Brevet FR3090695A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : revetement pour noyau de conformage a chaud DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR [0001] L'invention concerne le domaine technique général des procédés de fabrication de pièces 2 comportant des cavités, notamment des procédés utilisant des noyaux 1 pour des opérations de production par conformage. [0002] Plus particulièrement, l'invention concerne les noyaux 1 en alliage réfractaire pour les procédés de production d'une pièce 2, par exemple une aube de soufflante de turbomachine en composite, par compaction isostatique. [0003] Classiquement, de telles aubes présentent un corps en composite à matrice carbonée et un bord d'attaque en titane ou en alliage de titane. [0004] Deux tôles, intrados et extrados, préalablement formées, sont conformées, via une opération de compaction isostatique à chaud, autour d'un noyau 1 en alliage réfractaire dont la géométrie correspond à la géométrie interne recherchée du bord d'attaque de l' aube. [0005] Après conformage, le noyau 1, qui est un outillage réutilisable, est. retiré et le bord d'attaque est usiné sur ses surfaces extérieures pour obtenir la géométrie finale de la pièce 2. [0006] Au cours d'un tel procédé, l'étape de conformage s'effectue via un cycle thermo- mécanique à haute température, de l'ordre de 800°C à 1000°C, durant lequel le noyau 1 est en contact avec les éléments de l'aube, et donc du bord d'attaque, pendant plusieurs heures. [0007] 11 est donc nécessaire que le noyau 1 présente trois caractéristiques principales : [0008] - le noyau 1 doit être indéformable dans la gamme thermomécanique de fabrication du bord d'attaque afin d'assurer la forme de la cavité interne du bord d'attaque ; cela permet notamment de ne pas usiner la cavité interne du bord d'attaque, ce qui simplifie le procédé de fabrication ; [0009] - le matériau composant le noyau 1 est choisi afin (l'éviter toute réaction chimique entre le matériau du noyau 1 et le matériau du bord d'attaque ; cela permet d'éviter ou de réduire au maximum la décontamination chimique des surfaces de la cavité interne du bord d'attaque, ce qui simplifie le procédé ; [0010] - il est nécessaire d'éviter toute adhérence ou collage entre le matériau du noyau 1 et le matériau du bord d'attaque ; cette condition est nécessaire pour la réutilisation des noyaux 1 et conditionne donc la viabilité économique de ce procédé. 100111 Il est connu d'utiliser pour le noyau 1 des alliages métalliques à base nickel ou base cobalt afin d'être suffisamment rigides pour ne pas se déformer lors des cycles de conformage à haute température. 2 100121 Or ce type d'alliages mis en contact à haute température avec les alliages de titane (type u+13) de la pièce 2 sont réactifs entre eux et forment des solutions solides ou des composés intermétalliques, ce qui conduit au mieux à une contamination de l'alliage de titane, au pire un collage rédhibitoire entre le nickel / cobalt et le titane. [0013] Il est donc indispensable de faire un traitement adapté au noyau 1 pour éviter la contamination et le collage. [0014] Les produits de type Stop-Off sont hien connus et utilisés dans des procédés de mise en forme du titane à chaud avec généralement le double objectif de protéger le titane contre la contamination de l'air ou des outillages en contact du titane et de faciliter le démoulage de la pièce 2. Ils sont systématiquement composés d'une charge réfractaire anti-diffusion et d'un liant organique. [0015] Cc type de produit, avec un liant organique, est complètement rédhibitoire pour l'application conformage sur noyau 1. [0016] En effet, dans le cas des procédés de mise en forme pour lesquels le liant organique se trouve dégradé lors de l'opération chauffage de la pièce 2 revêtue (en général entre 200 et 400°C), les produits de dégradation se trouvant dispersés dans l'air ambiant et cela ne pose pas de difficultés majeures. [0017] Pour le conformage sur noyau 1, le revêtement se trouve « enfermé » dans une cavité étanche formée par les tôles extrados et intrados. Lors du cycle de compaction à haute température, le liant organique va se dégrader et les résidus de dégradation vont venir contaminer les zones de contact tôles/tôles en périphérie de l'assemblage et empêché le soudage diffusion entre les deux tôles, recherché dans ces zones. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION [0018] Un but de l'invention est de permettre la réutilisation du noyau 1 pour des procédés de formations de plusieurs pièces 2. [0019] Un autre but de l'invention est de limiter le phénomène de diffusion des espèces entre le noyau et la pièce. [0020] Un autre but est de limiter les phénomènes de transfert thermique entre le noyau et la pièce. [0021] Un autre but est de limiter les phénomènes de réaction chimique entre la pièce et le noyau. [0022] Afin de réponde à ces problématiques, l'invention propose un procédé de revêtement d'un noyau pour la fabrication d'une pièce pour turbomachine par compactage isostatique, par exemple un bouclier de bord d'attaque d'une aube, le procédé de revêtement comportant les étapes de : [0023] - S1 : Enduction du noyau au moyen d'une première solution comportant un premier composant réfractaire configuré pour s'opposer à la diffusion des espèces, le premier composant comportant un oxyde métallique ; 3 [0024] - S2 : Enduction du noyau au moyen d'une deuxième solution comportant un deuxième composant configure pour lier le premier composant de manière à former une couche homogène, le deuxième composant comportant un liant minéral ; [0025] - S3 : Application d'un traitement thermique au noyau enduit de manière à sécher la solution et solidifier le revêtement. [0026] Optionnellement mais avantageusement, un tel procédé peut être complété par les ca- ractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : [0027] - les étapes S1 à S3 sont réitérées au moins une fois ; [0028] - le premier composant comporte un oxyde d'un métal de transition, et dans lequel le deuxième composant comporte un colloïde d'un lanthanide ; [0029] - la première solution est aqueuse et le premier composant comporte une charge d'oxyde d'yttrium sous forme de poudre ; [0030] - le deuxième composant comporte un liant colloïde de cérium ; [0031] - l'étape S3 de traitement thermique est réalisée à une température comprise entre 40°C et 120°C pendant une durée comprise entre 15 minutes et 60 minutes, et préfé- rentiellement à une température comprise entre 70°C et 90°C pendant une durée comprise entre 25 et 35 minutes ; [0032] - le procédé comprend en outre, entre les étapes S1 et S2, une étape S4 de traitement thermique du noyau ; [0033] - au cours de l'étape SI, la solution comporte une proportion massique d'eau comprise entre 40% et 60%, et une proportion massique comprise entre 40% et 60% d'oxyde métallique ; [0034] - les étapes d'enduction Si et S2 sont réalisées simultanément en appliquant une unique solution comprenant le premier composant et le deuxième composant. [0035] Selon un autre aspect, l'invention propose un noyau pour une pièce de turbomachine, par exemple un bouclier de bord d'attaque d'une aube, le noyau comportant un revêtement réalisé suivant un procédé selon l'invention. [0036] Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce pour une turbomachine, par exemple un bouclier de bord d'attaque d'une aube, ladite pièce comportant une cavité interne, une première tôle et une deuxième tôle, dans lequel le procédé comporte les étapes de : [0037] - Assemblage de la première tôle, de la deuxième tôle et d'un noyau comportant un revêtement réalisé selon l'invention ; [0038] - Compaction isostatique de l'assemblage à une température configurée pour assouplir la première tôle et la deuxième tôle de manière à favoriser leur déformation ; [0039] - Extraction du noyau. [0040] Optionnellement mais avantageusement, dans un tel procédé, une parmi la première tôle et la deuxième tôle comporte un premier matériau, et le noyau comporte un deuxième matériau, le premier matériau comportant un alliage de titane, le deuxième matériau comportant un alliage d'un métal de transition, par exemple de l'yttrium. Brève description des dessins [0041] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la des- cription qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : [0042] [fie.la] [0043] [fie.lb] [0044] [fie.1c] [0045] [fie.1d] [0046] [fig. 1 e] [0047] [fig.lf] [0048] [fig.18] [0049] la figure I représente différentes étapes d'un procédé de conformage à chaud d'une aube de turbomachine selon l'invention ; la figure 1 a représente la tôle intrados préalablement formée ; la figure I b représente la tôle intrados dans lequel est positionné le noyau I ; la figure I c représente la tôle extrados, positionnée sur le noyau I lui-même positionné sur la tôle intrados. L'ensemble constituant l'assemblage à conformer.; la figure I d représente une coupe de l'assemblage, laissant apparaître le noyau I, les tôles intrados et extrados étant fixées l'une à l'autre préalablement au conformage à chaud ;la figure le représente une coupe de l'assemblage, laissant apparaître le noyau I et la pièce 2 formée après étape de conformage à chaud ; la figure I f représente la pièce 2 formée, avec le noyau I dans la cavité de la pièce 2 ; la figure lg représente la pièce 2 finale après extraction du noyau I ; [0050] [fig.2] [0051] la figure 2 représente des enthalpies libres de formation de différents espèces d'oxydes. [0052] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation [0053] L'invention concerne un procédé de revêtement d'un noyau 1 pour la fabrication d'une aube pour