Brevet FR3029125A1 — publié le 20160603

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE TOURNANTE DE TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est relatif à la fabrication de pièces tournantes de turbomachine, telles que par exemple des roues de turbine ou encore des rouets de compresseur axial. ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les pièces tournantes de turbomachine sont des pièces dont la structure est fortement sollicitée lors du fonctionnement de la turbomachine. Pour assurer leur fonction, ces pièces doivent présenter des propriétés mécaniques élevées et identiques dans toutes les directions. Ces pièces de révolution sont conventionnellement fabriquées par usinage à partir de galets forgés ou par fonderie au moyen de moules coûteux. Toutefois, les délais d'obtention de telles pièces par ces moyens de production connus sont longs et les processus de fabrication sont coûteux. En effet, le procédé de fonderie nécessite un investissement lourd pour la fabrication des moules, ce qui représente un investissement non négligeable compte tenu des petites séries de pièces à réaliser. Pour le procédé d'usinage à partir de galets forgés, les délais d'approvisionnement des galets, de l'ordre de plusieurs mois, impactent grandement les délais de production des pièces tournantes, ce qui affecte la compétitivité de ce mode de production, d'autant plus qu'avec ce mode de réalisation par usinage il est estimé que 80% environ de la matière initiale est gâchée. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Dans ce contexte, l'invention vise à apporter une solution aux problèmes mentionnés ci-dessus, et vise à proposer un procédé de fabrication de pièces tournantes de turbomachine permettant de réaliser des pièces isotropes (i.e. présentant des propriétés mécaniques identiques dans toutes les directions) tout en réduisant les coûts de production et les délais d'approvisionnement par rapport aux procédés de fabrication existants. A cette fin, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres caractérisé en ce qu'il comporte : - une première étape de fabrication d'une enveloppe externe au moyen d'un procédé de fabrication additive à partir d'une première poudre, ladite enveloppe externe solide délimitant les contours extérieurs de la pièce à réaliser et encapsulant une deuxième poudre ; - une deuxième étape de compaction à chaud consistant à compacter ladite deuxième poudre encapsulée dans ladite enveloppe et à générer ladite pièce tournante ; - une troisième étape de suppression de ladite enveloppe externe réalisée lors de ladite première étape. Un procédé de fabrication additive est un procédé de fabrication assisté par ordinateur connu de l'état de la technique, permettant de mettre en forme une pièce par ajout de matière, par empilement de couches successives, en opposition à la mise en forme de la pièce par enlèvement de matière tel que les procédés d'usinage. Avantageusement, le procédé de fabrication additive à partir de poudres utilisé par le procédé selon l'invention est un procédé de fusion laser sur lit de poudre ou de fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre. Contrairement aux procédés de l'état de la technique, le procédé selon l'invention s'appuie sur la combinaison astucieuse de divers procédés de fabrication en combinant astucieusement les caractéristiques économiques et de rapidité de conception d'un procédé de fabrication additive avec les caractéristiques cristallographiques du procédé de compaction isostatique à chaud de poudre métallique. Une telle combinaison permet de réduire significativement les coûts de production et les délais d'approvisionnement de ce type de pièce de turbomachine tout en garantissant des propriétés mécaniques élevées et isotropes. Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite première poudre et ladite deuxième poudre sont de nature différente ; - ladite première poudre et ladite deuxième poudre sont de même nature ; - l'étape de compaction à chaud est réalisée au moyen d'un procédé de compaction isostatique à chaud (CIC) (ou Hot Isostatic Pressing (HIP) en langue anglaise) ; - la troisième étape de suppression de l'enveloppe est une étape d'usinage mécanique de ladite enveloppe ; - la troisième étape de suppression de l'enveloppe est une étape d'usinage électrochimique ; - le procédé comporte une étape additionnelle de finition de ladite pièce tournante ; cette étape peut consister en une étape de reprise dimensionnelle de la pièce et/ou à l'application d'un état de surface spécifique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence à la figure unique annexée et qui illustre un schéma synoptique des différentes étapes principales du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La figure 1 est un schéma synoptique illustrant les principales étapes du procédé de fabrication 100 de pièces tournantes de turbomachine selon l'invention. La première étape 101 du procédé selon l'invention consiste à utiliser un procédé de fabrication additive pour la réalisation d'une enveloppe externe. Cette enveloppe externe a pour but de délimiter les contours extérieurs de la pièce tournante qui sera réalisée dans une seconde étape. Avantageusement, cette étape est réalisée par un procédé de fusion laser sur lit de poudre. Ce procédé de fabrication additive par fusion laser est un procédé produisant des pièces dont les propriétés mécaniques sont anisotropes et inférieures aux propriétés des matériaux forgés. C'est pourquoi, l'utilisation de ce procédé est uniquement limitée à la réalisation de cette enveloppe externe. De plus, la mise en oeuvre de matériaux réfractaires durcis par précipitation de gamma est très difficile avec un procédé de fusion laser sur lit de poudre, notamment à cause des contraintes internes générées pendant le procédé. Pour cette raison, il est avantageux de construire uniquement l'enveloppe externe par fusion laser et la pièce finale par un autre procédé de compactage à chaud qui sera décrit plus précisément par la suite. A la fin de cette première étape 101, la pièce se présente sous la forme d'une enveloppe externe solide formant une capsule