TITRE : PROCEDE DE RELAXATION DES CONTRAINTES PAR

ROTATION

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] Le domaine technique de l’invention est celui de la fabrication des pièces par forgeage.

[0002] Le domaine technique de l’invention concerne plus particulièrement un procédé de relaxation des contraintes résiduelles induites dans une pièce obtenue par un procédé de forgeage.

[0003] L’invention présente une application particulièrement intéressante dans le domaine des turbomachines, notamment pour la fabrication de pièces de révolution d’une turbomachine par forgeage.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

[0004] Lors de la fabrication des pièces par forgeage, il est connu de réaliser au moins une étape de traitement thermique (trempe et revenu) afin d’améliorer leur propriété mécanique. Lors de cette étape de traitement thermique, d’importantes contraintes résiduelles sont générées dans la pièce.

[0005] Ces contraintes résiduelles, issues notamment des traitements thermiques post-forges, peuvent engendrer des déformations problématiques des pièces lors des phases d’usinage, et notamment lors de l’usinage de pièces de révolution. Ce phénomène de déformation est notamment connu et relativement gênant sur des pièces en alliage à base de nickel.

[0006] Cette problématique de déformation est également connue dans le domaine des turbomachines, notamment lors de la fabrication par forgeage des pièces tournantes, comme par exemple lors de la fabrication par forgeage des disques de turbine ou des disques de compresseur.

[0007] Pour remédier à cet inconvénient, il a été mis en place, dans la gamme de fabrication des pièces par forgeage, une opération, intervenant entre le traitement thermique et les phases d’usinage, consistant à relaxer les contraintes résiduelles induites dans les pièces, et ainsi minimiser le nombre d’opérations d’usinage nécessaires.

[0008] Une telle opération est par exemple réalisée par un procédé de relaxation des contraintes par rotation, également appelé « pre-spinning » en langue anglaise.

[0009] Ce procédé consiste à mettre en rotation à grande vitesse une pièce, idéalement une pièce de révolution, afin de la déformer plastiquement et ainsi redistribuer et relaxer les contraintes internes induites lors des opérations d’élaboration et de transformation amont.

[0010] Ce procédé de relaxation des contraintes par rotation peut être décomposé en trois principales phases : une phase d’accélération, référencée P1 , une phase de maintien à vitesse constante, référencée P2, et une phase de décélération, référencée P3.

[0011] La [fig 1] est un graphique illustrant la variation de la vitesse de rotation en fonction du temps lors de la mise en œuvre d’un tel procédé de relaxation des contraintes par rotation, et mettant en avant les trois phases mentionnées précédemment.

[0012] Dans le cadre d’une production, on recherche une certaine répétabilité lors de la mise en œuvre de cette opération de relaxation des contraintes. On recherche donc à contrôler la déformation plastique, c’est à dire le grossissement résiduel, de la pièce en jouant sur les différentes phases, et notamment la phase d’accélération P1 et la phase de maintien à vitesse constante P2.

[0013] Une première approche consiste à définir, comme paramètre d’arrêt de la phase d’accélération P1 , une vitesse de rotation maximale cible (Vmax dbie) à atteindre, l’atteinte d’une certaine vitesse de rotation et donc l’application d’une certaine force centrifuge sur la pièce occasionnant un certain état de relaxation des contraintes dans la pièce en question.

[0014] Toutefois, les différentes pièces d’une production ne présentant pas une masse, une composition et une géométrie parfaitement identiques, l’utilisation d’une vitesse unique cible comme paramètre d’arrêt n’est pas une approche satisfaisante car les grossissements résiduels obtenus avec une telle approche varient de façon trop importante entre les différentes pièces relaxées.

[0015] Ainsi, compte tenu du grand nombre de paramètres rentrant en jeu (géométrie, composition, propriété des matériaux, outillage de maintien des pièces, contraintes résiduelles internes des pièces, masse, etc..), de leur interaction entre eux, il est très difficile d’obtenir une répétabilité pour une même série lors de cette opération de relaxation des contraintes par rotation. Il est alors nécessaire d’adapter le procédé pièce par pièce, augmentant par conséquent les temps de fabrication et les coûts de production.

