FR3040645A1 - Procede de fabrication d'une piece par fusion selective ou frittage selectif sur lit de poudre - Google Patents

Abstract

L'invention vise un procédé de fabrication d'une pièce (20) en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, la pièce comprenant un empilement solidaire de couches de poudre fusionnées ou frittées par un faisceau énergétique, le procédé comprenant les étapes suivantes : le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique destiné à constituer la pièce, et la fusion ou le frittage d'au moins une partie de la couche de poudre par le faisceau énergétique, les conditions de l'étape de fusion ou de frittage étant définies par un groupe de paramètres comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau. Les conditions de fusion ou de frittage sont modifiées pendant le procédé de fabrication en faisant varier au moins l'un desdits paramètres, ladite puissance du faisceau étant, si elle est modifiée, augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ledit diamètre du faisceau étant, s'il est modifié, diminué d'une première valeur à une deuxième valeur, ladite vitesse de déplacement du faisceau étant, si elle est modifiée, diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur, de manière à introduire localement dans la pièce des contraintes résiduelles.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces tridimensionnelles par un procédé du type fabrication additive, et plus précisément aux procédés de frittage sélectif ou fusion sélective sur lit de poudre. L'invention s'applique particulièrement, mais non exclusivement, à la fabrication de pièces pour l'aéronautique (c'est-à-dire des pièces pouvant être utilisées dans un turboréacteur propulsant un aéronef).

Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces tridimensionnelles complexes. Ces techniques de fabrication présentent de nombreux avantages par rapport aux procédés traditionnels de fonderie ou d'usinage dans la masse.

Parmi les techniques de fabrication additive, on peut citer par exemple : la fusion sélective sur lit de poudre, ou encore le frittage sélectif sur lit de poudre, au moyen d'un laser ou d'un faisceau d'électrons (par exemple du type : « Laser Métal Déposition », « Sélective Laser Sintering », « Sélective Laser Melting », ou « Electron Beam Melting »). Dans ces procédés de fabrication, on fritte ou fusionne successivement des couches de poudre à l'aide d'un faisceau énergétique (laser ou à électrons), afin de fabriquer la pièce.

Certaines pièces à fabriquer peuvent présenter plusieurs parties qui seront sollicitées différemment lors de leur utilisation. Par exemple, une même pièce peut être sollicitée en fluage dans une partie, et en fatigue dans une autre partie. On cherche ainsi la microstructure optimale pour la pièce qui puisse répondre à ces deux modes de ruine. En d'autres termes, on cherche une répartition judicieuse de la microstructure en termes de taille de grains et de structure métallurgique.

Pour assurer une bonne tenue en fluage de la pièce, on cherche à obtenir une microstructure comportant des grains de taille plus importante, alors que pour assurer une bonne tenue en fatigue, des grains plus petits sont préférables. En effet, une déformation en fluage se produit à cause de glissements au niveau des joints de grains, l'augmentation de la taille des grains permet de réduire le nombre de joints de grain et leur longueur cumulée. A l'inverse, pour réduire la propagation d'une fissure, on cherche à augmenter le nombre de joints de grains en réduisant leur taille.

Lorsqu'une pièce est réalisée par frittage sélectif ou fusion sélective sur lit de poudre, la microstructure peut être adaptée lors d'un traitement thermique réalisé après fabrication de la pièce. Les conditions de ce traitement thermique vont permettre de contrôler la microstructure de façon homogène dans l'ensemble de la pièce. Plus précisément, la durée et la température d'un tel traitement vont permettre de faire grossir les grains dans toute la pièce.

