Brevet FR3071178A1 — publié le 20190322

Procédé de fabrication d'une pièce de turbomachine par fabrication additive et frittage flash 1. Domaine de l'invention La présente invention est relative au domaine de la fabrication de pièce de turbomachine à partir de poudres. En particulier, elle vise la fabrication de pièces de révolution telles que des disques de rotor, des roues de turbine ou des roues de compresseur. 2. Etat de la technique Les pièces de turbomachine sont généralement fabriquées par usinage ou par fonderie. Cependant, le temps de production de ces pièces sont longs et les procédés de fabrication demandent des investissements lourds et couteux comme par exemple l'emploi de moules onéreux en fonderie et de rouleaux forgés pour l'usinage. L'amortissement des investissements comme c'est le cas en fonderie ou en forgeage nécessitent des volumes de production importants, ce qui pénalise la rentabilité des petites séries de moins de 10000 pièces. D'autre part, le temps de développement et de mise au point de ces pièces sont également longs et les procédés conventionnels servant à fabriquer ces pièces de turbomachine engendrent des délais d'approvisionnement de plusieurs mois. Ainsi, ces procédés engendrent un temps assez long avant la mise sur le marché de produits nouveaux qui nuisent à la compétitivité de ce mode de production. En outre, ces procédés ne permettent de faire que des pièces de formes simples, dites ébauches, qu'il faut ensuite usiner avec un volume de copeaux allant jusqu'à 80% du volume global. La technologie par fabrication additive est connue depuis ces dernières années, avec une progression importante. Elle permet de réaliser des pièces complexes, notamment sans outillages. La fabrication additive utilisant des matériaux pulvérulents consiste à déposer et empiler des couches successives de poudre, puis à les consolider partiellement ou totalement par fusion ce qui implique un temps de production relativement 2 long comparé aux techniques de fabrication conventionnelles dites soustractives. La fabrication additive comprend de manière non exhaustive, la fusion laser sur lit de poudre (SLM), la fusion par faisceau d'électron sur lit de poudre (EBM) ou la fusion directe (LMD). Ces trois procédés présentent 5 comme inconvénient un temps non négligeable de production proportionnel au volume de la pièce à fabriquer. Il est également connu le frittage utilisant des matériaux pulvérulents pour fabriquer des pièces de turbomachine. Un exemple de technique de frittage est le frittage flash ou frittage par étincelage connue sous le sigle 10 SPS pour « Spark Plasma Sintering » en anglais et qui permet de réduire le temps de fabrication des pièces. Un tel exemple de frittage flash est décrit dans le document FR3029125. Cependant, une telle technique de frittage nécessite l'utilisation d'un moule (outillage). Ce moule requiert un délai de développement et de fabrication que ce soit pour les matériaux et les 15 dimensions, ce qui impacte le coût de fabrication de la pièce ainsi que le développement de celle-ci. 3. Objectif de l'invention La présente invention a notamment pour objectif de fournir un procédé de fabrication d'une pièce de turbomachine permettant d'améliorer les 20 propriétés mécaniques de la pièce tout en réduisant les coûts de fabrication et les délais de conception et de fabrication. 4. Exposé de l'invention On parvient à réaliser cet objectif, conformément à l'invention, grâce à un procédé de fabrication d'une pièce, en particulier de turbomachine, à 25 partir de poudres, le procédé comportant les étapes suivantes : - réalisation d'une enveloppe externe au moyen d'un procédé de fabrication additive à partir d'une première poudre, ladite enveloppe externe étant destinée à délimiter les contours extérieurs de la pièce à fabriquer et à contenir une deuxième poudre, et 30 - frittage flash de la deuxième poudre contenue dans l'enveloppe externe de manière à obtenir la pièce à fabriquer. 