FR2978070A1 - Procede de reparation d'une piece de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de réparation d'une pièce de turbomachine (17), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - réaliser, couche par couche, une préforme (1) par fusion sélective d'une poudre contenant un matériau de base identique ou semblable à celui de la pièce, la préforme comportant une surface d'assemblage contenant un matériau de brasage et destinée à être brasée à la pièce (17) à réparer, - assembler la préforme (1) à la pièce (17) de la turbomachine par brasage-diffusion.

Description

1 Procédé de réparation d'une pièce de turbomachine

La présente invention concerne un procédé de réparation d'une pièce de turbomachine.

Certaines pièces d'une turbomachine, telles en particulier que des aubes de turbine, sont soumises à des phénomènes d'érosion ou d'usure, provoquant des endommagements importants qu'il faut réparer au-delà d'un certain nombre de cycles. Ces endommagements peuvent notamment se présenter sous la 10 forme d'un manque de matière. La réparation consiste alors à redonner à la pièce usée ses formes et dimensions d'origine. Pour cela, plusieurs techniques sont utilisées dans l'art antérieur. Un premier type de réparation consiste à apporter de la matière, par soudage à l'arc, dans les zones endommagées. Ceci n'est possible que 15 si les zones endommagées sont très localisées et si la quantité de matière à apporter est relativement faible. Un second type de réparation consiste à fabriquer une préforme par frittage d'une poudre de superalliage et d'une poudre de brasure, et à braser la préforme sur la pièce à réparer. 20 Plus particulièrement, une plaque ou un ruban sensiblement plat est réalisé en un mélange d'une poudre de superalliage et d'une poudre de brasage, qui est porté à haute température de manière à réaliser le frittage de l'ensemble. Des préformes sont ensuite découpées dans la plaque ou dans le 25 ruban, par découpe au jet d'eau, laser, poinçonnage, etc. La surface de la pièce à réparer est ensuite préparée et la préforme correspondante subit une opération d'ajustage lors de laquelle elle est usinée manuellement à l'aide d'une bande abrasive. Cette opération est longue et ne peut pas être répétée de manière précise. 30 La préforme est ensuite apposée contre la surface de la pièce à réparer, puis est brasée par diffusion sur ladite pièce. Pour cela, l'ensemble est placé dans un four pendant une période déterminée à haute température. Une étape de finition consiste à usiner la pièce réparée de façon à ce qu'elle présente les dimensions voulues, en général les dimensions d'origine d'une pièce neuve. On rappelle que le brasage est un procédé qui consiste à assembler par exemple deux pièces métalliques, de matériaux identiques ou différents, par l'intermédiaire d'un métal d'apport dont le point de fusion est nettement inférieur à ceux des matériaux des pièces. Le métal d'apport est amené à l'état liquide et les pièces sont chauffées par le métal d'apport, mais restent solides. Le brasage-diffusion (diffusion brazing ou transient liquid phase bonding) est de façon générale une opération d'assemblage de deux pièces métalliques analogue au brasage, mais dans laquelle la différence de composition entre le métal d'apport et les pièces à assembler est progressivement résorbée par un traitement thermique de diffusion. Ce traitement conduit à la formation d'une liaison quasi-homogène chimiquement et dont les caractéristiques sont proches de celles des pièces à assembler. Le brasage-diffusion pourrait donc être considéré comme un brasage conventionnel auquel on a adjoint un traitement de diffusion. Lors de l'assemblage de deux pièces, on utilise un métal d'apport de composition chimique voisine de celle des pièces à assembler, mais ayant une température de fusion plus faible. Au cours du brasage-diffusion, le métal d'apport fond et mouille les surfaces à assembler, puis se solidifie de façon isotherme par diffusion des éléments d'addition du métal d'apport dans le matériau des pièces, dont la composition change et s'homogénéise avec celle du cordon de brasage ainsi formé. Au stade final du brasage-diffusion, le métal d'apport fait corps et est indiscernable du matériau des pièces.

Un tel procédé permet d'effectuer, comme indiqué ci-dessus, l'assemblage de plusieurs pièces tout en conférant aux pièces assemblées et à leurs liaisons des caractéristiques mécaniques et métallurgiques comparables à celles des pièces d'origine. Les températures mises en oeuvre lors d'un tel procédé sont en outre compatibles avec les superalliages classiquement utilisés pour la réalisation de ces pièces, notamment dans le domaine aéronautique. La réparation d'une pièce à l'aide d'une préforme sensiblement plane limite toutefois les applications de ce procédé.

