Brevet FR3077224A1 — publié le 20190802

PROCÉDÉ AMÉLIORÉ DE FABRICATION D'UNE AUBE MONOCRISTALLINE POUR TURBOMACHINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des aubes pour turbomachine. Elle s'applique à tout type de turbomachine, tel que par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les moteurs de turbomachine équipés d'aubes haute pression (HP) non refroidies sont principalement limités par la capacité en fluage spécifique de l'alliage monocristallin utilisé pour réaliser l'aube. L'augmentation de la tenue en fluage spécifique de l'alliage se fait au détriment de son prix (par l'ajout d'éléments d'addition à l'alliage du type Re et Ru) et de sa densité (par l'ajout d'éléments d'addition à l'alliage du type W, Ta, Mo ou Re). Afin d'améliorer les performances du moteur, les aubes peuvent être réalisées en des alliages performants en fluage spécifique à très haute température tels que, à titre d'exemples, le CMSX-10Tm ou le CMSX4+ TM de chez C-M Group, le TMS-162 TM, le TMS-182 TM ou le TMS-196 TM de chez NIMS. Néanmoins, les contraintes technicoéconomiques imposent, d'une part, pour limiter le prix, une limitation des éléments d'addition Re et Ru et une limitation des températures de mise en solution, et, d'autre part, pour limiter la charge mécanique de l'aube (son poids), une limitation des éléments lourds tels que Re, W, Ta et Mo et une conception spécifique (baignoire, etc.). Pour améliorer les performances du moteur, on peut également passer à la technologie des aubes refroidies. Mais les aubes refroidies sont plus coûteuses à fabriquer et à utiliser. En outre, les performances des moteurs équipés de telles aubes sont moindres que celles des moteurs équipés d'aubes HP non refroidies. 2 Ainsi, pour remédier à ces inconvénients, les inventeurs se sont fixé comme objectif de rester sur le concept des aubes non refroidies en élaborant une aube qui soit plus résistante au fluage, tout en limitant son coût et sa charge mécanique. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'une aube monocristalline pour turbomachine, l'aube comprenant une pale, un pied et une plateforme disposée entre la pale et le pied, et l'aube ayant une première portion, incluant la pale, en un premier alliage métallique, et une deuxième portion, incluant le pied, en un deuxième alliage métallique, les premier et deuxième alliages métalliques 10 ayant des compositions chimiques différentes et le premier alliage métallique étant plus dense que le deuxième alliage métallique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - la réalisation d'une pièce monocristalline par coulée sous vide du premier alliage métallique à l'état liquide dans une première cavité de moulage, suivie de 15 la solidification dirigée de ce premier alliage métallique du bas de la première cavité de moulage vers le haut, la pièce monocristalline ainsi obtenue incluant la première portion de l'aube à fabriquer ; - l'application d'un traitement thermique de mise en solution à la pièce monocristalline ; 20 - l'extraction de la pièce monocristalline hors de la première cavité de moulage et son placement dans une deuxième cavité de moulage ; - la réalisation de l'aube par coulée sous vide du deuxième alliage métallique à l'état liquide dans la deuxième cavité de moulage, suivie de la solidification dirigée de ce deuxième alliage métallique du bas de la deuxième cavité de moulage vers 25 le haut, la pièce monocristalline en premier alliage métallique étant disposée dans la partie inférieure de la deuxième cavité de moulage et servant de germe à la solidification dirigée du deuxième alliage ; - l'application d'un traitement thermique de mise en solution à l'aube ; 3 - l'extraction de l'aube ainsi obtenue hors de la deuxième cavité de moulage. Il est à noter que la pièce monocristalline en premier alliage métallique inclue la première portion de l'aube à fabriquer. Cette pièce comprend donc la pale 5 (également appelé profil) de l'aube et éventuellement une portion ou la totalité de la plateforme. De préférence, la pièce comprend uniquement la pale, la plateforme étant comprise dans la deuxième portion en deuxième alliage métallique. Conformément à l'invention, le premier alliage de la pale de l'aube est plus dense que le deuxième alliage du pied de l'aube ; c'est ce qui permet de conserver