Brevet FR3015322A1 — publié le 20150626

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de réali- sation d'une pièce, notamment d'un rotor. L'invention se rapporte également à un procédé de réalisation d'une pièce composite, notamment d'un rotor et la pièce ainsi obtenue. Etat de la technique Les moteurs à combustion interne actuels utilisent de plus en plus des turbocompresseurs pour rendre les moteurs diesels ou les moteurs à essence beaucoup plus économiques et néanmoins dy- namiques et confortables. Comme matériaux pour le rotor de turbines exposées aux gaz d'échappement, on utilise actuellement des alliages à base de nickel (Ni). Pour améliorer la dynamique, on envisage de plus en plus des alliages à base d'aluminure de titane (TiAl) qui se caractérisent par une faible densité (environ 5g/cm3) et une tenue spécifique éle- vée. Les rotors de turbine à base de l'alliage TiAl se fabriquent par exemple par un procédé de coulée fine ou un procédé d'injection de poudre métallique encore appelé procédé de moulage par injection de métal (MIM). Un grand défi est celui consistant à fixer le rotor de turbine en alliage TiAl à l'arbre en acier reliant le rotor de turbine au rotor du compresseur côté air. Pour assembler les rotors de turbine à base d'alliage Ni à l'arbre en acier, on utilise actuellement les procédés de soudage par électrons ou par faisceau laser à cause des temps de cadence très réduits que ces procédés permettent et à la très grande fiabilité de l'assemblage de ces procédés de soudage par fusion. Mais le développe- ment d'une phase cassante, accentuée, entre Ti, Fe et Al interdit toutefois de transposer ce procédé de soudage à l'assemblage d'un rotor de turbine en un alliage à base de TiAl avec de l'acier. Pour résoudre ce problème, on associe au rotor de tur- bine en alliage TiAl, des pièces intermédiaires en des alliages à base de Ni qui peuvent être soudées à l'acier. On procède alors par exemple par soudage par diffusion ou par soudage par friction. Mais ces solutions sont longues et coûteuses à mettre en oeuvre. En outre, on peut appliquer une couche intermédiaire en alliage à base de Ni par un procédé de pulvérisation de poudre pour permettre de souder sur l'acier. On procède par exemple par une pulvérisation avec un gaz à froid ou par plasma ou par flamme à vitesse élevée. Mais ces procédés sont également coûteux et n'utilisent finalement qu'une faible partie des poudres nécessaires et qui sont coûteuses. De plus, le procédé ne réalise pas de liaisons métallurgiques entre l'alliage à base de TiAl et la couche inter- médiaire en alliage à base de Ni. Il n'est pas possible de fixer la couche intermédiaire en alliage à base de Ni sur le rotor de turbine en alliage TiAl par cofrittage à cause des plages de fusion différentes des alliages à base de TiAl et à base de Ni et aussi à cause de la tendance de réaction très élevée entre les alliages à base de Ni et les alliages à base de TiAl. Le document DE 10 2010 011 486 A 1 décrit un rotor de turbocompresseur de gaz d'échappement qui, pour fixer le rotor de turbine à l'arbre prévoit une pièce intermédiaire au moins entre le rotor et l'arbre, cette pièce intermédiaire étant une pièce métallique poreuse ou une pièce en céramique que l'on relie au rotor de turbine et/ou à l'arbre par un procédé d'infiltration. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un procédé pour réali- ser une pièce, notamment un rotor consistant à utiliser un corps de base ayant au moins une région de fixation en un premier alliage, réali- ser une couche de fixation soudable dans la région de fixation du corps de base, cette couche de fixation soudable ayant un second alliage différent du premier alliage, réaliser une couche-barrière entre le corps de base et la couche de fixation soudable, la couche-barrière évitant une réaction du premier alliage du corps de base avec le second alliage de la couche de fixation soudable au cours d'un traitement thermique et chauffer le corps de base, la couche-barrière et la couche de fixation soudable pour relier entre eux le corps de base, la couche-barrière et la couche de fixation soudable. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'une pièce composite, notamment d'un rotor, utilisant une pièce telle que définie ci-dessus et soudant par fusion un arbre, notamment un arbre en acier à la pièce dans la région de la couche de fixation soudable. Enfin, l'invention a pour objet la pièce obtenue par le procédé défini ci-dessus et notamment un rotor de turbocompresseur de gaz d'échappement. Le procédé selon l'invention permet de réaliser une pièce, notamment un rotor de turbine qui se fabrique de manière simple et se fixe de manière sûre, rapide et économique à une autre pièce, notamment un arbre en acier par un procédé de soudage par fusion. Cela s'obtient grâce à une couche-barrière qui, dont les propriétés évitent toute réaction des atomes d'un premier alliage d'un corps de base avec les atomes d'un second alliage d'une couche de fixation soudable au cours d'un traitement thermique. En d'autres termes, cela signifie que la couche-barrière selon l'invention évite efficacement l'inter-diffusion des types d'atomes du premier alliage vers le second alliage. Pendant le traitement thermique, notamment pendant l'étape de chauffage, cette couche-barrière intervient des deux côtés, c'est-à-dire du côté du corps de base et du côté de la couche de fixation soudable pour former une liaison solide. On a ainsi une couche de fixation de la pièce qui est reliée à la pièce par une liaison par la matière sans former de phase cassante et qui, d'autre part, permet de bien relier un arbre en acier par soudage par fusion. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le premier alliage est un alliage à base de titane-aluminium et le second alliage est un alliage à base de vanadium (V). Comme les alliages à base de titane aluminium se caractérisent par une faible densité et une très grande tenue spécifique et que les alliages à base de vanadium ont l'avantage d'une bonne soudabilité par fusion, notamment avec un arbre en acier, cela permet de réaliser un rotor relié de manière très simple et économique à un arbre en acier par soudage par fusion. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la couche-barrière évite la diffusion des atomes du premier alliage du corps de base vers les atomes du second alliage de la couche de fixation soudable. En d'autres termes, cela signifie que la couche-barrière a un coefficient de diffusion évitant la diffusion des atomes du premier alliage du corps de base vers les atomes du second alliage de la couche de fixa- tion soudable. Cela permet de réaliser la couche-barrière comme bar- rière de diffusion des atomes du premier alliage. Ce moyen évite efficacement une compensation de concentration intense des types d'atomes et ainsi qu'une fraction indéterminée des atomes du premier alliage par exemple les composants titane et aluminium, arrivent dans la couche de fixation soudable par fusion, ce qui détériorerait les caractéristiques de soudabilité ou le procédé de soudage par fusion ou même interdirait cette opération. De plus, le frittage, par exemple celui des alliages à base de TiAl se fait à des températures supérieures à 1400°C. A de telles températures très élevées pendant le cofrittage, d'alliages métal- ligues différents, il se produit une interdiffusion très intense d'équilibrage des concentrations des types d'atomes. C'est pourquoi la couche intermédiaire métallique réalisée par cofrittage aurait à l'endroit de la soudure, toujours une certaine fraction de composants titane et aluminium provenant du rotor et qui ne permettraient pas d'appliquer de manière satisfaisante le procédé de soudage par fusion. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la couche-barrière évite la diffusion des atomes du second alliage de la couche de fixation soudable vers les atomes du premier alliage du corps de base. En d'autres termes, cela signifie que la couche-barrière a un coefficient de diffusion qui évite en outre la diffusion des atomes du se- cond alliage de la couche de fixation soudable aux atomes du premier alliage du corps de base. On évite ainsi que des atomes de la couche de fixation arrivent de manière incontrôlée dans la zone de liaison entre le corps de base et la couche-barrière, ce qui détériorerait la liaison par la matière entre la couche-barrière et le corps de base. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la couche-barrière est une céramique oxyde. Il est notamment avantageux que la céramique oxyde de la couche-barrière soit du dioxyde de zirconium de formule chimique générale Zr02_6, 6 étant dans une plage su- périeure ou égale à 0 et inférieure ou égale à 0,5. L'épaisseur de la couche-barrière en céramique se situe alors dans une plage comprise entre 0 et 2 mm. Ces moyens permettent de réaliser une liaison solide du dioxyde de zirconium avec les deux alliages, c'est-à-dire, notamment l'alliage à base de TiAl et l'alliage à base de V. En variante ou en plus, la céramique oxyde peut comporter de l'oxyde d'Yttrium ou de l'oxyde de magnésium en une quantité supérieure à 0 `)/0 et inférieure ou égale à 10 % massique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la couche de fixation soudable contient en outre du nickel. L'addition de nickel, par exemple dans un pourcentage supérieure ou égal à 5 % et inférieure ou égal à 30 `)/0 massique permet d'adapter le comportement fusion ou en frittage du second alliage qui est de préférence un alliage à base de vanadium V au premier alliage qui est de préférence un alliage à base de TiAl du rotor. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la couche de fixation soudable contient en plus du zirconium et/ou du titane et/ou entre la couche-barrière et la couche de fixation soudable on a une couche intermédiaire contenant du zirconium et/ou du titane et dans l'étape de chauffage on relie à la couche de fixation soudable par fusion et à la couche-barrière. Les deux éléments métalliques réactifs zirconium et titane peuvent être ajoutés dans une plage supérieure ou égale à 0 et inférieure ou égale à 5 % massique. La couche de fixation a par exemple une épaisseur comprise entre 0,1 et 5 mm. La couche intermédiaire a par exemple une épaisseur comprise entre 0 et 0,5 mm. Les éléments réactifs de zirconium et/ou de titane garantissent d'une part le développement d'une liaison par la matière avec la couche-barrière ou barrière de diffusion, en céramique pendant l'élévation de température. D'autre part, l'alliage à base de V pourra être relié très simplement à l'arbre en acier par le soudage par fusion. Suivant une autre caractéristique avantageuse, avant l'étape d'élévation de la température du corps de base, ce corps de base est un corps non cuit et la couche de fixation soudable, la couche-barrière et le cas échéant la couche intermédiaires sont appliquées par injection et/ou pulvérisation ou projection ou impression par exemple par une encre, une impression par jet d'encre ou une impression par sérigraphie sur le corps de base et dans l'étape de chauffage du corps de base on effectue le cofrittage de la couche de fixation soudable par fusion, de la couche-barrière et le cas échéant de la couche intermédiaire. En variante, avant l'étape d'élévation de la température du corps de base, celui-ci est à l'état frité et la couche-barrière, la couche de fixation soudable par fusion et le cas échéant la couche intermédiaire sont appliquées sur le corps de base par un procédé de pul- vérisation thermique, par exemple pulvérisation au plasma, pulvérisation à la poudre et à la flamme, pulvérisation à la flamme à grande vitesse, pulvérisation par gaz froid ou pulvérisation d'un fil avec arc électrique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, avant l'étape de chauffage, le corps de base et la couche-barrière sont à l'état frité et la couche de fixation soudable est à l'état frité ou à un état obtenu par métallurgie par fusion. L'état frité selon la présente invention signifie que l'objet est déjà frité avant l'étape suivante de chauffage et n'a plus à subir d'autre opération de frittage. Ces moyens permettent de réaliser de différentes ma- nières un rotor soudable par fusion et qui est très économique et très efficace. Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un procédé de réalisation d'un composant, no- tamment d'un rotor ainsi que le composant obtenu présentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est le schéma d'un rotor selon l'invention obtenu par le procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue de détail schématique de la région de fixa- tion d'un premier mode de réalisation du rotor selon l'invention, et - la figure 3 est un schéma de la région de fixation d'un second mode de réalisation du rotor de l'invention, - la figure 4 montre un ordinogramme du procédé de réalisation du composant selon l'invention, - la figure 5 est un ordinogramme simplifié d'un procédé de réalisation d'une pièce composite selon l'invention.35 Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une pièce composite selon l'invention portant globalement la référence 10. La pièce composite 10 est constituée ici par un rotor. Le rotor 10 comporte une pièce 12 constituant le rotor proprement dit. Le rotor 10 a un arbre 14 en acier. Le rotor 12 a un corps de base 16 relié à l'arbre en acier 14 par une région de fixation 18. La liaison entre le rotor 12 et l'arbre en acier 14 a été faite par un procédé de soudage. Le rotor 12 ou le corps de base 16 a un premier alliage dans la région de fixation 18. Le corps de base 16 du rotor 12 peut être réalisé complètement en un premier alliage. Le premier alliage est de préférence un alliage à base de titane-aluminium. Pour pouvoir fixer de manière économique et fiable un tel rotor 16 qui se caractérise en particulier par une faible densité et une tenue spécifique élevée, sur un arbre en acier, au niveau de la région de fixation 18 le rotor 10 présente en outre, selon l'invention, une couche-barrière 20 et une couche de fixation 22 non détaillées à la figure 2. Selon la figure 2, la région de fixation 18 du corps de base 16 comporte une couche-barrière 20 qui se trouve de préférence directement sur le corps de base 16. La couche-barrière 20 peut avoir une épaisseur comprise entre 0 et 2 mm. Sur le côté de la couche-barrière 20 à l'opposé du corps de base 16, il y a la couche de liaison 22 qui peut être soudée et se trouver de préférence directement sur la couche-barrière 20. La couche de liaison 22 soudable a une épaisseur comprise entre 0,1 et 5 mm. Cette couche de liaison soudable 22 com- porte un second alliage différent du premier alliage. Le second alliage est de préférence un alliage à base de V. Selon l'invention, la couche-barrière 20 se trouve entre le corps de base 16 et la couche de liaison soudable 22 ; elle est réalisée pour éviter une réaction du premier alliage du corps de base 16 et le second alliage de la couche de liaison soudable 22 pendant le traitement thermique, par exemple pendant l'opération de frittage ou autre étape d'élévation de température. La couche-barrière 20 est de préférence conçue pour éviter la diffusion entre le premier alliage du corps de base 16 vers les atomes du second alliage de la couche de liaison 22 soudable au cours du traitement thermique. La couche-barrière 20 constitue ainsi une barrière de diffusion 20. La couche-barrière 20 est en outre conçue pour éviter la diffusion des atomes du second alliage de la couche de liaison soudable 22 dans les atomes du premier alliage du corps de base 16 pendant le traitement thermique, notamment pendant le frittage. Ainsi, la couche-barrière 20 a par exemple un coefficient de diffusion pour éviter la diffusion des atomes du premier alliage du corps de base 16 vers les atomes du second alliage de la couche de liaison soudable 22 et le cas échéant également le mouvement inverse pendant un traitement thermique. Dans le cas présent, la couche-barrière 20 est en dioxyde de zirconium de formule chimique générale Zr02_6, 6 étant dans une plage supérieure ou égale à 0 et inférieure ou égale à 0,5. Cela évite notamment que les atomes de titane et/ou d'aluminium diffusent de manière incontrôlée vers la couche de liaison 22 ce qui peut conduire à la formation d'une phase cassante et ainsi détériorer, voire interdire la possibilité de soudage par le procédé de soudage par fusion. La figure 3 montre la région de fixation 18' d'un autre mode de réalisation du composant 12 ou rotor 12 selon l'invention. Contrairement à l'exemple de réalisation de la figure 2, le rotor 12 a en plus une couche intermédiaire 24. La couche intermédiaire 24 est si- tuée entre la couche-barrière 20 et la couche de fixation 22. La couche intermédiaire peut avoir une épaisseur comprise entre 