En effet, et par exemple dans le cas des aubes de turbine, la zone à réparer peut présenter un profil en trois dimensions. En outre, la quantité de matière à ajouter peut ne pas être constante sur toute la zone, ce qui implique que la préforme doit présenter une épaisseur variable. 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 réparation d'une pièce de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - réaliser, couche par couche, une préforme par fusion sélective d'une poudre contenant un matériau de base identique ou semblable à celui de la pièce, la préforme comportant une surface d'assemblage contenant un matériau de brasage et destinée à être brasée à la pièce de la turbomachine à réparer, - assembler la préforme à la pièce de la turbomachine par brasage-diffusion.

Comme la préforme selon l'invention est construite couche par couche par fusion sélective de poudre, elle peut avoir une forme en trois dimensions et une épaisseur variable. Le procédé selon l'invention peut donc être appliqué à la réparation de diverses pièces de turbomachine et en particulier des aubes de turbine.

En outre, la préforme peut être réalisée avec une rugosité contrôlée : la préforme est plus facilement brasable quand elle présente une certaine rugosité, puisque la brasure peut alors mouiller plus efficacement les surfaces à assembler.

Les tolérances dimensionnelles d'une préforme réalisée par fusion sélective sont en outre réduites par rapport à l'art antérieur, de sorte qu'une opération manuelle d'ajustage, longue et imprécise, ne doit pas nécessairement être réalisée. Le matériau de base est identique ou semblable à celui de la pièce à réparer, de manière à favoriser l'assemblage de la préforme par brasage-diffusion. Un matériau "semblable" est un matériau qui possède au moins la même base (par exemple : nickel, cobalt, titane,...). Selon une autre caractéristique de l'invention, la préforme est réalisée par fusion sélective d'une poudre du matériau de base et d'une poudre de brasage, dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion de la poudre de base. La préforme qui contient déjà un matériau de brasage, peut être brasée directement sur la pièce à réparer, en fonction de la quantité de matériau de brasage.

De préférence, la préforme contient au moins 600/0 de matériau de base, de manière à conférer des caractéristiques mécaniques suffisantes à a la préforme. Dans une variante de l'invention, la préforme est réalisée par fusion sélective d'une poudre contenant uniquement le matériau de base.

Un dépôt de matériau de brasage peut alors être effectué sur la surface d'assemblage de la préforme. Ce dépôt est par exemple réalisé par projection laser ou par projection plasma d'une poudre de brasage, ou par co-déposition (électrodéposition) dans un milieu aqueux.

L'épaisseur d'un tel dépôt est par exemple comprise entre 20 et 200 µm.

