FR2982781A1 - Procede d'obtention par fonderie d'une piece heterogene - Google Patents

Abstract

Procédé d'obtention par fonderie d'une pièce hétérogène permettant d'obtenir des pièces brutes de fonderie présentant des propriétés spécifiques en certains points. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion (21), réalisation d'une carapace (60) autour de l'élément d'insertion (21), coulée d'un matériau en fusion (70) dans ladite carapace (60) incluant l'élément d'insertion (21).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce hétérogène ainsi qu'une aube de turbomoteur durcie de fonderie.

Un tel procédé peut être utilisé pour obtenir une pièce hétérogène brute de fonderie présentant des propriétés spécifiques en certains de ses points. Il ainsi possible de produire de telles aubes durcies de fonderie, ou d'autres pièces hétérogènes complexes telles que l'on peut en utiliser dans le domaine de l'aéronautique par exemple.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Certaines industries nécessitent la production de pièces mécaniques complexes, destinées à être confrontées à des contraintes multiples et à des conditions extrêmes. Bien souvent, les contraintes qui s'exercent sur de telles pièces sont hétérogènes : certaines zones de la pièce peuvent par exemple être sollicitées en traction, d'autres en compression ; certaines zones peuvent être localisées de telle manière qu'elles subissent plus fortement un phénomène de fluage ou de dilatation thermique notamment ; d'autres encore, en contact avec d'autres pièces, subiront des frottements importants qui entraîneront une usure prématurée. Il existe donc un besoin important pour des pièces mécaniques complexes dont la géométrie et les matériaux ont été finement pensés pour résister à ces contraintes multiples, souvent hétérogènes et parfois même contradictoires. En particulier, il est fréquent d'utiliser des matériaux différents disposés dans différentes zones de la pièce, chaque matériau utilisé étant particulièrement adapté aux contraintes subies par cette zone de la pièce. Toutefois, une telle solution présente une mise en oeuvre complexe. En effet, classiquement, une pièce réalisée dans un premier matériau est obtenue par fonderie : cette pièce brute de fonderie présente donc des propriétés homogènes. Des étapes de post-traitements complexes et fastidieuses sont alors nécessaires pour modifier localement certaines de ces propriétés, notamment par dépôt de couches localisées d'un autre matériau adapté.

Un exemple connu est celui des aubes de rotor de turbomachines : les talons de ces aubes sont en effet en contact les uns avec les autres, si bien qu'il existe des zones de contact entre les talons qui s'usent bien plus rapidement que le reste de la pièce. Pour éviter une telle usure, on dépose en général au niveau d'une telle zone de contact une couche de matériau présentant des propriétés de résistance à l'abrasion. Deux méthodes principales sont utilisées. La première solution consiste à déposer un cordon de durcissant par soudage TIG (Tungsten Inert Gas) sur le talon de l'aube brute de fonderie puis à usiner cette surface pour retirer l'excès de durcissant et lisser cette surface. Toutefois, un tel procédé engendre un gradient thermique important qui provoque des criques dans l'aube brute de fonderie ; en particulier, ces criques sont systématiques avec certains matériaux tels les alliages Titane-Aluminium (TiAI), matériaux qui présentent pourtant des propriétés très intéressantes pour ce type de pièce et qui seront largement utilisés dans les nouvelles générations de turbomoteurs. En outre, un tel soudage TIG est une opération manuelle complexe, souvent source d'erreurs (en particulier, il est fréquent que la goutte déborde dans la veine aérodynamique) qui nécessitent des reprises fréquentes et fastidieuses. La seconde solution consiste à déposer une couche de durcissant à l'aide d'une troche plasma sur le talon de l'aube brute de fonderie. Toutefois, ce procédé est très spécifique et difficile à maîtriser. Il est ainsi rendu très coûteux par le prix élevé des machines et le faible nombre de spécialistes maitrisant ce procédé. En outre, le dépôt de durcissant est peu épais, environ 0,2 mm, et nécessite donc d'être renouvelé régulièrement. Il existe donc un réel besoin pour un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce hétérogène qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux procédés connus précités.

PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce hétérogène, comprenant les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion, réalisation d'une carapace autour de l'élément d'insertion, coulée d'un matériau en fusion dans ladite carapace incluant l'élément d'insertion.

