Brevet FR3096594A1 — publié le 20201204

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une aube de turbine métallique monocristalline Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces de turbomachine en métal par fonderie. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d'une aube de turbine monocristalline par ce type de procédé. Technique antérieure [0002] Dans certaines applications, et notamment dans les turbomachines aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée. Par exemple, dans les distributeurs des turbines de turbomachines aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes permet de limiter les effets de ces contraintes. [0003] Pour réaliser une pièce métallique de ce type, on commit le procédé du type fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, dans un tel procédé, on réalise tout d'abord un modèle en cire de la pièce à fabriquer, autour duquel on forme une carapace céramique formant un moule. Un métal en fusion est ensuite coulé dans le moule, et la solidification dirigée du métal permet d'obtenir, après retrait du moule, la pièce moulée. Ce procédé est avantageux pour fabriquer des pièces métalliques de formes complexes ayant une structure monocristalline. [0004] Ce procédé présente toutefois l'inconvénient d'être long et de comporter un nombre important d'étapes. Il existe donc encore un besoin pour améliorer ce procédé. Exposé de l'invention [0005] A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une aube de turbine mé- tallique monocristalline comprenant au moins les étapes suivantes : - l'obtention, par fabrication additive, d'un modèle métallique polycristallin de l'aube et d'un modèle métallique polycristallin d'une masselotte de compensation de la contraction volumique du métal lors d'une solidification dirigée, ledit modèle de la masselotte étant relié au modèle de l'aube, - l'ajout d'un dispositif fournisseur de grain monocristallin au modèle de l'aube, - la formation d'une carapace en céramique autour du modèle de l'aube, du modèle de la masselotte et du dispositif fournisseur de grain monocristallin pour former un moule, - la fusion d'au moins une partie du métal présent dans le moule, 2 la solidification dirigée du métal en fusion présent dans le moule, et le retrait du moule pour obtenir l'aube monocristalline. [0006] Le procédé selon l'invention permet de supprimer des étapes au procédé connu de fonderie à la cire perdue, puisqu'il n'est plus nécessaire de fabriquer un modèle en cire de l'aube, d'enlever la cire du moule, et de couler le métal en fusion dans le moule. Par rapport aux procédés de l'art antérieur, on peut obtenir directement par fabrication additive un modèle métallique de l'aube relié à un modèle de masselotte. Le procédé selon l'invention permet de gagner en répétahilité et en efficacité pour fabriquer des aubes de turbine. [0007] En d'autres termes, les modèles métalliques polycristallins de l'aube et de la masselotte peuvent être obtenus simultanément par fabrication additive et former une seule et même pièce. Le modèle d'aube correspond généralement à l'aube à fabriquer à la différence qu'il est polycristallin et que l'on cherche à fabriquer une aube mono-cristalline. Le dispositif fournisseur de grain monocristallin (un conduit sélecteur de grain ou un germe monocristallin par exemple) permet d'obtenir l'aube mono-cristalline. [0008] Dans un exemple de réalisation, l'aube et son modèle peuvent être creux, et le procédé peut comprendre en outre, avant l'étape de formation de la carapace en céramique, une étape de formation d'un noyau en céramique dans la ou chacune des parties creuses du modèle de l'aube. La ou les parties creuses peuvent correspondre par exemple à des canaux de refroidissement de l'aube. [0009] Dans un exemple de réalisation, l'étape de formation du noyau en céramique peut comprendre au moins une première sous-étape de remplissage de la ou chacune des parties creuses du modèle de l'aube avec une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, et une deuxième sous-étape de cuisson pour obtenir le noyau en céramique. [0010] Dans un exemple de réalisation, l'étape de fabrication de la carapace en céramique peut comprendre au moins une première sous-étape de trempage du modèle de l'aube et du dispositif fournisseur de grain dans une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, une deuxième sous-étape de sablage du modèle de l'aube et du dispositif fournisseur de grain trempés, et une troisième sous-étape de cuisson pour obtenir la carapace en céramique. [0011] Dans un exemple de réalisation, le modèle de