FR3046739A1 - Procede de rechargement ou de fabrication d'une piece metallique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de rechargement ou de fabrication d'une pièce métallique comportant une étape de formation d'au moins une couche de matière sur un substrat (1), par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt d'au moins un cordon réalisé par fusion d'un fil d'apport de métal (4), ledit fil (4) étant positionné par rapport à la surface (2) du substrat (1) à l'aide de moyens de distribution (5), lesdits moyens de distribution (5) comportant des moyens de rappel (14) maintenant l'extrémité libre du fil (4) au contact de la surface (2) du substrat (1) lors de la formation de la couche.

Description

Procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique
La présente invention concerne un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique.
La demande de brevet FR 2 982 182, au nom de la Demanderesse, divulgue un procédé de fabrication de pièces par fusion sélective de poudres. Un tel procédé est également connu sous les noms anglais de « Direct Métal Laser Sintering » ou « Electron Beam Melting ».
Un tel procédé consiste à fabriquer une pièce par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser. De façon pratique, on dispose sur le fond d’une cuve formé par un plateau mobile en translation verticale, une première couche de poudre à l’aide d’un racleur. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface supérieure du plateau et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser ou le faisceau d’électrons. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la pièce métallique.
Après formation de cette première couche, le plateau est descendu d’une distance correspondant à l’épaisseur d’une couche, puis une seconde couche de poudre est amenée par le racleur sur la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de la pièce métallique est formée par fusion à l’aide du faisceau laser ou du faisceau d’électrons.
Ces opérations sont répétées jusqu’à fabrication complète de la pièce. Un tel procédé est difficilement applicable au rechargement de pièces existantes.
Lors du fonctionnement de la turbomachine, certaines pièces sont soumises à des efforts, à des températures, voire à des frottements importants, générant des usures rapides et localisées.
Lorsqu’une usure supérieure aux spécifications est détectée lors d’une opération de maintenance, la pièce doit être changée. Une alternative au changement d’une pièce coûteuse est de réparer ou recharger la zone usée avec de la matière.
Pour cela, il est connu de recharger lesdites zones usées par soudage conventionnel à l’arc (MIG, TIG, plasma ou électrode enrobée), par projection laser ou par brasage diffusion.
Ces procédés génèrent des déformations mécaniques importantes de la pièce et nécessitent des opérations de reprise par usinage afin que les dimensions finales de la pièce correspondent aux spécifications.
En particulier, la demande de brevet FR 2 874 624, au nom de la Demanderesse, divulgue un procédé de rechargement d’une pièce par projection laser, également connu sous le nom anglais « Laser Cladding ». Un tel procédé consiste à exposer un substrat à une source laser afin qu'une partie au moins de celui-ci entre en fusion, et à projeter simultanément une poudre métallique véhiculée par un gaz d'amenée, généralement un gaz neutre protecteur tel que de l’argon, sur la partie en fusion de ce substrat. L’utilisation de poudres pour la fabrication ou le rechargement de pièces permet de disposer de nombreuses nuances de métal. Les procédés utilisant de la poudre en tant que métal d’apport sont cependant onéreux, du fait notamment du coût de la poudre, et peuvent être complexes à mettre en œuvre. En effet, la manipulation d’un matériau sous forme de poudre nécessite des précautions particulières en termes de sécurité. Par ailleurs, les vitesses de rechargement ou de fabrication de tels procédés sont relativement faibles. D’autres procédés connus consistent à recharger une pièce par formation successives de couches, chaque couche étant formée de cordons de matière adjacents, obtenus par fusion d’un fil servant de métal d’apport, à l’aide d’une source de chaleur telle par exemple qu’un faisceau laser.
Lors d’un tel procédé, il est préférable de placer l’extrémité du fil d’apport au contact du substrat ou de la couche réalisée précédemment.
