Brevet FR3078907A1 — publié le 20190920

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE AUBE DE ROTOR DOMAINE TECHNIQUE [0001 ]La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d'éléments profilés de turbomachines, notamment des aubes de rotor, en particulier d'aéronef. ETAT DE LA TECHNIQUE [0002]De manière connue en soi, les différents organes d'une turbomachine peuvent comporter des éléments profilés, par exemple un compresseur. En effet, classiquement, un compresseur axial de turbomachine comporte de nombreux éléments profilés, des aubes. Le compresseur axial se compose d'une succession d'étages axiaux (selon l'axe de circulation des flux de gaz) disposés en série. Chaque étage axial comporte une roue à aubes mobile (les éléments profilés) formant le rotor et un redresseur formant stator. La roue mobile est mise en rotation en vis-à-vis de l'aubage fixe du redresseur correspondant. [0003] Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des flux d'air (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine. On appelle "axe de la turbomachine", l'axe de rotation du rotor de la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine, et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adjectifs "intérieur" et "extérieur" sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure du même élément. L'axe d'empilement d'une aube est l'axe perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, qui passe par le centre de gravité de la section la plus intérieure de la pale de l'aube (i.e. la section la plus proche de l'axe de la turbomachine). Typiquement, une aube de 2 turbomachine comprend une pale s'étendant suivant l'axe d'empilement de l'aube, entre les extrémités proximale et distale (i.e. intérieure et extérieure) de l'aube. [0004] La roue mobile est classiquement constituée d'un disque annulaire 5 centré sur l'axe A de rotation de la roue, sur lequel est fixée une pluralité d'aubes. [0005] Un exemple d'aube est représentée sur la FIG 1. Une aube de ce type est décrite dans le document de brevet FR-B1-2985759. Cette aube 10 comprend une pale 16 s'étendant suivant l'axe d'empilement X de 10 l'aube, entre les extrémités proximale 10A et distale 10B de l'aube 10. A son extrémité proximale 10A, l'aube comprend un pied 12 par lequel elle est fixée au disque (non représenté). A son extrémité distale 10B, l'aube 10 présente un talon 14. Lorsque plusieurs aubes 10 sont fixées sur le disque, leurs talons 14 sont disposés bord à bord de manière à former 15 une couronne circonférentielle rotative délimitant une surface de révolution autour de l'axe A. Cette couronne a notamment pour fonction de délimiter la surface extérieure de la veine d'écoulement des flux de gaz circulant entre les pales 16 et de limiter les fuites de gaz au niveau de l'extrémité distale 10B des aubes 10. 20 [0006] Le talon 14 comprend une plateforme 20 délimitant extérieurement la veine d'écoulement du gaz circulant entre les pales 16, et présentant des premier et deuxième bords latéraux 21, 22 opposés. La plateforme comporte une partie amont 24 appelée « becquet amont » et une partie aval 28 appelée « becquet aval ». Le talon 14 comprend également des 25 léchettes d'étanchéité amont 31 et aval 32 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la face extérieure de la plateforme 20. Chacun des premier et deuxième bords latéraux de la plateforme présente, entre les léchettes amont 31 et aval 32, un profil sensiblement en « U » Dans le cas d'autres aubes, ce profil peut prendre la forme d'un « Z » ou d'un 30 « V », par exemple. 