FR3064509A1 - Dispositif de fabrication additive d'une piece de turbomachine par depot direct de metal sur un substrat - Google Patents

Dispositif de fabrication additive d'une piece de turbomachine par depot direct de metal sur un substrat Download PDF

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Abstract

Dispositif (1) de fabrication additive d'une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat (2), caractérisé en ce que le dispositif comprend : - une source de matériau métallique (4), - une source d'énergie (3), apte à produire du métal en fusion à partir du matériau métallique issu de la source de matériau métallique (4), - un substrat (2), - un masque (6), disposé sur le substrat (2), et muni d'au moins une ouverture (8), de manière à permettre un dépôt localisé (21) de métal en fusion sur le substrat (2), ledit masque (6) comprenant un matériau magnétique, et - un support (5) de substrat, disposé sous le substrat (2), ledit support (5) étant apte à générer une force électromagnétique permettant d'attirer le masque (6) vers le substrat (2).

Description

(57) Dispositif (1 ) de fabrication additive d'une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat (2), caractérisé en ce que le dispositif comprend:
- une source de matériau métallique (4),
- une source d'énergie (3), apte à produire du métal en fusion à partir du matériau métallique issu de la source de matériau métallique (4),
- un substrat (2),
- un masque (6), disposé sur le substrat (2), et muni d'au moins une ouverture (8), de manière à permettre un dépôt localisé (21) de métal en fusion sur le substrat (2), ledit masque (6) comprenant un matériau magnétique, et
- un support (5) de substrat, disposé sous le substrat (2), ledit support (5) étant apte à générer une force électromagnétique permettant d'attirer le masque (6) vers le substrat (2).
Figure FR3064509A1_D0001
Figure FR3064509A1_D0002
Dispositif de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication additive de pièces de turbomachines, telles que par exemple des carters de turbomachines, à partir d’un substrat. L’invention concerne plus particulièrement la fabrication additive de type dépôt direct de métal, par fusion laser ou par faisceau d’électrons. L’invention concerne en particulier un dispositif de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat, ainsi qu’un procédé de fabrication additive mettant en œuvre ledit dispositif.
ETAT DE L’ART
Le dépôt direct de métal, également appelé DMD (pour « Direct Métal Déposition >> en langue anglaise), est une technologie de fabrication additive. Le principe de cette technologie repose sur l’alimentation d’un bain liquide, créé par une source d’énergie (un laser ou un faisceau d’électrons) à la surface d’un substrat, par un apport de matière (sous la forme d’un fil ou de poudre).
Différentes techniques de DMD sont envisageables. Lorsque la source d’énergie est un laser, le dépôt métallique par laser, appelé LMD pour Laser Métal Déposition en langue anglaise, crée un bain liquide à la surface d’un substrat, par un apport de matière sous la forme de poudre. En variante, le LMDW, pour Laser Métal Déposition wire en langue anglaise, crée un bain liquide à la surface d’un substrat, par un apport de matière sous la forme d’un fil de soudage.
Lorsque la source d’énergie est un faisceau d’électrons, le dépôt est un dépôt métallique par faisceaux d’électrons, appelé EBMD pour Electron Beam Métal Déposition en langue anglaise. Un bain liquide est créé à la surface d’un substrat, par un apport de matière sous la forme d’un fil de soudage.
Un exemple de dépôt direct de métal, de type LMD, va maintenant être illustré, en liaison avec les figures 1 et 2.
On forme, sous protection locale ou dans une enceinte en surpression ou en dépression régulée de gaz inerte, une première couche 10 de matériau par projection de particules de poudre de ce matériau sur un support 80, au travers d'une buse 190. Cette buse 190 émet, simultanément à la projection de particules 60 de poudre, un faisceau laser 95 qui provient d'un générateur 90. Le premier orifice 191 de la buse 190 par lequel la poudre est projetée sur le support 80 est coaxial au second orifice 192 par lequel le faisceau laser 95 est émis, de telle sorte que la poudre est projetée dans le faisceau laser 95. La poudre forme un cône de particules, ce cône étant creux et présentant une certaine épaisseur (faisceau de poudre 94 en figure 2), et le faisceau laser 95 est conique.
On définit le plan de travail P comme étant le plan contenant la surface sur laquelle la couche est en construction/en formation.