l'aube peut être en alliage à base de nickel. [0012] Dans un exemple de réalisation, le modèle de l'aube peut être obtenu par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, ou par un procédé de dépôt direct de métal. [0013] Dans un exemple de réalisation, le dispositif fournisseur de grain monocristallin peut 3 être un conduit sélecteur de grain monocristallin, et l'étape (l'ajout du dispositif fournisseur de grain monocristallin peut comprendre l'obtention, par fabrication additive, d'un modèle métallique polycristallin du conduit sélecteur de grain mono-cristallin relié au modèle de l'aube. On peut ainsi obtenir le dispositif fournisseur de grain, ici un conduit sélecteur de grain, directement au moment de la fabrication du modèle de l'aube. [0014] Dans un exemple dc réalisation, le modèle du conduit sélecteur de grain peut présenter une forme en chicane. [0015] Dans un exemple dc réalisation, le dispositif fournisseur dc grain monocristallin peut être un germe monocristallin, et l'étape d'ajout du dispositif fournisseur de grain monocristallin peut comprendre l'appariement du germe métallique monocristallin au modèle de l'aube. Cette étape peut être réalisée avant la formation de la carapace en céramique, de sorte à former le moule autour du germe monocristallin également. Brève description des dessins [0016] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique d'une aube de turbine de turbomachine aéronautique. [0017] [fig.2] La figure 2 est un ordinogramme montrant les étapes d'un procédé selon un mode de réalisation dc l'invention. [0018] [fig.3] La figure 3 montre un exemple d'ensemble métallique polycristallin comprenant un modèle de l'aube et un modèle de conduit sélecteur de grain obtenu par fabrication additive. [0019] [fig.4] La figure 4 illustre la formation d'un noyau céramique dans une partie creuse du modèle de l'aube. [0020] W8.51 La figure 5 illustre la formation d'une carapace céramique formant un moule autour de l'ensemble dc la figure 4. [0021] [fig.6] La figure 6 montre le moule de la figure 5 dans un four de solidification dirigée. [0022] [fig.7] La figure 7 montre un modèle de l'aube obtenu par fabrication additive dépourvu de conduit sélecteur de grain dans le cadre d'une variante de procédé selon l' invention. [0023] [fig.8] La figure 8 montre la carapace et le moule formés autour du modèle de la figure 7, auquel on un germe monocristallin a été apparié avant la formation de la carapace. Description des modes de réalisation 100241 La figure 1 montre une aube I de turbine, par exemple une aube mobile destinée à être montée sur un rotor. La turbine en question peut être une turbine de turbomachine terrestre ou aéronautique. L'aube I peut en variante être une aube fixe ou aube de dis- tributcur destinée à être montée sur un stator. L'aube 1 est en un métal ou alliage métallique monocristallin et peut être obtenue par un procédé selon l'invention. L'aube 1 comprend, dans cet exemple, un pied 2 prolongé par un aubage 3 et une plateforme 4 entre le pied 2 et l'aubage 3. [0025] La figure 2 montre l'enchaînement des étapes d'un procédé selon un exemple de réa- lisation de l'invention. [0026] Dans une étape E1, on obtient, par fabrication additive, un modèle métallique poly- cristallin de l'aube et un modèle métallique polycristallin d'une masselotte de compensation de la contraction volumique du métal lors de la solidification dirigée. Par « fabrication additive », on entend tout procédé de fabrication d'une pièce dans lequel la pièce est formée couche par couche à partir d'un matériau ou d'un mélange de matériaux. On peut citer à titre d'exemple non limitatif les procédés suivants : fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, par faisceau laser ou faisceau d'électrons ; ou le dépôt direct de métal, par exemple à partir d'un fil fondu ou d'une poudre fondue qui est projetée. [0027] Dans cet exemple un conduit sélecteur de grain monocristallin constitue un dispositif fournisseur de grain monocristallin au sens de l'invention, et son ajout au modèle de l'aube est réalisé au cours de l'étape El d'obtention par fabrication additive du modèle métallique polycristallin de l'aube. [0028] L'aube de turbine 1 peut être en alliage métallique à hase de nickel, comme de l'AMI, le CMSX4, le CMSX4 SLS, le CMSX-4 Plus, l'AM3, le DS200, de l'Inconel®, etc. [0029] Le résultat de cette étape El est illustré sur la figure 3 où on a réalisé sur un support 10, successivement par fabrication additive : un modèle de conduit sélecteur de grain 11 ; un modèle de l'aube 12 avec un aubage 13 ayant une partie creuse 