Brevet FR3097641A1 — publié le 20201225

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une éprouvette de ca- ractérisation. Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine de la réparation des pièces aéro- nautiques, et plus précisément à la fabrication d'éprouvettes permettant de reproduire les caractéristiques microstructurales et thermomécaniques d'une pièce aéronautique réparée. Technique antérieure [0002] Les pièces aubagées monoblocs sont de plus en plus utilisées dans les turbomachines aéronautiques car elles permettent des gains de masse très importants grâce la disparation du système de maintien du pied d'aube. Néanmoins, lorsque les pales d'une telle pièce sont usées ou endommagées, on ne peut pas les remplacer. Du fait de la très forte valeur de ces composants, notamment en raison de leurs compositions ou de la complexité de leurs procédés d'élaboration, il est devenu intéressant de chercher une solution pour les réparer, notamment pour le cas d'endommagement le plus fréquent : l'usure régulière des sommets des aubes par frottement. En effet, la diminution de la hauteur des aubes causée par leur utilisation entraine une perte d'étanchéité des étages de la turbomachine et donc une baisse de son rendement. [0003] Un procédé de réparation réalisé en enlevant la portion d'aube abîmée puis en la remplaçant par un élément neuf soudé à la pièce initiale a été proposée par exemple dans la demande US2006/277753. Toutefois, il n'offre pas une entière satisfaction car il est complexe à mettre en oeuvre et nécessite de plus un traitement des soudures une fois celles-ci réalisées. [0004] Depuis quelques années, l'émergence de la fabrication additive notamment des procédés de dépôt direct de métal (DMD pour l'acronyme anglais « Direct Metal De-position ») permet d'envisager de nouvelles méthodes de réparation. Il a par exemple été envisagé dans le document US2006/193612 de déposer par dépôt direct de métal, au sommet d'une aube abîmée, un surplus de matière afin de rendre à l'aube son aspect initial. Le dépôt. direct de métal fait. intervenir un apport d'énergie très localisé et engendre dans les composants des gradients thermiques très prononcés ainsi qu'un refroidissement très rapide. Ces conditions de solidification particulières et sensibles aux paramètres du dépôt direct de métal sont à l'origine d'une microstructure de la zone réparée différentes de celle de la pièce forgée initiale. En particulier, l'extrémité de l'aube où a eu lieu le dépôt doit être étudiée avec beaucoup d'attention afin de garantir la tenue en fatigue une fois la pièce réparée. 2 100051 Pour étudier la pièce réparée, des contrôles non destructifs peuvent être effectués après réparation pour repérer d'éventuels défauts, mais aucune information sur la microstructure finale de la pièce réparée ne peut être obtenue, car l'obtention d'information sur la microstructure nécessite des contrôles destructifs, lesquels ne permettent pas, par définition, d'utiliser la pièce ainsi contrôlée. [0006] De plus, les conditions thermiques rencontrées lorsqu'a lieu le dépôt direct de métal ne sont pas aisément reproductibles lors de la fabrication d'une éprouvette de caractérisation. En effet, le dépôt direct de métal fait intervenir un apport d'énergie très localisé et engendre dans les composants des gradients thermiques très prononcés, or, dans le cas d'une pièce aubagée monobloc, l'ensemble de la pièce joue pendant le dépôt un rôle de puit thermique bien supérieur à celui joué par le corps d'une éprouvette de caractérisation de plus petite taille. Ce pompage thermique occasionne des conditions thermiques pendant le dépôt direct de métal différentes entre la pièce aubagée monobloc et une éprouvette de caractérisation crée par dépôt direct de métal dans les mêmes conditions, si bien que cette dernière ne reproduit pas fidèlement la microstructure de la pièce aubagée monobloc, et n'est donc pas satisfaisante pour caractériser le comportement thermomécanique de la pièce aubagée monobloc réparée. [0007] Il demeure un besoin industriel pour un procédé de fabrication d'une éprouvette de caractérisation qui soit représentatif d'une pièce aubagée réparée par dépôt direct de métal pour pouvoir en étudier la microstructure et les propriétés thermomécaniques. [0008] La présente invention vise précisément à répondre à ce besoin. Exposé de l'invention [0009] L'invention concerne un procédé de fabrication d'une éprouvette de caractérisation comprenant des dépôts directs de