la 10 composition chimique du premier alliage au cours de la coulée du deuxième alliage. Pour rappel, une mise en solution est un traitement thermique consistant à porter un alliage métallique à une température et pendant une durée telles que l'on obtient des phases à l'état de solutions solides homogènes à l'échelle macroscopique. Cette mise en solution se fait à une température d'autant plus élevée 15 que les éléments d'addition, tels que le tungstène, le tantale, le molybdène ou le rhénium par exemple, ont un caractère réfractaire. On entend par « solidification dirigée » la maîtrise de la germination et de la croissance de cristaux solides dans le métal en fusion lors de son passage de l'état liquide à l'état solide. L'objet d'une telle solidification dirigée est d'éviter les effets 20 négatifs des joints de grains dans l'élément ainsi produit, afin que ce dernier ait des propriétés thermomécaniques avantageuses. La solidification dirigée peut être colonnaire ou monocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter tous les joints de grains dans une même direction, de manière à ce qu'ils ne puissent pas contribuer à la propagation de fissures. La solidification dirigée monocristalline consiste à assurer la 25 solidification de la pièce en un seul cristal, de manière à supprimer totalement les joints de grains. De préférence, la mise en solution de la pièce monocristalline est suivie d'une trempe. 4 Dans le cadre de la présente invention, on entend par « alliage métallique » la combinaison d'un métal de base avec un ou plusieurs éléments d'addition, qui peuvent être métalliques ou non. De préférence, la température du traitement thermique de mise en 5 solution de la pièce monocristalline est inférieure à la température de coulée sous vide du deuxième alliage métallique. Ainsi, lorsqu'on réalise la coulée sous vide du deuxième alliage métallique, la conduction de chaleur jusque dans la pale permet d'y assurer en même temps une deuxième mise en solution du premier alliage, à une température plus élevée que la première mise en solution (ce que nous qualifierons de « mise en solution 10 haute température »). Ainsi, on profite de la coulée sous vide du deuxième alliage pour réaliser une mise en solution à haute température de la pale, ce qui conduit à un gain important sur le coût de production de l'aube. La deuxième cavité peut être obtenue par la réalisation d'un moule carapace autour de la pièce monocristalline, cette réalisation comprenant : 15 - la formation d'un modèle en un matériau fusible (par exemple en cire) représentant la partie manquante de l'aube ; - la formation du volume représentant l'aube à réaliser, par exemple par assemblage du modèle en matériau fusible et de la pièce monocristalline (formant ainsi la deuxième cavité) ; 20 - la formation du moule carapace autour du volume représentant l'aube, par exemple par recouvrement de l'assemblage par une à plusieurs couches de matériau réfractaire (par exemple en céramique) ou par fabrication additive. ; et - l'élimination du matériau fusible. De préférence, les premier et deuxième alliages métalliques ont le 25 même métal de base (c'est-à-dire que le métal principal de ces deux alliages est le même). Avantageusement, les premier et deuxième alliages sont des superalliages à base de nickel. L'invention a également pour objet une aube monocristalline pour turbomachine, comprenant une pale, un pied et une plateforme disposée entre la pale et le pied, caractérisée en ce que l'aube comporte une première portion, incluant la pale, 5 qui est en un premier alliage métallique, et une deuxième portion, incluant le pied, qui est en un deuxième alliage métallique, les premier et deuxième alliages métalliques ayant des compositions chimiques différentes et le premier alliage métallique étant plus dense que le deuxième alliage métallique. 