Cependant, les procédés de fabrication actuels ne permettent pas de maîtriser les différentes tailles de grains au sein d'une même pièce, et donc d'optimiser sa tenue au fluage ou à la fatigue de façon locale. Il existe ainsi un besoin pour disposer d'un procédé de fabrication par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, qui permette d'obtenir des microstructures différentes au sein d'une même pièce.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'une pièce en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, la pièce comprenant un empilement solidaire de couches de poudre fusionnées ou frittées par un faisceau énergétique, le procédé comprenant les étapes suivantes : le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique destiné à constituer la pièce, et la fusion ou le frittage de la couche de poudre par le faisceau énergétique, les conditions de l'étape de fusion ou de frittage étant définies par un groupe de paramètres comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, caractérisé en ce que les conditions de fusion ou de frittage sont modifiées pendant le procédé de fabrication en faisant varier au moins l'un desdits paramètres, ladite puissance du faisceau étant, si elle est modifiée, augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ledit diamètre du faisceau étant, s'il est modifié, diminué d'une première valeur à une deuxième valeur, ladite vitesse de déplacement du faisceau étant, si elle est modifiée, diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur, de manière à introduire localement dans la pièce des contraintes résiduelles.

Le procédé selon l'invention diffère des procédés de l'art antérieur en ce qu'on fait varier les paramètres de fabrication au cours du procédé, d'une couche à l'autre mais aussi au cours du dépôt d'une même couche, afin d'introduire des contraintes résiduelles dans certaines parties de la pièce. Pour introduire ces contraintes résiduelles, on modifie les paramètres du faisceau énergétique afin d'augmenter l'énergie volumique qui est introduite dans une partie de la pièce au moment de la fusion ou du frittage. Ces contraintes locales sont équivalentes à une énergie supplémentaire qui est stockée dans le matériau au moment de la fabrication de la pièce.

Lorsque les paramètres sont modifiés de façon à introduire plus d'énergie dans une partie de la pièce sous la forme de contraintes résiduelle, cette partie présentera, après traitement thermique, des grains de taille plus importante que les parties de la pièce dans lesquelles ces contraintes résiduelles sont moindres. En effet, l'énergie nécessaire à la croissance des grains dans la partie comprenant des contraintes résiduelles sera moindre que dans une partie où les contraintes résiduelles sont plus faibles.

En d'autres termes, avec un procédé selon l'invention, il est possible de créer au sein d'une même pièce, des zones comportant des grains de taille importante, et des zones comportant des grains de taille réduite. Par conséquent, il est désormais possible d'augmenter la tenue au fluage dans certaines parties de la pièce, tout en augmentant la tenue à la fatigue dans d'autres parties de la pièce.

Le procédé est avantageux en ce qu'il permet de bénéficier des avantages associés à un procédé de fabrication additive, tout en permettant de conférer à une pièce des propriétés mécaniques différentes dans plusieurs parties de celle-ci en modifiant les paramètres de fabrication.

Dans certains exemples de réalisation, les conditions de fusion ou de frittage sont modifiées pendant le procédé de fabrication en faisant varier deux paramètres.

Dans ce cas, les deux paramètres à faire varier peuvent être la puissance du faisceau et la vitesse de déplacement du faisceau, ladite puissance du faisceau étant augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ladite vitesse de déplacement du faisceau étant diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur.

En variante, les deux paramètres à faire varier peuvent être la puissance du faisceau et le diamètre du faisceau, ladite puissance du faisceau étant augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ledit diamètre du faisceau étant diminué d'une première valeur à une deuxième valeur.

Le groupe de paramètres peut comporter en outre une épaisseur d'une couche de poudre, ladite épaisseur d'une couche de poudre étant diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur pendant le procédé de fabrication.

Le groupe de paramètres peut comporter en outre une stratégie de balayage du faisceau, ladite stratégie de balayage du faisceau étant modifiée pendant le procédé de fabrication de la pièce, ladite stratégie de balayage du faisceau étant choisie parmi : bandes, damier. Par une stratégie de type bandes (ou « stripe »), on entend que le balayage d'une couche s'effectue par une succession de lignes parallèles. Par une stratégie de type damier (ou « chess »), on entend que le balayage d'une couche forme un damier, une case du damier présentant des bandes parallèles dans une première direction, une autre case voisine du damier présentant des bandes parallèles dans une direction différente de la première (et généralement perpendiculaire à la première direction).