Les couches réalisées et/ou le substrat peuvent comporter des irrégularités de surface et/ou des défauts de dimensionnement. De manière générale, il est relativement compliqué de maintenir l’extrémité du fil au contact de la surface du substrat ou de la couche réalisée précédemment.
Si le fil est trop écarté de la surface du substrat ou de la couche précédente, ou si le fil vient gratter la surface du substrat avec un effort trop important, alors le cordon généré peut présenter des défauts. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique comportant une étape de formation d’au moins une couche de matière sur un substrat, par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt d’au moins un cordon réalisé par fusion d’un fil d’apport de métal, ledit fil étant positionné par rapport à la surface du substrat à l’aide de moyens de distribution, lesdits moyens de distribution comportant des moyens de rappel maintenant l’extrémité libre du fil au contact de la surface du substrat lors de la formation de la couche.
Le contact entre l’extrémité du fil et la surface du substrat étant maintenu par les moyens de rappel, on garantit une bonne formation du cordon de matière.
La fusion du fil d’apport peut être réalisée à l’aide d’un faisceau laser focalisé sur l’extrémité libre du fil.
En variante, une telle fusion pourrait être obtenue à l’aide d’un faisceau d’électrons ou d’un arc électrique.
Le faisceau laser peut être focalisé à l’aide d’une lentille mobile, la position de la lentille étant dépendante de la position de l’extrémité libre du fil.
On garantit ainsi que l’extrémité libre du fil est toujours correctement positionnée par rapport au point de focalisation du faisceau laser.
Les moyens de distribution de fil peuvent comporter une première partie positionnée par rapport au substrat à l’aide d’un bras de positionnement, et une seconde partie mobile par rapport à la première partie et portant le fil, les moyens de rappel étant montés entre la première partie et la seconde partie.
En particulier, la seconde partie peut être apte à être déplacée par rapport à la première partie sur une distance comprise entre 5 et 30 mm, par exemple selon un axe parallèle à l’axe du faisceau laser.
Les moyens de rappel génèrent un effort de l’extrémité du fil sur le substrat qui est inférieur à 100 N.
Cet effort est suffisamment faible pour éviter que l’extrémité du fil ne vienne gratter la surface et former un cordon présentant des défauts.
Les moyens de rappel peuvent comporter au moins un organe élastique, tel par exemple qu’un ressort hélicoïdal de compression.
En variante, les moyens de rappel peuvent être pneumatiques ou hydrauliques et utiliser ainsi respectivement de l’air ou de l’huile sous pression, par exemple. L’angle entre le fil d’apport et le faisceau laser peut être ajusté, ledit angle pouvant être compris entre 30 et 60°, par exemple de l’ordre de 45°. L’angle entre la zone d’extrémité du fil d’apport et la normale au substrat peut être compris entre 40 et 80°, par exemple de l’ordre de 60°. Un tel angle permet de garantir un bon état du cordon formé.
Les moyens de distribution peuvent comporter des moyens permettant l’avance du fil au fur et à mesure de la formation du cordon sur le substrat. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont respectivement des vues schématiques, de dessus et de côté, d’une zone d’une pièce à recharger, illustrant une étape de formation d’une couche conformément au procédé selon l’invention, - la figure 3 est une vue de détail illustrant le positionnement des moyens d’amenée de fil et du faisceau laser par rapport au substrat.
Les figures 1 à 3 illustrent un procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique, telle par exemple qu’un carter de turbine ou de compresseur pour une turbomachine, par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, selon une forme de réalisation de l’invention.
Ladite pièce métallique comporte une zone ou un substrat 1 à reconstruire. Pour cela, une surface 2, par exemple une surface plane, a été préparée, par exemple par usinage, en vue de son rechargement.
Le matériau du substrat 1 est par exemple un alliage de type TA6V.
