FR3164137A1 - Procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage - Google Patents

Procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage

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FR3164137A1 FR2407197A FR2407197A FR3164137A1 FR 3164137 A1 FR3164137 A1 FR 3164137A1 FR 2407197 A FR2407197 A FR 2407197A FR 2407197 A FR2407197 A FR 2407197A FR 3164137 A1 FR3164137 A1 FR 3164137A1
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Alexandra TROUVE
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

Procédé de réparation d’un insert (1) d’outillage pour forge par matriçage, l’insert comprenant une portion à réparer comportant une surface extérieure (S1) possédant un premier profil géométrique, le procédé comprenant : une étape de retrait de la portion à réparer du reste de l’insert et de formation d’une assise d’accrochage (3) sur le reste de l’insert, l’assise d’accrochage (3) comprenant une surface extérieure (S3) formée par une zone centrale (3a) et une zone périphérique (3b) qui s’étend graduellement depuis la zone centrale (3a) jusqu’à la surface extérieure (S2) du reste de l’insert ; et une étape de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser sur l’assise d’accrochage (3) de la portion à réparer retirée. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage
La présente invention se rapporte à la technique de forge par matriçage, notamment à chaud, pour la fabrication d’une pièce métallique et, plus particulièrement, à la réparation d’un insert pour forgeage par matriçage à chaud.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage.
Techniques antérieures
La forge par matriçage consiste à former une pièce par déformation plastique d’une ébauche portée à une température appropriée. Les ébauches sont généralement réalisées en alliages non ferreux tels que les alliages d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc.
Le matriçage est donc une opération de forge effectuée à l'aide d'un outillage comprenant des matrices, également nommées inserts : un demi-insert supérieur et un demi-insert inférieure que l'on rapproche l'un de l'autre. Les inserts sont gravés à la forme de la pièce que l’on souhaite réaliser.
Dans le domaine des turbomachines aéronautiques, on fabrique par cette technique de matriçage notamment des disques de turbine.
Les inserts utilisés pour le forgeage par matriçage à chaud s’usent rapidement du fait de leur domaine d’utilisation à haute température, notamment supérieure à 750°C, et de l’alliage de la pièce agressif pour l’outillage.
De plus, en raison d’opérations successives de forgeage sur l’outillage, certaines parties de l’insert atteignent par cyclage une température supérieure à 750°C qui endommage de manière irréversible l’alliage qui compose l’outillage.
Or, les superalliages constituant généralement l’insert, tels que les alliages à base nickel comme l’INCONEL® 718 possèdent des joints de grains qui, sous de telles contraintes thermiques, subissent un glissement intergranulaire. Ceci a pour conséquence d’altérer les propriétés mécaniques du matériau à haute température. Il en résulte un fluage gradient de la forme travaillante de l’insert au fur et à mesure des utilisations.
Lorsque la surface d’une pièce métallique est dégradée, il est connu de procéder à une opération de rechargement réalisée par apport de matériaux métalliques consistant à recouvrir la surface altérée par une nouvelle épaisseur de matériau identique.
Toutefois, le rechargement par ajout de matériaux métalliques tels que des superalliages à base nickel comme l’INCONEL® 718 nécessite du personnel qualifié, et le prix des baguettes de soudure est élevé ce qui suscite un coût de mise en œuvre prohibitif. Le rechargement par ajout de matériaux métalliques à partir de baguettes de soudure nécessite généralement le dépôt d’une sous couche. De plus la zone d’interface entre le substrat et le matériau de rechargement crée une zone de fragilité, zone affectée thermiquement, et un risque de décohésion du matériau de rechargement.
De plus, les inserts d’outillage pour forge par matriçage ont des zones de rechargement étendues, épaisses, et les superalliages sont des matériaux sensibles, de sorte que la qualité du rechargement est peu reproductible dans le temps et les défauts de soudures ne peuvent être évités.
