Brevet FR3015325A1 — publié le 20150626

Procédé de fabrication d'une pièce de turbomachine, ébauche intermédiaire et moule obtenus La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique de turbomachine, et en particulier d'une aube de roue de turbine d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur d'avion. Il est connu, pour fabriquer une telle pièce, de successivement : a) couler un alliage métallique dans un moule pour la réalisation d'une ébauche, et b) usiner l'ébauche pour la réalisation de la pièce, Certaines ébauches cylindriques peuvent présenter des différences de microstructures entre leurs centres respectifs et la périphérie. Cela peut entraîner des différences de microstructure au sein d'une même aube. C'est notamment le cas des pièces réalisées en alliage métallique à base de TiAI. Dans la technique actuelle, certaines autres ébauches sont obtenues par fonderie en cire perdue dans un moule en céramique dans lequel est coulé l'alliage métallique. Ce moule est difficile à mettre au point et est à usage unique. De plus, des interactions entre le métal en fusion et la céramique peuvent générer des défauts de fonderie à la surface des ébauches, et la cire perdue peut provoquer des défauts géométriques dans les ébauches si elle est de mauvaise qualité. Par ailleurs, usiner (au moins) une pièce dans une ébauche pose des difficultés de positionnement de la pièce dans l'ébauche. Il faut que la position de cette pièce soit compatible avec les règles métiers de fonderie, d'usinage et du métier auquel la pièce est destinée. La présente invention permet de remédier à au moins une partie des inconvénients précités de façon simple, efficace et économique. Selon une première définition, la solution ici proposée consiste en ce que l'ébauche obtenue par coulée soit pleine, polyédrique et présente un premier et un deuxième côtés entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés qui s'évasent entre eux depuis le premier côté vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente, suivant un second angle plus important que le premier, et ladite pièce est usinée dans l'ébauche. Pour parvenir à la solution ici proposée, il a fallu mobiliser des savoir-faire en provenance de divers champs de compétence (fonderie, usinage). Les formes d'ébauches et de cavités de moulage qui en ont résulté ont une morphologie pertinente. Concernant le moule utilisé, on conseille qu'il comprenne en conséquence au moins une cavité de moulage, de préférence une par ébauche, cette cavité présentant ainsi un premier et un deuxième côtés entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés qui s'évasent entre eux depuis le premier côté vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente, suivant un second angle plus important que le premier. De préférence, il s'agira d'un moule rotatif pour le moulage simultané de plusieurs ébauches par centrifugation. Le moule sera alors lié à des moyens de mise en rotation autour d'un axe central de rotation et comprendra plusieurs cavités de moulage s'étendant radialement autour dudit axe central. Cette technologie permet de réaliser des ébauches en TiAI, en particulier pour des aubes de turbomachine. Dans ce domaine des turbomachines, le procédé auquel le moule est destiné s'applique ainsi bien au moulage d'aubes, à savoir des pièces présentent chacune un axe longitudinal et, le long de cet axe, un pied à une première extrémité, un talon à une seconde extrémité, et une pale à section incurvée qui s'étend entre elles. Dans cette application, on conseille alors (en combinaison ou non), pour que chaque ébauche tende vers une intégration d'une partie au moins des contraintes de remplissage, de solidification, de démoulage, d'usinage de la pièce afin que celle-ci soit conforme aux caractéristiques attendues : - que l'ébauche présente un premier et un deuxième côtés entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés qui s'évasent entre eux depuis le premier côté vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente, suivant un second angle plus important que le premier, - que l'ébauche soit définie par une première et une deuxième pyramides tronquées, la deuxième pyramide étant le prolongement de la première pyramide par la grande base de la première pyramide qui se superpose exactement à la petite base de la deuxième, - que les troisième et quatrième côtés soient chacun de forme générale trapézoïdale, - que des cinquième et sixième côtés de l'ébauche soient chacun sous la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base et une petite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze, - que l'ébauche présente un plan de symétrie perpendiculaire aux premier et deuxième côtés qui seront alors parallèles entre eux, - que le premier angle précité soit compris entre 0° et 15°, et de préférence entre 0° et 8°, - que le second angle précité soit inférieur à 120°, et de préférence inférieur à 90°, - que l'angle total d'évasement des troisième et quatrième côtés entre les premier et deuxième côtés soit compris entre 1° et 15°, et de préférence entre 3° et 8°, - que la rupture de pente soit située à moins de 85%, et de préférence moins de 75%, de la plus courte distance entre les premier et deuxième côté, en partant du premier côté. La cavité de moulage sera adaptée en conséquence. Le moule, qui est par exemple un moule permanent, et dans lequel est coulé l'alliage, sera de préférence métallique, ce qui permettra de limiter la contamination du matériau des ébauches par celui du moule. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés où les figures 3 à 5 sont précises dimensionnellement et correspondent à une réalité industrielle, à l'image de plans cotés, et dans lesquels : la figure 1 schématise un dispositif de fabrication d'ébauches ou barreaux, par moulage, la figure 2 est une vue schématique de face d'une ébauche moulée, obtenue par exemple par le dispositif de moulage de la figure 1, les figures 3,4,5 sont des vues d'ébauche, respectivement de face à nouveau, en coupe transversale (flèches IV-IV), et d'un côté (flèche V), et la figure 6 schématise une partie de moule, avec sa cavité de moulage de l'ébauche précitée. Ainsi, on voit figure 1 un dispositif 1 de fabrication d'ébauches ou barreaux 3, par des opérations successives de fonte, coulée et moulage. Le dispositif 1 comprend une enceinte 5 fermée et étanche dans laquelle est appliqué un vide partiel. Un lingot 7 en alliage métallique, à base de TiAI par exemple, est fixé à une extrémité d'une électrode 9 qui est reliée à une borne d'une source de courant dont l'autre borne est reliée à un creuset 11 logé dans l'enceinte 5. Lorsque le lingot 7 se rapproche du creuset 11, des arcs électriques se forment entre le creuset et le lingot ce qui provoque la fusion du lingot qui tombe alors au fond du creuset (VSM Vacuum Skull Melting). Lorsque le lingot est complètement fondu dans le creuset l'alliage métallique est versé dans un moule 13, de préférence métallique et permanent. Ce moule 13 permet de couler l'alliage par centrifugation. Pour cela, le moule est mis en rotation autour d'un axe A par l'intermédiaire d'un moteur 15. Le moule comprend plusieurs logements ou cavités, telles ici 17a, 17b, qui s'étendent radialement autour de l'axe A qui est ici vertical. L'alliage à couler est apporté vers le centre et la rotation du moule le répartit vers les cavités. On conseille que les cavités soient régulièrement espacées autour de cet axe. De préférence, l'axe A sera vertical et celui (tels ici 170a, 170b) de chaque cavité sera horizontal. Sur la figure 1, les cavités, telles 17a, 17b, de moulage n'ont toutefois pas été représentées avec leur(s) forme(s) optimisée(s), notamment pour convenir au moulage d'une ébauche 3 conforme à celle des figures 2 à 5. Les forces centrifuges générées par la rotation du moule forcent l'alliage en fusion à pénétrer dans ces cavités et à les remplir. Après refroidissement, le moule 13 est démonté et les pièces moulées sont extraites. On aura compris que la forme des cavités 17a,17b... correspondra à celle des pièces. Ce qui suit concernant les pièces ou ébauches s'applique donc aussi aux cavités du moule. Sur la figure 2, qui montre la forme générale d'une ébauche moulée conforme à la solution ici proposée, et qui peut être l'une de celles référencées 3 ci-avant, on note d'emblée que ce barreau ou ébauche 3 est totalement plein, polyédrique et présente, parmi les faces de ce polyèdre, un premier et un deuxième côtés 30a,30b entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés 30c,30d qui s'évasent entre eux depuis le premier côté 30b vers le deuxième côté 30a , suivant un premier angle a puis, à partir d'une rupture de pente 18, suivant un second angle y plus important que le premier. Les angles de l'ébauche sont arrondis, comme illustré. C'est donc à partir de cette ébauche, considérée dans son état solide, que la pièce 19, ici une aube de turbomachine, sera usinée dans l'ébauche. Dans la version préférée illustrée qui favorise un usinage optimisé, 30 en termes de qualité de pièces finies et de consommation de matière, l'ébauche 3 est définie en quelque sorte par une première et une deuxième pyramides, respectivement 21a,21b, chacune tronquée suivant un plan commun. La deuxième pyramide est le prolongement de la première pyramide par l'intermédiaire de la petite base 210b de la deuxième pyramide qui se 5 superpose exactement à la grande base 210a de la première pyramide. Ainsi, sur l'ébauche complète, comme illustré, les première et deuxième pyramides n'en font qu'une. Pour optimiser encore l'atteinte d'une haute qualité de pièces finies et de consommation de matière aussi limitée que possible, il est même 10 conseillé que, comme mieux détaillé sur les figures 3 à 5 : - les troisième et quatrième côtés 30c,30d soient chacun de forme générale trapézoïdale, et/ou, - des cinquième et sixième côtés 30e,30f de l'ébauche soient chacun sous la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base, telle 15 300e pour celle du premier trapèze du cinquième côté 30e, et une petite base, telle 310e pour celle du deuxième trapèze du même côté 30e, et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. Pour mémoire, un trapèze est un quadrilatère, possédant deux côtés 20 opposés parallèles appelés bases. L'ébauche 3 pourra présenter un plan 23 de symétrie perpendiculaire aux premier et deuxième côtés 30a,30b. Pour l'équilibre d'ensemble de la forme de l'ébauche et l'économie de matière visée, eu égard à la fabrication de cette