Le matériau de base peut être un superalliage à base de nickel, de cobalt ou de titane. Avant assemblage de la préforme et de la pièce de la turbomachine par brasage-diffusion, la préforme peut être maintenue à la pièce de la turbomachine par des points de fixation, réalisés par exemple par pointage laser, par soudage électrique par résistance, par soudage par décharge de condensateur, par soudage à l'arc, etc. En outre, avant assemblage de la préforme et de la pièce de la turbomachine par brasage-diffusion, les surfaces à braser peuvent être 10 dégraissées et/ou décapées. L'invention concerne également une pièce de turbomachine réparée par exécution du procédé précité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la 15 description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues en perspective d'une préforme utilisée pour la réparation d'un bord d'attaque ou d'un bord de fuite d'une aube de turbomachine, 20 - la figure 3 est une vue en perspective d'une préforme utilisée pour la réparation d'une plate-forme d'une aube de turbomachine, - la figure 4 est une vue schématique d'une installation de fusion sélective de poudre, 25 - les figures 5 à 7 sont des vues schématiques illustrant différentes étapes du procédé de réparation selon l'invention, - la figure 8 est une vue schématique d'une installation de projection laser, - la figure 9 est une vue schématique, en coupe, de la buse de 30 l'installation de la figure 8, - la figure 10 est une vue schématique d'une installation de projection plasma. Les figures 1 et 2 représentent une préforme 1 utilisée dans un procédé de réparation d'un bord d'attaque ou d'un bord de fuite d'une aube de turbine dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. La figure 3 représente une préforme 1 utilisée dans un procédé de réparation d'une plate-forme d'une aube de ce type. Dans les deux cas, les préformes 1 ont des formes tridimensionnelles complexes. Dans un premier mode de réalisation, le procédé de réparation selon l'invention consiste tout d'abord à réaliser, couche par couche, une préforme 1 frittée par fusion sélective d'un mélange de poudres comportant une poudre d'un matériau de base et une poudre d'un matériau de brasage. La température de fusion du matériau de brasage est inférieure à celle du matériau de base. A titre d'exemple, la température de fusion du matériau de brasage est comprise entre 1000 et 1300°C alors que la température de fusion du matériau de base est comprise entre 1200 et 1600°C. Le matériau de base est préférentiellement un superalliage, par exemple un superalliage à base de nickel. Le matériau de brasage est dans ce cas également à base de nickel, et comporte en outre des éléments dits fondants, tels que du silicium et/ou du bore, permettant d'abaisser la température de fusion. Des exemples de matériaux de base sont donnés ci-dessous. Pour chaque matériau, on donne la référence et la composition chimique correspondante (pourcentage en masse) : - Astroloy (NK17CDAT) : Base nickel, cobalt : 16,9 %, chrome : 14,8 %, aluminium : 3,87 %, titane : 3,45 %, molybdène : 5,1 %, carbone : 0,015 %. - René 77 : Base nickel, cobalt : 14 à 150/0, chrome : 14 à 15,50/0, molybdène : 3,9 à 4,50/0, titane : 3 à 3,70/0, aluminium : 4 à 4,60/0. - Co-285 : Base cobalt, nickel : 9,5 à 11,5 %, chrome : 24,5 à 25,50/0, fer : 0 à 20/0, manganèse : 0 à 10/0, silicium : 0 à 1 %, tungstène : 7 à 8 %, carbone : 0,45 à 0,55 %. - SYP3 : Base nickel, cobalt : 170/0, chrome : 15 %, molybdène : 5 %, titane : 3,50/0, aluminium : 40/0. De la même manière, des exemples de matériaux de brasage sont donnés ci-dessous : - TY 134b : Base nickel, cobalt : 18 à 22 %, silicium : 4 à 50/0, bore : 2,7 à 3,150/0, carbone : 0 à 0,060/0. - TY 135b : Base nickel, cobalt : 18 à 22 %, silicium : 3,5 à 40/0, bore : 2,7 à 3,150/0, carbone : 0 à 0,060/0. A titre d'exemple également, le mélange de poudres (matériau de base/matériau de brasage) peut comporter 750/0 en masse de poudre de type SYP3 (matériau de base) et 25 % en poids de poudre de type TY 134b (matériau de brasage). En variante, ce mélange peut comporter 700/0 en poids de poudre de type Co-285 (matériau de base) et 300/0 en masse de poudre de type TY 135b (matériau de brasage).

La fusion sélective est réalisée à l'aide d'une installation telle que celle représentée à la figure 4. Cette installation comporte un réservoir 2 contenant le mélange de poudres métalliques 3 et dont le fond 4 est mobile et déplaçable en translation par une tige 5 d'un vérin, et une cuve voisine 6 dont le fond est constitué par un plateau mobile 7, également déplaçable en translation par une tige 8 d'un vérin. L'installation comporte en outre un racleur 9 permettant d'amener de la poudre du réservoir 2 vers la cuve 6, par déplacement le long d'un plan horizontal A, et des moyens 10 de génération d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, couplés à un dispositif 11 commandé par ordinateur pour orienter et déplacer le faisceau 12. Un bac de réception 13 de la poudre excédentaire 14, adjacent à la cuve 6, peut également être prévu. Le fonctionnement de cette installation est le suivant. Tout d'abord, le fond 4 du réservoir 3 est déplacé vers le haut de manière à ce qu'une certaine quantité de poudre 3 soit située au-dessus du plan horizontal A. Le racleur 9 est déplacé de la gauche vers la droite, de manière à racler ladite couche de poudre 3 dans le réservoir 6 et déposer une couche mince de poudre métallique sur la surface plane horizontale du plateau 7.

La quantité de poudre et la position du plateau 7 sont déterminées de façon à former une couche de poudre d'une épaisseur choisie et constante. Un faisceau laser 12 ou un faisceau d'électrons, perpendiculaire au plan A, balaye ensuite une zone déterminée de la couche formée dans la cuve, de manière à fondre localement la poudre de brasage (et non la poudre de base). Les zones fondues se solidifient ensuite, en agglomérant les grains de la poudre de base et en formant une première couche 15 d'une préforme frittée 1, cette couche 15 ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 10 à 150 pm.