profilée remplie d'une deuxième poudre. Cette deuxième poudre peut être de même nature que celle utilisée pour la réalisation de l'enveloppe ou de nature différente. Si la deuxième poudre est de même nature elle sera dans le même matériau que l'enveloppe externe (en alliage de titane ou alliage base nickel réfractaire par exemple CM247LC). Si la deuxième poudre est de nature différente, l'enveloppe peut être réalisée en base nickel INC0718 et la deuxième poudre en base nickel CM247LC par exemple. Le procédé de construction par fusion laser sur lit de poudre métallique est un procédé connu qui consiste à amener de la poudre couche par couche au moyen d'un racleur qui transfère une quantité de poudre et une épaisseur de poudre maîtrisée d'une plateforme à une autre. Le laser permet de fusionner la poudre couche par couche de manière à former l'enveloppe externe de la pièce. La deuxième étape 102 du procédé selon l'invention consiste à compacter à chaud la poudre métallique encapsulée à l'intérieur de l'enveloppe externe. La technique de compaction ou compression isostatique à chaud (CIC ou HIP pour Hot Isostatic Pressing en langue anglaise) consiste à soumettre l'enveloppe externe à l'action simultanée de hautes pressions (de l'ordre de 50 MPa à 200 MPa) et de températures élevées sous une atmosphère inerte d'argon. Bien entendu, les plages de températures et les pressions utilisées lors de cette étape sont connues et dépendantes du type de poudre utilisé et du taux de densification souhaité. A titre d'exemple, la température de compaction est de l'ordre de 480°C pour une poudre d'aluminium et de l'ordre de 1700°C pour une poudre de tungstène. Dans le procédé selon l'invention, l'enveloppe externe réalisée lors de l'étape précédente joue le rôle d'un « moule » pour la compaction à chaud de la poudre encapsulée, ce qui permet de s'affranchir de la conception et production d'un outillage spécifique et coûteux. Ainsi, la poudre est compactée selon le profil complexe de l'enveloppe externe réalisée lors de l'étape précédente. Le procédé de compaction à chaud permet ainsi d'obtenir une pièce avec un taux de densification proche de 99,99%. Le procédé de compaction à chaud a pour avantage de générer une pièce avec des propriétés mécaniques isotropes et bien supérieures à celles obtenues par l'utilisation d'un procédé de fabrication directe classique tel qu'utilisé lors de la première étape 101. Lors de cette étape 102 de compaction isostatique à chaud, la pièce subit un retrait qui peut être compensé et maîtrisé dès la réalisation de l'enveloppe externe, notamment à partir d'un modèle prédictif. Avant de réaliser le compactage de la poudre métallique encapsulée, il convient d'évacuer le gaz emprisonné dans la poudre. Pour cela, il est prévu au niveau de l'enveloppe extérieure une évacuation sous la forme d'une gaine. Par l'intermédiaire de cette gaine, le vide peut être fait en aspirant l'air emprisonné dans la poudre. A cette étape, l'enveloppe est remplie de poudre, vidée de l'air aux interstices. Cette même enveloppe est ensuite portée dans un four de compaction à chaud pour fritter la poudre et créer la pièce finale. La troisième étape 103 du procédé 100 consiste à supprimer par usinage l'enveloppe externe réalisée lors de la première étape dont les propriétés mécaniques ne répondent pas aux exigences des pièces tournantes de turbomachine. Cette étape est réalisée par usinage mécanique ou encore par usinage chimique en fonction de l'état de surface désirée. De manière complémentaire, cette étape permet également de finaliser la pièce aux dimensions souhaitées. Une étape additionnelle 104 de finition peut être nécessaire. Cette étape additionnelle peut consister à une rectification dimensionnelle de la pièce de manière à obtenir une pièce tournante finale aux dimensions souhaitées et/ou à l'application d'un état de surface spécifique de manière à répondre aux différentes exigences fonctionnelles Le procédé selon l'invention a également pour avantage : - une flexibilité de conception accrue ; - une réduction des opérations coûteuses telles que des opérations d'usinage et/ou de soudage ; - une amélioration des propriétés mécaniques de la pièce de par la finesse et la microstructure ; - une réduction du gaspillage matière (notamment par rapport à l'usinage dans un galet de matière forgé). REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres caractérisé en ce qu'il comporte : - une première étape (101) de fabrication d'une enveloppe externe au moyen d'un procédé de fabrication additive à partir d'une première poudre, ladite enveloppe externe solide délimitant les contours extérieurs de la pièce à réaliser et encapsulant une deuxième poudre ; - une deuxième étape (102) de compaction à chaud consistant à compacter ladite deuxième poudre encapsulée dans ladite enveloppe et à générer ladite pièce tournante ; - une troisième étape (103) de suppression de ladite enveloppe externe réalisée lors de ladite première étape. 2. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit procédé de fabrication additive est un procédé de fusion laser sur lit de poudre ou de fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre. 3. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première poudre et ladite deuxième poudre sont de nature différente. 4. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première poudre et ladite deuxième poudre sont de même nature. 25 30 5. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième étape (102) de compaction à chaud est réalisée au moyen d'un procédé de compaction isostatique à chaud. 6. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la troisième étape (103) de suppression de l'enveloppe externe est une étape d'usinage mécanique de ladite enveloppe. 7. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la troisième étape (103) de suppression de l'enveloppe externe est une étape d'usinage électrochimique. 8. Procédé de fabrication (100) d'une pièce tournante de turbomachine à partir de poudres selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé comporte une étape additionnelle (104) de finition de ladite pièce tournante.