0 et 0,5 mm. La couche intermédiaire 24 contient du titane et/ou du zirconium. La couche intermédiaire 24 garantit d'une part le développement d'une liaison par la matière avec la couche-barrière céramique 20 ou la bar- rière de diffusion 20 pendant le co-frittage. D'autre part, l'alliage à base de vanadium peut être relié à l'arbre en acier par le soudage par fusion. La figure 4 montre un ordinogramme du procédé 100 de réalisation d'une pièce 12 selon l'invention, notamment d'un rotor 12. Le procédé comprend l'étape 102 dite de fourniture du corps de base 16, l'étape 104 consistant à prévoir une couche de fixation soudable 22 dans la région de fixation 18 du corps de base 16, l'étape 106 consistant à prévoir une couche barrière 20 entre le corps de base 16 et la couche de fixation soudable 22 et une étape 108 de chauffage du corps de base 16, de la couche de fixation soudable 22 et de la couche-barrière 20. Dans l'étape de fourniture 102 on prend un corps de base 16 ayant au moins une région de fixation 18 ; 18' d'un premier alliage. Dans l'étape 104 on réalise une couche de fixation soudable 22 dans la région de fixation 18 ; 18' du corps de base 16 qui a un second alliage, différent du premier alliage. Dans l'étape 106, on réalise une couche-barrière entre le corps de base 16 et la couche de fixation soudable 22, la couche-barrière 20 évitant une réaction du premier alliage du corps de base 16 avec le second alliage de la couche de fixation soudable 22 au cours d'un traitement thermique. Dans l'étape de chauffage 108, on chauffe le corps de base 16, la couche-barrière 20 et la couche de fixation soudable 22 pour lier le corps de base 16, la couche-barrière 20 et la couche de fixation soudable 22 les unes aux autres. Selon un développement du procédé, dans l'étape 102, on utilise un corps 16 non traité thermiquement. Dans les étapes 104 et 106 on peut alors appliquer la couche-barrière 20, la couche de fixation soudable 22 et le cas échéant la couche intermédiaire 24 par injection et/ou pulvérisation, projection ou impression sur le corps non cuit 16. Dans l'étape de chauffage 108 on peut alors co-friter le corps non cuit 16, la couche-barrière 20, la couche de fixation soudable 22 et le cas échéant la couche intermédiaire 24. Selon un autre développement du procédé 100, dans l'étape 102 on utilise le corps de base 16 à l'état frité terminé. Dans les étapes 104 et 106 on applique alors la couche-barrière 20, la couche de fixation soudable 22 et le cas échéant la couche intermédiaire 24 par un procédé de pulvérisation thermique sur le corps de base 16, frité. Ensuite, dans l'étape de chauffage 108, on relie les uns aux autres par traitement thermique postérieur, le corps de base 16, frité, la couche- barrière 20, la couche de fixation soudable 22 et le cas échéant la couche intermédiaire 24. Selon un autre développement du procédé 100 de l'invention, dans les étapes 102 et 106 on utilise le corps de base 16 et la couche-barrière 20 à l'état frité terminé. Dans l'étape 104 on a la couche de fixation soudable 22 dans un état frité ou obtenu par métal- lurgie par fusion. Dans l'étape de chauffage 108 on relie entre eux, le corps de base frité 16, la couche-barrière fritée 20, la couche de fixation fritée ou fondue en métallurgie 22 et le cas échéant la couche intermédiaire 24 par un traitement thermique postérieur. La figure 5 montre un ordinogramme d'un procédé 200 pour la réalisation d'une pièce composite 10, notamment d'un rotor 10 selon un exemple de réalisation de l'invention. Le procédé 200 comporte l'étape 202 consistant à fournir la pièce 12 ou le rotor 12 et une étape 204 consistant à souder par fusion, l'arbre 14, notamment l'arbre en acier 14 sur la pièce 12 ou sur la couche de fixation soudable 22 de la pièce 12.15 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Pièce composite / rotor 12 Pièce 14 Arbre en acier 16 Corps de base 18 Région de fixation 20 Couche barrière 22 Couche de fixation 24 Couche intermédiaire 102-108 Etape du procédé 100 202-204 Etape du procédé 20015 REVENDICATIONS1°) Procédé (100) pour réaliser une pièce (12), notamment un rotor (12) comprenant les étapes suivantes consistant à : - utiliser (102) un corps