Il résulte également du procédé de soudure une grande zone affectée thermiquement et donc un risque de décohésion de la soudure de son support.
Afin de garantir leurs propriétés mécaniques et la conformité des pièces qu’ils produisent, ces inserts sont mis au rebut lorsqu’ils sont trop altérés, et, l’insert doit être entièrement remplacé par un insert neuf.
Le coût de cette réalisation d’une paire de demi-insert supérieur et demi-insert inférieur est conséquent. La mise à disposition de ces inserts neufs est aussi très long.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir une solution rapide et économique de réparation d’insert d’outillage pour forge par matriçage à chaud.
Il est donc proposé un procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage, l’insert comprenant une portion à réparer comportant une surface extérieure possédant un premier profil géométrique, le procédé comprenant :
une étape de retrait de la portion à réparer du reste de l’insert et de formation d’une assise d’accrochage sur le reste de l’insert, l’assise d’accrochage comprenant une surface extérieure formée par une zone centrale et une zone périphérique qui s’étend graduellement depuis la zone centrale jusqu’à la surface extérieure du reste de l’insert ; et
une étape de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser sur l’assise d’accrochage pour la formation d’une nouvelle portion en remplacement de la portion à réparer retirée.
L’assise d’accrochage, et notamment la zone périphérique, forme une assise graduelle qui garantit la tenue du cordon de matière solide formé lors du rechargement, et rend possible un tel rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser.
L’insert endommagé est alors réparé par un procédé simple, fiable, rapide et reproductible.
De préférence, la zone centrale de la surface extérieure de l’assise d’accrochage possède un deuxième profil géométrique identique au premier profil de la surface extérieure de la portion à réparer et de dimensions inférieures, la zone centrale de la surface extérieure de l’assise d’accrochage et la surface extérieure de la portion à réparer étant parallèles.
De préférence, la zone périphérique de la surface extérieure de l’assise d’accrochage possède un rayon de courbure s’étendant depuis la zone centrale jusqu’à la surface extérieure du reste de l’insert, la face concave du rayon de courbure étant orienté vers l’extérieur de l’insert.
Préférentiellement, le rayon de courbure est supérieur ou égal à 8 mm.
Avantageusement, l’étape de retrait de la portion à réparer et de formation de l’assise d’accrochage peut être suivie d’une étape de contrôle des dimensions de l’assise d’accrochage.
De manière avantageuse, le procédé peut comprendre une étape de mise aux cotes de la nouvelle portion, telle qu’une étape d’usinage.
Dans un mode de réalisation, la nouvelle portion et l’assise d’accrochage sont formés par un premier matériau identique.
Dans un autre mode de réalisation, l’assise d’accrochage est formée par un premier matériau et la nouvelle portion est formée par un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau.
Dans un autre mode de réalisation, la nouvelle portion comprend une première face orientée vers l’assise d’accrochage et une deuxième face opposée orientée vers l’extérieur de l’insert, l’assise d’accrochage étant formée par un premier matériau, et l’étape de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser étant réalisée à partir du premier et d’un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau de sorte que les premier et deuxième matériaux forment un gradient entre les première et deuxième faces.
Par exemple, le premier et/ou le deuxième matériau comportent un alliage à base nickel.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre, comprenant des modes de réalisation donnés à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés, présentés en tant qu’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de l’invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquels :
FIG. 1est une vue en coupe d’un insert endommagé d’outillage pour forge par matriçage à chaud.
FIG. 2est un logigramme illustrant un procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge de matriçage à chaud selon un mode de réalisation de l’invention.
FIG. 3est une vue en coupe de l’insert illustré à laFIG. 1dont une portion à réparer a été retirée et une assise d’accrochage formée selon un mode de réalisation de l’invention.
FIG. 4est une vue en coupe de l’insert illustré à laFIG. 1réparé selon un mode de réalisation de l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
LaFIG. 1illustre un insert 1 d’outillage pour forge par matriçage à chaud endommagé qui doit être réparé.