Le groupe de paramètres peut comporter en outre une direction de motif, ladite direction de motif étant modifiée pendant le procédé de fabrication. Les motifs de balayage comprennent généralement des bandes parallèles, aussi bien dans la stratégie du type bandes que dans la stratégie du type damier (dans les cases du damier). Ces bandes sont orientées dans une certaine direction, et il est possible de faire varier cette direction au cours du procédé de fabrication pour introduire des contraintes résiduelles, notamment entre deux couches successives. D'autres motifs sont bien entendu envisageables.

De préférence, le faisceau énergétique est un laser ou un faisceau d'électrons.

De préférence également, le procédé comporte en outre une étape de traitement thermique de la pièce. Durant cette étape, la densification de la pièce est finalisée, et la microstructure de la pièce est contrôlée.

Enfin, l'invention vise le procédé décrit précédemment, dans lequel la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, des secteurs d'anneaux de turbine, un disque de turbine, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur un capot, etc.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique d'une pièce allongée fabriquée par un procédé selon l'invention, - les figures 2 à 6A-6B sont des vues schématiques de couches composant la pièce de la figure 1 selon différents modes de réalisation de l'invention, et - la figure 7 est une vue schématique d'un disque de turbine basse pression pour turbomachine aéronautique fabriqué par un procédé selon l'invention

Description détaillée de l'invention

Un procédé selon l'invention va maintenant être décrit dans son application à la fabrication d'une pièce allongée 10 comprenant deux ouvertures 11 à chacune de ses extrémités (figure 1). La pièce 10 comprend ainsi deux parties 12 qui seront sollicitée en fatigue (c'est-à-dire susceptible de se fissurer à l'usage), et une partie 13 qui sera sollicitée en fluage lorsque la pièce sera utilisée. Le procédé selon l'invention permet de définir localement des microstructures différentes dans les parties 12 et 13 de la pièce, afin d'augmenter leur tenue au fluage ou à la fatigue, au cours de la fabrication de la pièce par fusion ou frittage sélectif sur lit de poudre.

La pièce 10 est réalisée à partir d'un empilement vertical (selon l'axe Z) de couches 14 solidaires les unes des autres (figures 2 à 6B). Chaque couche est fabriquée, de façon connue en soi, à partir d'une couche de poudre déposée qui est ensuite fusionnée ou frittée par un faisceau énergétique (du type laser ou faisceau d'électrons par exemple). Dans l'exemple illustré, les ouvertures 11 pourront être réalisées par usinage après la fabrication de la pièce par fusion ou frittage sélectif sur lit de poudre.

La poudre peut comprendre un métal, un alliage métallique ou une céramique.

Lors de la fabrication d'une couche, le faisceau fusionne ou fritte successivement les parties 12 et 13 de la couche. Les parties 12, destinées à tenir plus efficacement en fatigue, doivent présenter une microstructure caractérisée par de petits grains. A l'inverse, la partie 13, destinée à tenir plus efficacement en fluage, doit présenter une microstructure caractérisée par des grains plus gros.

Conformément à l'invention, un groupe de paramètres est fixé pour le faisceau énergétique lorsqu'il parcourt les parties 12 d'une couche 14. Ce groupe de paramètre comprend notamment : le diamètre du faisceau Di2, la vitesse de déplacement du faisceau vi2, et la puissance du faisceau Pi2. Les parties 12 sont fusionnées ou frittées en utilisant ce groupe de paramètres.

Puis, lorsque le faisceau parcourt la partie 13 de la couche 14, l'un au moins de ces paramètres est changé pour introduire plus de contraintes résiduelles dans cette partie, et permettre ultérieurement la formation de grains de taille plus importante. Afin d'introduire plus de contraintes dans la partie B, il faut alors choisir un nouveau diamètre de faisceau Di3<Di2 (figure 2), une nouvelle vitesse de déplacement du faisceau vi3<vi2 (figure 3), ou une nouvelle puissance du faisceau Pi3>Pi2 (figure 4). Il est à noter que le diamètre du faisceau sur les figures a volontairement été grossi pour plus de lisibilité.