Pour la construction de la première couche, cette surface est la face supérieure (libre) So du support 80. Pour la construction de la [n+1]-ième couche, cette surface est la face supérieure (libre) de la [n]-ième couche (avec n entier, n>1).
Le faisceau laser 95 forme un bain 102 sur le support 80 par fusion de la région du support 80 exposée au faisceau laser. La poudre alimente le bain 102 dans lequel elle parvient à l'état fondu, la poudre ayant été fondue durant son trajet dans le faisceau laser avant d'arriver dans le bain.
Alternativement, la buse 190 et le point focal laser peuvent être réglés et/ou positionnés de telle sorte que la poudre de distribution de tailles donnée, ne passe pas par exemple suffisamment de temps dans le faisceau laser 95 pour que l'ensemble de ses particules de tailles différentes soient complètement fondues, et fondent en arrivant dans le bain 102 préalablement formé sur la surface du support 80 par fusion de la région du support 80 exposée au faisceau laser 95.
On définit la distance de travail WD comme la distance entre la sortie de la buse 190 et le plan de travail P.
Sur la distance de travail WD considérée, la poudre peut également ne pas être fondue par le faisceau laser 95 ou ne l'être que partiellement parce que la taille de toutes ou certaines des particules constituant la poudre est trop importante pour que celles-ci soient fondues.
Dans tous les cas, les particules de poudre sont chauffées de par leur passage dans le faisceau laser 95 avant d'alimenter le bain.
Tandis que le faisceau laser 95 (ou le support 80) se déplace selon une direction prédéterminée, le bain 102 est entretenu et se solidifie de proche en proche pour former un cordon de matière solidifiée 105 sur le support 80. On poursuit le processus pour former un autre cordon solidifié sur le support 80, cet autre cordon étant par exemple juxtaposé au premier cordon. Ainsi, par déplacement de la buse 190 ou du support 80 dans un plan parallèle au plan de travail P précédent, on dépose sur le support 80 une première couche 10 de matière qui forme en se solidifiant un premier élément 15 d'un seul tenant.
On effectue ensuite un second balayage de l'ensemble buse 190/faisceau laser 95, afin de former de façon similaire une deuxième couche 20 de matière au-dessus du premier élément 15. Cette deuxième couche 20 forme un deuxième élément consolidé 25, l'ensemble de ces deux éléments 15 et 25 formant un bloc d'un seul tenant. Les bains 102 formés sur le premier élément 15 lors de la construction de cette deuxième couche 20 comprennent en général au moins une partie du premier élément 15 qui a été fondue par exposition au faisceau laser 95, et les particules de la poudre alimentent les bains 102.
On poursuit ensuite ce processus d'élaboration de la pièce couche par couche en ajoutant des couches supplémentaires au-dessus de l'ensemble déjà formé.
La figure 2, qui représente l'art antérieur, montre plus en détail la configuration du faisceau laser 95 et du faisceau de poudre 94. Le faisceau laser 95 sort de la buse 190 en divergeant d'un angle 2β depuis son point focal Fl (situé dans la partie inférieure de la buse 190) et illumine une région du support 80, contribuant à y créer un bain 102.
Le faisceau de poudre 94 sort de la buse 190 en convergeant selon un angle 2δ vers son point focal Fp qui se situe à l'intérieur du faisceau laser 95, et juste sur (ou au-dessus de) la surface du support 80 (plan de travail P), de façon à ce que les particules de poudre 60 passent un maximum de temps dans le faisceau laser 95 pour être chauffées. L'avantage d'une large interaction laser/poudre en amont du bain est d'engendrer à la fois un taux de déposition important et une faible dilution qui sont fréquemment recherchés dans le cas du rechargement (réparation en surface de pièces usées) et du revêtement de dépôts durs.
Au cours du processus de construction de la pièce couche par couche, la buse 190 se déplace notamment en hauteur, et en maintenant constante la distance entre les points Fl et Fp (soit DéfocLDéfocp=constante) où DéfocL et Défocp représentent respectivement la défocalisation laser et celle de la poudre définies par DéfocL = {distance entre point FL et plan de travail P} et Défocp = {distance entre point Fp et plan de travail P} et sont visibles sur la figure 2).
Ainsi, le point focal Fp du faisceau de poudre 94 reste à l'intérieur du faisceau laser 95, et juste sur (ou au-dessus de) la surface de la couche précédemment construite (plan de travail P).
