Brevet FR3099717A1 — publié le 20210212

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce métallique Domaine technique [0001] L'invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces métalliques. Elle s'applique particulièrement à la fabrication de pièces métalliques pour l'aéronautique. Technique antérieure [0002] Pour réaliser des pièces en grand nombre et avec des coûts réduits, on connait le procédé de moulage par injection de poudre métallique (ou MIM pour « Metal Injection Molding »). Dans cc procédé connu, on réalise un mélange comprenant une poudre métallique et au moins un liant, on injecte le mélange à l'état ramolli dans un moule ayant la forme de la pièce à fabriquer pour obtenir après démoulage une ébauche de la pièce, on déliante l'ébauche, et on réalise le frittage de l'ébauche déliantée pour obtenir la pièce. [0003] Cc procédé bien qu'efficace pour fabriquer un grand nombre de pièces, ne permet pas de fabriquer des pièces présentant des géométries complexes comme par exemple les canaux de refroidissement d'une aube de turbomachine aéronautique. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication qui permette de fabriquer des pièces complexes tout en étant économique et aisé à mettre en oeuvre. Exposé de l'invention 100041 A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce métallique comprenant au moins les étapes suivantes : - la formation par fabrication additive d'une ébauche d'une première portion de la pièce à fabriquer comprenant un premier liant et une première poudre métallique présente dans le premier liant, - la formation par moulage par injection d'une ébauche d'une deuxième portion de la pièce à fabriquer comprenant un deuxième liant et une deuxième poudre métallique présente dans le deuxième liant, - le déliantage de l'ébauche de la première portion et de l'ébauche de la deuxième portion, et - le frittage conjoint de la première ébauche déliantée et de la deuxième ébauche déliantée pour obtenir la pièce, la première et la deuxième ébauches étant en contact lors du frittage. 100051 Avec un tel procédé, on peut optimiser la fabrication d'une pièce qui présente une partie complexe réalisable par fabrication additive, et une partie plus simple réalisable par moulage par injection. La durée de fabrication est généralement plus longue pour 2 les procédés de fabrication additive que les procédés de moulage par injection. Ainsi, le procédé selon l'invention est plus rapide et plus polyvalent que les procédés classiques de fabrication d'une pièce métallique. Le choix particulier des procédés de fabrication additive et de moulage par injection à partir d'une poudre et d'un liant, permet ensuite un assemblage efficace des parties de la pièce obtenues par ces techniques à l'aide d'un frittage conjoint. On obtient une pièce robuste même si ses parties ont été fabriquées par des techniques différentes. [0006] Dans un exemple de réalisation, l'ébauche de la deuxième portion peut être surmoulée sur l'ébauche de la première portion lors du moulage par injection. Cette disposition réduit le nombre d'étapes du procédé. [0007] Dans un exemple de réalisation, la première et la deuxième ébauche peuvent être dé- liantées séparément et mises en contact une fois déliantécs préalablement à leur frittage conjoint. [0008] Dans un exemple de réalisation, la première ébauche peut être obtenue par fusion sélective sur lit de poudre. En variante, la première ébauche peut être obtenue par stéréolithographie, par projection de liant (« binder jetting »), ou par dépôt de fil (« fuscd dcposition modelling »). [0009] Dans un exemple de réalisation, le métal de base de la première poudre et le métal de base de la deuxième poudre peuvent être identiques. On entend par « métal de hase » le métal ou l'alliage métallique qui compose la majorité, c'est-à-dire au moins 50% en masse, de la poudre. [0010] Dans un exemple de réalisation, le rapport entre la teneur volumique en poudre dans la première ébauche et la teneur volumique en poudre dans la deuxième ébauche peut être compris entre 0,6 et 1,6 ; par exemple compris entre 0,8 et 1,2. Il est avantageux que les teneurs massiques dans les ébauches soient proches selon ce rapport pour permettre une meilleure liaison entre les deux parties lors du frittage et une meilleure continuité des propriétés mécaniques. [0011] Dans un exemple de réalisation, la pièce peut être une pièce de turbomachine, par exemple d'une turbomachine aéronautique. [0012] Dans un exemple de réalisation, la pièce peut être une aube de turbomachine aéro- nautique comprenant une première portion correspondant à une partie interne de l'aube comportant au moins un canal de refroidissement et une deuxième portion correspondant au profil aérodynamique de l'aube. Brève description des dessins [0013] [fig.1] La figure 1 montre une vue très schématique d'une aube de turbine de tur- bomachine aéronautique pouvant être obtenue par un procédé selon l'invention. [0014] [fig.2] La figure 2 montre des vues schématiques illustrant les différentes étapes d'un 3 procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0015] [fig.3] La figure 3 montre des vues schématiques illustrant les