aube 19, on 25 recommande que les côtés 30a,30b soient parallèles entre eux. Il est par ailleurs conseillé : - que le sixième côté 30f soit perpendiculaire aux premier et deuxième côtés 30a,30b, et de préférence, - que les cinquième et sixième côtés 30e,30f présentent entre eux un 30 angle a2 compris entre 0° et 15°, et de préférence entre 0° et 8° . Concernant les valeurs à assurer pour les autres angles précités que : - le premier angle a soit compris entre 0° et 15°, et de préférence entre 0° et 8°, - le second angle y soit inférieur à 120°, et de préférence inférieur à 90°, - l'angle total 13 (cumul des angles a et y) d'évasement des troisième et quatrième côtés (30c,30d) entre les premier et deuxième côtés (30a,30b) soit compris entre 1° et 15°, et de préférence entre 3° et 8°. Quant à la rupture de pente 18, on recommande qu'elle soit située à moins de 85%, et de préférence moins de 75%, de la plus courte distance L2 entre les premier et deuxième côtés 30a,30b, en partant du premier côté 30a (L1/L2 = 0,85, et de préférence moins de 0,75, avec L1 : plus courte distance entre le premier côté 30a et la rupture de pente 18). A partir des figures 2 à 5, on aura noté que l'ébauche complète présente donc de préférence huit faces planes. Les règles précitées d'élaboration de l'ébauche permettront un remplissage du moule et une solidification adéquates, un positionnement optimisé de la pièce 19 à usiner dans l'ébauche et un volume hors tout de cette ébauche défini afin de minimiser les temps d'usinage. Concernant cette pièce 19, on remarque sur les figures que si la pièce est une aube, elle présentera (figure 3) un axe longitudinal 191b et, le long de cet axe, un pied 193b adjacent à une plate-forme intérieure 195b (figure 5), à une première extrémité, un talon (ou plate-forme extérieure) 192b à une seconde extrémité, et une pale 194b (figures 4,5) à section incurvée qui s'étend entre les plateformes. L'axe longitudinal 191b pourra passer par le centre géométrique du pied et du talon. Il coupe les côtés opposés 30a,30b. La pale de l'aube sera avantageusement prévue pour être usinée avec sa face convexe (figure 4) orientée en direction de la face 30c, la face 30 opposée concave étant donc alors orientée en direction de la face 30d. On remarque également que le talon (ou plate-forme extérieure) 192b est prévu pour être usiné face au, et à proximité immédiate du côté 30b, tandis que la plateforme intérieure 193b est immédiatement proche du côté opposé 30a. Si, comme préféré, les ébauches 3 sont coulées par centrifugation dans un moule rotatif, tel le moule 13, on utilisera de préférence un moule à coquilles. Concernant les cavités de moulage, il est recommandé ce qui suit, comme illustré figure 6 où l'ébauche à mouler est donc celle des figures 10 précédentes 2 à 5. Ainsi, conformément à ce qui a été déjà mentionné, le moule concerné comprend (au moins) une cavité 17b de moulage de l'ébauche qui présente un premier et un deuxième côtés 171a,171b entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés 171c,171d qui s'évasent 15 entre eux depuis le deuxième côté vers premier le côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente 180, suivant un second angle plus important que le premier. Egalement comme précédemment mentionné, il est conseillé : -- que les troisième et quatrième côtés 171c,171d soient chacun de forme 20 générale trapézoïdale, et/ou, - que les cinquième et sixième côtés 171e,171f de la cavité soient chacun en la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base et une petite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. 25 Dans l'exemple, l'ouverture d'accès à la (chaque) cavité, ici référencée 23b, est située sur le côté latéral 171b dressé vers lequel la grande base de la plus grande pyramide sera moulée. Le côté opposé 171a définit un fond fermé pour la cavité. L'enveloppe de moulage comprend (au moins) deux coquilles 30 25a,25b, chacune incorporant une partie de la cavité de moulage concernée, ici 17b. C'est par l'ouverture 23b que l'alliage métallique entrera dans la cavité (voir flèche figure 6), voire que l'ébauche moulée, durcie, 3 pourrait en sortir ; toutefois, avec des coquilles 25a,25b séparables on pourra permettre un démoulage plus simple de l'ébauche. Dans un exemple particulier de réalisation, chaque ébauche pourra avoir une longueur L2, entre les côtés 30a,30b comprise entre 20 à 500 mm , et une longueur L3 du côté 30a comprise entre 10 et 100mm. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'au moins une pièce (19b) métallique de turbomachine, comprenant des étapes consistant à : a) couler un alliage métallique dans un moule (13) pour la réalisation d'une ébauche (3), et b) usiner l'ébauche (3) pour la réalisation de ladite au moins une pièce, caractérisé en ce que l'ébauche obtenue par coulée est pleine polyédrique et présente un premier et un deuxième côtés (30a,30b) entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés (30c,30d) qui s'évasent entre eux depuis le premier côté (30a) vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente (18), suivant un second angle plus important que le premier, et ladite au moins une pièce est usinée dans l'ébauche. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est définie par une première et une deuxième pyramides tronquées (21a,21b), la deuxième pyramide étant le prolongement de la première pyramide par la grande base de la première pyramide qui se superpose exactement à la petite base de la deuxième. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : - les troisième et quatrième côtés sont chacun de forme générale trapézoïdale, et/ou, - des cinquième et sixième côtés (30e,30f) de l'ébauche sont chacun sous la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base et une petite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : - ladite au moins une pièce (19) est une aube présentant un axe longitudinal (191b) et, le long de cet axe, un pied (193b) à une première extrémité, un talon (192b) à une seconde extrémité, et une pale (194b) àsection incurvée qui s'étend entre elles et présente un premier côté convexe et un deuxième côté concave, - des cinquième et sixième côtés (30e,30f) de l'ébauche sont chacun sous la forme générale de deux trapèzes s'étendant dans un même plan, avec chacun une grande base et une petite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. 5. Ebauche obtenue à l'issue du moulage selon l'étape a) de la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle est pleine, polyédrique et présente un premier et un deuxième côtés (30a,30b) entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés (30c,30d) qui s'évasent chacun depuis le premier côté vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente (18), suivant un second angle plus important que le premier. 6. Ebauche obtenue à partir du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'elle est définie par une première et une deuxième pyramides tronquées (21a,21b), la deuxième pyramide étant le prolongement de la première pyramide par la grande base de la première pyramide qui se superpose exactement à la petite base de la deuxième. 7. Ebauche obtenue à partir du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : - qu'elle présente un premier et un deuxième côtés (30a,30b) entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés (30c,30d) qui s'évasent entre eux depuis le premier côté vers le deuxième côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente (18), suivant un second angle plus important que le premier, - les troisième et quatrième côtés sont chacun de forme générale trapézoïdale, et/ou, - des cinquième et sixième côtés (30e,30f) de l'ébauche sont chacun sous 30 la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base et unepetite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. 8. Ebauche selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'elle présente un plan de symétrie (23) perpendiculaire aux premier et deuxième côtés (30a,30b) qui sont parallèles entre eux. 9. Ebauche selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que : - le premier angle (a) est compris entre 0° et 15°, et de préférence entre 0° et 8°, - le second angle (y) est inférieur à 120°, et de préférence inférieur à 90°, - l'angle total (f3) d'évasement des troisième et quatrième côtés entre les premier et deuxième côtés (30a,30b) est compris entre 1° et 15°, et de préférence entre 3° et 8°, - et la rupture de pente (18) est située à moins de 85%, et de préférence moins de 75%, de la plus courte distance (L2) entre les premier et deuxième côtés, en partant du premier côté (30a). 10. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cavité de moulage de l'ébauche qui présente un premier et un deuxième côtés (171a,171b) entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés (171c,171d) qui s'évasent entre eux depuis le deuxième côté (171a) vers le premier côté, suivant un premier angle puis, à partir d'une rupture de pente (180), suivant un second angle plus important que le premier. 11. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cavité (17b) de moulage de l'ébauche définie par une première et une deuxième pyramides tronquées, la deuxième pyramide étant le prolongement de la première pyramide par la grande base de la première pyramide qui se superpose exactement à la petite base de la deuxième. 12. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cavité de moulage de l'ébauche qui présente : - un premier et un deuxième côtés (171a,171b) entre lesquels s'étendent un troisième et un quatrième côtés (171c,171d) qui sont chacun de forme générale trapézoïdale, et/ou, - des cinquième et sixième côtés (171e,171f) de la cavité sont chacun sous la forme générale de deux trapèzes, avec chacun une grande base et une petite base et l'un qui prolonge l'autre par la grande base du premier 10 trapèze qui est accolée à la petite base du deuxième trapèze. 13. Moule selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que : - le premier angle (a) est compris entre 0° et 15°, et de préférence entre 0° et 8°, 15 - le second angle (y) est inférieur à 120°, et de préférence inférieur à 90°, - l'angle total (f3) d'évasement des troisième et quatrième côtés entre les premier et deuxième côtés (171a,171b) est compris entre 1° et 15°, et de préférence entre 3° et 8°, - et la rupture de pente (180) est située à moins de 85%, et de préférence 20 moins de 75%, de la plus courte distance (L2) entre les premier et deuxième côtés, en partant du premier côté (171a).