On a donc un faisceau laser défocalisé (DéfocL>0) et un faisceau de poudre focalisé (Défocp=0) sur le plan P ou défocalisé (Défocp>0) audessus du plan P, et les deux angles 2β et 2δ doivent être configurés de telle sorte que d'une part la distance de travail WD entre la sortie de la buse et ce plan P soit suffisamment importante pour éviter la dégradation du bas de la buse par le rayonnement du bain et d'autre part que l'ouverture du faisceau laser à la sortie de la buse reste inférieure au diamètre du cône intérieur.
Le déplacement du support 80 ou le balayage de l'ensemble buse 190/faisceau laser 95 permet de donner à chaque couche une forme indépendante des couches adjacentes. Les couches inférieures de la pièce sont recuites et se refroidissent au fur et à mesure que l'on forme les couches supérieures de la pièce.
Ces procédés de fabrication directe d’une pièce par projection de poudre ou de fil se traduisent par des déformations sur le substrat dues aux dissipations de la chaleur rendues difficiles lors de la fusion. La quantité d’énergie apportée localement étant très élevée, sa dissipation est importante pour éviter les déformations liées à la génération de contraintes sous l’effet d’un gradient thermique. Ces déformations engendrent des dégradations du substrat ainsi que de la pièce fabriquée, pouvant conduire à des fissurations. La forme et le matériau de la pièce influent sur la dissipation de chaleur. Les conditions les plus défavorables sont des épaisseurs de pièces faibles, et notamment des épaisseurs inférieures à 2 mm, et des matériaux dissipant peu la chaleur comme le titane. Les déformations sont particulièrement préoccupantes lorsque le substrat est la future pièce, et n’est pas un support sur lequel on va fabriquer l’intégralité de la pièce et qu’on va retirer en fin de procédé.
Pour améliorer la dissipation de chaleur, il est connu de mettre en œuvre un jet de gaz, un bridage mécanique, ou encore une tôle d’absorption de chaleur appelée tôle martyre. Ces systèmes ne sont toutefois pas suffisamment efficaces.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat, qui permette notamment une bonne dissipation de la chaleur produite lors de la fusion du métal et qui évite les déformations du substrat et de la pièce.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention a ainsi pour objet un dispositif de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat.
Le dispositif selon l’invention comprend :
- une source de matériau métallique,
- une source d’énergie, apte à produire du métal en fusion à partir du matériau métallique issu de la source de matériau métallique,
- un substrat,
- un masque, disposé sur le substrat, et muni d’au moins une ouverture, de manière à permettre un dépôt localisé de métal en fusion sur le substrat, ledit masque comprenant un matériau magnétique, et
- un support de substrat, disposé sous le substrat, ledit support étant apte à générer une force électromagnétique permettant d’attirer le masque vers le substrat.
Ainsi, le masque entraîne le substrat en appui contre le support lorsque ledit masque est aimanté. Autrement dit, sous l’effet de l’aimantation du masque par le support, le substrat, qui est pris en sandwich entre le masque est le support, est plaqué de manière homogène contre le support. Ce plaquage favorise l’échange thermique et l’absorption des calories par le support. Le plaquage du substrat sur le support permet en outre d’éviter les déformations du substrat et donc de la pièce.
Le support de substrat peut comprendre un électroaimant.
Le support de substrat est avantageusement muni d’un circuit de liquide de refroidissement destiné à absorber les calories produites par le métal en fusion.
Le dispositif peut comprendre un système d’alimentation en courant électrique du support de substrat.
Le système d’alimentation en courant électrique peut comprendre un solénoïde.
La source de matériau métallique peut être une source de poudre ou une source de fil de soudage.
La source d’énergie peut être un faisceau laser ou un faisceau d’électrons.
Le masque peut comprendre de l’acier.
Le support de substrat peut comprendre de l’acier.
Le substrat peut comprendre de l’acier ou du titane.
Le substrat peut être un carter de turbomachine.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal en fusion sur un substrat.
Le procédé selon l’invention met en œuvre un dispositif décrit cidessus.
Le procédé comprenant un dépôt localisé de métal en fusion sur le substrat à l’intérieur de l’ouverture, ledit dépôt localisé est avantageusement réalisé de manière à ce qu’une distance supérieure ou égale à 15 mm est maintenue entre ledit dépôt localisé et le pourtour de l’ouverture.