métal successifs d'une pluralité de mono-cordons sur un substrat, caractérisé en cc que, après le dépôt de chaque mono-cordon, on applique une temporisation avant le dépôt du mono-cordon suivant, la durée de temporisation étant définie de manière à permettre le refroidissement du mono-cordon déposé en dessous d'une température cible. [0010] Ce procédé de fabrication permet d'obtenir une éprouvette qui reproduise fidèlement les caractéristiques d'un monobloc aubagé réparé par dépôt direct de métal, notamment en termes de microstructure. [0011] Dans un mode de réalisation, la température cible peut être définie comme la tem- pérature obtenue à la surface d'une aube d'une pièce monobloc aubagée après le dépôt d'un mono-cordon lors de la réparation de celle-ci par dépôt direct de métal. Un tel choix de la température cible permet d'assurer que le dépôt de mono-cordons dans le procédé de fabrication d'une éprouvette de caractérisation ait lieu à une température égale à la température à laquelle a lieu le dépôt de mono-cordons pendant la réparation 3 d'une pièce monobloc aubagée. En d'autres termes, la durée de temporisation permet de simuler le pompage thermique de la pièce réelle en autorisant un refroidissement de l'éprouvette, jusqu'à la température qu'atteint une pièce monobloc aubagée pendant le procédé de réparation, avant le dépôt du mono-cordon suivant. [0012] Dans ce mode de réalisation, et en choisissant des conditions identiques pour le dépôt direct de métal du procédé de fabrication de l'éprouvette de caractérisation et celles de la réparation d'une pièce monobloc aubagée, le dépôt de mono-cordons du procédé de fabrication de l'éprouvette de caractérisation a lieu dans des conditions identiques à celles du dépôt de mono-cordon pour la réparation d'une pièce monobloc aubagée. [0013] Dans un mode de réalisation, une fois la température cible choisie, la durée de tem- porisation nécessaire pour que la surface de l'éprouvette recevant le dépôt d'un mono-cordon soit à une température égale à la température cible peut être déterminée par l'évaluation numérique d'une équation donnant la température en tout point de l'éprouvette en fonction de la durée de temporisation. Une telle méthode permet la détermination de la durée de temporisation de manière simple et peu coûteuse. De plus, elle est aisément adaptable aux éprouvettes de toutes natures, puisque l'équation donnant la température en tout point de l'éprouvette en fonction de la durée de temporisation ne dépend que de la géométrie de l'éprouvette, des paramètres des matériaux de l'éprouvette et du mono-cordon ainsi que des caractéristiques du laser utilisé. [0014] Par temporisation, il est entendu une étape de procédé pendant laquelle aucune action n'est activement réalisée sur l'éprouvette de caractérisation en cours de fabrication. En particulier, cette dernière n'est, pendant toute la durée de la temporisation, soumise à aucun chauffage ni dépôt direct de métal. [0015] Par exemple, une telle temporisation peut être réalisée en coupant l'alimentation en énergie du dispositif utilisé pour le dépôt direct de métal pendant une durée égale à la durée de temporisation. On peut également, et éventuellement de manière simultanée à l'arrêt de l'alimentation en énergie du dispositif, couper l'apport de matière à l'échantillon. Par exemple, dans le cas d'un dépôt de métal par laser une telle interruption peut être faite simplement en décalant la buse apportant la poudre hors de la surface de l'échantillon. [0016] Par dépôt direct de métal (ou DMD pour l'acronyme anglais « Direct Metal De- position »), on entend un procédé de fabrication additive dans lequel une tête de dépose comprend un faisceau énergétique (par exemple un faisceau d'électrons ou un laser) qui rencontre un fil de métal ou un flux de poudre métallique focalisé afin de faire fondre le métal, et de déposer les gouttes de métal ainsi fondu pour former un bain de métal fondu sur une surface. Le refroidissement du bain permet de former progressivement une couche. La tête de dépose peut se déplacer pour former couche par couche la portion de pièce à fabriquer. Le procédé dépôt direct de métal est aussi connu sous le vocable anglais « Direct Energy Deposition » (DED). [0017] Par exemple, le dépôt direct de métal peut être un dépôt de métal par laser (LMD pour l'acronyme anglais « Laser Metal Deposition »), un dépôt de métal par faisceau d'électrons (EBMD pour l'acronyme anglais « Electron Beam Metal Deposition ») ou encore un