3 Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, en réalisant une enveloppe externe, solide, par fabrication additive et qui contient une seconde poudre, non solidifiée, qui subit un frittage flash, le procédé permet de s'affranchir d'outillage et de bénéficier de 5 temps de fabrication très court. Le frittage flash permet notamment un gain de temps de fabrication puisqu'il évite l'utilisation d'un moule long à fabriquer puisque la première poudre consolidée fait office de moule. Le temps de frittage de la deuxième poudre contenue dans l'enveloppe externe est plus court que le temps de réalisation par un procédé de fabrication additive. Le 10 temps de réalisation de la pièce pourrait être divisé au moins par dix. D'autre part, le coût de fabrication est diminué car l'utilisation d'un moule extrêmement couteux et long à fabriquer n'est plus nécessaire. Le gain économique s'observe également sur le temps de développement et la capacité à faire des petites pièces. Par ailleurs, le procédé permet une 15 réduction de la matière perdue issue des procédés conventionnels (en particulier par rapport à l'usinage sur une ébauche de pièce de fonderie ou forgée) ainsi que des diverses opérations d'usinage et/ou soudage. Le procédé utilise la juste quantité de matériaux nécessaires à la réalisation de la pièce. A cela s'ajoute le fait que le procédé permet une flexibilité de 20 conception accrue et une amélioration des propriétés mécaniques de la pièce à partir de la finesse et de la microstructure des poudres. En outre, le procédé permet de profiter de la complémentarité des deux types de fabrication sur une seule pièce car l'enveloppe de la pièce est faite par fabrication additive et le coeur de la pièce est fait par frittage flash. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé de fabrication additive est sélectionné dans le groupe comprenant la fusion sélective par laser (SLM), la fusion par faisceau d'électrons (EBM), la construction additive directe par laser (CLAD), la fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM), la déposition métallique laser (LMD), et la 30 fabrication additive par arc électrique sur fil (WAAM). Selon une autre caractéristique de l'invention, la première poudre et la deuxième poudre sont de même nature. 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, la première poudre et la deuxième poudre sont de nature différente. Selon encore une caractéristique de l'invention, le procédé comprend en outre une étape postérieure de suppression de l'enveloppe externe 5 réalisée lors de l'étape de réalisation d'une enveloppe externe. Selon un mode de réalisation, l'étape de suppression de l'enveloppe externe est réalisée par usinage mécanique. Selon une autre mode de réalisation, l'étape de suppression de l'enveloppe externe est réalisée par un usinage chimique. 10 Suivant une autre caractéristique, le procédé comprend une étape de finition de la pièce à réaliser. Suivant encore une autre caractéristique, le procédé comprend une étape de suppression des gaz emprisonnés dans la deuxième poudre préalablement à l'étape de frittage flash. 15 5. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et 20 non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : La figure 1 est une vue schématique partielle et en perspective d'un disque de roue d'un rotor de turbomachine avec une enveloppe externe selon l'invention ; 25 La figure 2 est une vue en perspective et schématique d'une installation de fabrication additive pour réaliser une enveloppe externe selon l'invention; La figure 3 illustre de manière très schématique la pièce à réaliser dans un état intermédiaire avec une enveloppe externe encapsulant une 30 quantité de poudre ; 5 La figure 4 représente de manière très schématique une machine de frittage flash (SPS) pour réaliser une deuxième étape de frittage flash selon l'invention ; et La figure 5 représente de manière très schématique la pièce obtenue 5 dans la machine de frittage flash en fin de cycle illustrée sur la figure 4. 6. Description de modes de réalisation de l'invention Sur la figure 1 est représentée de manière schématique et en coupe transversale une pièce de turbomachine, telle qu'un disque de rotor, réalisée par un procédé de fabrication selon l'invention. Bien entendu le procédé de 10 fabrication n'est pas limité aux pièces de turbomachine. La pièce 1 comprend un corps principal 2 et est entourée d'une enveloppe 3 externe destinée à être supprimée si nécessaire afin de révéler la pièce 1 finale. Le corps principal 2 et l'enveloppe externe 3 sont réalisés à partir de matériaux pulvérulents. 