La carapace est réalisée autour de l'élément d'insertion de telle manière à créer un moule ayant la forme de la pièce à obtenir dans lequel l'élément d'insertion est déjà présent. Dès lors, lorsque le matériau en fusion est coulé dans la carapace, il s'écoule dans tout l'espace disponible et rencontre l'élément d'insertion. Durant le refroidissement, le matériau en fusion se lie avec l'élément d'insertion, notamment grâce à la formation d'une solution solide à leur interface, de telle sorte que, à l'issue du refroidissement, la pièce brute de fonderie se compose d'une partie principale constituée par le matériau coulé désormais solidifié et d'une partie constituée par l'élément d'insertion, le matériau solidifié et l'élément d'insertion pouvant présenter des propriétés différentes. Ainsi, grâce à un tel procédé, on peut réaliser une pièce brute de fonderie comportant deux parties différentes. Dès l'étape de la fonderie, il est ainsi possible de munir une pièce mécanique de deux zones présentant des propriétés différentes, chacune d'entre elles étant adaptée aux contraintes et à l'environnement auxquels elle est confrontée. Autrement dit, il est possible de se passer des étapes ultérieures de dépôt d'un second matériau en surface de la pièce brute de fonderie. En particulier, les défauts et incompatibilités des méthodes traditionnelles sont écartés : le risque d'apparition de criques ou d'un débordement de durcissant est évité ; il est en outre possible d'utiliser une palette de matériaux plus large, du TiAI notamment. En conséquence, la nécessité d'usiner la pièce obtenue est réduite voire complétement supprimée. Enfin, le nombre d'étapes manuelles est réduit et la technicité de l'ensemble du procédé est plus faible. Ce procédé est donc plus facile à mettre en oeuvre et moins coûteux. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'étape de réalisation de la carapace comprend les étapes suivantes, réalisées dans cet ordre : fourniture d'un moule reproduisant la forme de la pièce à obtenir, insertion de l'élément d'insertion dans ledit moule au niveau d'un emplacement correspondant à son emplacement définitif au sein de la pièce à obtenir, injection d'une cire dans ledit moule et obtention d'un modèle en cire incluant l'élément d'insertion, moulage de la carapace autour du modèle en cire incluant l'élément d'insertion, cuisson de la carapace et décirage.

Cette méthode à la cire perdue permet de positionner très précisément et très facilement l'élément d'insertion à l'endroit souhaité de la pièce à obtenir. Au sens de l'invention, il faut entendre par cire tout matériau à faible point de fusion possédant une certaine plasticité : il peut s'agir de cires animales, végétales ou artificielles telles que la paraffine, les cires de silicone ou certaines matières plastiques. Lors de l'injection de la cire, cette dernière s'écoule dans tout l'espace disponible dans le moule, rencontre l'élément d'insertion et emprisonne ce dernier : on obtient ainsi un modèle en cire incluant l'élément d'insertion à l'endroit précis où il devra se situer dans la pièce finale à obtenir. La géométrie du modèle en cire incluant l'élément d'insertion étant la même que celle de la pièce à obtenir, le moulage de la carapace autour de la cire et de l'élément d'insertion s'effectue selon la méthode traditionnelle. Lors de la cuisson de la carapace et du décirage, la carapace emprisonne l'élément d'insertion tandis que la cire fond en laissant un vide dans lequel sera coulé le matériau en fusion : l'élément d'insertion est donc toujours positionné à l'endroit souhaité et prêt à rencontrer le matériau en fusion. Dans certains modes de mise en oeuvre, le moule est un moule métallique réutilisable. Ainsi, toutes les pièces produites avec ce moule auront la même et bonne géométrie, ce qui limite les écarts à la géométrie souhaitée et donc les étapes correctrices d'usinage. En outre, une telle réutilisation de ce moule permet des économies. En particulier, dans certains cas, il est possible d'utiliser les moules déjà existant et utilisés lors des procédés antérieurs sans aucune adaptation particulière ou, à défaut, au prix de petites adaptations faciles à mettre en oeuvre. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend des évidements dans lesquelles le matériau en fusion peut pénétrer lors de la coulée. Ces évidements augmentent la solidarité de la pièce d'insertion avec le reste de la pièce, le matériau en fusion emprisonnant l'élément d'insertion lorsqu'il se solidifie dans ces évidements. Il en va de même avec la cire fondue qui peut pénétrer dans ces mêmes évidements, se solidifier, et emprisonner l'élément d'insertion de la même manière. Dans certains modes de mise en oeuvre, ces évidements sont des cavités réalisées au sein de l'élément d'insertion et présentant des conduits d'accès pour le matériau en fusion ou la cire. Il peut notamment s'agir de canaux. Dans certains modes de mise en oeuvre, ces évidements sont des rainures en surface de l'élément d'insertion, à l'interface avec le matériau en fusion ou la cire. Ces rainures permettent d'augmenter la surface d'accroche avec le matériau en fusion ou la cire et donc la solidarité entre l'élément d'insertion et la partie principale de la pièce. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est chauffé à une température proche de celle du matériau en fusion lors de la coulée. De cette manière, la formation d'une solution solide à l'interface entre l'élément d'insertion et le matériau en fusion est favorisée, ce qui augmente la solidarité entre ces deux parties de la pièce. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est chauffé simplement par échange thermique avec le matériau en fusion.