14, un pied 15, et une platefonne 16 entre le pied 15 et l'aubage 13 ; et un modèle de masselotte 17 de compensation de la contraction volumique du métal de l'aube lors d'une solidification dirigée. Le modèle de l'aube 12 est retourné par rapport au support 10, c'est-à-dire que son pied 15 se situe au-dessus de l'aubage 13 dans le procédé décrit. Le modèle de masselotte 17 est relié au modèle de l'aube 12 au niveau du pied 15 dudit modèle. La partie creuse 14 comporte ici des canaux 14a de refroidissement traversant l'aubage 13. La présence de la partie creuse 14 est optionnelle si l'on cherche à fabriquer une pièce pleine. On notera qu'il pourrait y avoir plusieurs parties creuses 14, et que la ou chaque partie creuse 14 peut avoir une forme plus complexe que celle illustrée. Le fait que l'ensemble obtenu soit polycristallin est dû au procédé d'obtention par fabrication additive, où l'on réalise l'agglomération ou le dépôt de grains métalliques cristallisés de façon aléatoire. [0030] On notera que le modèle de conduit sélecteur de grain 11, le modèle de l'aube 12 et le modèle de masselotte 17 de compensation de la contraction volumique du métal lors de la solidification dirigée peuvent être obtenus si multanément(c'est-à-dire au cours d'une même étape de fabrication additive), ou, en variante, être obtenus séparément puis reliés par assemblage. [0031] Puis, dans une étape E2, optionnelle s'il n'y a pas de partie creuse 14, on peut former un noyau en céramique 18 (figure 4) dans la partie creuse 14 du modèle de l'aube 12. Pour cela, dans une première sous-étape on peut introduire dans la partie creuse 14 une pâte ou barbotine comprenant une poudre céramique en suspension. Une fois cette pâte introduite, une deuxième sous-étape de cuisson permet d'obtenir le noyau en céramique 18 au sein du modèle de l'aube 12. [0032] Ensuite, dans une étape E3, on forme une carapace en céramique 19 (figure 5) autour des modèles 11, 12 et 17 ainsi obtenus pour obtenir un moule 20 dans lequel sont présents les modèles 11, 12, 17 et le noyau en céramique 18. Pour ce faire, on réalise une première sous-étape durant laquelle on trempe les modèles 11, 12 et 17 dans une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique en suspension, et une deuxième étape de sablage (ou stuccage) des modèles trempés. On peut répéter plusieurs fois les première et deuxième sous-étapes pour obtenir une carapace d'épaisseur plus importante. Ensuite, dans une troisième sous-étape, on cuit l'ensemble pour obtenir la carapace céramique 19 et finalement le moule 20. [0033] Puis, dans une étape E4, on fait fondre les modèles 11, 12 et 17 présents dans le moule 20. Pour ce faire, on dispose le moule 20 sur son support 10 dans un four de solidification dirigée 21 ou four Bridgman dans lequel on peut par exemple déplacer le support 10 verticalement pour modifier la position du gradient de température que voit le moule 20. On fait d'abord fondre toutes les parties métalliques dans le moule 20. [0034] Une fois l'ensemble du métal présent dans le moule 20 fondu, ou au moins jusqu'au bas du conduit sélecteur de grain, on peut « tirer » progressivement le moule 20 vers une partie plus froide (flèche 22) du four pour amorcer la solidification dirigée du métal en fusion (étape ES). Au cours de cette étape, un front de solidification progresse depuis le conduit sélecteur de grain jusqu'à la cavité dans laquelle sera moulée la masselotte. Lorsque le front de solidification dirigée monte à l'intérieur du conduit sélecteur de grain, une orientation de grain est privilégiée progressivement par la forme du conduit (par exemple en chicane) de sorte qu'en arrivant dans la cavité de moulage de l'aube il ne reste plus qu'une orientation cristallographique. Après cette étape, on obtient à l'intérieur du moule 20 une aube monocristalline La présence de la masselotte qui est solidifiée en dernier permet de compenser la contraction volumique du métal lors de sa solidification et de réduire les défauts de forme qu'elle peut engendrer. [0035] Enfin, dans une étape E6, on peut procéder au retrait du moule ou en d'autres termes 6 au décochage de l'ensemble solidifié présent dans le moule, afin d'obtenir l'aube 1. Plus précisément, on peut retirer le moule en le cassant ou à l'aide d'une attaque chimique pour également supprimer le noyau en céramique, et ensuite séparer l'aube 1 du conduit sélecteur de grain et de la masselotte par usinage de façon connue. [0036] Une variante du procédé décrit précédemment va être détaillée en lien avec les figures 7 et 8. [0037] Dans cette variante, le dispositif