Plus particulièrement, l'épaisseur de la couche 15 est comprise entre 10 et 45 pm, respectivement entre 45 et 150 pm, lorsque la poudre est fondue à l'aide d'un faisceau laser ou respectivement à l'aide d'un faisceau d'électrons. Les couches minces sont privilégiées car elles permettent de contrôler la rugosité.

Le plateau 7 est alors descendu puis une seconde couche de poudre est amenée, de la même manière que précédemment, sur la première couche de poudre. Par déplacement contrôlé du faisceau, une seconde couche 16 est formée par frittage sur la première couche 15. Ces opérations sont répétées jusqu'à la formation complète de la préforme 1. Les couches 15, 16 présentent sensiblement la même épaisseur.

Dans le cas où la préforme 1 est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre à l'aide d'un faisceau laser, la poudre présente une taille de grain moyenne comprise entre 10 et 45 !lm. Les répartitions granulométriques des deux poudres ne sont pas forcément identiques. On privilégie des moyennes proches, c'est-à-dire le cas où les deux poudres ont chacune une granulométrie moyenne comprise entre 10 et 45 pm, afin de faciliter le mélange des poudres. Dans le cas où la préforme 1 est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre à l'aide d'un faisceau d'électrons, la poudre présente une taille de grain moyenne comprise entre 50 et 100 µm. Cette préforme 1, qui contient une quantité de matériau de brasage suffisante, peut être brasée directement sur la pièce à réparer 17 (figure 5). Pour cela, les surfaces à braser de la préforme 1 et de la pièce à réparer 17 sont dégraissées et/ou décapées, puis la préforme 1 est placée sur la surface de la pièce à réparer (figure 6). La préforme 1 est alors pointée (pointage laser, décharge de condensateur, résistance, arc...) à la pièce à réparer. Ceci permet de maintenir en position la préforme 1 sur la pièce à réparer 17. La préforme 1 et la pièce à réparer 17 sont ensuite placées dans un four où elles subiront un cycle de brasage-diffusion lors duquel elles sont soumises à haute température pendant une période de temps donnée. Plus particulièrement, pour un matériau de base de type NK17CDAT et pour un matériau de brasure de type NiCrB, le brasage-diffusion peut comprendre une montée en température d'environ 2 heures 30 min à 1205° C, un premier palier de 15 minutes à 1205° C, suivi d'un second palier de 2 heures à 1160° C, puis une baisse de température d'environ 1 heure de 1160° C à 20° C. Lors du brasage-diffusion, le matériau de brasage fond en premier. La phase liquide à laquelle il donne naissance est retenue par capillarité et mouille les surfaces de la pièce à réparer 17 et de la préforme 1.

Après refroidissement, une couche intermédiaire solide est formée entre la préforme 1 et la pièce à réparer 17, et a une structure métallographique homogène liée par diffusion aux surfaces de ces pièces. La pièce réparée possède ainsi des caractéristiques mécaniques identiques ou similaires à celles d'une pièce neuve. La pièce réparée subit enfin une opération de finition lors de laquelle les surfaces réparées sont ajustées ou usinées de manière à ce que la pièce retrouve les dimensions d'une pièce neuve (figure 7). Afin d'accroître encore les caractéristiques mécaniques de la préforme 1, et donc de la pièce réparée, ladite préforme 1 peut comporter, à coeur, une proportion réduite ou nulle de matériau de brasage, un dépôt de poudre riche en matériau de brasage pouvant ensuite être réalisé sur la surface à braser. C'est ainsi que la préforme 1 peut être réalisée par fusion sélective d'un mélange de poudre de base et de poudre de brasage dans lequel la proportion en masse de la poudre de base est supérieure à 900/0. Il est également possible de réaliser la préforme 1 par fusion sélective d'une poudre de base uniquement. Dans ce cas, il est nécessaire de former une couche d'une poudre enrichie en matériau de brasage sur la surface de la préforme. Cette couche peut être réalisée par projection laser ou par projection plasma, électrodéposition. La poudre utilisée pour la formation de cette couche peut comporter 60 à 90 % en masse de poudre de base et 10 à 400/0 en masse 25 de poudre de brasage. Cette couche permet d'effectuer, dans de bonnes conditions, le brasage-diffusion de la préforme et de la pièce à réparer. Le principe du dépôt par projection laser est illustré aux figures 8 et 9. Ce procédé de dépôt consiste à projeter une poudre 19 contre une 30 surface 18 et à chauffer la poudre projetée à l'aide d'un faisceau laser 20 orienté vers la surface 18, de sorte que ladite poudre 19 fonde puis se solidifie sur ladite surface 18. Pour cela, la préforme 1 est placée dans une enceinte 21 contenant par exemple de l'argon. Des moyens 22 de génération d'un faisceau laser de type YAG produisent un faisceau laser 20 orienté vers la surface 18 de la préforme 1, au travers d'une buse 23 orientée perpendiculairement à cette surface 18. La buse 23 et le faisceau laser 20 peuvent être déplacés par rapport à la surface (ou inversement), par l'intermédiaire d'une commande et de moyens appropriés 24.