Dans certains modes de mise en oeuvre, on coule le matériau en fusion dans la carapace avant que l'élément d'insertion ait eu le temps de refroidir après l'étape de cuisson de la carapace. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend un premier matériau de la famille des métaux.

Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend un premier matériau possédant des propriétés de résistance à l'usure, ce premier matériau étant de préférence de la famille des stellites, c'est-à-dire un alliage de chrome et de cobalt. Dans d'autres modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend un premier matériau de la famille des composites. Toutefois, tout autre matériau adapté pourrait également être utilisé, qu'il soit métallique ou non. Dans certains modes de mise en oeuvre, le matériau en fusion est un deuxième matériau de la famille des métaux, ce deuxième matériau étant de préférence un alliage Titane-Aluminium.

Dans d'autres modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion se compose du même matériau que le matériau en fusion mais a subi des traitements particuliers ayant modifié ses propriétés. Il peut par exemple avoir subi une recuisson, une trempe, ou tout autre traitement thermique. Dans certains modes de mise en oeuvre, ce procédé comprend des étapes de prétraitement de l'élément d'insertion. Il peut s'agir par exemple d'opération de mise en forme ou d'usinage, ainsi que d'éventuels traitements thermiques ou chimiques. Dans certains modes de mise en oeuvre, ce procédé comprend des étapes de post-traitement de la pièce obtenue à l'issue de la fonderie. Il peut s'agir par exemple de découpes, d'alésages, de surfaçage ou de toute autre étape d'usinage mécanique ou de traitement physico-chimique. Dans certains modes de mise en oeuvre, on fournit plusieurs éléments d'insertions que l'on dispose en différents endroits. Ces éléments d'insertions peuvent être identiques, réalisés dans le même matériau notamment, ou différents pour répondre à des besoins spécifiques différents. Dans certains modes de mise en oeuvre, la pièce à obtenir est une aube de turbomachine.

Dans de tels modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est disposé au sein de la carapace au niveau de la zone qui deviendra le talon de l'aube. Ceci permet de durcir le talon de l'aube au niveau de la zone de contact avec les autres aubes afin de réduire son usure en fonctionnement.

Le présent exposé concerne également une aube de turbomachine durcie de fonderie. Une telle aube de turbomachine ne nécessite aucun traitement de durcissement particulier à l'issue de la fonderie : sa production est donc plus facile et moins coûteuse. Dans certains modes de réalisation, cette aube de turbomachine est obtenue par un procédé tel que présenté ci-dessus. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de mise en oeuvre du procédé proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.

Les FIG lA à 1H représentent huit étapes successives d'un exemple de procédé. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple de procédé est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. Les FIG lA à 1H illustrent les différentes étapes d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de fonderie. Il vise à obtenir une pièce finale 80 comprenant une partie principale 81 réalisée dans un premier matériau, un alliage de TiAl dans cet exemple, et une partie d'insertion 82 réalisée dans un deuxième matériau, un alliage de la famille des stellites dans cet exemple. Dans un esprit de simplification extrême de cet exemple, la pièce finale 80 que l'on cherche obtenir prend la forme d'un T, la partie d'insertion 82 étant disposée au bout d'une de ses branches. Naturellement, les pièces que l'on cherche à obtenir peuvent être bien plus compliquées et peuvent notamment comporter plusieurs parties d'insertion présentant des propriétés mécaniques identiques ou différentes.

