Brevet FR3116561A1 — publié le 20220527

Procédé et dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière et disque obtenu par ce procédé Un aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière, comportant les opérations suivantes : - fournir un brut d’alésage réalisé dans un premier matériau, - monter le brut d’alésage autour d’un axe de rotation d’un dispositif tournant, - mettre en rotation le brut d’alésage, - projeter un second matériau dans des conditions de solidification générant une microstructure colonnaire ou monocristalline, différent du premier matériau, sur une surface extérieure du brut d’alésage pour obtenir une pièce bi-matière, et - usiner la pièce bi-matière pour obtenir un disque de turbomachine. Un deuxième aspect de l’invention concerne un dispositif de mise en œuvre de ce procédé. Un troisième aspect de l’invention concerne un disque de turbomachine réalisé par ce procédé. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2 Procédé et dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière et disque obtenu par ce procédé DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière, dont la zone centrale est réalisée dans un premier matériau et la zone de circonférence est réalisée dans un second matériau. L’invention concerne également un dispositif de fabrication mettant en œuvre ce procédé et un disque bi-matière obtenu par ce procédé. L’invention trouve des applications dans le domaine de l’aéronautique et, notamment, dans le domaine de la fabrication des disques de turbine ou de compresseur de turbomachine. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Il est connu, en aéronautique, que les moteurs d’aéronef, ou turbomachines, sont de plus en plus performants. En conséquence, la température au sein de certains éléments des turbomachines a tendance à augmenter. C’est le cas notamment des disques de turbine et de compresseur des turbomachines. Sous l’effet de cette chaleur croissante, les disques, généralement à base de matériaux base nickel équiaxes, voient leurs propriétés diminuées à mesure que les températures augmentent. Ils deviennent, en particulier, sensibles au fluage, c'est-à-dire qu’ils ont tendance à se déformer de manière irréversible, ce qui nuit au fonctionnement de la turbine ou du compresseur et donc de la turbomachine. Pour limiter les effets néfastes de ces hautes températures, il est connu de refroidir les éléments chauds d’une turbomachine au moyen d’un flux d’air de refroidissement. Il est connu, par exemple, de refroidir les disques d’une turbine en prélevant de l’air de refroidissement à des endroits dits « froids » de la turbomachine et d’injecter cet air de refroidissement à proximité des disques de la turbine pour les refroidir. Cependant, le prélèvement d’air de refroidissement a pour effet de diminuer le rendement de la turbomachine. Pour conserver un rendement optimal des turbomachines, de nouveaux alliages, plus résistants à la montée en températures, sont en cours de développement et permettront de gagner au maximum 100°C sur les températures maximum d’utilisation. Il a été envisagé également de fabriquer les disques de turbomachine dans un matériau monocristallin ou à solidification dirigée qui présente l’avantage d’être plus résistant aux hautes températures que les alliages classiques équiaxes et, en particulier, d’être résistant en fluage. Cependant, de tels disques monocristallins présenteraient des propriétés matériaux anisotropes. Il existe donc un réel besoin d’un procédé permettant de fabriquer des disques de turbomachines ayant à la fois une bonne résistance au fluage et une bonne résistance en fatigue, et dont la technique de fabrication reste proche des techniques connues afin d’en limiter le coût de fabrication. Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de la tenue en fluage et à la fatigue des disques de turbomachine, le demandeur propose un procédé de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière dont la zone centrale est réalisée dans un premier matériau résistant à la fatigue et la zone de circonférence est réalisée dans un second matériau résistant au fluage avec une structure de solidification colonnaire ou monocristalline. Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière, comportant les opérations suivantes : fournir un brut d’alésage réalisé dans un premier matériau, monter le brut d’alésage autour d’un axe de rotation d’un dispositif tournant, mettre en rotation le brut d’alésage, projeter un second matériau dans des conditions de solidification générant une microstructure colonnaire ou monocristalline, différent du premier matériau, sur une surface extérieure du brut d’alésage pour obtenir une pièce bi-matière, et usiner la pièce bi-matière pour obtenir un disque de turbomachine. Ce procédé de fabrication permet de former, autour d’un brut d’alésage en matériau classique, une zone de circonférence en un matériau à forte résistance aux hautes températures, le brut d’alésage soumis à une température relativement peu élevée étant résistant à la fatigue et la zone de circonférence soumise à de hautes températures étant résistante en fluage. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication de disque selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le second matériau est un matériau monocristallin base nickel sous forme de poudre. l’opération de projection comporte une projection laser du matériau monocristallin en réalisant au moins un trou dans la surface extérieure du brut d’alésage, en y insérant un germe de matériau monocristallin et en faisant fondre ledit germe afin d’orienter le cristal formé. le second matériau est un matériau à solidification dirigée sous forme de poudre. le brut d’alésage présente une section circulaire. le second matériau est projeté par un dispositif de projection suivant une direction perpendiculaire à une tangente de la surface extérieure du brut d’alésage. une jonction entre le brut d’alésage et le second matériau est localisée dans une zone intermédiaire entre un alésage central du disque et une jante dudit disque. après usinage du disque bi-matière, ledit disque est soumis à un traitement de compression isostatique à chaud. Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière comportant un dispositif de projection, muni d’une buse de projection de second matériau et contrôlé par un dispositif de pilotage, ledit dispositif de fabrication étant caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus. Avantageusement, la buse de projection de ce dispositif est orientée perpendiculairement à une tangente de la surface extérieure du brut d’alésage. Un autre aspect de l’invention concerne un disque de turbomachine bi-matière, caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé tel que défini ci-dessus, ledit disque comportant une zone centrale formée dans le premier matériau et une zone de circonférence formée dans le second matériau et dans laquelle les grains ou cristaux du second matériau sont orientés suivant une direction radiale. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles : La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, différentes opérations d’un mode de réalisation du procédé de fabrication selon l’invention ; La représente une vue schématique d’un dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention ; La représente une vue en perspective d’un exemple de disque de turbomachine réalisé avec le procédé de la ; et La représente une vue en perspective d’un exemple de disque aubagé réalisé avec le procédé de la . DESCRIPTION DETAILLEE Un exemple de réalisation d’un procédé et d’un dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine, dont la zone centrale et la zone de circonférence sont réalisées dans des matériaux différents, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées. Un exemple d’un mode de réalisation du procédé 100 de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière selon l’invention est représenté sur la . Ce procédé 100 consiste à appliquer, au moyen d’un dispositif de projection 200 dont un exemple est représenté sur la , un matériau à forte résistance au fluage 340 sur la circonférence 350 d’un brut d’alésage 320. Le brut d’alésage 320 est une pièce, par exemple de section circulaire, réalisée selon une technique traditionnelle, dans un matériau métallique ou un alliage classique utilisé habituellement dans le domaine des disques de turbomachine. Ce matériau, appelé premier matériau, peut être par exemple de l’inco718 ®, du R65 ®, de l’AD730 ®, du N18 ®, ou tout autre alliage pour disque forgé utilisé classiquement dans le domaine de la fabrication des disques de turbomachines. Ce brut d’alésage 320 peut être une pièce neuve destinée à être transformée en un disque par le procédé selon l’invention ; en variante, ce brut d’alésage 320 peut être un disque de turbomachine dont la circonférence abimée est reconstituée par application d’un matériau résistant au fluage selon le procédé de l’invention. Dans l’exemple de la , le procédé 100 comporte une étape 110 de fourniture du brut d’alésage et de choix du matériau à projeter sur la circonférence dudit brut d’alésage 320. Ce matériau peut