15 Le procédé de fabrication comprend une première étape de réalisation de l'enveloppe externe 3 au moyen d'un procédé de fabrication additive à partir d'une première poudre 4. L'enveloppe externe 3 permet de délimiter les contours extérieurs de la pièce à réaliser. Le procédé de fabrication additive consiste à réaliser des pièces 20 complexes en trois dimensions en fusionnant des couches de poudre. Diverses techniques de fabrication additive sont envisageables. Dans la présente invention, la fabrication additive est sélectionnée dans le groupe comprenant la fusion sélective par laser siglé SLM pour « Selective Laser Melting » en anglais, la fusion par faisceau d'électrons siglé EBM pour 25 « Electron Beam Melting » en anglais, la construction laser additive directe siglé CLAD pour « Construction Laser Additive Direct » en anglais, la fabrication additive par faisceau d'électrons siglé EBAM pour « Electron Beam Additive Manufacturing » en anglais, la déposition métallique laser siglée LMD pour « Laser Metal Deposition» en anglais. 30 De manière avantageuse, la fabrication additive est réalisée par la technique de déposition métallique laser (LMD) ou la fusion sélective par laser (SLM). La technique de la déposition métallique (LMD) consiste à 6 projeter simultanément un faisceau laser et une quantité de poudre sur un substrat. Chaque quantité de poudre est fondue et est fusionnée pour former couche par couche ici l'enveloppe externe de la pièce à réaliser. La technique de fusion sélective par laser (SLM) ou la fusion laser sur lit de 5 poudre consiste à étaler de la poudre couche par couche au moyen d'un racleur qui détermine une quantité de poudre et une épaisseur de poudre de consigne. Un laser permet de fusionner chaque couche de poudre de manière à former l'enveloppe externe de la pièce. La fabrication additive de l'enveloppe externe 3 est réalisée à partir 10 d'une installation 30 telle que représentée sur la figure 2. Il s'agit d'une installation de fusion sélective par laser (SLM) mais elle pourrait aussi être du LMD ou EBM ou CLAD. L'installation 30 comprend un premier réservoir d'alimentation 31 contenant une poudre 32 et un support de fabrication 33 sur lequel est réalisée l'enveloppe externe. L'installation 30 comprend 15 également un élément de balayage 34 permettant de transférer une quantité de la poudre 32 du premier réservoir d'alimentation 31 sur le support de fabrication 33. L'élément de balayage 34 détermine également la quantité de poudre et l'épaisseur de la poudre suivant un signal de commande. Le support de fabrication 33 est, de manière avantageuse, mais non 20 limitativement, installé de manière mobile suivant une translation verticale Z dans un deuxième réservoir 35 et constitue le fond mobile de ce deuxième réservoir 35. Le premier réservoir d'alimentation 31 comprend également un fond mobile 36 se déplaçant en translation verticale et vers le haut, suivant l'axe Z, au fur et à mesure du transvasement de la poudre 32 sur le support 25 de fabrication 33. L'installation 30 comprend également un élément de génération d'un faisceau laser 37 permettant de fondre la poudre destinée à réaliser l'enveloppe 3. Cet élément de génération d'un faisceau laser 37 est couplé à des moyens 38 permettant d'orienter le faisceau laser, et en particulier en direction du support de fabrication 33. Les moyens 38 30 permettant d'orienter le faisceau laser généré par l'élément de génération comprennent un premier et un deuxième miroirs. L'installation comprend en outre un troisième réservoir de recyclage 39 permettant de recycler la poudre 7 non utilisée ou non fusionnée. Le procédé consiste à fabriquer l'enveloppe externe en superposant des couches de poudre qui sont issues du premier réservoir d'alimentation 31 et qui sont transférées sur le support de fabrication 33. Ces couches de poudre sont ensuite fondues les unes après 5 les autres au moyen du faisceau laser 40 se déplaçant sur la surface de chaque couche. Suite à cette première étape une pièce intermédiaire telle qu'illustrée de manière très schématique sur la figure 3 est obtenue. L'enveloppe externe 3 ainsi obtenue se présente sous la forme d'une capsule solide. 