5 De préférence, la deuxième portion inclue la plateforme. Les avantages du procédé de fabrication de l'aube selon l'invention sont nombreux. Tout d'abord, les éléments d'addition de l'alliage qui permettent d'améliorer la capacité en fluage spécifique de l'alliage et qui rendent l'alliage plus dense 10 sont ajoutés uniquement dans la première portion de l'aube, c'est-à-dire la portion destinée à former la pale de l'aube. On réalise donc une économie en cantonnant ces éléments, chers, à la pale. En outre, en limitant l'alliage le plus dense à la première portion de l'aube, on diminue le poids total de l'aube. De ce fait, on diminue également la charge sur 15 son attache au disque dans la turbomachine. En effet, on a une densité plus faible du pied de l'aube, ce qui conduit à une masse réduite de l'aube. Par exemple, un pied d'aube réalisé en un alliage monocristallin base nickel de type RR2000 de Rolls-Royce aura une densité de 7,8, alors que ce même pied aura une densité de 9,2 pour un alliage monocristallin de nickel CMSX-10Tm de C-M Group et une densité de 8,7 pour un alliage 20 monocristallin de nickel CMSX-4Tm de C-M Group, soit un gain de masse respectivement d'environ 10% et 6%. Au final, on augmente la résistance au fluage de la pale, tout en diminuant le poids de l'aube. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 6 - la figure 1 représente une vue en perspective d'une aube d'une turbine à gaz, en particulier d'un turbomoteur ; - la figure 2 représente une vue de face en coupe d'une première cavité de moulage selon un mode de réalisation de l'invention ; 5 - la figure 3 représente une vue de face en coupe d'une deuxième cavité de moulage selon un mode de réalisation de l'invention. - les figures 4a et 4b représentent deux exemples de fonderie bi matériaux montrant la nature de la transition en fonction de la densité du germe en matériau A et de la densité du matériau B coulé ; 10 - la figure 5 représente une vue du moule carapace dans le four de fonderie lors de la coulée sous vide du deuxième alliage dans la deuxième cavité de moulage. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, l'aube 1 comporte une pale 2, constituant la 15 partie aérodynamique de l'aube, une plateforme 3 et un pied 4. Selon l'invention, l'aube est monocristalline et comprend une première et une deuxième portion de densités différentes. La première portion 5 (représentée par le volume à petits points rapprochés et qui inclue la pale 2) comporte l'alliage métallique le plus dense qui correspond à l'alliage optimisé dans le but d'améliorer les capacités en 20 fluage spécifique de la pale. La deuxième portion 6 (représentée par le volume à petits points espacés et qui inclue le pied et, de préférence, la plateforme (pour alléger le poids de l'aube), comme représenté dans la figure 1) comporte l'alliage plus léger. Le procédé selon l'invention comporte deux étapes de fonderie monocristalline discontinues, à savoir une première étape de fonderie au cours de 25 laquelle on réalise une pièce monocristalline (qui inclut la pale) dans un premier moule, et une deuxième étape de fonderie, dans un deuxième moule, au cours de laquelle on achève la réalisation de l'aube à partir de la pièce monocristalline. Ces deux étapes de fonderie sont discontinues. A la suite de la première étape de fonderie ayant conduit à la réalisation de la pièce monocristalline, on fait subir à cette pièce un traitement thermique 7 de mise en solution, puis on retire la pièce de ce premier moule et on place cette pièce dans la partie inférieure d'un deuxième moule, pour ensuite réaliser la deuxième étape de fonderie. Il est connu des documents [1] et [2] des procédés de réalisation 5 d'aubes monocristallines hybrides à deux densités. A la différence du procédé selon l'invention, ces procédés comportent une unique étape de fonderie, réalisée dans un seul et même moule, en y versant successivement les deux alliages métalliques. En procédant ainsi, il est difficile de maîtriser la zone de jonction entre les deux alliages, ainsi que la zone de transition dans laquelle s'opère un mélange de ces deux alliages. Il est donc 10 difficile d'obtenir une reproductibilité satisfaisante de production de telles aubes. En outre, ces documents [1] et [2] ne proposent pas de réaliser la pale de l'aube en un alliage métallique plus dense que le pied. Dans le procédé selon l'invention, on réalise la deuxième coulée avec l'alliage le moins dense, ce qui permet d'éviter un mélange complet des deux alliages 15 métalliques et permet d'obtenir une zone de transition réduite et maîtrisée. En effet, on obtient ainsi une transition chimique plus nette, car les éléments lourds restent dans le fond du moule. Un exemple est illustré dans la figure 4a. Des essais de fonderie de type Bridgman