3 [0007] Dans le but d'amortir les vibrations auxquelles les aubes 10 sont soumises en fonctionnement et d'assurer une certaine rigidité à la roue, les aubes 10 sont montées sur leur disque avec une contrainte de torsion autour de leur axe d'empilement X. La géométrie des talons 14 est telle 5 que chaque aube 10 est mise en contrainte de torsion par appui sur les aubes 10 voisines principalement le long des premiers et deuxième bords latéraux 21, 22 de la plateforme 20 du talon 14. Les premier et deuxième bords latéraux définissent donc les surfaces ou faces latérales 34 de contact inter-aubes et sont le lieu de frottements importants lors du 10 fonctionnement de la turbomachine. Pour être protégées contre l'usure, les faces latérales 34, sont munies d'un insert en matériau résistant aux frottements. Il peut, par exemple, s'agir d'un matériau de type alliage de stellite commercialisé sous la marque Stellite®. Selon les configurations, l'insert anti-usure 36 peut être intégré en d'autres points de friction 15 potentiels entre deux aubes 10 adjacentes. [0008]Classiquement, cet insert 36 anti-usure est déposé sur les faces latérales 34 par soudure, par exemple par soudure à la goutte, impliquant l'utilisation d'un chalumeau. Il s'agit souvent d'une opération manuelle, l'alliage de type Stellite® étant sous forme liquide lors du dépôt. 20 [0009] L'alliage Stellite® est un alliage d'acier à haute teneur en chrome (Cr) et en cobalt (Co). Il peut aussi contenir une petite quantité de tungstène (W) ou de molybdène (Mo) et une petite quantité de carbone (C). L'alliage Stellite® n'est pas forgeable et doit être soit moulé, soit fixé au chalumeau sur un objet dont il forme une partie ou auquel il est inséré. 25 [0010] Par ailleurs, de manière classique et connue en soi, les aubes de roue mobile de turbomachine sont réalisées par un procédé de moulage par injection particulier, Metal Injection Molding siglé MIM. Le procédé MIM (illustré sur la figure 2) est semblable au moulage par injection des plastiques : un métal sous forme de poudre 40, 42 est mélangé avec un 30 liant 44 (ensemble de particules lubrifiantes et/ou plastifiantes tels que des polymères, des thermoplastiques et/ou des composants organiques, 4 par exemple), et est ensuite injecté à chaud, dans un moule adapté. On obtient alors une pièce semi-finie. La pièce semi-finie est alors « déliantée » dans un four sous atmosphère contrôlée, puis frittée. La température de frittage dépend de la température de fusion du matériau 5 utilisé et peut monter jusqu'à 1400°C. On obtient dors la pièce finie. [0011 ]Cette technique a l'avantage de pouvoir créer des formes complexes avec un excellent état de surface et des tolérances fines. Plus rentables pour des formes complexes, le procédé de moulage de poudre par injection permet la réalisation en moyennes et grandes séries de 10 pièces métalliques présentant des caractéristiques homogènes et de créer, notamment des alliages extrêmement homogènes présentant une très bonne résistance à la corrosion, par exemple. [0012]Actuellement, comme mentionné plus haut, les aubes 10 d'une roue mobile peuvent être fabriquées selon un procédé de fonderie par cire 15 perdue ou selon un procédé de moulage par injection MIM, par exemple. Les faces 34 à renforcer le sont ensuite par l'ajout d'une couche (ou d'un insert 36) d'alliage anti-usure, par exemple, de type Stellite®. Dans le cas d'un dépôt d'alliage de type Stellite®, celui-ci est déposé, comme mentionné plus haut, par goutte de soudure sur l'aube 10. L'ensemble est 20 alors usiné, afin de permettre l'arasage des inserts anti-usure 36 du côté de la veine. Ceci présente deux inconvénients majeurs. Premièrement, le dépôt d'alliage de type Stellite® requiert une température très élevée générant un gradient de température très important pouvant favoriser l'apparition de criques autour et dans la zone de l'ajout de l'insert anti- 25 usure 36. Deuxièmement, l'arasage de l'insert anti-usure 36 est délicate et peut donner lieu à l'apparition de défauts dimensionnels lorsque l'insert 36 est trop arasée. Ceci augmente le risque de chevauchement des aubes 10 les unes sur les autres et génère des pertes de rendement (par augmentation des fuites de gaz). Ceci implique qu'une grande partie des 30 aubes 10 ainsi réalisées sont mise au rebut. 5 [0013]Ce type de procédé de fabrication ne se limite pas aux aubes de roues mobiles, prises ici en exemple. Les problèmes rencontrés sont les mêmes pour la fabrication de tout élément profilé de turbomachine comportant des inserts. 