10 Celle-ci est remplie d'une deuxième poudre 5. La deuxième poudre 5 est destinée à former le corps principal de la pièce à réaliser. L'enveloppe externe 3 présente une faible épaisseur comparée au corps principal de la pièce à réaliser, finale, qui sera constituée de la deuxième poudre. La deuxième poudre est de même nature que le celle de la première 15 poudre. Dans ce cas, le matériau du corps principal est identique à celui de l'enveloppe externe. Les matériaux des première et deuxième poudres comprennent un matériau métallique ou un alliage de base métallique. Un alliage de base métallique peut-être un alliage de titane ou un alliage de nickel réfractaire. Le matériau métallique peut être un aluminium. Un 20 exemple d'alliage de nickel est un Inconel®718, un Inconel®738, et un alliage d'aluminium un AS10g ou un A57g06. La deuxième poudre est contenue dans l'enveloppe externe durant la fabrication de l'enveloppe externe 3. En particulier, dans l'installation décrite ci-dessus, l'élément de balayage 34 transfère la poudre constituant la première poudre et la 25 deuxième poudre vers le support 33. Le faisceau laser chauffe et fusionne les zones de poudre devant former l'enveloppe externe 3. De manière alternative, le matériau de la première poudre est différent de celui de la deuxième poudre. Dans ce cas de figure, les matériaux de la première et de la deuxième poudres sont réalisés de préférence, mais non 30 limitativement, dans la même base de matériau. En particulier, le matériau de la première poudre pour réaliser l'enveloppe externe comprend un Inconel® 718 tandis que le matériau de la deuxième poudre pour le corps principal 8 comprend un Inconel®625. Bien entendu, des matériaux de bases différentes peuvent être envisagés pour l'enveloppe externe et le corps principal selon les besoins propres lié au fonctionnement des pièces. Le procédé de fabrication additive de type SLM ou EBM implique que la 5 deuxième poudre 5 soit la même que la première poudre formant l'enveloppe externe 3. La deuxième poudre 5 reste prisonnière de l'enveloppe externe 3, solide. Le matériau de la deuxième poudre 5 peut être complété ou changé par un autre si nécessaire après la réalisation de la première étape par la technique SLM ou EBM pour ensuite être soumis à une machine SPS telle 10 que décrite ci-après. Ce changement de poudre permet de réaliser une pièce en multimatériaux. Le procédé de fabrication comprend une deuxième étape de frittage de la deuxième poudre 5 contenue dans l'enveloppe externe 3 de manière à obtenir la pièce à réaliser. En particulier, le frittage est un frittage flash connu 15 sous l'acronyme SPS, de l'anglais pour « Spark Plasma Sintering ». Le frittage flash consiste à appliquer simultanément sur la pièce à réaliser une pression uniaxiale et des impulsions de courant électrique de forte intensité provoquant une élévation de la température de la pièce. Cette technique permet notamment d'obtenir des pièces avec des microstructures 20 particulières, ayant des formes complexes maîtrisables et suivant une extrême rapidité comparée au frittage traditionnel. Pour cela, la pièce à réaliser, dans son état intermédiaire, comprenant l'enveloppe externe 3 en poudre fusionnée et la seconde poudre non fusionnée, est installée dans une machine de frittage SPS. La machine de frittage SPS telle qu'illustrée de 25 manière très schématique sur les figures 4 et 5 comprend une matrice 50 formant une chambre 51 dans laquelle est placée l'enveloppe externe 3 contenant la deuxième poudre. La matrice 50 comprend également un piston supérieur 52 et un piston inférieur 53 entre lesquelles est disposée la pièce à réaliser, dans son état intermédiaire. La machine comprend également une 30 électrode supérieure 54 placée au-dessus du piston supérieur 52 et une électrode inférieure 55 placée en-dessous du piston inférieur 53 par rapport à un axe vertical dans le plan de la figure 4. 9 De manière générale, un moule ayant la forme de la pièce à réaliser est disposé dans la matrice. Dans le présent exemple, l'enveloppe externe 3 réalisée lors de la première étape constitue le moule pour la pièce à réaliser ce qui permet un gain économique et un gain de temps. 5 Les pistons supérieur et inférieur 52, 53 appliquent une pression P uniaxiale à la pièce à réaliser tout au long de l'étape de frittage flash. La pièce subit une déformation axiale. Simultanément à l'application de la pression, les électrodes supérieure et inférieure 54, 55 appliquent à la pièce un courant électrique continu à travers les pistons supérieur et inférieur 52, 10 53. Le courant est appliqué sous forme d'impulsions à travers l'enveloppe externe et la deuxième poudre. La pression appliquée sous vide sur la pièce à réaliser est comprise entre 25 et 200 Mpa. Quant au courant appliqué, celui-ci est compris entre 300 et 600 Ampères. Bien entendu, les plages de courants et de pressions 15 utilisées dépendent du type de poudre et de la température de frittage déterminée. Par exemple les conditions de cycle seraient à titre indicatif pour un alliage de base inconel, tel qu'un Inconel Inconel®718, une température de 1075°C sous une pression 25 Mpa et pendant 5 minutes. L'apport d'énergie dégagée par effet Joule nécessaire au frittage 20 permet la densification de la deuxième poudre. La pièce obtenue à l'issue de la deuxième étape présente un taux d'épaississement de la pièce d'environ 99,99%. De manière avantageuse, mais non limitativement, la pièce à réaliser subit une déformation uniaxiale au cours de l'étape de frittage flash qui est 25 prise en compte lors de la définition géométrique de l'enveloppe externe par un modèle prédictif lequel est basé sur une modélisation d'une déformation mécanique. Le frittage a montré que les poudres frittées adhèrent à l'outillage aussi il y aura union entre l'enveloppe externe 3 obtenue par fusion avec 30 l'intérieur de la pièce obtenue par frittage. De manière avantageuse, le procédé comprend une troisième étape d'évacuation des gaz emprisonnés dans la deuxième poudre préalablement 10 à l'étape de frittage flash. Pour cela, il est prévu au niveau de l'enveloppe externe une évacuation (non représentée) sous la forme d'une gaine. Via cette gaine, le vide peut être fait en aspirant l'air emprisonné dans la deuxième poudre. Cette dernière contenue par l'enveloppe externe 3 est 5 vidée de son air. Le procédé comprend en outre une quatrième étape dans laquelle l'enveloppe externe 3 réalisée lors de la première étape est supprimée si nécessaire en totalité ou partiellement. Cette étape de suppression est réalisée par un procédé d'usinage classique. L'enveloppe externe 3 est en 10 particulier supprimée si ses propriétés mécaniques ne répondent pas aux exigences des parties tournantes de turbomachine. L'usinage peut être un usinage mécanique ou un usinage chimique selon la qualité de surface souhaitée. Dans le cas d'un usinage mécanique, il peut s'agir d'un fraisage, un tournage, etc. 15 Le procédé comprend, de manière avantageuse, mais non limitativement une étape de finition qui consiste en une correction dimensionnelle de la pièce de façon à obtenir une pièce de révolution finale avec les dimensions souhaitées et / ou l'application d'une qualité de surface spécifique de manière à répondre aux différentes exigences fonctionnelles. 20 De manière alternative, cette étape d'achèvement est réalisée lors de l'étape de suppression de l'enveloppe REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce, en particulier de turbomachine, à partir de poudres, comportant une étape de réalisation d'une enveloppe externe (3) au moyen d'un procédé de fabrication additive à partir d'une première poudre (4), ladite enveloppe externe (3) étant destinée à délimiter les contours extérieurs de la pièce à fabriquer et à contenir une deuxième poudre (5), caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de frittage flash de la deuxième poudre contenue dans l'enveloppe externe (3) de manière à obtenir la pièce à fabriquer. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le procédé de fabrication additive est sélectionné dans le groupe comprenant la fusion sélective par laser (SLM), la fusion par faisceau d'électrons (EBM), la construction additive directe par laser (CLAD), la fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM), la déposition métallique laser (LMD). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première poudre et la deuxième poudre sont de même nature. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la première poudre et la deuxième poudre sont de nature différente. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape postérieure de suppression de l'enveloppe externe (3) réalisée lors de l'étape de réalisation d'une enveloppe externe. 12 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de suppression de l'enveloppe externe (3) est réalisée par usinage mécanique. 5 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de suppression de l'enveloppe externe (3) est réalisée par un usinage chimique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de finition de la pièce à 10 réaliser. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un étape de suppression des gaz emprisonnés dans la deuxième poudre préalablement à l'étape de frittage 15 flash.