ont été réalisés avec deux alliages de densités et de compositions chimiques différentes, respectivement l'AM3 (densité 8,25) et le CMSX4 (densité 8,7). Les résultats 20 montrent que : - l'utilisation d'un germe en alliage le plus dense (CMSX4) pour couler l'alliage le moins dense (AM3) permet de conserver la composition du germe sur la partie refondue et d'avoir une zone de transition chimique limitée (figure 4a) ; - inversement, l'utilisation d'un germe en alliage le moins dense (AM3) 25 pour couler l'alliage le plus dense (CMSX4) modifie la composition du germe sur toute la partie refondue (figure 4b). L'objectif du procédé selon l'invention est d'obtenir un système bimatériaux avec une zone de transition chimique la plus limitée possible afin de : - conserver les propriétés mécaniques optimales des deux matériaux ; 8 - pouvoir dimensionner mécaniquement l'aube à partir des propriétés connues et validées des deux matériaux, sans avoir à intégrer des propriétés inconnues de la zone de transition. En outre, dans le procédé selon l'invention, la deuxième coulée du 5 deuxième alliage s'effectue à une température suffisamment élevée pour permettre une mise en solution efficace du premier alliage, riche en éléments denses. Pour illustrer le procédé selon l'invention, nous allons à présent décrire la réalisation d'une aube monocristalline en superalliage base nickel, dont la pale est en CMSX4 et dont la plateforme et le pied sont en AM3. 10 L'alliage CMSX4 est un alliage très résistant au fluage spécifique à haute température et a une densité de 8,70. L'alliage AM3 a une densité de 8,25. On place un premier moule 7 (ayant une première cavité de moulage 8 et une ouverture 9 (figure 2)) dans un four de fonderie sous vide et chauffé à une température supérieure à la température de fusion du CMSX4 et on y verse le CMSX4 en 15 fusion. Puis, on procède à une solidification dirigée monocristalline de cet alliage. Les techniques de solidification dirigée monocristalline sont connues de l'homme de l'art et ne seront pas détaillées ici. On obtient ainsi une pièce monocristalline. De préférence, la cavité de moulage du premier moule est légèrement 20 plus longue que nécessaire. Cela permet, lors de la coulée sous vide de l'AM3, d'assurer une refusion sans ressaut de la pièce. On fait ensuite subir un traitement thermique de mise en solution basse température à la pièce monocristalline en appliquant un cycle thermique complexe de 1277°C à 1321°C. 25 La pièce monocristalline 10 est ensuite refroidie à l'air jusqu'à atteindre la température ambiante. On peut éventuellement réaliser une trempe. La pièce monocristalline 10 est ensuite extraite du premier moule 7. On réalise ensuite l'aube en fabriquant la partie manquante de l'aube à partir de la pièce monocristalline 10 déjà obtenue. 9 Pour cela, on réalise un deuxième moule 11, dit moule carapace, par exemple par la technique de moulage à cire perdue. Ce deuxième moule 11 a une deuxième cavité de moulage 12 et une ouverture 13 (figure 3). Pour ce faire, on réalise : - soit un modèle en un matériau fusible (c'est-à-dire un matériau à 5 température de fusion comparativement peu élevée par rapport à la température de fusion des alliages utilisés), par exemple en cire ou en résine, de la partie manquante de l'aube, par injection dans des outillages, et on l'assemble à la pièce déjà formée. L'assemblage est ensuite plongé dans différentes substances afin de former autour de celui-ci une carapace de céramique d'épaisseur sensiblement uniforme. Le procédé est 10 poursuivi en faisant fondre le matériau fusible ; - soit une cavité obtenue par fabrication additive. On obtient alors une deuxième cavité de moulage 12 ayant, dans sa partie inférieure, la pièce monocristalline 10. Dans l'exemple de réalisation illustré dans la figure 5, le moule carapace 15 11 est disposé sur une sole 17, qui est mobile en translation entre les parties chaude 15 et froide 16 du four 14 de fonderie. Le moule carapace 11 est placé partiellement dans la partie chaude 15 du four de fonderie (de sorte que la pièce monocristalline 10 reste dans la partie froide 16 du four). Dans la figure 5, les flèches horizontales symbolisent le chauffage par radiation thermique. On verse ensuite dans la cavité 12, par l'ouverture 13, 20 l'alliage AM3 en fusion. Cette étape