DESCRIPTION DES FIGURES
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 et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement un dispositif de de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat, selon l’état de la technique,
- la figure 2, déjà décrite, est un schéma montrant le positionnement d’un faisceau de haute énergie et d’un faisceau de poudre mis en œuvre dans le dispositif de la figure 1,
- la figure 3 illustre schématiquement un dispositif de de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat, conformément à l’invention,
- la figure 4 illustre schématiquement un carter de turbomachine muni d’un dispositif selon l’invention, conformément à un premier mode de réalisation, et
- la figure 5 illustre schématiquement un carter de turbomachine muni d’un dispositif selon l’invention, conformément à un deuxième mode de réalisation.
DESCRIPTION DETAILLEE
Tel qu’illustré à la figure 3, un dispositif 1 de fabrication additive d’une pièce de turbomachine selon l’invention comprend un substrat 2, une source d’énergie 3, une source de matériau métallique 4, une tôle 5 d’aimantation et de dissipation d’énergie thermique, ainsi qu’un masque de bridage 6.
Le substrat 2 est l’élément à partir duquel va être formée la pièce de turbomachine, par dépôt direct de métal sur le substrat 2. Le substrat 2 peut ainsi être un support sur lequel on va fabriquer l’intégralité de la pièce et qu’on va retirer en fin de procédé. II peut également être une partie de la pièce sur laquelle on va déposer un excédent de matière, par exemple de forme complexe, pour former la pièce finale. Le substrat 2 est avantageusement utilisé pour la fabrication d’une pièce de turbomachine, comme par exemple un carter de turbomachine. Le substrat 2 peut ainsi être un brut de carter, sur lequel on va former un ou plusieurs bossages et les brides.
La source d’énergie 3 et la source de matière 4 sont représentées schématiquement, et peuvent être les sources décrites plus haut en relation avec les figures 1 et 2. La source d’énergie 3 peut ainsi être un faisceau laser ou un faisceau d’électrons, tandis que la source de matière 4 peut être une source de poudre ou de fil de soudage. La source d’énergie 3 permet de produire le métal en fusion et d’alimenter le bain liquide formé sur le substrat 2 par la source d’énergie 3.
Le substrat 2 est disposé sur une tôle 5, appelée tôle martyre, qui constitue le support du substrat 2, et qui est destinée à dissiper la chaleur produite par le métal en fusion. La tôle martyre 5 épouse avantageusement le contour du substrat 2. Pour dissiper la chaleur produite par le métal en fusion, elle comprend également un « piège à calories >> constitué d’une canalisation 7 ou d’un réseau de canalisations. La canalisation 7 est parcourue par un liquide de refroidissement, typiquement de l’eau, présentant un débit suffisant pour refroidir la tôle martyre 5. L’épaisseur de la tôle martyre 5 est de préférence supérieure à 10 mm, de manière à absorber un maximum de chaleur.
Le masque de bridage 6 est disposé sur le substrat 2. Le masque 6 présente une ou plusieurs ouvertures 8 (fenêtres) destinées à déposer localement le métal en fusion sur le substrat 2. Par exemple, dans le cas où le substrat 2 est un brut de carter, le masque 6 permet de former localement un ou plusieurs bossages 21 sur le substrat 2. La forme de la fenêtre 8 dépend de la géométrie de la partie 21 à former sur le substrat 8. On peut laisser un espace supérieur ou égal à 15 mm autour de la partie 21 pour éviter de chauffer le masque 6 au-delà de 200°C. Des températures trop élevées sont effet défavorables du point de vue du magnétisme.
Comme son nom l’indique, le masque de bridage 6 a également une fonction de bridage 6, de manière à brider le substrat 2 sur la tôle martyre 5.
Conformément à l’invention, le bridage est réalisé par aimantation du masque de bridage 6 par la tôle martyre 5, ce qui permet de plaquer le substrat 2 sur la tôle martyre 5.
La tôle martyre 5 joue le rôle d’un électroaimant. A cet effet, la tôle martyre 5 est réalisée dans un matériau magnétique, comme par exemple un acier. Un courant électrique traverse la tôle martyre 5 de manière à lui conférer le rôle d’un électroaimant par le biais de la création naturelle d’un champ magnétique. Pour créer le champ magnétique, un bobinage 9 est associé à la tôle martyre 5. Le bobinage 9 peut être un solénoïde. Un solénoïde est un dispositif constitué d'un fil électrique enroulé régulièrement en hélice de façon à former une bobine longue. Parcouru par un courant alternatif, il produit un champ magnétique dans son voisinage, et plus particulièrement à l'intérieur de l'hélice. Le bobinage 9 peut par exemple dessiner le contour extérieur de la tôle martyre 5, la canalisation 7 étant disposée sous le bobinage 9.