de base (16) ayant au moins une région de fixation (18, 18') en un premier alliage, - réaliser (104) une couche de fixation soudable (22) dans la région de fixation (18, 18') du corps de base (16), cette couche de fixation soudable (22) ayant un second alliage différent du premier alliage, - réaliser (106) une couche-barrière (20) entre le corps de base (16) et la couche de fixation soudable (22), la couche-barrière (20) évi- tant une réaction du premier alliage du corps de base (16) avec le second alliage de la couche de fixation soudable (22) au cours d'un traitement thermique, et - chauffer (108) le corps de base (16), la couche-barrière (20) et la couche de fixation soudable (22) pour relier entre eux le corps de base (16), la couche-barrière (20) et la couche de fixation soudable (22). 2°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier alliage est un alliage à base de titane-aluminium. 3°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second alliage est un alliage à base de vanadium. 4°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche-barrière (20) bloque la diffusion des atomes du premier alliage du corps de base (16) vers les atomes du second alliage de la couche de fixation soudable (22) pendant le chauffage (108). 5°) Procédé (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce quela couche-barrière (20) bloque la diffusion des atomes du second alliage de la couche de fixation soudable (22) vers les atomes du premier alliage du corps de base (16) pendant le chauffage (108). 6°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche-barrière (20) est une céramique oxyde. 7°) Procédé (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la céramique oxyde de la couche-barrière (20) est du dioxyde de zirconium de formule générale Zr02_6, 8 étant compris dans une plage supérieure ou égale à 0 et inférieure ou égale à 0,5 et/ou de l'oxyde d'yttrium ou de l'oxyde de magnésium dans une plage supérieure ou égale à 0 et inférieure ou égale à 10 % massique. 8°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de fixation soudable (22) contient du nickel. 9°) Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de fixation soudable (22) contient au moins du zirconium et/ou du titane et/ou une couche intermédiaire (24) entre la couche- barrière (20) et la couche de fixation soudable (22), cette couche inter- médiaire comportant du zirconium et/ ou du titane, et dans l'étape de chauffage (108) cette couche est reliée à la couche de fixation soudable (22) et à la couche-barrière (20). 10°) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu' avant l'étape de chauffage (108), - le corps de base (16) est un corps (16) non cuit, et- la couche-barrière (20), la couche de fixation soudable (22) et le cas échéant la couche intermédiaire (24) sont appliquées par injection et/ ou impression sur le corps de base (16), et - dans l'étape de chauffage (108) on effectue le co-frittage du corps non cuit (16), de la couche-barrière (20), de la couche de fixation soudable (22) et le cas échéant de la couche intermédiaire (24). 11°) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu' avant l'étape de chauffage (108), - le corps de base (16) est à l'état frité, et - la couche-barrière (20), la couche de fixation soudable (22) et le cas échéant la couche-barrière (24) sont appliquées sur le corps de base (16) par un procédé de pulvérisation thermique. 12°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' avant l'étape de chauffage, - le corps de base (16) et la couche-barrière (20) sont à l'état frité et - la couche de fixation soudable (22) est à l'état frité ou dans un état réalisé en métallurgie par fusion. 13°) Pièce (12), notamment rotor (12) réalisé avec le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12. 14°) Procédé (100) de réalisation d'une pièce composite (10), notamment d'un rotor (10) comprenant les étapes suivantes consistant à : - utiliser (202) une pièce (12) selon la revendication 13, et - souder par fusion (204) un arbre (14), notamment un arbre en acier (14) à la pièce (12) dans la région de la couche de fixation soudable (22). 15°) Pièce composite (12), notamment rotor (10) réalisé selon la revendication 14.35