Il est bien entendu envisageable de faire varier deux de ces paramètres simultanément, ou encore les trois simultanément. Par exemple, dans la partie 13, on peut réduire le diamètre du faisceau et réduire la vitesse de déplacement du faisceau ; ou encore augmenter la puissance du faisceau et réduire la vitesse de déplacement du faisceau.

On peut également, pour introduire des contraintes résiduelles dans la couche, faire changer la stratégie de balayage du faisceau entre les parties 12 et la partie 13. En effet, une stratégie de balayage du type bandes (ou « stripe ») permet d'introduire plus de contraintes qu'une stratégie du type damier (ou « chess »). Dans l'exemple de couche 14 illustré sur la figure 5, la stratégie est du type bandes pour la partie 13, et du type damier pour les parties 12.

Une rotation de motif entre deux couches successives peut également permettre d'introduire des contraintes supplémentaires au sein de la pièce. Par « motif » on entend le dessin formé par le faisceau énergétique lorsqu'il fusionne ou fritte une couche de poudre. Par « rotation de motif », on entend que l'orientation du motif change d'une couche à l'autre, c'est-à-dire que la direction ou l'orientation du motif est modifiée d'une couche à l'autre.

Les figures 6A et 6B illustrent une telle rotation de motif entre deux couches successives 14a et 14b au niveau de la partie 13, la stratégie de balayage étant du type bandes. En effet, dans la couche 14a, les bandes de la partie 13 sont parallèles à celles de la partie 12, alors que dans la couche suivante 14b, les bandes de la partie 13 sont perpendiculaires à celles de la partie 12.

On notera que la rotation de motif peut également s'appliquer à des motifs obtenus à partir d'une stratégie de balayage du type damier.

Un procédé de fabrication selon l'invention a été décrit pour fabriquer une pièce 10 dans laquelle les paramètres du faisceau sont modifiés au sein d'une même couche, il est cependant possible de conserver les mêmes paramètres dans un ensemble de couches, et de les faire varier dans un autre ensemble de couches (comme ce sera le cas dans l'exemple décrit ci-après en référence à la figure 7).

En outre, l'épaisseur de la couche peut également être modifiée entre différentes couches, ou entre différents ensembles de couches. En effet, une épaisseur de couche plus faible permettra d'introduire plus de contraintes résiduelles par rapport à une couche d'épaisseur plus importante, toutes choses égales par ailleurs.

Enfin, un traitement thermique est réalisé une fois que toutes les couches de la pièce ont été fusionnées ou frittées. Ce traitement thermique permet de faire grossir les grains dans la pièce. En particulier, les parties de la pièce dans lesquelles des contraintes plus importantes ont été induites présenteront une taille de grains plus importante que celles comprenant moins de contraintes. Les conditions et la durée d'un tel traitement thermique dépendent notamment du matériau et des propriétés de la poudre utilisée.

Exemple

Un disque 20 de turbine basse pression de turbomachine aéronautique tel que celui représenté schématiquement sur la figure 7 a été fabriqué par un procédé de fusion sélective sur lit de poudre selon l'invention. Le disque 20 présente des trous de fixation 21, une partie 23 qui sera sollicitée en fluage lors du fonctionnement de la turbomachine, et une partie 22 qui sera sollicitée en fatigue (au niveau des trous de fixation 21 notamment).

Le disque 20 est fabriqué à partir de couches de poudre fusionnées et empilées selon l'axe Z, l'axe Z étant parallèle à l'axe du disque de turbine basse pression. La poudre utilisée dans le procédé de fabrication est identique dans tout le disque 20. La poudre présente une granulométrie moyenne de 30 pm et comprend un alliage du type NiCrigFeigNbsMos, plus connu sous le nom de Inconel® 718 (In718).