5 EXPOSE DE L'INVENTION [0014] La présente invention cherche à pallier ces inconvénients en proposant une nouvelle solution de réalisation d'éléments profilés de turbomachine n'impliquant ni une étape d'ajout d'insert en matériaux antiusure post moulage de l'élément profilé, ni une étape d'arasage dudit 10 insert. [0015]A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication d'un élément profilé de turbomachine, l'élément profilé comportant un pied, un talon et un corps s'étendant entre le pied et le talon, le talon de l'élément profilé comportant des bords latéraux configurés pour coopérer 15 par emboîtement avec des bords latéraux complémentaires d'éléments profilés adjacents circonférentiellement de la turbomachine, les bords latéraux des talons comportant chacun au moins un insert en matériau anti-usure, caractérisé en ce que l'aube est réalisée par par une opération de moulage de poudre par injection comportant une ou plusieurs étapes 20 d'injection séquentielle ou dissociée, suivie(s) d'une étape de déliantage unique et d'une étape de frittage/co-frittage unique, et en ce que lesdits inserts sont réalisés lors de cette opération de moulage de poudre par injection. [0016]En réalisant l'insert anti-usure simultanément avec le reste de 25 l'élément profilé, l'insert prend directement la forme désirée et il n'est pas besoin de réaliser une étape d'arasage pouvant s'avérer délicate. On réduit ainsi le temps de fabrication de l'élément profilé tout en supprimant un risque d'endommagement impliquant une potentielle mise au rebut de l'élément profilé en cours de fabrication. Par ailleurs, dans le cas où 30 l'insert anti-usure comporte un matériau non forgeable, on évite de devoir 6 retravailler l'élément profilé moulé au moyen d'un chalumeau. On évite ainsi toute contrainte thermique post moulage qui génère le risque d'altérer la santé métallurgique du talon de l'élément profilé en fabrication et d'en dégrader les propriétés physiques et/ou structurelles. Le 5 rendement et la longévité de la turbomachine sont donc améliorés. [0017] Le procédé selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - l'élément profilé peut être une aube de roue de rotor de turbomachine, le 10 corps s'étendant entre le pied et le talon, étant une pale, - le matériau utilisé pour au moins un des inserts peut présenter des caractéristiques résistantes à l'usure, par exemple en présentant une composition d'un alliage à base de cobalt. - le matériau utilisé pour l'élément profilé, en dehors des inserts, peut 15 présenter la composition d'un alliage à base de nickel, ou à base de cobalt, ou à base de titane, - le matériau utilisé pour l'élément profilé, en dehors des inserts, peut présenter la composition d'un alliage de type René77 ou TIAL, - l'opération de moulage de poudre par injection peut comporter une étape 20 d'injection, suivie d'une étape de déliantage, suivie d'une étape de frittage/co-frittage, - une étape d'usinage peut suivre l'étape de frittage/co-frittage, - l'étape d'injection comprend l'injection dans un moule d'un premier mélange homogène de poudre(s) métallique(s) et de liant(s) présentant la 25 composition du matériau utilisé pour les inserts, et d'un deuxième mélange homogène de poudre(s) métallique(s) et de liant(s) présentant la composition du matériau utilisé pour l'aube en dehors des inserts, - le(s) liant(s) peut/peuvent être le(s) même(s) dans les deux compositions, - l'opération de moulage de poudre par injection peut comporter une étape 30 d'injection séquentielle, de manière à ce que le matériau des inserts soit injecté avant celui du reste de l'aube, 7 - l'opération de moulage de poudre par injection peut comporter une étape d'injection séquentielle, de manière à ce que le matériau des inserts soit injecté après celui du reste de l'aube. 5 [0018]La présente invention a également pour objet un élément profilé de turbomachine, ledit élément profilé étant monobloc, l'élément profilé comportant un pied, un talon et un corps