être, par exemple, un matériau monocristallin base nickel, une céramique ou un matériau à solidification dirigée. Un matériau monocristallin est un matériau solide, par exemple un métal ou un alliage, constitué d'un unique cristal, formé à partir d'un seul germe, ou cristal. Un matériau à solidification dirigée est un métal ou un alliage dont les cristaux s’étendent, lors de la phase de solidification, suivant une direction prédéfinie. Dans la description, le terme « second matériau » sera employé pour parler indifféremment de matériau monocristallin ou de matériau à solidification dirigée, étant donné que ces deux matériaux présentent des propriétés en fluage améliorées par rapport au premier matériau dans lequel est formé le brut d’alésage. Selon l’invention, le second matériau est appliqué couche par couche sur la circonférence du brut d’alésage 320. Pour cela, le brut d’alésage 320 est monté autour d’un axe de rotation 360 d’un dispositif tournant (étape 120 de la ) et entraîné en rotation (étape 130 de la ) par ledit dispositif tournant, comme représenté par la flèche R sur la . L’axe de rotation 360 est un axe parallèle à l’axe transversal passant par le centre du disque. Pendant que le brut d’alésage 320 tourne (étape 130), un dispositif de projection 200 projette le second matériau sur la périphérie, ou circonférence, dudit brut d’alésage à une vitesse prédéterminée pour permettre le dépôt d’une couche d’une épaisseur prédéterminée sur la circonférence dudit brut d’alésage. Cette étape de projection 140 du second matériau 240 est réalisée au moyen d’un dispositif de projection 200 tel que celui représenté sur la . Ce dispositif de projection 200 peut être, par exemple, un dispositif laser 210, équipé d’une buse 230 assurant la projection du second matériau avec une orientation choisie. Le dispositif laser 210 est connecté à un dispositif de pilotage 220 qui assure la commande et le contrôle des paramètres du dispositif laser 210, comme la vitesse, le débit et/ou la température de chauffe du second matériau. Le dispositif laser 210 peut être, par exemple, le dispositif laser décrit dans la demande de brevet FR 2 874 624 ou tout autre dispositif laser adapté à la projection d’un matériau suivant une direction choisie. Selon certains modes de réalisation, le brut d’alésage 320 est entraîné dans un mouvement de rotation continu, à une vitesse prédéterminée et adaptée au flux du second matériau sortant de la buse 230 du dispositif de projection. Le second matériau, qu’il soit monocristallin ou à solidification dirigée, se présente sous la forme d’une poudre 240 homogène, projetée en direction de la circonférence du brut d’alésage 320, dans le même axe AA que le faisceau laser 212. Cette poudre 240 est fondue par le faisceau laser et se transforme, au contact du brut d’alésage 320 chauffé, en un cordon fluide 340. Plusieurs épaisseurs du cordon 340 peuvent être appliquées les unes sur les autres et/ou les unes à côté des autres pour former une couche uniforme sur la circonférence, ou surface extérieure, du brut d’alésage 320. Le cordon 340 présente une épaisseur déterminée en fonction des paramètres du dispositif de projection et du second matériau ; cette épaisseur peut, par exemple être de l’ordre de 1mm. Comme expliqué ci-dessus, la poudre 240 du second matériau se transforme en un cordon 340 au contact du brut d’alésage 320. Pour cela, le brut d’alésage 320 est chauffé par un dispositif de chauffage, non visible sur les figures, positionné à proximité dudit brut d’alésage. Ce dispositif de chauffage peut être, par exemple, une platine chauffante montée à l’intérieur du brut d’alésage ou à proximité immédiate de partie de la surface extérieure du brut d’alésage recevant la poudre, c'est-à-dire sensiblement au droit de la buse 230. Le dispositif de chauffage peut être associé à un ou plusieurs dispositifs de contrôle de la chaleur, comme par exemple un capteur thermique, une caméra thermique, un pyromètre, etc., de sorte que le dispositif de chauffage puisse être asservi thermiquement. Ainsi, en présence du brut d’alésage chauffé, la poudre 240 de second matériau se transforme en un cordon fluide 340 apte à adhérer à la zone de circonférence dudit brut d’alésage 320. La zone de circonférence du brut d’alésage croît ainsi peu à peu, en épaisseur et/ou en largeur, à chaque nouvelle couche de cordon 340. Dans certains modes de réalisation, la poudre 240 est une poudre du matériau monocristallin choisi. Dans ces modes de réalisation, un germe (morceau de matière monocristalline orientée dans la direction souhaitée) est