RESUME DE L’INVENTION

[0016] Dans ce contexte, l’invention propose un nouveau procédé de relaxation des contraintes par rotation permettant d’atteindre un grossissement résiduel visé, et donc une certaine modification des contraintes internes, de manière automatique et s’adaptant en temps réel à la pièce forgée sans intervention spécifique d’un opérateur.

[0017] A cette fin, l’invention concerne un procédé de relaxation des contraintes résiduelles dans une pièce par mise en rotation de celle-ci, le procédé de relaxation des contraintes comportant une étape d’augmentation de la vitesse de rotation et une étape de diminution de la vitesse de rotation, ledit procédé de relaxation des contraintes étant caractérisé en ce que l’étape d’augmentation de la vitesse de rotation comporte : une première sous-étape consistant à mesurer, à un premier instant donné ÎA, une première valeur VA ² représentative de la vitesse de rotation de ladite pièce ainsi qu’une première valeur GrA représentative du grossissement radial de ladite pièce au dit premier instant ÎA ; une deuxième sous-étape consistant à mesurer, à un deuxième instant donné te, postérieur au premier l’instant ÎA, une deuxième valeur VB ² représentative de la vitesse de rotation de ladite pièce ainsi qu’une deuxième valeur Gre représentative du grossissement radial de ladite pièce, au dit deuxième instant te ; une troisième sous-étape consistant à déterminer un coefficient directeur pente d’une première fonction affine D à partir de ladite première valeur VA ² représentative de la vitesse de rotation de ladite pièce et de la première valeur GrA représentative du grossissement radial de ladite pièce au dit premier instant ÎA et à partir de ladite deuxième valeur VB ² représentative de la vitesse de rotation de ladite pièce et de ladite deuxième valeur Gre représentative du grossissement radial de ladite pièce, au dit deuxième instant te; une quatrième sous-étape consistant à déterminer une valeur de grossissement radial cible G _r cible de ladite pièce en fonction d’une valeur représentative de la vitesse de rotation, sous la forme d’une deuxième fonction affine D’ ayant pour origine la valeur d’un grossissement résiduel final souhaité D et pour coefficient directeur ledit coefficient directeur pente de ladite première fonction affine D déterminée lors de la troisième sous-étape ; une cinquième sous-étape d’arrêt de l’augmentation de la vitesse de rotation de laite pièce dès lors que le grossissement réel de ladite pièce en rotation correspond à ladite valeur de grossissement radial relatif cible G _r cible déterminée lors de la sous-étape précédente. [0018] Outre les caractéristiques évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de relaxation des contraintes selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : que ladite première sous-étape et ladite deuxième sous-étape sont réalisées à des instants (te, te) choisis de sorte que la contrainte générée sur la pièce par effet centrifuge est inférieure à la limite élastique du matériau composant ladite pièce ; ledit procédé comporte une étape de maintien à vitesse constante de la vitesse rotation de ladite pièce intervenant à la fin de l’étape d’augmentation de la vitesse de rotation ; la vitesse de rotation de ladite étape de maintien à vitesse constante correspond à la vitesse de rotation maximale atteinte lors de l’étape d’augmentation de la vitesse de rotation ; ladite étape de maintien à vitesse constante de la vitesse de rotation de ladite pièce dure entre 1 et 5 minutes ; ladite deuxième fonction affine a pour origine la valeur d’un grossissement résiduel final souhaité D auquel on soustrait la valeur d’un grossissement relatif de ladite pièce induit durant de l’étape de maintien à vitesse constante ; ladite pièce est un disque de turbine ou un disque de compresseur de turbomachine.

[0019] L’invention a également pour objet une gamme de fabrication d’une pièce de révolution par forgeage comportant un procédé de relaxation des contraintes résiduelles induites dans ladite pièce de révolution selon l’invention.

[0020] L’invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comporte : des moyens pour la mise en rotation de ladite pièce ; au moins un capteur de mesure pour mesurer le grossissement radial de ladite pièce ; un calculateur communiquant avec des moyens de stockage et recevant comme données d’entrée : une information relative à la vitesse de rotation de ladite pièce, une information relative au grossissement radial de ladite pièce associée à ladite information relative à la vitesse de rotation.