une turbomachine par compactage isostatique, le procédé de revêtement comportant les étapes de : [0054] S1 : Enduction du noyau (1) au moyen d'une solution comportant un premier composant réfractaire configuré pour s'opposer à la diffusion des espèces, le premier composant comportant un oxyde métallique, S2 : Enduction du noyau (1) au moyen d'une solution comportant un deuxième composant configure pour lier le premier composant de manière à former une couche homogène, le deuxième composant comportant un liant minéral ; S3 : Application d'un traitement thermique au noyau (1) enduit de manière à sécher la solution et solidifier le revêtement. [0055] Le noyau 1 est ainsi enduit d'un revêtement non permanent, anti-diffusion, qui comporte un premier composant, ou charge, réfractaire et thermodynarniquement très stable, anti diffusante, non réactive avec le matériau de la pièce 2, même sous température de l'ordre de 1000°C, et un deuxième composant, ou liant, minéral afin de ne pas contaminer, lors du compactage isostatique à chaud, le matériau de la pièce 2. [0056] Le procédé peut optionnellement comprendre une réitération des étapes S1 à S3, ce qui permet d'adapter l'épaisseur de revêtement obtenu en fonction du besoin. [0057] Il est classiquement entendu par liant un produit qui sert à agglomérer en masse solide des particules solides sous forme de poudre ou de granulats. [0058] Avantageusement, le premier composant présente une enthalpie libre de formation très négative à 25°C pour la formation de son oxyde. Cet oxyde sera donc extrêmement stable. De plus, afin d'être inerte vis-à-vis du matériau de la pièce 2 (titane), l'enthalpie libre de formation de l'oxyde du composant sera avantageusement inférieure à celle de l'oxyde de titane (TiO2), le titane étant l'élément chimique principal du matériau de la pièce 2. [0059] Un tel revêtement permet d'éviter une inter diffusion des espèces entre une pièce 2 et le noyau 1, ce qui permet de limiter fortement l'adhérence entre la pièce 2 et le noyau 1 et favorise l'extraction et la réutilisation du noyau 1 au cours d'un procédé de fabrication ultérieur d'une pièce 2. [0060] Un tel procédé de fabrication est représenté en figure 1. [0061] Un tel procédé peut dans un mode de réalisation comporter une étape, non illustrée, de découpe puis d'usinage de tôles destinées à former la pièce 2. [0062] Par exemple, dans le cas d'une aube de turbomachine, une première tôle comprend une tôle destinée à former l'intrados de l'aube, et une deuxième tôle comprend une tôle destinée à former l'intrados de l'aube. [0063] Un tel procédé peut également comporter une étape de formage à chaud, pendant laquelle les tôles destinées à former l'intrados et extrados sont matricées à chaud afin de leur donner une préforme permettant de se rapprocher de la forme du noyau afin de simplifier l'assemblage des tôles autour du noyau. [0064] Une étape d'assemblage est ensuite réalisée, au cours de laquelle la première tôle, la deuxième tôle et le noyau 1 sont positionnées les unes par rapport aux autres et maintenues les unes aux autres, tel qu'illustré dans les figures la à lc. [0065] Les tôles intrados et extrados sont fixées l'une à l'autre, par exemple par soudage au 6 niveau des bordures latérales des dites tôles, afin de garantir le positionnement des tôles autour du noyau et assuré l'étanchéité de l'assemblage, tel qu'illustré en figure 1 d. [0066] Une étape de compaction isostatique est ensuite réalisée, au cours de laquelle les tôles et le noyau sont chauffés à une température de l'ordre de 800°C à 1000°C et compactés par une pression extérieure de sorte à solidariser les tôles entre elles par soudage diffusion, les conformer autour du noyau et ainsi former la pièce 2, tel qu'illustré en figure le, comportant une cavité interne à la géométrie exacte du noyau. [0067] Après compaction isostatique à chaud, la pièce 2 formée est obtenue en retirant le noyau. Dans un mode de réalisation, une étape d'usinage supplémentaire peut être réalisée, par exemple l'usinage des bords d'attaque dans le cas d'une aube de turbomachine. [0068] Préférentiellement, l'étape d'usinage est réalisée avec le noyau 1 dans la cavité de la pièce 2, tel qu'illustré en figure lf. Cela permet de rigidifier l'ensemble, évitant notamment une déformation de la pièce 2 sous les efforts d'usinage, et d'avoir des référentiels dimensionnels intégrés ce qui permet d'éviter d'avoir recours à des outillages d'usinage complexes. [0069] Le noyau 1 est ensuite retiré, tel qu'illustré en figure lg, et peut être réutilisé au cours d'une opération de production d'une autre pièce 2. Cela permet de limiter fortement le coût de fabrication unitaire d'une pièce 2. [0070] Dans un mode de réalisation, le premier composant comprend un oxyde d'yttrium et éventuellement un autre oxyde choisi parmi