placé (dans un trou, dans la surface extérieure du brut d’alésage, où il est re-fondu par le laser lors de la projection de la poudre du matériau monocristallin. Bien que le matériau monocristallin ait des propriétés mécaniques différentes selon l’angle, le procédé permet de générer un monocristal courbe, c’est-à-dire avec une désorientation locale faible, qui permet d’avoir l’axe principal du monocristal orienté selon le rayon du disque. La zone 350 de circonférence en matériau monocristallin est donc une zone à forte résistance aux hautes températures et, en particulier, au fluage. Dans certains autres modes de réalisation, la poudre 240 est une poudre d’un matériau à solidification dirigée comme par exemple l’alliage DS200. Dans ces modes de réalisation, le matériau à solidification dirigée est projeté par le dispositif de projection, par exemple un dispositif laser, sur la surface extérieure du brut d’alésage où il se transforme en un cordon 340. Le matériau à solidification dirigée est un matériau anisotrope dont les propriétés ne sont pas les mêmes dans toutes les directions. Toutefois, les propriétés de ce matériau dans un plan axial/tangentiel (AA-Tg), c'est-à-dire dans le sens des grains du matériau et donc le sens de la solidification, sont relativement proches de celles du brut d’alésage. Ainsi, même si les propriétés de résistance au fluage sont moindres par rapport au matériau monocristallin, les propriétés de résistance en fluage du matériau à solidification dirigée sont meilleures qu’avec un matériau équiaxe classique et la liaison entre le brut d’alésage 320 et la zone 350 de circonférence en matériau à solidification dirigée est supérieure à celle obtenue avec un matériau monocristallin. Quel que soit le matériau choisi, la poudre 240 est projetée sur le brut d’alésage 320 avec une orientation prédéfinie. Comme représenté sur la , la poudre 240 est projetée suivant une direction AA, perpendiculaire à la tangente Tg de la circonférence du brut d’alésage 320. La projection du second matériau suivant cette direction AA permet de positionner chaque grain ou cristal du matériau suivant une direction radiale du disque. Autrement dit, chaque grain du second matériau est déposé suivant un rayon r du disque de sorte que la zone de circonférence 350 du brut d’alésage devient une zone avec des propriétés en fluage optimales, la zone centrale du disque conservant les propriétés en fatigue optimales des matériaux classiques. Le disque 300 fabriqué selon le procédé de l’invention présente ainsi un gradient de température s’étendant du centre du disque vers la circonférence dudit disque, les grains ou cristaux de la zone de circonférence étant disposés selon la même direction que ce gradient de température. Lorsqu’une pièce bi-matière est obtenue selon l’un quelconque des modes de réalisation du procédé précédemment décrit, cette pièce peut être usinée (étape 150 de la ) afin d’obtenir un disque de turbomachine. En effet, à la fin de l’étape 140 de projection du second matériau sur le brut d’alésage, la pièce obtenue est une pièce bi-matière comportant une zone centrale en premier matériau et une zone de circonférence en second matériau. Cette pièce peut alors être usinée, comme n’importe quel disque de turbomachine, par n’importe quelle technique d’usinage connue. Le disque obtenu peut être un disque 300 équipé d’un système d’accroche des aubes, comme représenté sur la , ou un disque aubagé monobloc 400, comme représenté sur la . En effet, si les dimensions de la pièce bi-matière sont suffisamment grandes, le disque ainsi que les aubes peuvent être usinés dans la pièce bi-matière de sorte que les aubes, qui sont les éléments les plus soumis aux hautes températures, sont également réalisées dans le second matériau. Un tel mode d’usinage permet un gain de masse, non seulement au niveau des aubes, mais aussi au niveau du disque puisque la masse à porter est moindre. Il permet en outre de s’affranchir des liaisons mécaniques entre les aubes et le disque. Le disque 300, 400 obtenu à la fin de l’étape 150 d’usinage peut, comme tout disque de turbomachine, subir un traitement destiné à améliorer ou optimiser ses propriétés intrinsèques. Par exemple, comme représenté sur la , le disque 300, 400 peut subir un traitement de Compression Isostatique à Chaud (appelé plus simplement traitement CIC) pour supprimer les éventuelles porosités en surface du disque et ainsi optimiser les propriétés des premier et second matériaux. Comme expliqué précédemment, le disque obtenu avec le procédé selon l’invention, comme le disque 300 