Dans l’exemple illustré, l’insert 1 représenté est un insert d’outillage destiné à la formation d’un disque de turbine pour aéronef.
L’insert 1 illustré est circulaire et forme un disque plein qui s’étend autour d’un axe central X. L’insert 1 comporte des première et deuxième faces 1a et 1b opposées délimitant l’épaisseur de l’insert 1.
La première face 1a comporte une empreinte E du disque de turbine à former.
Bien entendu, l’insert 1 n’est pas limité à la formation d’un disque de turbine et peut être destiné à la formation de tout autre type de pièce, et n’est pas limité au domaine de l’aérospatiale. L’empreinte E de la première face 1a de l’insert sera alors adapté à la forme de la pièce à former.
L’insert 1 illustré comprend une portion endommagée à réparer 2. La portion 2 de l’insert 1 à réparer comporte une surface extérieure S1qui s’étend sur la première face 1a de l’insert 1 et forme une partie de l’empreinte E.
La surface extérieure S1de la portion à réparer 2 possède un premier profil géométrique et est prolongée par une surface extérieure S2du reste de la première face 1a de l’insert.
Dans l’exemple illustré, la surface extérieure S1de la portion à réparer 2 possède un profil en forme de coupelle.
LaFIG. 2illustre un procédé de réparation de l’insert 1 d’outillage pour forge par matriçage à chaud.
En référence à laFIG. 3, dans une première étape 100, la portion à réparer 2 qui est endommagée est retirée du reste de l’insert 1.
La première étape 100 comprend également la formation d’une assise ou socle d’accrochage 3 sur le reste de l’insert 1.
L’assise d’accrochage 3 qui est formée sur la première face 1a de l’insert 1 lors du retrait de la portion à réparer 2 comprend une surface extérieure S3comprenant une zone centrale 3a et une zone périphérique 3b.
Dans l’exemple illustré, l’assise d’accrochage 3 forme une cloche.
La zone périphérique 3b de la surface extérieure S3s’étend graduellement depuis la zone centrale 3a jusqu’à la surface extérieure S2du reste de la première face 1a de l’insert 1.
En d’autres termes, la zone périphérique 3b de la surface extérieure S3de l’assise d’accrochage 3 s’étend graduellement depuis la zone centrale 3a jusqu’à une interface I formée entre la surface extérieure S1de la portion à réparer 2 et la surface extérieure S2du reste de la première face 1a de l’insert 1.
Dans l’exemple illustré, le retrait de la portion à réparer 2 et la formation de l’assise d’accrochage 3 sont effectués par usinage.
De préférence, l’assise d’accrochage 3 est formée de sorte que la zone centrale 3a de la surface extérieure S3possède un deuxième profil géométrique identique au premier profil de la surface extérieure S1de la portion à réparer 2 retirée, mais de dimensions inférieures.
L’étape d’usinage pour la réalisation du deuxième profil de la surface extérieure S3de la zone centrale 3a de l’assise d’accrochage 3 est réalisée à la parallèle du premier profil de la portion à réparer 2. De cette façon, avant retrait de la portion à réparer 2, et comme on peut le voir à laFIG. 1, la zone centrale 3a de la surface extérieure S3de l’assise d’accrochage 3 et la surface extérieure S1de la portion à réparer 2 sont parallèles.
La portion à réparer 2 retirée peut alors être minimisée pour effectuer un rechargement d’épaisseur minimum et économiser la matière nécessaire au rechargement.
Dans l’exemple illustré, la première étape 100 de retrait de la portion à réparer 2 et de formation de l’assise d’accrochage 3 est avantageusement suivie d’une deuxième étape 200 de contrôle des dimensions de l’assise d’accrochage 3 formée afin de s’assurer de la conformité de l’assise d’accrochage 3, de pouvoir quantifier le matériau ajouté lors de la reconstruction de la portion à réparer 2 et de réaliser une économie de matière.