un ou une pluralité de poudres d'oxydes métalliques, pouvant par exemple comporter un oxyde ou une combinaison d'oxydes choisis parmi : [0071] - oxyde de titane (TiO2), [0072] - oxyde de molybdène (Mo03), [0073] - oxyde de cérium (Ce02), [0074] - oxyde d'étain (Sn02), [0075] - oxyde de Zinc (ZnO), [0076] - oxyde de cobalt (Co203), [0077] - alumine (A1203), [0078] - mullite (3 A1203 + 2 SiO2), [0079] - silice (SiO) [0080] Dans un mode de réalisation, le premier composant comporte notamment un ou une combinaison d'oxydes de métaux de transition. [0081] Dans un mode de réalisation préférentiel, le premier composant comporte de la poudre d'oxyde d'yttrium (Y203). Cela permet, notamment lorsque la pièce 2 comporte du titane ou un alliage de titane, de limiter très fortement, voire d'éviter, une 7 contamination du titane lors d'un cycle thermique selon le procédé. [0082] Dans un mode de réalisation, la pièce 2 est en alliage de titane. La figure 2 présente les enthalpies libres de formation de différents oxydes. Dans cette configuration, l'oxyde d'yttrium semble être le meilleur candidat parmi les oxydes représentés, présentant une enthalpie libre de formation bien inférieure à l'enthalpie libre de formation de l'oxyde de titane. Lc titane étant l'élément chimique principal de la pièce 2, l'oxyde d'yttruim sera inerte vis-à-vis du titane. [0083] Dans un mode de réalisation, le deuxième composant comporte un colloïde minéral en milieu aqueux. [0084] Il est entendu par colloïde une suspension d'une ou plusieurs substances, dispersées régulièrement dans une autre substance, formant un système à deux phases séparées. Dans un fluide, il forme une dispersion homogène de particules dont les dimensions vont du nanomètre au micromètre. Ccs particules ont donc la taille d'une nanoparticule, même si elles ne sont pas spécifiquement considérées en tant que telles. [0085] Avantageusement, le deuxième composant comporte un colloïde de lanthanide, par exemple un ou une combinaison de colloïdes choisis parmi un colloïde de yttrium, un colloïde de titane (basique ou acide) et un colloïde de cérium. [0086] Dans un mode de réalisation préférentiel, la pièce 2 est en alliage de titane, et le deuxième composant comporte un colloïde de cérium. Cela permet de limiter fortement, voire d'éviter, toute contamination de la pièce 2 par le cérium. [0087] Dans un mode de réalisation, la solution utilisée pour le revêtement comporte donc : [0088] - Une charge d'oxyde d'yttrium (Y203) sous forme de poudre, [0089] - Un liant colloïde de cérium (Ce02), [0090] - De l'eau. [0091] Dans un mode de réalisation, le revêtement est déposé en deux passes, le procédé de dépôt comportant : [0092] - une première étape d'enduction au cours de laquelle une première solution comportant le premier composant est déposée sur le noyau 1, [0093] - une première étape de chauffage du noyau 1, [0094] - une deuxième étape d'enduction au cours de laquelle une deuxième solution comportant le deuxième composant est déposée sur le noyau 1, et [0095] - une deuxième étape de chauffage. [0096] Optionnellement, la première solution comporte une proportion massique d'eau comprise entre 40% et 60%, et une proportion massique comprise entre 40% et 60% d'oxyde métallique, préférentiellement une proportion massique d'eau comprise entre 50% et 55%, et une proportion massique comprise entre 45% et 50% d'oxyde métallique, par exemple une proportion massique en eau de 53% et une proportion massique en oxyde d'yttrium (Y203) de 47%. 8 [0097] Optionnellement, la deuxième solution comporte un colloïde de cérium (Ce02). [0098] Avantageusement, la première étape de chauffage est effectuée à une température comprise entre 40°C et 120°C pendant une durée comprise entre 15 minutes et 60 minutes, préférentiellement à une température comprise entre 70°C et 90°C pendant une durée comprise entre 25 minutes et 35 minutes, par exemple à une température de 80°C pendant une durée de 30 minutes. [0099] Optionnellement, la deuxième étape de chauffage est effectuée à une température comprise entre 40°C et 120°C pendant une durée comprise entre 15 minutes et 60 minutes, préférentiellement à une température comprise entre 70°C et 90°C pendant une durée comprise entre 25 minutes et 35 minutes, par exemple à une température de 80°C pendant une durée de 30 minutes. [0100] Avantageusement, le revêtement présente une épaisseur comprise entre 10Ftm et 30Ftm, par exemple de 20pm. Cela permet d'isoler le noyau 1 de la pièce 2 efficacement, en présentant une épaisseur qui permet de résister à une usure ou des rayures éventuelles pouvant survenir lors des opérations de retrait du noyau 1 lorsque la pièce 2 est formée. Une telle épaisseur permet également d'éviter de modifier de manière trop importante les dimensions du noyau 1, et donc de la cavité formée. 9