[0021] Avantageusement, ledit au moins un capteur de mesure sans contact tel qu’un laser, un capteur capacitif ou un capteur inductif à courant de Foucault.

[0022] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0023] Les figures ne sont présentées qu’à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

[0024] La figure 1 est un graphique représentant l’évolution de la vitesse en fonction du temps lors de la mise en œuvre d’un procédé de relaxation des contraintes par rotation selon l’état de la technique.

[0025] La figure 2 illustre un schéma synoptique illustrant les principales étapes du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention.

[0026] La figure 3 est un schéma synoptique détaillant les différentes sous- étapes de la deuxième étape du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention.

[0027] La figure 4 est un graphique illustrant le grossissement radial d’une pièce de révolution en fonction de la vitesse de rotation lors de la mise en œuvre du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention. [0028] La figure 5 est un schéma simplifié représentant l’outillage pour la mise en œuvre du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention.

[0029] Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

DESCRIPTION DETAILLEE [0030] La [fig 1] a déjà été décrite précédemment comme arrière-plan technologique.

[0031] La [fig 2] illustre un schéma synoptique illustrant les principales étapes du procédé de relaxation des contraintes 100 induites dans une pièce forgée 10 selon l’invention. [0032] A titre d’exemple, la pièce forgée 10 est un disque de turbine d’une turbomachine, ou encore un disque de compresseur de turbomachine.

[0033] Ce procédé de relaxation des contraintes 100 s’intégre dans une gamme plus générale de fabrication d’une pièce par forgeage pouvant notamment intégrer les étapes suivantes : laminage, matriçage, traitements thermiques (trempe et revenu), contrôle non destructif, usinage.

[0034] Pour rappel, le procédé de relaxation des contraintes par rotation (« pre- spinning » en langue anglaise) fonctionne grâce à l’effort centrifuge appliqué sur une pièce par rotation de celle-ci. L’effort centrifuge exercé sur la pièce permet de la déformer, soit élastiquement lorsque la contrainte appliquée sur la pièce par l’effort centrifuge est inférieure à la limite élastique du matériau, soit plastiquement lorsque la contrainte appliquée sur la pièce par l’effort centrifuge est supérieure à la limite élastique du matériau composant la pièce.

[0035] On rappelle que la force centrifuge Fœntrifuge est fonction de la masse de la pièce m, de la distance R entre le centre de rotation et du centre de gravité du système et de la vitesse angulaire w selon la formule suivante :

[0036] [Math 1]

[0037] Dans une première étape 110 du procédé de relaxation des contraintes 100, la pièce 10 sortant des opérations de forge et d’un traitement thermique est positionnée dans un dispositif 20 permettant la mise en rotation de ladite pièce 10.

[0038] La [fig 5] représente un schéma simplifié d’un tel dispositif 20 de relaxation des contraintes par rotation.

[0039] Le dispositif 20 comporte des moyens 25 pour la mise en rotation de la pièce 10, au moins un capteur de mesure sans contact 21 permettant de mesurer et de suivre en temps réel le grossissement radial de la pièce 10 lors de la mise en rotation. Avantageusement, l’outillage 20 comporte entre deux et quatre capteurs de mesure 21 répartis radialement autour de la pièce 10.

[0040] Les capteurs de mesure 21 sans contact sont par exemple des capteurs capacitifs ou des capteurs inductifs à courant de Foucault, ou encore des lasers.