En référence à laFIG. 4, dans une troisième étape 300, on effectue le rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser sur l’assise d’accrochage d’une nouvelle portion 4 en remplacement de la portion à réparer 2 retirée.
Par fabrication additive par dépôt de métal par laser, on entend un procédé de rechargement communément appelé fabrication additive par projection de poudre ou « procédé LMD », acronyme des termes anglo-saxons « Laser Metal Deposition », et permettant de former une pièce ou une portion de pièce par dépôts successifs de matière métallique fondue par un laser.
Un faisceau laser sert à former un bain de fusion sur un substrat, formé ici par l’assise d’accrochage 3, sur lequel une poudre de matière est déposée. La poudre traverse à son tour le faisceau laser puis fond dans le substrat et forme, après solidification, un cordon de matière solide adhérant par fusion au substrat. Au fur et à mesure du rechargement par dépôt de métal par laser, plusieurs cordons liés lors de la solidification se superposent sur le premier cordon jusqu’à obtention de la portion de pièce souhaitée par additions successives de couches.
Le dépôt de métal par laser présente les avantages suivants : une vitesse de dépôt élevée, une atmosphère pouvant être contrôlée, une utilisation sur des composants volumineux, la formation de formes complexes, un apport de matière contrôlé, une reproductibilité. De plus, comme les couches déposées sont liées par fusion avec le substrat, il n’y a pas de risque de décohésion.
De plus, une large gamme de matériaux peut être utilisée pour le rechargement et le substrat.
La nouvelle portion 4 obtenue et l’insert 1 forme une structure monobloc.
La zone centrale 3a et la zone périphérique 3b de l’assise d’accrochage 3 forment une base pour le rechargement par dépôt de métal par laser. La présence de l’assise d’accrochage favorise l’accroche du cordon de matière solide formée au fur et à mesure du dépôt de métal par laser.
En particulier, la zone périphérique 3b de l’assise d’accrochage 3 forme une assise graduelle pour le cordon de matière.
De préférence, la zone périphérique 3b de la surface extérieure S3 de l’assise d’accrochage 3 formée à la première étape 100 possède un rayon de courbure dont la face concave est orientée vers l’extérieur de l’insert 1.
Le rayon de courbure s’étend depuis la zone centrale 3a jusqu’à la surface extérieure S2 du reste de la première face de l’insert 1.
En d’autres termes, le rayon de courbure de la zone périphérique 3b s’étend depuis la zone centrale 3a jusqu’à l’interface I formée entre la surface extérieure S1de la portion à réparer 2 et la surface extérieure S2du reste de la première face 1a de l’insert 1.
Un tel rayon de courbure forme une assise très graduelle favorable à l’accroche du cordon de matière solide formé au fur et à mesure du rechargement.
Préférentiellement, le rayon de courbure est supérieur ou égal à 8 mm. Une telle plage de valeurs permet d’optimiser l’accroche du cordon de matière solide.
De manière avantageuse, le procédé de réparation peut comprendre une quatrième étape 400 de mise aux cotes de la nouvelle portion 4, par exemple par usinage.
De manière encore plus avantageuse, le procédé de réparation peut comprendre une cinquième étape 500 de traitement thermique et de surface visant à traiter la surface extérieure S4 de la nouvelle portion 4 formée.
Dans un mode de réalisation, la nouvelle portion 4 et le reste de l’insert 1, y compris l’assise d’accrochage 3 sur laquelle est formée la nouvelle portion 4, peuvent être formés par un premier matériau identique.
Dans un autre mode de réalisation, l’insert 1, à l’exception de la nouvelle portion 4, et notamment l’assise d’accrochage 3 peut être formé par un premier matériau et la nouvelle portion 4 est formée par un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau.