représenté sur la ou le disque aubagé 400 représenté sur la , est constitué de deux matériaux distincts formant plusieurs zones du disque : une zone centrale 351, correspondant au moins en partie au brut d’alésage, située au voisinage de l’axe transversal BB du disque et formée dans l’un des premiers matériaux utilisés habituellement pour la fabrication des disques de turbomachine ; une jante 352 formée par la zone de circonférence en second matériau ; et une toile 354, ou zone intermédiaire, située entre la jante 352 et la zone centrale 251. Il est connu dans le domaine des turbomachines que l’alésage est la partie la moins exposée aux hautes températures, au contraire de la jante - et plus encore des aubes - qui sont des parties très exposées aux hautes températures. Par exemple, en utilisation normale, la jante peut être exposée à une température maximale de 750°C tandis que l’aube peut être exposée à une température maximale de 1150°C . La zone centrale 351 étant la partie du disque la moins chaude, elle peut être formée dans un matériau classique et présente ainsi une bonne résistance en fatigue. Au contraire, la jante 352 étant la partie du disque la plus exposée aux hautes températures, il est avantageux qu’elle soit réalisée dans un second matériau. La jonction 353 entre le premier matériau et le second matériau peut, par exemple, être logée dans la toile 354, comme montré sur la , puisque la toile 354 est la partie du disque la moins sollicitée mécaniquement. En effet, la jonction entre les deux matériaux étant un point faible de la structure, il est préférable de la placer dans une zone peu sollicitée par les charges comme par exemple la toile. Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé de fabrication d’un disque bi-matière selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention. Procédé de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière (300, 400), comportant les opérations suivantes : fournir (110) un brut d’alésage (320) réalisé dans un premier matériau, installer (120) le brut d’alésage autour d’un axe de rotation (360) d’un dispositif tournant, mettre en rotation le brut d’alésage (130), projeter (140) un second matériau dans des conditions de solidification générant une microstructure colonnaire ou monocristalline, différent du premier matériau, sur une surface extérieure (350) du brut d’alésage pour obtenir une pièce bi-matière, et usiner (150) la pièce bi-matière pour obtenir un disque de turbomachine (300, 400). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau est un matériau monocristallin base nickel sous forme de poudre. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’opération de projection (140) consiste en une projection laser du matériau monocristallin en réalisant au moins un trou dans la surface extérieure du brut d’alésage (320), en y insérant un germe de matériau monocristallin et en faisant fondre ledit germe. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau est un matériau à solidification dirigée sous forme de poudre. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le brut d’alésage (320) présente une section circulaire. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second matériau est projeté par un dispositif de projection (210) suivant une direction (AA) perpendiculaire à une tangente (Tg) de la surface extérieure du brut d’alésage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’une jonction (353) entre le brut d’alésage (320) et le second matériau (340) est localisée dans une zone intermédiaire entre une zone centrale (351) du disque et une jante (352) dudit disque. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, après usinage du disque bi-matière, ledit disque (300, 400) est soumis à un traitement de compression isostatique à chaud. Dispositif de fabrication d’un disque de turbomachine bi-matière comportant un dispositif de projection (210), muni d’une buse (230) de projection du second matériau et contrôlé par un dispositif de pilotage (220), ledit dispositif de fabrication (200) étant caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la buse de projection (230) est orientée perpendiculairement à une tangente (Tg) de la surface extérieure (350) du brut d’alésage. Disque de turbomachine bi-matière, caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit disque (300, 400) comportant une zone centrale (351) formée dans le premier matériau et une zone de circonférence (350) formée dans le second matériau (340) et dans laquelle les grains ou cristaux du second matériau sont orientés suivant une direction radiale.