Pour effectuer un tel rechargement, une première couche de matière 3 est déposée sur la surface du substrat. Pour cela, un fil de métal 4, par exemple en TA6V, est amené à l’aide de moyens de distribution de fil 5 au niveau de la surface 2 du substrat 1. Parallèlement, un faisceau 6 généré par un laser 7, par exemple un laser de type YAG, est focalisé au niveau de la surface 2 du substrat 1, plus particulièrement en regard de l’extrémité libre du fil 4, de manière à provoquer sa fusion. Le déplacement du fil 4 et du faisceau laser 6 le long du substrat 1 permet de former un ou plusieurs des cordons de matière 8.
La trajectoire T du fil 4 et du faisceau laser 6 est représentée en traits pointillés à la figure 1. Cette trajectoire comporte des sections linéaires 9 s’étendant selon un axe noté y, reliées par des sections de liaison 10. Bien entendu, toute autre trajectoire pourrait être utilisée, cette trajectoire T ayant été choisie à titre d’exemple. Les cordons 8 formés sont donc des cordons rectilignes parallèles et adjacents, se recouvrant partiellement deux à deux. Le taux de recouvrement est par exemple compris entre 50 et 70% et est préférentiellement de l’ordre de 60%.
Un taux de recouvrement de 0% correspond au cas où deux cordons adjacents ne sont pas recouverts l’un par rapport à l’autre et un taux de recouvrement de 100% correspond au cas où deux cordons se recouvrent en totalité l’un par rapport à l’autre. A titre d’exemple, le diamètre du fil 4 peut être de 1,2 mm, chaque cordon 8 peut présenter une dimension selon un axe x (perpendiculaire à l’axe y et parallèle à la surface du substrat) de l’ordre de 1,2 mm, l’énergie du faisceau laser 6 peut être de 3500 W, la vitesse d’avance du fil 4 et dudit faisceau laser 6 peut être de 2 m/min, le diamètre du faisceau laser 6 au niveau de la pièce à recharger pouvant être de l’ordre de 4 mm.
Le substrat 1 a par exemple une épaisseur de l’ordre de 7 mm. L’angle d’inclinaison a1 du faisceau laser 6 par rapport à la normale 11 à la surface 2 est compris entre 5 et 30°, par exemple de l’ordre de 15°. L’angle d’inclinaison a2 du fil 4 par rapport à la normale 11 est par exemple compris entre 40 et 80°, par exemple de l’ordre de 60°. A l’issue de cette étape et après solidification des cordons de matière 8 de manière à former une première couche de matière 3, une deuxième couche de matière peut ensuite être déposée sur la première couche ainsi réalisée, de la même manière que précédemment. On procède ainsi couche par couche jusqu’à rechargement complet de la pièce.
Un tel procédé permet de pouvoir recharger ou reconstruire tout type de pièce métallique, de façon fiable, simple et peu coûteuse, en utilisant un matériau se présentant sous la forme d’un fil, un tel matériau pouvant être manipulé aisément sans précaution particulière.
Comme indiqué précédemment, il est préférable de placer l’extrémité du fil d’apport 4 au contact du substrat 1 ou de la couche 3 réalisée précédemment. Or, les couches réalisées 3 et/ou le substrat 1 peuvent comporter des irrégularités de surface et/ou des défauts de dimensionnement.
Afin de garantir un tel contact, les moyens 5 de distribution du fil 4 comportent une première partie 5a positionnée et déplacée par rapport au substrat à l’aide d’un bras de positionnement, en fonction des dimensions connues du substrat 1, d’un repère appartenant au substrat 1 et des dimensions de la zone de matière à réaliser par exemple, et une seconde partie 5b mobile en translation par rapport à la première partie 5a et portant le fil 4.
La seconde partie 5b est mobile en translation le long d’un axe 12 qui est parallèle à l’axe 13 du faisceau laser 6.
Des moyens de rappel 14, se présentant sous la forme d’un organe élastique, sont montés entre la première partie 5a et la seconde partie 5b.