procédé de fabrication additive arc-fil (WAAM pour l'acronyme anglais « Wire Arc Additive Manufacturing »). [0018] De préférence, dans un procédé de fabrication de l'invention, les dépôts directs de métal sont réalisés par dépôts de métal par laser (LMD). [0019] Le procédé de fabrication d'une éprouvette de caractérisation n'est pas limité par la composition des mono-cordons déposés par dépôt direct de métal. Les mono-cordons du procédé sont choisis identiques à ceux servant à la réparation d'un monobloc aubagé que l'on veut caractériser. [0020] Par exemple, les mono-cordons peuvent être composés d'alliages base titane ou base nickel, et notamment du Ti-6A1-4V, de l'inconcl 625, de r inconcl 718 ou encore de r hastclloy ® ou du Waspaloy ®. [0021] De même, le procédé de fabrication n'est pas limité par la nature du substrat. Le substrat est choisi identique à ceux du monobloc aubagé dont on veut caractériser la réparation. Par exemple, le substrat peut être un alliage base titane, et notamment un alliage Ti 17 ou Ti-6A1-4V ou un alliage base titane, notamment de l'inconcl 625, de l'inconel 718 ou encore de r hastclloy ou du Waspaloy ®. [0022] Dans un procédé de fabrication, les mono-cordons de la pluralité de mono-cordons peuvent être disposés les uns au-dessus des autres. Un tel mode de réalisation permet d'obtenir des éprouvettes de caractérisation pour lesquelles le dépôt de mono-cordons est identique à celui réalisé le plus fréquemment pour réparer par dépôt direct de métal les aubes des pièces monoblocs aubagées. [0023] Le procédé de fabrication peut également comprendre d'autres étapes que les dépôts directs de métal successifs d'une pluralité de mono-cordons. Par exemple, le procédé peut comprendre en outre une étape d'usinage final pour obtenir une éprouvette de caractérisation ayant une forme particulière, par exemple une éprouvette de caractérisation adaptée à des essais de traction. [0024] Dans un mode de réalisation, l'interface substrat/dépôt peut être située dans la zone utile de l'éprouvette de caractérisation. Un tel mode de réalisation permet de caractériser précisément cette interface. [0025] La zone utile de l'éprouvette est définie comme la zone de l'éprouvette que celle-ci permet de caractériser. [0026] Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne encore l'utilisation d'une éprouvette de caractérisation fabriquée par un procédé tel que décrit ci-dessus. [0027] En particulier, une telle utilisation comprend tous les procédés de caractérisation pouvant être appliqués à l'éprouvette et permettant par exemple de caractériser la microstructure de l'éprouvette, notamment au niveau de la jonction entre le substrat et la pluralité de mono-cordons, ou encore toutes les utilisations de l'éprouvette pour déterminer ses propriétés thermomécaniques. [0028] Une telle utilisation permet d'étudier le comportement d'une pièce monobloc aubagée réparée par dépôt direct de métal en procédant notamment à des contrôles destructifs, puisque l'éprouvette de caractérisation obtenue par le procédé décrit ci-avant présente des propriétés microstructurales semblables à celles d'une pièce monobloc aubagée réparée par dépôt direct de métal, tout en étant obtenue par un procédé moins couteux et plus rapide qu'une pièce monobloc aubagée. Brève description des dessins [0029] [fig.1[ La figure 1 est une représentation d'une pièce monobloc aubagée. [0030] [fig.2[ La figure 2 représente schématiquement dans une vue de face une éprouvette obtenue dans un mode de réalisation. [0031] [fig.3[ La figure 3 représente schématiquement dans une vue transverse une éprouvette obtenue dans le même mode de réalisation que celui de la figure 2. [0032] [fig.4[ La figure 4 représente schématiquement dans une vue de face une pluralité d'éprouvettes de caractérisation obtenues par le procédé de l'invention, dans un autre mode de réalisation que celui des figures 2 et 3. [0033] [fig.51 La figure S représente un résultat obtenu par évaluation numérique d'une équation donnant la température en fonction de la durée de temporisation. Description des modes de réalisation 100341 La figure 1 représente une pièce monobloc aubagée 10 dont le comportement mécanique et la microstructure est reproduit par une éprouvette de caractérisation obtenu par le procédé de l'invention. Les aubes 11 de la pièce présentent une extrémité libre 12 sur laquelle peuvent être déposés une pluralité de mono-cordons par dépôt direct de métal lorsqu'elles sont usagées. 