s'étendant entre le pied et le talon, le talon de l'élément profilé comportant des bords latéraux configurés pour coopérer par emboîtement avec des bords latéraux 10 complémentaires d'éléments adjacents de la turbomachine, les bords latéraux des talons comportant chacun au moins un insert en matériau résistant à l'usure, caractérisée en ce qu'il est fabriqué par le procédé tel que décrit ci-dessus. [0019] L'élément profilé selon l'invention peut être une aube de roue de 15 rotor de turbomachine, le corps s'étendant entre le pied et le talon, étant une pale, et les bords latéraux coopérant par emboîtement avec les bords latéraux complémentaires d'aubes adjacentes de la roue de rotor. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0020]L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques 20 et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple d'élément profilé de turbomachine, ici une aube de roue mobile, 25 - la figure 2 est une schématisation des différentes étapes d'une étape de déliantage d'un procédé classique de moulage par injection, - la figure 3 est une schématisation des différentes étapes d'un procédé classique de co-frittage, - la figure 4 est une vue en perspective d'un talon d'élément profilé de 30 turbomachine, ici une aube de roue mobile présentant deux inserts de 8 composition différente du reste de l'aube rapportés, par exemple, par soudure, - la figure 5 est une vue en perspective d'un talon d'élément profilé de turbomachine, ici une aube de roue mobile présentant deux inserts de 5 composition différente du reste de l'aube, intégrés selon le procédé de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0021]Dans l'exemple choisi pour la description détaillée, l'élément profilé de turbomachine est une aube 10 de roue mobile. 10 [0022]Comme représenté sur la figure 1, et déjà décrit ci-dessus, l'aube 10 comporte au moins un insert 36 (ici deux) de matériau anti-usure, tel qu'un alliage à base de cobalt, ou d'un alliage de type stellite. [0023] L'aube 10 selon l'exemple d'invention est fabriquée intégralement par un procédé MIM. Ce procédé inclut classiquement trois étapes : 15 - une étape d'injection, - une étape de déliantage, - une étape de frittage. [0024]Comme visible sur les figures 3 et 4, et comme mentionné plus haut, le procédé MIM implique l'utilisation de poudres métalliques. Ainsi, 20 lors d'une étape d'injection, un mélange homogène de poudre(s) métallique(s) 40, 42 (présentant la composition de l'alliage métallique désiré) et de particules lubrifiantes et/ou plastifiantes 44 sont injectées à chaud dans un moule adapté. [0025] Dans le cas particulier préféré du moulage d'une pièce bimétallique 25 (composée d'au moins deux parties composées chacune d'un métal différent), la personne du métier se trouve face à trois possibilités quant à l'injection : o une injection séquentielle dans un moule unique, ou 9 o une première injection dissociée au cours de laquelle au moins une première partie de pièce est injectée dans un premier moule, puis positionnée à l'état vert dans un deuxième moule, la deuxième partie de la pièce étant injectée dans ce second moule, ou 5 o une deuxième injection dissociée au cours de laquelle les deux parties de la pièce sont injectées séparément dans deux moules séparés. [0026] Dans les trois cas de figure, les étapes de frittages et de déliantage sont communes aux deux pièces. 10 [0027] Une première possibilité d'injection de l'aube 10 prise en exemple, est ainsi de procéder à une étape d'injection séquentielle : l'ensemble de l'empreinte d'un moule d'injection est remplie par un mélange de poudre homogène présentant la composition des inserts anti-usure 36, par exemple un mélange homogène de poudre d'alliage à base de cobalt, ou 15 d'un alliage de type stellite. Des séparations sont ensuite positionnées dans le moule d'injection afin d'isoler les parties du moule destinées à former les inserts 36. Le reste de l'empreinte du moule est alors vidée avant injection du mélange homogène présentant la composition du reste de l'aube 10, par exemple un mélange homogène de poudre d'un alliage 20 à base de nickel, ou à base de cobalt, ou à base de titane, par exemple, un mélange homogène de poudre d'alliage René77 ou TIAL 42. La séquence d'injection peut être inversée : selon la forme et le positionnement du ou des inserts 36 anti-usure, le ou les inserts 36 antiusure peuvent être injectés à la suite du reste de l'aube 10. 25 [0028]Comme déjà mentionné, les inserts 36 peuvent, selon un autre procédé d'injection, être injectés dans un premier moule, suite à quoi, les inserts 36 à l'état vert (leur géométrie étant maintenue par le liant plastique du mélange d'injections ) sont positionnés dans un deuxième moule d'injection, celui de l'aube 10. Le mélange homogène présentant la 30 composition du reste de l'aube 10 est alors injecté dans le deuxième moule. 10 [0029] Une troisième option d'injection de l'aube 10 consiste à injecter les inserts 36 et le reste de l'aube 10 dans des moules séparés puis d'assembler les inserts 36 et le reste de l'aube 10 pour le déliantage et le frittage commun. 5 [0030] Lorsque les inserts anti-usure 36 et le reste de l'aube 10 sont injectés, l'étape d'injection est terminée. [0031 ]S'ensuit l'étape de déliantage. Cette étape permet l'élimination des particules de lubrifiant(s) et de plastifiant(s) 40 tout en maintenant la géométrie de la pièce en fabrication. Le déliantage est classiquement 10 effectué au moyen de solvant(s), et/ou d'un ou plusieurs passages en cycles thermiques et/ou d'une ou plusieurs catalyses, en fonction des particules de lubrifiant(s) et/ou de plastifiant(s) 40 présentes dans le mélange injecté. A l'issue de l'étape de déliantage, la pièce en fabrication est poreuse, comme visible sur la dernière image de la figure 2 et la 15 première image de la figure 3. [0032]Suite à l'étape de déliantage, on réalise l'étape de frittage, telle qu'illustrée sur la figure 3. Dans le cas présent, la pièce en fabrication étant bimétallique, on parle de co-frittage. Le frittage consiste à chauffer la ou les poudre(s) métallique(s) 40, 42 débarrassée(s) des particules de 20 lubrifiant(s) et/ou de plastifiant(s) 40 jusqu'à la limite de fusion. Sous l'effet de la chaleur, les grains métalliques 40, 42 se soudent entre eux, permettant la consolidation de la pièce en fabrication. Dans le cas d'une pièce bimétallique, et de l'aube 10 en particulier, l'étape de frittage (cofrittage) permet de souder les inserts anti-usure 36 au reste de l'aube 10 25 et d'assurer une bonne cohésion entre les inserts anti-usure 36 et le reste de l'aube 10 et de former une aube 10 monobloc. [0033]Classiquement, l'étape de frittage (co-frittage) s'accompagne d'un retrait contrôlé des matériaux, générant un redimensionnement de la pièce finale par rapport à la pièce semi-finie obtenue suite à l'étape 30 d'injection. 11 [0034] La pièce finale est ensuite usinée. [0035] Sur la figure 4, on peut voir que les surfaces extérieures des inserts 36 anti-usure rapportés, n'affleurent pas la plateforme 20 : en effet, les inserts anti-usure 36 forment des butées susceptibles de générer des 5 turbulences aérodynamiques intempestives au sein du flux de gaz qui circule dans la veine. Il est ainsi nécessaire d'araser les inserts anti-usure 36 pour obtenir une plateforme 20 plane. [0036] Au contraire, sur la figure 5, on peut voir que lorsque les inserts anti-usure 36 sont intégrés directement à l'aube 10 lors d'une opération 10 MIM à déliantage et frittage unique, la plateforme 20 est plane. Autrement dit, si lesdits inserts anti-usure 36 sont réalisés simultanément avec le reste de l'aube 10 au cours des mêmes opérations de frittage et de déliantage de la même opération MIM, la plateforme 20 est plane dès la fin de l'opération de moulage et il n'est pas besoin d'araser le talon 14 de 15 l'aube 10. [0037] Par opération de moulage de poudre par injection (MIM) à déliantage et frittage unique, on entend que l'opération de moulage de poudre par injection de création de l'aube 10 ne comporte une ou plusieurs étape(s) d'injection (selon l'une des trois options présentées ci- 20 dessus), mais ne comporte qu'une étape de déliantage et qu'une étape de co-frittage. Même si l'étape d'injection se dérouler de manière séquentielle, l'étape de déliantage et de co-frittage sont commune aux inserts 36 et au reste de l'aube 10, les inserts 36 et le reste de l'aube 10 étant déliantés et frittés simultanément. 25 [0038] REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un élément profilé de de turbomachine, l'élément profilé (10) comportant un pied (12), un talon (14) et un corps s'étendant entre le pied (12) et le talon (14), le talon (14) de l'élément profilé comportant des bords latéraux (21, 22) configurés pour coopérer par emboîtement avec des bords latéraux (21, 22) complémentaires d'éléments profilés adjacents circonférentiellement de la turbomachine, les bords latéraux (21, 22) des talons (14) comportant chacun au moins un insert (36) en matériau anti-usure, caractérisé en ce que l'élément profilé est réalisé par une opération de moulage de poudre par injection comportant une ou plusieurs étapes d'injection séquentielle ou dissociée, suivie(s) d'une étape de déliantage unique et d'une étape de frittage/co-frittage unique, et en ce que lesdits inserts (36) sont réalisés lors de cette opération de moulage de poudre par injection. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'élément profilé est une aube de roue de rotor de turbomachine, le corps s'étendant entre le pied (12) et le talon (14), étant une pale (16). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour au moins un des inserts (36) présente des caractéristiques résistantes à l'usure, par exemple en présentant une composition d'un alliage à base de cobalt. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour l'élément profilé , en dehors des inserts (36), présente la composition d'un alliage à base de nickel, ou à base de cobalt, ou à base de titane. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'étape d'injection comprend l'injection de poudre(s) métallique(s) et de liant(s) présentant la composition du matériau utilisé pour les inserts (36), et d'un deuxième mélange homogène de poudre(s) métallique(s) et de liant(s) 13 présentant la composition du matériau utilisé pour l'élément profilé en dehors des inserts (36). 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le(s) liant(s) 5 est/sont le(s) même(s) dans les deux compositions. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'opération de moulage de poudre par injection comporte une étape d'injection séquentielle, de manière à ce que le matériau des inserts (36) soit 10 injecté avant celui du reste de l'élément profilé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'opération de moulage de poudre par injection comporte une étape d'injection séquentielle, de manière à ce que le matériau des inserts (36) soit 15 injecté après celui du reste de l'élément profilé. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une étape d'usinage suit l'étape de frittage/co-frittage. 20 10. Elément profilé de turbomachine, ledit élément profilé (10) étant monobloc, l'élément profilé comportant un pied (12), un talon (14) et un corps s'étendant entre le pied (12) et le talon (14), le talon (14) de l'élément profilé comportant des bords latéraux (21, 22) configurés pour coopérer par emboîtement avec des bords latéraux (21, 22) complémentaires d'éléments profilé adjacentes de 25 la turbomachine, les bords latéraux (21, 22) des talons (14) comportant chacun au moins un insert (36) en matériau résistant à l'usure, caractérisée en ce qu'il est fabriqué par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 30 11. Elément profilé selon la revendication précédente, dans lequel l'élément profilé est une aube (10) de roue de rotor de turbomachine, le corps s'étendant entre le pied (12) et le talon (14), étant une pale (16), et les bords latéraux (21, 22) coopérant par emboîtement avec les bords latéraux (21, 22) complémentaires d'aubes (10) adjacentes de la roue de rotor.35