La nouvelle portion 4 comprend une première face orientée vers l’assise d’accrochage 3 et une deuxième face opposée orientée vers l’extérieur de l’insert 1.
Dans un autre mode de réalisation, l’assise d’accrochage 3 peut être formée par un premier matériau. L’étape 300 de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser peut alors être réalisée à partir du premier et d’un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau de sorte que les premier et deuxième matériaux forment un gradient entre les première et deuxième faces de la nouvelle portion 4.
Selon un exemple, le premier matériau peut être majoritaire vers la première face orientée vers l’assise d’accrochage 3 et le deuxième matériau peut être majoritaire vers la deuxième face opposée orientée vers l’extérieur de l’insert 1
Selon une alternative, le deuxième matériau peut être majoritaire vers la première face orientée vers l’assise d’accrochage 3 et le premier matériau peut être majoritaire vers la deuxième face opposée orientée vers l’extérieur de l’insert 1.
Par exemple, le premier et/ou le deuxième matériaux comportent un alliage à base nickel.
L’alliage à base nickel de formule NiCr19Fe18Nb est, par exemple, le matériau connu sous la marque Inconel® 718.
Par exemple, le premier matériau peut être de l’Inconel® 718 et le deuxième matériau peut être du IN-100 Alloy® de dureté supérieure à l’Inconel® 718.

Claims (10)

  1. Procédé de réparation d’un insert d’outillage pour forge par matriçage, l’insert (1) comprenant une portion à réparer (2) comportant une surface extérieure (S1) possédant un premier profil géométrique, le procédé comprenant :
    une étape (100) de retrait de la portion à réparer (2) du reste de l’insert et de formation d’une assise d’accrochage (3) sur le reste de l’insert, l’assise d’accrochage (3) comprenant une surface extérieure (S3) formée par une zone centrale (3a) et une zone périphérique (3b) qui s’étend graduellement depuis la zone centrale (3a) jusqu’à une surface extérieure (S2) du reste de l’insert ; et
    une étape (300) de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser sur l’assise d’accrochage (3) pour la formation d’une nouvelle portion (4) en remplacement de la portion à réparer (2) retirée.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zone centrale (3a) de la surface extérieure (S3) de l’assise d’accrochage (3) possède un deuxième profil géométrique identique au premier profil de la surface extérieure (S1) de la portion à réparer (2) et de dimensions inférieures, la zone centrale (3a) de la surface extérieure (S3) de l’assise d’accrochage (3) et la surface extérieure (S1) de la portion à réparer (2) étant parallèles.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la zone périphérique de la surface extérieure (S3) de l’assise d’accrochage (3) possède un rayon de courbure s’étendant depuis la zone centrale (3a) jusqu’à la surface extérieure (S2) du reste de l’insert, la face concave du rayon de courbure étant orienté vers l’extérieur de l’insert (1).
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le rayon de courbure est supérieur ou égal à 8 mm.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape (100) de retrait de la portion à réparer (2) et de formation de l’assise d’accrochage est suivie d’une étape (200) de contrôle des dimensions de l’assise d’accrochage (3).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape (400) de mise aux cotes de la nouvelle portion (4) telle qu’une étape d’usinage.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la nouvelle portion (4) et l’assise d’accrochage (3) sont formés par un premier matériau identique.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’assise d’accrochage (3) est formée par un premier matériau et la nouvelle portion (4) est formée par un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la nouvelle portion (4) comprend une première face orientée vers l’assise d’accrochage et une deuxième face opposée orientée vers l’extérieur de l’insert (1), l’assise d’accrochage (3) étant formée par un premier matériau, et l’étape (300) de rechargement par fabrication additive par dépôt de métal par laser étant réalisée à partir du premier et d’un deuxième matériau de dureté supérieure au premier matériau de sorte que les premier et deuxième matériaux forment un gradient entre les première et deuxième faces.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le premier et/ou le deuxième matériaux comportent un alliage à base nickel.
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