100351 Comme figuré dans le mode de réalisation représenté en figure 1, la pièce monobloc aubagée peut par exemple être un disque de compresseur de turboréacteur aéronautique. 100361 L'invention peut également être appliquée à toute pièce massive dont les arêtes sont fines et s'usent en fonctionnement, notamment des anneaux mobiles d'étanchéité ou encore des carters de turbine basse pression. 100371 Comme représenté sur la figure 1, l'épaisseur de l'aube en son extrémité libre 12 est largement inférieure à ses autres dimensions. Du fait de cette épaisseur particulièrement fine, par exemple inférieure à 2 mm, il est possible de recouvrir l'extrémité libre 12 d'une aube 11 par le dépôt direct de métal d'une pluralité de mono-cordons 6 déposés les uns sur les autres. En d'autres termes, l'épaisseur de l'aube est entièrement recouverte par le dépôt d'un unique mono-cordon. [0038] Pour être représentatifs d'une telle géométrie, les cordons de la pluralité de cordons d'une éprouvette de caractérisation peuvent être disposés les uns au-dessus des autres. [0039] De plus, pour représenter fidèlement la géométrie d'une telle aube 11 de pièce monobloc aubagée 10, le substrat utilisé possède une dimension, son épaisseur, égale à l'épaisseur du sommet de l'aube de la pièce monobloc aubagée 10 qu'elle caractérise. Les deux autres dimensions du substrat sont ensuite choisies particulièrement grandes devant cette dimension. [0040] Par exemple, l'épaisseur du substrat peut être au moins 5 fois, de préférence au moins 20 fois, plus petite que les deux autres dimensions du substrat. [0041] La figure 2 représente schématiquement une éprouvette de caractérisation obtenue par le procédé de l'invention. [0042] Comme décrit ci-dessus, une telle éprouvette 20 comprend une pluralité de mono- cordons 21 disposés sur un substrat 22. [0043] La figure 3 représente une éprouvette 20 obtenu dans un procédé identique à celle re- présentée en figure 2 dans une vue transverse. Dans le mode de réalisation représenté, l'éprouvette 20 à une épaisseur c très inférieure à ses deux autres dimensions x et z. [0044] Comme décrit ci-dessus, l'invention n'est pas limitée par la nature des mono-cordons ou du substrat. Par exemple, la composition des mono-cordons peut être différente ou non de celle du substrat. [0045] Par exemple, la composition des couples substrats / mono-cordons peut être choisis parmi n'importe quel couple de matériau, sous réserve que les deux matériaux soient soudable. Par exemple, la composition des couples substrats / mono-cordons peut être choisie parmi Ti17/Ti-6A1-4V, Ti-6A1-4V/Ti-6A1-4V, hiconel 718/Inconel 718, Inconel 718/Inconel 625, hiconel 625/Inconel 718 ou encore Inconel 625/Inconel 625. [0046] Dans le mode de réalisation représenté en figure 2 et 3, l'éprouvette est directement obtenue à l'issue des dépôts directs de métal successifs de la pluralité de mono-cordons. [0047] Dans un autre mode de réalisation représenté en figure 4, le substrat est choisi avec une largeur suffisante pour obtenir à l'issue du dépôt de la pluralité de mono-cordons 21 une pièce 23 dans laquelle plusieurs éprouvettes de caractérisation 20 peuvent être usinées, par exemple par découpe. [0048] Dans un tel mode de réalisation, le procédé de fabrication d'une éprouvette de carac- térisation 20 peut comprendre en outre, après le dépôt de la pluralité de mono-cordons 21 une étape finale d'usinage des éprouvettes de caractérisation 20 dans la pièce 23 obtenue à l'issue de l'étape de dépôt direct de métal à la surface du substrat 22 décrite ci-dessus. 7 [0049] Un tel mode de réalisation est particulièrement utile pour réaliser des éprouvettes 20 ayant une forme adaptée pour réaliser des tests de tractions. [0050] Comme illustré par les figures 2 à 4, il est possible de choisir le substrat 22 pour obtenir avec ou une étape finale de d'usinage une éprouvette de caractérisation 20 de la forme choisie. [0051] Bien entendu, une telle étape de d'usinage est réalisée dans des conditions n'affectant pas la microstructure de l'éprouvette de caractérisation. Une telle étape de d'usinage peut par exemple être réalisée par une découpe au jet d'eau. [0052] Comme précisé ci-dessus, la durée de temporisation peut être déterminée par évaluation numérique d'une équation reliant la température en tout point de l'éprouvette à la durée de temporisation. [0053] En particulier, lorsque l'éprouvette présente une dimension largement inférieur au deux autres, la température en tout point (x,y) de l'éprouvette peut