va être perçue, par la pièce monocristalline 10, comme un traitement thermique de mise en solution à une température supérieure à la précédente mise en solution. Puis, on procède à une solidification dirigée monocristalline de cet élément moulé (contenant les deux alliages) en appliquant un tirage progressif selon une 25 technique connue de l'homme de l'art et non décrite ici. Le front de la solidification dirigée progresse verticalement de bas en haut depuis la pièce monocristalline 10, qui sert de germe de croissance. On peut éventuellement faire subir un traitement thermique de mise en solution à l'élément moulé. Cette dernière étape n'est cependant pas obligatoire. 10 L'élément moulé est ensuite refroidi à l'air jusqu'à température ambiante. On peut éventuellement réaliser une trempe. Après refroidissement des alliages de cet élément moulé, l'élément moulé est extrait du moule, par exemple en détruisant le moule carapace. L'élément 5 moulé obtenu est une aube monocristalline comprenant une première portion (incluant la pale) en alliage dense et une deuxième portion (incluant le pied) en alliage plus léger. La plateforme peut être présente partiellement ou en totalité dans la première portion ou dans la deuxième portion. De préférence, elle est présente dans la deuxième portion. REFERENCES CITEES 10 [1] US 2014/0363305 Al [2] US 2016/0024935 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une aube monocristalline (1) pour turbomachine, l'aube comprenant une pale (2), un pied (4) et une plateforme (3) disposée entre la pale et le pied, et l'aube ayant une première portion (5), incluant la pale, en un premier alliage métallique, et une deuxième portion (6), incluant le pied, en un deuxième alliage métallique, les premier et deuxième alliages métalliques ayant des compositions chimiques différentes et le premier alliage métallique étant plus dense que le deuxième alliage métallique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - la réalisation d'une pièce monocristalline (10) par coulée sous vide du premier alliage métallique à l'état liquide dans une première cavité de moulage (8), suivie de la solidification dirigée du premier alliage métallique du bas de la première cavité de moulage vers le haut, la pièce monocristalline ainsi obtenue incluant la première portion de l'aube à fabriquer ; - l'application d'un traitement thermique de mise en solution à la pièce monocristalline (10) ; - l'extraction de la pièce monocristalline (10) hors de la première cavité de moulage (8) et son placement dans une deuxième cavité de moulage (12) ; - la réalisation de l'aube (1) par coulée sous vide du deuxième alliage métallique à l'état liquide dans la deuxième cavité de moulage (12), suivie de la solidification dirigée du deuxième alliage métallique du bas de la deuxième cavité de moulage (12) vers le haut, la pièce monocristalline (10) en premier alliage métallique étant disposée dans la partie inférieure de la deuxième cavité de moulage et servant de germe à la solidification dirigée du deuxième alliage ; - l'application d'un traitement thermique de mise en solution à l'aube - l'extraction de l'aube (1) ainsi obtenue hors de la deuxième cavité de moulage (12). 12 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température du traitement thermique de mise en solution de la pièce monocristalline (10) est inférieure à la température de coulée sous vide du deuxième alliage métallique. 5 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième alliages métalliques ont le même métal de base. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les premier et deuxième alliages sont des superalliages à base de nickel. 10 5. Aube monocristalline (1) pour turbomachine, comprenant une pale (2), un pied (4) et une plateforme (3) disposée entre la pale et le pied, caractérisée en ce que l'aube comporte une première portion (5), incluant la pale, qui est en un premier alliage métallique, et une deuxième portion (6), incluant le pied, qui est en un deuxième 15 alliage métallique, les premier et deuxième alliages métalliques ayant des compositions chimiques différentes et le premier alliage métallique étant plus dense que le deuxième alliage métallique. 6. Aube monocristalline selon la revendication 5, dans laquelle la 20 deuxième portion (6) inclue la plateforme (3).