Les conditions du procédé de fusion sélective sur lit de poudre dans les parties 22 et 23 de la pièce sont regroupées dans le tableau ci-dessous. On notera que les parties 22 et 23 comprennent chacune un ensemble de plusieurs couches, et que les paramètres opératoires du procédé resteront ici constants dans chacune des parties 22 et 23.

Dans cet exemple, la partie 22 est fabriquée avant la partie 23, et les conditions du procédé varient entre ces deux parties. En effet, on augmente notamment la puissance et on réduit la vitesse de balayage en passant de la partie 22 à la partie 23, afin d'introduire plus de contraintes résiduelles dans la partie 23 que dans la partie 22. En outre, la stratégie de balayage est également modifiée entre les parties 22 et 23, passant d'une stratégie de type damier 24 à une stratégie de type bandes 25. On notera que l'épaisseur d'une couche de la partie 23 est supérieure à l'épaisseur d'une couche de la partie 22, l'augmentation de la puissance permet de compenser cette différence et d'introduire malgré tout, et grâce à la diminution de la vitesse et au changement de stratégie, des contraintes supplémentaires dans la couche 23 par rapport à la couche 22.

Suite à la fabrication du disque 20 par un procédé selon l'invention, le disque 20 est traité thermiquement dans un four à 1095°C pendant 2 heures (pour de l'Inconel® 718). Durant ce traitement thermique, la partie 23 subit une recristallisation plus importante que la partie 22 à cause des contraintes résiduelles introduites lors de la fabrication du disque 20. Ainsi, on obtient un disque 20 comprenant deux parties 22 et 23 ayant des microstructures différentes et lui conférant une tenue mixte à la fatigue et au fluage.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication d'une pièce (10 ; 20) en métal, en alliage métallique ou en céramique par fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, la pièce comprenant un empilement solidaire de couches (14, 14a, 14b) de poudre fusionnées ou frittées par un faisceau énergétique, le procédé comprenant les étapes suivantes : le dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou d'une céramique destiné à constituer la pièce, et la fusion ou le frittage de la couche de poudre par le faisceau énergétique, les conditions de l'étape de fusion ou de frittage étant définies par un groupe de paramètres comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, caractérisé en ce que les conditions de fusion ou de frittage sont modifiées pendant le procédé de fabrication en faisant varier au moins l'un desdits paramètres, ladite puissance du faisceau étant, si elle est modifiée, augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ledit diamètre du faisceau étant, s'il est modifié, diminué d'une première valeur à une deuxième valeur, ladite vitesse de déplacement du faisceau étant, si elle est modifiée, diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur, de manière à introduire localement dans la pièce des contraintes résiduelles.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions de fusion ou de frittage sont modifiées pendant le procédé de fabrication de la pièce en faisant varier deux paramètres.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux paramètres à faire varier sont la puissance du faisceau et la vitesse de déplacement du faisceau, ladite puissance du faisceau étant augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ladite vitesse de déplacement du faisceau étant diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur.
4. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux paramètres à faire varier sont la puissance du faisceau et le diamètre du faisceau, ladite puissance du faisceau étant augmentée d'une première valeur à une deuxième valeur, ledit diamètre du faisceau étant diminué d'une première valeur à une deuxième valeur.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le groupe de paramètres comporte en outre une épaisseur d'une couche de poudre, ladite épaisseur d'une couche de poudre étant diminuée d'une première valeur à une deuxième valeur pendant le procédé de fabrication.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le groupe de paramètres comporte en outre une stratégie de balayage du faisceau, ladite stratégie de balayage du faisceau étant modifiée pendant le procédé de fabrication de la pièce, ladite stratégie de balayage du faisceau étant choisie parmi : bandes, damier.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le groupe de paramètres comporte en outre une direction de motif, ladite direction de motif étant modifiée pendant le procédé de fabrication.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau énergétique est un laser ou un faisceau d'électrons.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de traitement thermique de la pièce.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pièce à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique.