la figure 4 est une vue correspondant à la figure 2, montrant des cloisons formées par rechargement de matière dans la rainure, - la figure 5 est une vue en perspective illustrant les contours des éprouvettes à extraire du lingot de la figure 4, par usinage, 25 - la figure 6 est une vue de face d'une éprouvette extraite dudit lingot. Les figures 1 à 6 illustrent les différentes étapes d'un procédé de réalisation d'éprouvettes représentatives d'une pièce rechargée, à partir d'un lingot 1 en forme de barreau cylindrique (figure 1). Le barreau 1 est 30 par exemple en un superalliage à base Nickel à structure monocristalline, tel que l'AMI. Ce barreau 1 est découpé à la longueur souhaité puis une rainure 2 est formée dans sa zone médiane (figure 2). La rainure 2 s'étend sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du barreau 1, comporte un fond 3 de section arrondie et débouche latéralement de part et d'autre du barreau 1 et vers le haut. On définit par X l'axe longitudinal du barreau 1, par Y l'axe de la rainure 2 et par Z l'axe orthogonal à X et à Y. Deux évidements 4 sont réalisés au niveau de la partie supérieure du barreau 1, de part et d'autre de la rainure 2. Chaque évidement 4 définit une surface de référence 5 s'étendant dans le plan X-Y, le long d'un bord latéral de la rainure 2. Trois encoches 6a, 6b, 6c sont formées dans chaque surface 5, chaque encoche 6a, 6b, 6c s'étendant parallèlement à l'axe X. Les encoches 6a, 6b, 6c sont décalées les unes par rapport aux autres, suivant l'axe Y. En outre, deux méplats 7 sont usinés à chaque extrémité du barreau 1, définissant deux surfaces parallèles au plan X-Z. Le barreau 1 ainsi préparé est monté dans un outillage 8 (figure 3), par ses extrémités. Plus particulièrement, les surfaces 7 permettent de maintenir et de positionner efficacement le barreau 1 dans l'outillage 8. L'outillage 8 est également équipé de moyens de chauffage par induction 9, entourant en partie le barreau 1. Ces moyens de chauffage 9 permettent de chauffer localement le barreau 1, au niveau de sa zone médiane comportant la rainure 2. L'ensemble 1, 8, 9 est monté dans un caisson 10 rempli d'un gaz inerte, tel que de l'argon. Le caisson 10 comporte une ouverture 11 située en regard de la rainure 2 et des surfaces 5, de façon à autoriser le passage d'une tête de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) non représentée. Trois cloisons 12a, 12b, 12c distinctes les unes des autres sont ensuite réalisées dans la rainure 2, de façon à relier les deux parties 1 a, lb du barreau 1 séparées par la rainure 2. Pour cela, la zone médiane du barreau 1 est chauffée à une température de l'ordre de 700°C par les moyens de chauffage 9, puis une 3002 6 3 3 7 tête de soudage TIG est introduite dans le caisson, au travers de l'ouverture 11 montée en température pour le soudage, par exemple par un opérateur. Une première cloison 12a est réalisée par rechargement de 5 matière par soudage TIG. Le métal d'apport utilisé lors du soudage est par exemple du type DSR142. Cette première cloison 12a est formée par une succession de cordons de soudure et s'étend selon l'axe X. Les encoches centrales 6a des surfaces 5, situées en regard l'une de l'autre, forment des repères visuels permettant d'aligner les cordons de soudure afin de faciliter 10 la réalisation et le positionnement de la première cloison 12a. L'opérateur réalise ensuite une deuxième et une troisième cloisons 12b, 12c, dans le même métal que la cloison 12a, situées de part et d'autre de la première cloison 12a, et alignées respectivement avec les encoches 6b et 6c. La hauteur de chaque cloison 6a, 6b, 6c peut être 15 définie en référence à la hauteur des surfaces 5. Par exemple, le bord supérieur de chaque cloison 12a, 12b, 12c peut affleurer les surfaces 5 ou être situé en retrait de ces surfaces, à une distance déterminée. La formation de ces cloisons 12a, 12b, 12c est ainsi réalisée conformément au procédé SWET (Superalloy Welding at Elevated 20 Temperature ou Superalliage soudé à haute température). Le barreau 1 comportant les cloisons 12a, 12b, 12c est ensuite extrait du caisson 10 et des moyens de chauffage 9, puis est usiné par électroérosion à l'aide d'un fil de découpe, afin d'en extraire trois éprouvettes 13. 25 Comme cela est mieux visible à la figure 6, chaque éprouvette 13 comporte deux zones d'extrémité 14 destinées à être fixées sur des mors ou brides d'une machine d'essai, et une zone médiane 15 (zone de test) située entre lesdites zones d'extrémité 14, dont une partie est issue de la cloison 12a, 12b, 12c. Les contours des éprouvettes 13 à extraire du 30 barreau 1 et des cloisons 12a, 12b, 12c sont représentés à la figure 5. Selon une forme de réalisation de l'invention, le barreau 1 et les cloisons 12a, 12b, 12c subissent un traitement thermique de détensionnement visant à libérer les contraintes avant extraction des éprouvettes 13, de manière à éviter toute déformation de ces dernières. Lors d'un tel traitement thermique, le barreau 1 et les cloisons 12a, 12b, 12c sont chauffés pendant une durée d'environ 40 minutes, à une température de l'ordre de 1050°C. Chaque éprouvette 13 peut également subir un usinage de finition, par exemple une opération de rectification et/ou de fraisage, afin de 10 garantir que chaque éprouvette 13 respecte les spécifications dimensionnelles. Lors de l'opération de rechargement, le soudage provoque un échauffement du barreau 1 au niveau des parois latérales de la rainure 1 et de sa paroi de fond 3. La zone du métal affectée par le chauffage, 15 également appelée zone affectée thermiquement ou ZAT, présente une modification locale de sa microstructure et de son état métallurgique. Ceci peut induire des fragilités, des baisses de résistance mécanique, ou encore des manques de ductilité. Ces modifications dépendent notamment du matériau soudé, du procédé utilisé ou du mode opératoire suivi. 20 Dans l'exemple représenté aux figures, la zone affectée thermiquement est située dans la zone médiane 15 de l'éprouvette 13. En fonction des cas, il peut être utile de repousser cette zone affectée thermiquement au niveau des zones d'extrémités 14 de l'éprouvette 13. Pour cela, il est alors nécessaire de prévoir une rainure 2 25 de plus grande largeur et/ou une zone médiane de l'éprouvette 13 de dimension plus faible. Chaque éprouvette 13 obtenue par le procédé décrit ci-dessus permet de simuler une pièce rechargée (ici par le procédé SWET), que ce soit une pièce issue d'une opération de réparation (dans le cas d'une pièce 30 usée) ou d'une pièce issue d'une opération de récupération (dans le cas d'une pièce neuve). Une telle éprouvette 13 peut être utilisée afin d'effectuer un essai de caractérisation mécanique. Parallèlement, un essai similaire peut être réalisé à l'aide d'une éprouvette saine, c'est-à-dire non rechargée, extraite directement à partir d'un barreau cylindrique issu de la même coulée que le barreau 1 ayant servi à la fabrication de l'éprouvette rechargée 13. Les résultats obtenus avec les deux éprouvettes peuvent alors comparés à des fins d'analyse. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'au moins une éprouvette (13) représentative d'une pièce rechargée, destinée à un essai de caractérisation mécanique, comportant les étapes consistant à : (a) former une rainure (2) dans un lingot (1) oblong, ladite rainure (2) s'étendant transversalement à l'axe longitudinal (X) du lingot (1), (b) former au moins une cloison (12a, 12b, 12c) par rechargement de matière dans la rainure (2), ladite cloison (12a, 12b, 12c) s'étendant selon l'axe longitudinal (X) du lingot1) et reliant les deux parties (1a, 1 b) du lingot (1) situées de part et d'autre de la rainure (2), (c) extraire, par usinage, au moins une éprouvette (13) dudit lingot (1) et de ladite cloison (12a, 12b, 12c), ladite éprouvette (13) comportant deux zones d'extrémité (14) destinées à être fixées sur des mors ou brides d'une machine d'essai, et une zone médiane (15) située entre lesdites zones d'extrémité (14), dont au moins une partie est issue de la cloison (12a, 12b, 12c). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs cloisons (12a, 12b, 12c) globalement parallèles les unes aux autres sont 20 formées dans la rainure (2) de façon à extraire ensuite plusieurs éprouvettes (13) dudit lingot (1) et desdites cloisons (12a, 12b, 12c). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on réalise deux surfaces planes de référence (5) de part et d'autre de la gorge (2), avant de former la cloison (12a, 12b, 12c). 25 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une au moins desdites surfaces planes de référence (5) comporte au moins une marque, telle par exemple qu'une encoche (6a, 6b, 6c), définissant l'emplacement de la cloison (12a, 12b, 12c). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 30 qu'on forme, à chaque extrémité du lingot (1), deux surfaces planes de référence (7), parallèles et opposées. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cloison (12a, 12b, 12c) est réalisée par rechargement de matière par soudage, par exemple par soudage TIG. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le lingot (1) est chauffé avant et/ou pendant la formation de la cloison (12a, 12b, 12c). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le lingot (1) et la cloison (12a, 12b, 12c) subissent un traitement thermique de libération des contraintes mécaniques avant l'extraction de l'éprouvette (13). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'éprouvette (13) est extraite par électroérosion à l'aide d'un fil de découpe. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le lingot (1) est en matériau à structure monocristalline, par exemple en superalliage à base Nickel, de préférence du type AM1.