différentes étapes d'un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation [0016] La figure 1 montre très schématiquement une aube de turbine 1 de turbomachine aé- ronautique, par exemple une aube fixe ou une aube mobile, qui comprend un profil aérodynamique 2 qui s'étend entre deux plateformes 3. L'aube 1 illustrée présente en outre une partie interne 4 dans laquelle sont présents des canaux de refroidissement 5 dans lesquels on peut faire circuler de l'air afin de refroidir l'aube 1 en fonctionnement. [0017] La figure 2 illustre très schématiquement les différentes étapes d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention. Pour plus de clarté, on a illustré la fabrication d'un ensemble comprenant la partie interne 4 de l'aube comprenant les canaux dc refroidissement 5 et le profil aérodynamique 2, sans les plateformes 3. Les plateformes 3 pourront être obtenues par exemple de la même manière que le profil aérodynamique 2. [0018] Dans unc première étape 110, on forme deux ébauches 10a et 10b de deux moitiés du profil aérodynamique 2 par moulage par injection d'un mélange comprenant unc première poudre métallique et un premier liant. Chaque ébauche 10a et 10b correspond dans cet exemple à une face intrados et à une face extrados de l'aube 1 et forment ainsi deux coques qui, une fois assemblées, peuvent former le profil aérodynamique 2 de l'aube I. [0019] Pour réaliser une ébauche 10a ou 10b, on injecte dans un moule 11 le mélange qui a préalablement été porté à une température suffisante pour être injecté, et on régule la température du moule pour solidifier le liant et pouvoir démouler l'ébauche 10a ou 10h dans un état dit « vert » ou plastique. [0020] Typiquement, l'injection peut être effectuée à des pressions pouvant varier dc 400 bars à 800 bars. Il est avantageux de faire l'injection dans une cavité du moule 11 dans laquelle aura été fait le vide, afin de faciliter l'injection et d'assurer l'homogénéité de l'ébauche qui sera moulée. [0021] Dans une deuxième étape 120, qui peut être réalisée avant, après ou simultanément à l'étape 110, on forme par fabrication additive une ébauche 12 de la partie interne 4 de l'aube 1 qui comprend des canaux 13 destinés à former les canaux de refroidissement 5 de l'aube 1. [0022] Dans l'exemple illustré, on peut réaliser l'ébauche 12 par fusion sélective sur lit de poudre, et la poudre 14 utilisée comprend un mélange d'une deuxième poudre métallique avec un deuxième liant sous forme pulvérulente. Le dispositif utilisé pour réaliser l'étape 120 met ici en oeuvre un laser 15 qui peut fusionner sélectivement le liant dans des couches de poudre 14 successives de façon à former l'ébauche 12. Les paramètres du laser seront adaptés au liant qui est utilisé. D'autres procédés de fabrication additive peuvent être mis en oeuvre, par exemple de la stéréolithographic, de la projection de liant (« binder jetting »), ou par dépôt de fil (« fuscd déposition modclling »). [0023] Le premier ou le deuxième liant peut comporter un composé choisi parmi : les pa- raffines, les résines thermoplastiques, le gel d'agar, la cellulose, le polyéthylène, le polyéthylène glycol, le polypropylène, l'acide stéarique, polyoxyméthylène, etc. et leurs mélanges. Le premier et le deuxième liant peuvent être identiques, ou en variante être différents. Le premier et le deuxième liant peuvent présenter une température de fusion comprise entre 80°C et 120°C afin de permettre une meilleure injection dans le moule et une meilleure fusion par le laser. L'emploi d'un liant similaire ou identique pour le premier et le deuxième liant permet de développer une gamme avec un déliantage unique. [0024] La première ou la deuxième poudre peut comprendre un métal ou un alliage mé- tallique, par exemple de l'acier inoxydable, un alliage à base de titane et d'aluminium, un superalliage à base de nickel, ou encore du cuivre. La première et la deuxième poudre peuvent être identiques, en composition et en granulométrie ; ou bien présenter des compositions et/ou des granulométries différentes. En particulier, la première poudre et la deuxième poudre peuvent comprendre le même métal de base afin d'obtenir une pièce ayant des propriétés homogènes. [0025] Une première teneur volumique en première poudre métallique dans les ébauches 10a et 10b qui comprennent la première poudre métallique et le premier liant peut être comprise entre 50% et 80%. Une deuxième teneur volumique en deuxième poudre métallique dans l'ébauche 12 qui comprend la deuxième poudre métallique et le deuxième liant peut être comprise entre 50% et 80%. La première et la deuxième teneur peuvent être sensiblement identiques, par exemple le rapport entre les deux teneurs peut être compris entre 0,6 et 1,6, voire entre 0,8 et 1,2, afin d'assurer ensuite une meilleure liaison lors du frittage conjoint des ébauches déliantées 10a', lOb', 12'. [0026] Dans une troisième étape 130, on réalise le déliantage des ébauches 10a, 10b et 12 de façon à éliminer les liants présents dans les ébauches. Cette étape permet d'obtenir des ébauches déliantées 10a', lOb' et 12' constituées d'une poudre métallique mise en forme. Le déliantage peut consister à dissoudre le liant par traitement avec un solvant comme de l'eau. On peut aussi réaliser le déliantage par voie catalytique en présence d'acide chlorhydrique sous une pression réduite. Le déliantage peut encore être entièrement réalisé ou finalisé par voie thermique. De manière générale, le type de déliantage est choisi en fonction du liant et de la poudre utilisés. [0027] Dans une étape 140, on met en contact les ébauches déliantécs 10a', 10b' et 12' afin de former une préforme 16 de la pièce à fabriquer. On peut les mettre en contact et les placer directement dans un four 17 dans lequel la préforme 16 sera ensuite frittée, ou les positionner dans un outillage qui permet de les maintenir en contact. On peut déliantcr les ébauches séparément puis les mettre en contact, ou en variante, les mettre en contact avant de les déliantcr. [0028] On réalise enfin l'étape 150 de frittage conjoint des ébauches déliantécs 10a', 10h' et 12' formant une préforme 16 dans un four 17, dans lequel une température de frittage est imposée progressivement. Les ébauches peuvent être maintenues au contact à l'aide de la gravité ou d'un outillage. La température de frittage peut être de l'ordre de 80% à 90% de la température de solidus du métal ou de l'alliage présent dans les poudres à fritter et des rampes de montée en température peuvent permettent d'atteindre progressivement la température de frittage, de façon connue. Cette étape 150 peut par exemple durer de 2 heures à 6 heures à une température comprise entre 1100°C et 1400°C pour des poudres en superalliage à hase de nickel. [0029] La figure 3 illustre les différentes étapes d'un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0030] Dans une première étape 210 identique à l'étape 110, on forme par fabrication additive une ébauche 21 de la partie interne 4 de l'aube 1 comprenant des canaux de refroidissement 22. [0031] Dans une deuxième étape 220, on forme par moulage par injection une ébauche 23 du profil aérodynamique 2 de l'aube 1. Plus précisément, on surmoule l'ébauche 23 du profil aérodynamique 2 directement sur l'ébauche 21 de la partie interne 4 de l'aube 1. Pour ce faire, on dispose d'un moule 24 ayant la forme de l'aube 1 à fabriquer et dans lequel on dispose l'ébauche 21 de la partie interne 4, puis on injecte le mélange comprenant une poudre métallique et un liant. Le moule 24 présente ainsi des dimensions supérieures à celles de l'ébauche 21. Après cette étape, on obtient un ensemble comprenant les ébauches 21 et 23 à l'état vert qui sont au contact, et l'ébauche 23 est surmoulée sur l'ébauche 21. [0032] Dans une étape 230, identique à l'étape 130, on réalise le déliantage des ébauches 21 et 23 pour obtenir une préforme 25 de l'aube 1 en poudre correspondant aux ébauches 21 et 23 déliantées. [0033] On réalise enfin l'étape 240 de frittage conjoint de la préforme 25 dans un four 26 pour obtenir l'aube 1, de façon identique à l'étape 150 décrite ci-avant. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce métallique (1) comprenant au moins les étapes suivantes : - la formation (120 ; 210) par fabrication additive d'une ébauche (12 ; 21) d'une première portion (4) de la pièce à fabriquer comprenant un premier liant et une première poudre métallique présente dans le premier liant, - la formation (110 ; 220) par moulage par injection d'une ébauche (10a, 10b ; 23) d'une deuxième portion (2) de la pièce à fabriquer comprenant un deuxième liant et une deuxième poudre métallique présente dans le deuxième liant, - le déliantage (130 ; 230) de l'ébauche (12 ; 21) de la première portion et de l'ébauche (10a, 101) ; 23) de la deuxième portion, et - le frittage conjoint (150 ; 240) de la première ébauche déliantée (12' ; 24) et de la deuxième ébauche déliantée (10a', 106' ; 24) pour obtenir la pièce (1), la première et la deuxième ébauches étant en contact lors du frittage. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'ébauche de la deuxième portion (23) est surmoulée sur l'ébauche de la première portion (21) lors du moulage par injection (220). [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première (12) et la deuxième (10a, 10b) ébauche sont délimitées séparément et mises en contact une fois déliantées préalablement à leur frittage conjoint. [Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première ébauche (12 ; 21) est obtenue par fusion sélective sur lit de poudre. [Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le métal de base de la première poudre et le métal de base de la deuxième poudre sont identiques. [Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport entre la teneur volumique en poudre dans la première ébauche (12 ; 21) et la teneur volumique en poudre dans la deuxième ébauche (10a, 10b ; 23) est compris entre 0,6 et 1,6. [Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce est une pièce de turbomachine. [Revendication 8] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce est une aube (1) de turbomachine aéronautique comprenant une première portion correspondant à une partie interne (4) de l'aube comportant au moins un canal de refroidissement (5) et une deuxième portion correspondant au profil aérodynamique (2) de l'aube.