La structure de la buse 23 est mieux visible à la figure 9. Elle comporte, de l'intérieur vers l'extérieur, un cône interne 25, un cône intermédiaire 26 et un cône externe 27. Un canal interne 28 orienté selon l'axe B de la buse traverse le cône interne 25, un premier canal annulaire 29 est situé entre le cône interne 25 et le cône intermédiaire 26 et un second canal annulaire 30 est situé entre le cône intermédiaire 26 et le cône externe 27. Les canaux annulaires 29, 30 sont inclinés par rapport à l'axe B de la buse 23. En particulier, le premier canal 29 est incliné par rapport à l'axe B de la buse 23 d'un angle a compris entre 30 et 50°. Le canal interne 28 sert au passage du faisceau laser 20 et d'un gaz protecteur interne. Le premier canal annulaire 29 sert au passage de la poudre 19, celle-ci étant projetée autour et dans le faisceau laser 20 avec un angle correspondant à l'angle a du premier canal 29. Le second canal annulaire 30 sert au passage d'un gaz protecteur externe. Une ou plusieurs couches successives 31, riches en matériau de brasure, peuvent ainsi être formées sur la surface correspondante 18 de la préforme 1. Le principe du dépôt par projection plasma est illustré aux figures 8 et 9. Ce procédé de dépôt consiste à injecter une poudre 19 dans un dard plasma 32 où elle est fondue et projetée à grande vitesse vers la surface à revêtir 18.

Plus particulièrement, le dard plasma 32 est produit à l'intérieur d'une torche par un arc électrique généré entre deux électrodes 33, 34 refroidies à l'aide d'un circuit de refroidissement 35. La différence de potentiel entre les deux électrodes 33, 34 est créée par un générateur 36.

La poudre 19, contenue dans un réservoir 37, est projetée perpendiculairement au dard 32. La fusion des grains de poudre 19 est due aux très hautes températures au sein du plasma, rendant possible le dépôt de matériaux à point de fusion élevé.

En se solidifiant, le matériau de la poudre forme un dépôt à la surface 18 de la préforme 1. Les grandes vitesses des gaz et des particules permettent d'obtenir une forte adhésion du dépôt, une faible porosité, et un niveau de transformation chimique réduit.

Le procédé selon l'invention permet de réparer diverses pièces de turbomachine. En effet, la préforme étant construite couche par couche par fusion sélective de poudre, celle-ci peut présenter une forme en trois dimensions et, si nécessaire, une épaisseur variable.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réparation d'une pièce de turbomachine (17), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - réaliser, couche par couche, une préforme (1) par fusion sélective d'une poudre (3) contenant un matériau de base identique ou semblable à celui de la pièce (17), la préforme comportant une surface d'assemblage contenant un matériau de brasage et destinée à être brasée sur la pièce (17) à réparer, - assembler la préforme (1) à la pièce (17) de la turbomachine par brasage-diffusion.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme (1) est réalisée par fusion sélective d'une poudre du matériau de base et d'une poudre de brasage, dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion de la poudre du matériau de base.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la préforme (1) contient au moins 600/0 de matériau de base.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme (1) est réalisée par fusion sélective d'une poudre contenant uniquement le matériau de base.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un dépôt (31) de matériau de brasage est effectué sur la surface d'assemblage (18) de la préforme (1).
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dépôt (31) de matériau de brasage est effectué par projection laser ou par projection plasma d'une poudre de brasage.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau de base est un superalliage à base de nickel, de cobalt ou de titane.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, avant assemblage de la préforme (1) et de la pièce (17) de laturbomachine par brasage-diffusion, la préforme (1) est maintenue à la pièce (17) de la turbomachine par des points de fixation, réalisés par exemple par pointage laser.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, avant assemblage de la préforme (1) et de la pièce (17) de la turbomachine par brasage-diffusion, les surfaces à braser sont dégraissées et/ou décapées.
10. 10. Pièce de turbomachine réparée par exécution du procédé selon l'une des revendications 1 à 9.