La seconde partie 5b peut être déplacée par rapport à la première partie 5a sur une distance comprise entre 5 et 30 mm, par exemple de l’ordre de 15 mm. Une telle course suffit à compenser les écarts de dimensions ou les irrégularités de surface constatées au niveau du substrat 1 ou de la couche 3.
Les moyens de rappel 1 génèrent un effort de l’extrémité du fil 4 sur le substrat 2 qui est inférieur à 100 N. Cet effort est suffisamment faible pour éviter que l’extrémité du fil 4 ne vienne gratter la surface correspondante et former un cordon 8 présentant des défauts.
On notera que l’angle a2 entre le fil d’apport 4 et le faisceau laser 6 peut éventuellement être ajusté à l’aide de moyens appropriés.
Les moyens de distribution comportent également des moyens non représenté permettant l’avance du fil au fur et à mesure de la formation du cordon sur le substrat, c’est-à-dire le déplacement du fil 4 par rapport à la seconde partie 5b, selon l’axe 15 défini par l’extrémité libre du fil 4. Le fil 4 peut par exemple être enroulé sur une bobine et être déroulé progressivement au fur et à mesure que celui-ci est consommé pour former les cordons 8.
Par ailleurs, le faisceau laser 6 est focalisé à l’aide d’une lentille 16, l’extrémité libre du fil 4 étant positionnée au niveau du centre de la zone de focalisation du faisceau 6.
La lentille 16 peut être mobile, la position de la lentille 16 étant directement dépendante de la position de l’extrémité libre du fil 4. En d’autres termes, la lentille 16 peut être fixée sur un support 17, lui-même fixé sur la seconde partie 5b ou formé directement par la seconde partie 5b.
On garantit ainsi que l’extrémité libre du fil 4 est toujours correctement positionnée par rapport au point de focalisation du faisceau laser 6.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de rechargement ou de fabrication d’une pièce métallique comportant une étape de formation d’au moins une couche (3) de matière sur un substrat (1 ), par exemple sur une pièce à recharger, par dépôt d’au moins un cordon (8) réalisé par fusion d’un fil d’apport de métal (4), ledit fil (4) étant positionné par rapport à la surface (2) du substrat (1) à l’aide de moyens de distribution (5), lesdits moyens de distribution (5) comportant des moyens de rappel (14) maintenant l’extrémité libre du fil (4) au contact de la surface (2) du substrat (1) lors de la formation de la couche (3).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fusion du fil d’apport (4) est réalisée à l’aide d’un faisceau laser (6) focalisé sur l’extrémité libre du fil (4).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau laser (6) est focalisé à l’aide d’une lentille (16) mobile, la position de la lentille (16) étant dépendante de la position de l’extrémité libre du fil (4).
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de distribution (5) du fil (4) comportent une première partie (5a) positionnée par rapport au substrat (1) à l’aide d’un bras de positionnement, et une seconde partie (5b) mobile par rapport à la première partie (5a) et portant le fil (4), les moyens de rappel (14) étant montés entre la première partie (5a) et la seconde partie (5b).
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde partie (5b) est apte à être déplacée par rapport à la première partie (5a) sur une distance comprise entre 5 et 30 mm, par exemple.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de rappel (14) génèrent un effort de l’extrémité du fil (4) sur le substrat (1) qui est inférieur à 100 N.
  7. 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de rappel comportent au moins un organe élastique (14).
  8. 8. Procédé selon l’une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l’angle (a2) entre la zone d’extrémité du fil d’apport (4) et le faisceau laser (6) peut être ajusté, ledit angle (a2) pouvant être compris entre 30° et 60°.
  9. 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’angle (a1) entre le fil d’apport (4) et la normale (11) au substrat (1) peut être compris entre 40 et 80°.
  10. 10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de distribution (5) comportent des moyens permettant l’avance du fil (4) au fur et à mesure de la formation du cordon (8) sur le substrat (1).
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