Le masque de bridage 6 est ainsi réalisé également en un matériau magnétique, comme par exemple un acier. Sous l’effet de l’électroaimant que constitue la tôle martyre 5, le masque de bridage 6 vient plaquer le substrat 2 sur la tôle martyre 5. Ce plaquage a pour effet de faciliter le transfert thermique des calories générées par la fusion du métal lors de la fabrication additive de la pièce et de rendre ce transfert thermique homogène tout le long du substrat 2. En outre, le plaquage permet un contact de l’ensemble du substrat 2 sur la tôle martyre 5, ce qui permet d’éviter les déformations du substrat 2 et donc de la pièce finale.
La figure 4 illustre le cas où le substrat 2 est un brut de carter d’axe longitudinal B. Conformément au mode de réalisation illustré à la figure 4, le dispositif 1 est supporté par un bâti radial 11 qui s’étend diamétralement dans le carter, orthogonalement à l’axe B. Le bâti radial 11 s’appuie à une extrémité sur le dispositif 1 et à l’autre extrémité sur une surface d’appui 12 qui est en contact avec le carter. Le masque de bridage 6 est muni d’une ouverture 8, ce qui permet la formation d’un bossage sur le carter.
Dans un deuxième mode de réalisation, illustré à la figure 5, le substrat 2 est également un brut de carter. Deux dispositifs 1 sont appliqués sur le substrat 2. Chaque dispositif 1 est relié à un bâti central longitudinal 13 via un bâti radial 11. Le masque de bridage 6 d’un des dispositif 1 peut comprendre une ouverture 8, tandis que le masque de bridage 6 de l’autre dispositif 1 peut comprendre deux ouvertures 8, ce qui permet au total de former trois bossages sur le carter. On peut naturellement adapter la disposition, le nombre et la structure des dispositifs selon les bossages à former.
Le dispositif selon l’invention a pour avantage de pouvoir réaliser des formes complexes sur le substrat. II permet également de limiter le réusinage du substrat, et de limiter voire supprimer un traitement thermique de détente. Le dispositif permet en outre de fabriquer des pièces à paroi 5 mince, et de préparer le substrat en le réchauffant par le biais de la canalisation pour éviter les chocs thermiques.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (1) de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal sur un substrat (2), caractérisé en ce que le dispositif comprend :
    - une source de matériau métallique (4),
    - une source d’énergie (3), apte à produire du métal en fusion à partir du matériau métallique issu de la source de matériau métallique (4),
    - un substrat (2),
    - un masque (6), disposé sur le substrat (2), et muni d’au moins une ouverture (8), de manière à permettre un dépôt localisé (21) de métal en fusion sur le substrat (2), ledit masque (6) comprenant un matériau magnétique, et
    - un support (5) de substrat, disposé sous le substrat (2), ledit support (5) étant apte à générer une force électromagnétique permettant d’attirer le masque (6) vers le substrat (2).
  2. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ledit support (5) de substrat comprend un électroaimant.
  3. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support (5) de substrat est muni d’un circuit de liquide de refroidissement (7) destiné à absorber les calories produites par le métal en fusion.
  4. 4. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend un système (9) d’alimentation en courant électrique du support de substrat.
  5. 5. Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système (9) d’alimentation en courant électrique comprend un solénoïde.
  6. 6. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le masque (6) comprend de l’acier.
  7. 7. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le support (5) de substrat comprend de l’acier.
  8. 8. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (2) comprend de l’acier ou du titane.
  9. 9. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le substrat (2) est un carter de turbomachine.
    5 10. Procédé de fabrication additive d’une pièce de turbomachine par dépôt direct de métal en fusion sur un substrat (2), caractérisé en ce qu’il met en œuvre un dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 9.
    11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, le procédé comprenant un dépôt localisé (21) de métal en fusion sur le substrat (2) à
  10. 10 l’intérieur de l’ouverture (8), ledit dépôt localisé (21) est réalisé de manière à ce qu’une distance supérieure ou égale à 15 mm est maintenue entre ledit dépôt localisé (21) et le pourtour de l’ouverture (8).
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