fournisseur de grain monocristallin est un germe monocristallin 23 qui est ajouté au modèle de l'aube 12 après l'étape El (le cas échéant l'étape E2), et avant l'étape E3 où l'on forme une carapace céramique 19 autour du modèle de l'aube 12. On obtient alors par fabrication additive le modèle de l'aube 12 dépourvu de dispositif fournisseur de grain (figure 7). L'étape d'ajout correspond alors à un appariement du germe à la hase du modèle d'aube 12 (c'est-à-dire ici à une extrémité de l'auhage). L'appariement peut être réalisé par exemple par collage. [0038] Une fois le germe monocristallin 23 apparié et la carapace formée autour de l'ensemble constitué par le germe 23 et le modèle d'aube 12, on obtient le moule 20 illustré sur la figure 8. Le procédé peut ensuite se poursuivre avec la fusion du métal (E4), la solidification dirigée (ES) et le retrait du moule (E6). On veillera au cours de l'étape E4 à ne pas faire fondre complètement le germe monocristallin pour conserver un grain ayant une orientation connue dans le moule à partir duquel la croissance cristalline peut s'effectuer. [0039] L'invention a été décrite dans le cadre de la fabrication d'une unique aube de turbine, bien entendu d'autres configurations permettent de fabriquer simultanément plusieurs aubes. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] REVENDICATIONSProcédé de fabrication d'une aube de turbine métallique monocristalline (1) comprenant au moins les étapes suivantes : - l'obtention (El), par fabrication additive, d'un modèle métallique polycristallin dc l'aube (12) et d'un modèle métallique polycristallin d'une masselotte (17) de compensation de la contraction volumique du métal lors d'une solidification dirigée, ledit modèle de la masselotte étant relié au modèle de l'aube, - l'ajout d'un dispositif fournisseur dc grain monocristallin (11 ; 23) au modèle de l'aube, - la formation (E3) d'une carapace (19) en céramique autour du modèle de l'aube (12), du modèle de la masselotte (17) et du dispositif fournisseur de grain monocristallin (11, 23) pour former un moule (20), - la fusion (E4) d'au moins une partie du métal présent dans le moule, - la solidification dirigée (E5) du métal en fusion présent dans le moule, et - le retrait du moule (E6) pour obtenir l'aube monocristalline. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'aube (1) et son modèle (12) sont creux, et le procédé comprend en outre, avant l'étape de formation de la carapace en céramique (19), une étape (E2) de formation d'un noyau en céramique (18) dans la ou chacune des parties creuses (14, 14a) du modèle de l'aube (12). Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de formation du noyau en céramique (18) comprend au moins une première sous-étape de remplissage de la ou chacune des parties creuses (14, 14a) du modèle de l'aube (12) avec une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, et une deuxième sous-étape de cuisson pour obtenir le noyau en céramique (18). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape de fabrication de la carapace (19) en céramique comprend au moins une première sous-étape de trempage du modèle de l'aube (12) et du dispositif fournisseur de grain (11, 23) dans une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, une deuxième sous-étape de sablage du modèle de l'aube et du dispositif fournisseur de grain trempés, et une troisième sous-étape de cuisson pour obtenir la carapace en céramique (19). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, clans lequel le 8 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] modèle de l'aube (12) est en alliage à hase de nickel. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le modèle de l'aube (12) est obtenu par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, ou par un procédé de dépôt direct de métal. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif fournisseur de grain monocristallin est un conduit sélecteur de grain monocristallin, et l'étape d'ajout du dispositif fournisseur de grain monocristallin comprend l'obtention, par fabrication additive, d'un modèle métallique polycristallin du conduit sélecteur de grain (11) monocristallin relié au modèle de l'aube (12). Procédé selon la revendication 7, dans lequel le modèle du conduit sélecteur de grain (11) présente une forme en chicane. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif fournisseur de grain monocristallin est un germe mono-cristallin (23), et l'étape d'ajout du dispositif fournisseur de grain mono-cristallin comprend l'appariement du germe métallique (23) mono-cristallin au modèle de l'aube (12).