être exprimée en fonction de la durée de temporisation par l'équation suivante : [0054] [Math. 1] [0055] avec [0056] [Math. 2] [0057] où Q(C) est la puissance délivrée par le laser pendant le dépôt d'un mono-cordon, v la vitesse de déplacement du laser, L la distance parcourue par le laser, TO la température initiale, k la conductivité thermique du substrat, c la capacité thermique massique du substrat, 1/2X la diffusivité thermique du substrat, h le coefficient de convectivité entre l'air et le métal, p la masse volumique du substrat et e l'épaisseur du substrat. [0058] L'évaluation numérique de la fonction décrite en équation [Math. 1] peut être réalisée, par exemple au moyen de la fonction « integrate.quad » de la bibliothèque « scipy » de python. [0059] Le résultat d'une évaluation numérique de cette équation avec les paramètres suivants : k = 12 W.m1.1(4, c = 630 J.kg-1.1(1, p = 4300 kg.m3, TO = 20°C, h = 30W.m-2.1(1, Q = 127,5 W correspondant à un substrat composé de Ti-A16-V4 et un mono-cordon composé de Ti-A16-V4 est représenté en figure 3 sous forme d'un graphe montrant l'évolution de la température T en fonction de la durée de tempo- 8 risation t. [0060] Comme figuré également en figure 3, une telle évaluation numérique permet de dé- terminer la durée de temporisation t'.'':' connaissant la température cible Table. [0061] En particulier, une telle méthode de détermination de la durée de temporisation est facilement adaptable à n'importe quel choix de substrat et ou de mono-cordon puisque les équations [Math. 1] et [Math. 2] ne dépendent que de la géométrie et des paramètres du substrat et du mono-cordon. [0062] Le procédé de fabrication proposé permet d'obtenir une éprouvette de caractérisation ayant une microstructure et une géométrie identique à celle d'une pièce monobloc aubagée. Ce procédé est de plus facilement adaptable à n'importe quel choix de substrat et/ou de mono-cordon. [0063] De plus, le procédé de fabrication est adaptable pour l'obtention d'éprouvettes ayant des géométries plus complexes. [0064] L'utilisation d'une éprouvette obtenue par le procédé de fabrication permet de ca- ractériser, au besoin au moyen de contrôles destructifs une pièce monobloc aubagée dont les aubes ont été réparées par dépôt direct de métal. Une telle utilisation peut servir pour caractériser une nouvelle composition pour le mono-cordon par exemple, et déterminer les propriétés thermomécaniques de l'aube ainsi réparée. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] REVENDICATIONSProcédé de fabrication d'une éprouvette dc caractérisation (20) comprenant des dépôts directs de métal successifs d'une pluralité de mono-cordons (21) sur un substrat (22), caractérisé en ce que, après le dépôt de chaque mono-cordon, on applique une temporisation avant le dépôt du mono-cordon suivant, la durée de temporisation étant définie de manière à permettre le refroidissement du mono-cordon déposé en dessous d'une température cible. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel les dépôts directs de métal sont des dépôts de métal par laser. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les mono-cordons (21) de la pluralité de mono-cordons sont composés de Ti-6A1-4V, de l'inconel 625, de l'inconel 718 ou encore de l'hastelloy ou du Waspaloy 0. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat (22) est composé d'un alliage Ti17, de Ti6A1-4V, d'inconel 625, d'inconel 718, d'hastelloy ® ou de Waspaloy 0. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la température cible est définie comme la température atteinte après un dépôt direct de métal à la surface d'une pièce aubagée monobloc. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la durée de temporisation est déterminée par l'évaluation numérique d'une équation donnant la température en tout point de l'éprouvette (20) en fonction de la durée de temporisation. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les mono-cordons (21) de la pluralité de mono-cordons sont disposés les uns au-dessus des autres. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une étape d'usinage final. Procédé de fabrication selon la revendication 1 à 8 dans laquelle l'interface substrat/dépôt est dans la zone utile de l'éprouvette. Utilisation d'une éprouvette de caractérisation (20) obtenue par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour caractériser une aube (11) d'un disque aubagé monobloc (10) dont l'extrémité supérieure (12) a été réparée par un dépôt direct. de métal.