Dans un exemple plus concret, la pièce à obtenir pourrait être une aube de turbomoteur en TiAl possédant une partie d'insertion en stellite au niveau de son talon : cette configuration permet de réduire l'usure du talon de l'aube lorsque celui-ci frotte sur les autres aubes. Dans la FIG 1A, un moule métallique 10 est fourni. Celui-ci présente une cavité 11 formant en négatif l'exacte géométrie de la pièce finale 80, c'est-à-dire ici un T en creux. Conformément à la FIG 1B, on insère un élément d'insertion 21 dans la cavité 11 du moule 10 à l'endroit précis correspondant à son emplacement définitif dans la pièce finale 80. Ici, il s'agit d'un bloc de stellite possédant des propriétés de résistance à l'abrasion. Naturellement, l'élément d'insertion 21 est préparé et mis en forme pour permettre son insertion dans la cavité 11 : il est notamment découpé aux dimensions adéquates. Des évidements 22 ont également été pratiqués dans l'élément d'insertion 21. Cet élément d'insertion 21 peut en outre subir des traitements physico-chimiques afin de le munir de propriétés intéressantes. Si nécessaire, des moyens de fixations peuvent permettre de maintenir en place l'élément d'insertion 21 dans la cavité 11 du moule 10. Conformément à la FIG 1C, on injecte ensuite de la cire 30 dans la cavité 11 du moule 10. Celle-ci remplit la totalité de la cavité 11 ainsi que les évidements 22 de l'élément d'insertion 21. Une fois solidifiée, la cire 30 emprisonne l'élément d'insertion 21. On peut alors démouler le modèle en cire 40 ainsi obtenu et illustré sur la FIG 1D. Celui-ci comprend une partie principale en cire 41, issue de la cire 30 qui s'est solidifiée, et l'élément d'insertion 21 solidaire de la partie principale en cire 41. Ce modèle en cire 40 présente donc la géométrie exacte de la pièce finale 80, l'élément d'insertion 21 étant située exactement à l'endroit de la future partie d'insertion 82. Conformément à la figure 1E, on moule ensuite une carapace 50 autour du modèle en cire 40. On peut par exemple enrober le modèle en cire 40 avec une poudre de matériau réfractaire 51. Des couches successives de matériau réfractaire 51 peuvent être mise en place. Des cheminées d'alimentation sont également prévues pour permettre la coulée ultérieure. Conformément à la figure 1F, on réalise ensuite la cuisson de la carapace 50, dans un four par exemple. La poudre de matériau réfractaire 51 se transforme alors en une céramique 61 formant une carapace solidifiée 60. Dans le même temps, sous l'effet de la chaleur, la cire fond et est évacuée, révélant ainsi une cavité 62. On obtient ainsi une carapace solidifiée 60, incluant l'élément d'insertion 21 toujours à la bonne place et une cavité 62 présentant la géométrie de la partie principale 81 de la pièce finale 80. Dès lors, conformément à la FIG 1G, on peut effectuer la coulée d'un matériau en fusion 70, ici un alliage de TiAl, par les cheminées d'alimentation. Le matériau en fusion 70 remplit alors tout l'espace disponible dans la carapace 60, c'est-à-dire la cavité 62 et les évidements 22 de l'élément d'insertion 21. On laisse alors refroidir l'ensemble. Durant le refroidissement, à l'interface 71 entre le matériau en fusion 70 et l'élément d'insertion 21, les deux matériaux diffusent et s'interpénètrent. Une fois le refroidissement terminé, on brise la carapace 60 et on obtient la pièce finale 80 de la FIG 1H dans laquelle le matériau en fusion 70 s'est solidifié pour donner la partie principale 81 tandis que l'élément d'insertion 21 s'est solidarisé avec la partie principale 81 pour donner la partie d'insertion 82. En fonction des conditions dans lesquelles est réalisée la coulée, une zone de transition 83 plus ou moins importante est présente entre la partie principale 81 et la partie d'insertion 82 : dans cette zone 83, les deux matériaux se retrouvent en solution solide en différentes proportions. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'obtention par fonderie d'une pièce hétérogène, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion (21), réalisation d'une carapace (60) autour de l'élément d'insertion (21), coulée d'un matériau en fusion (70) dans ladite carapace (60) incluant l'élément d'insertion (21).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de réalisation de la carapace (60) comprend les étapes suivantes, réalisées dans cet ordre : fourniture d'un moule (10) reproduisant la forme de la pièce à obtenir (80), insertion de l'élément d'insertion (21) dans ledit moule (10) au niveau d'un emplacement correspondant à son emplacement définitif au sein de la pièce à obtenir (80), injection d'une cire (30) dans ledit moule (10) et obtention d'un modèle en cire (40) incluant l'élément d'insertion (21), moulage de la carapace (60) autour du modèle en cire (40) incluant l'élément d'insertion (21), cuisson de la carapace (60) et décirage.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moule (10) est un moule métallique réutilisable.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) comprend des évidements (22) dans lesquelles le matériau en fusion (70) peut pénétrer lors de la coulée.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) est chauffé à une température proche de celle du matériau en fusion (70) lors de la coulée.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) comprend un premier matériau possédant des propriétés de résistance à l'usure, ce premier matériau étant de préférence de la famille des stellites.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau en fusion (70) est un deuxième matériau de la famille des métaux, ce deuxième matériau étant de préférence un alliage Titane-Aluminium.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce à obtenir (80) est une aube de turbomachine.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) est disposé au sein de la carapace (60) au niveau de la zone qui deviendra le talon de l'aube.
10. 10. Aube de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est durcie de fonderie.