[0041] Les capteurs de mesure 21 sont reliés à un calculateur 22 recevant les mesures des capteurs de mesure 21 ainsi que les paramètres de vitesse de rotation des moyens 25. En outre, le calculateur 22 communique avec une interface homme- machine 23 (IHM) et un afficheur 24. [0042] Dans une deuxième étape 120 du procédé selon l’invention, la pièce 10 est mise en rotation, et la vitesse de rotation de la pièce 10 est augmentée progressivement, c’est la phase d’accélération P1 visible à la figure 1 décrite précédemment. [0043] Pendant cette première phase d’accélération P1, la vitesse de rotation est augmentée progressivement jusqu’à atteindre une certaine vitesse. Durant cette phase P1, la pièce 10 se déforme dans un premier temps élastiquement puis plastiquement au fur et à mesure que la vitesse de rotation augmente et au fur et à mesure que la contrainte exercée sur la pièce, par effet centrifuge, augmente. [0044] La [fig 4] illustre, sous la forme d’un graphique, la déformation de la pièce 10, et plus précisément de son grossissement radial, en fonction de la vitesse de rotation au carré, lors des différentes phases du procédé de relaxation des contraintes.

[0045] La [fig 3] illustre un schéma synoptique détaillant les différentes sous- étapes de la deuxième étape 120 du procédé de relaxation des contraintes selon l’invention, permettant le pilotage de cette étape d’augmentation de la vitesse de rotation.

[0046] Dans une première sous-étape 121, on relève, à un instant donné ÎA, le grossissement GrA de la pièce 10 ainsi que la vitesse de rotation au carré correspondante VA ² . Le point A de la figure 4 représente ce premier couple de valeur {GrA, VA ² ) enregistré par le calculateur 22.

[0047] Cet instant ÎA d’enregistrement des paramètres de grossissement relatif et de vitesse de rotation est choisi de sorte que la contrainte générée sur la pièce 10 par l’effort centrifuge est inférieure à la limite élastique du matériau composant la pièce 10.

[0048] Dans une deuxième sous-étape 122, on mesure, à un instant donné ÎB (postérieur à l’instant ÎA), le grossissement Gre de la pièce 10 ainsi que la vitesse de rotation au carré correspondante VB ² . Le point B de la figure 4 représente ce deuxième couple de valeur {Gre, VB ² ) enregistré par le calculateur 22. [0049] Cet instant ÎB d’enregistrement des paramètres de grossissement relatif et de vitesse de rotation est choisi de sorte que la contrainte générée sur la pièce 10 par l’effort centrifuge est inférieure à la limite élastique du matériau composant la pièce 10. [0050] Ainsi, la première sous-étape 121 et la deuxième sous-étape 122 sont réalisées lorsque la vitesse de rotation génère uniquement une déformation élastique de ladite pièce 10.

[0051] Lors d’une troisième sous-étape 123, le calculateur 22 détermine la pente, ou le coefficient directeur, d’une fonction affine D passant par les points A et B, matérialisant respectivement le premier couple ( GrA, VA ² ) et le deuxième couple (Gre, VB ² ) mesurés lors des deux sous-étapes précédentes 121 et 122. Cette fonction affine D, représentée sur le graphique de la figure 4, met en évidence la relation de proportionnalité entre la déformation radiale (grossissement) de la pièce et la vitesse de rotation tant que la pièce 10 se déforme élastiquement. [0052] La pente, ou coefficient directeur, de la fonction affine D symbolisant cette phase de déformation élastique peut être déterminé par le calcul suivant :

[0053] [Math 2]

Gr _B _Gr _A

Pente 2 2

VB ^{~ V} A

[0054] A partir du calcul de la pente symbolisant la déformation élastique propre de la pièce 10 en fonction de la vitesse de rotation au carré, et à partir d’un grossissement résiduel final D souhaité, le calculateur 22 détermine dans une quatrième sous-étape 124 un ensemble de couples de valeurs {Gr _x, vx ² ) cibles permettant d’obtenir le grossissement résiduel final D souhaité en fin de cycle de relaxation. [0055] Cet ensemble de couples de valeurs ( Gr _x, vx ² ) est représenté par une deuxième fonction affine D’ ayant pour origine la valeur du grossissement résiduel final souhaité D et pour pente, la pente de la fonction affine D déterminée lors de la troisième sous-étape 123. [0056] Le grossissement résiduel final souhaité D est une valeur saisie par l’utilisateur via l’interface homme machine 23 et/ou stockée dans une mémoire associée au calculateur 22.

[0057] Le calculateur 22 détermine le grossissement cible G _r cible de la pièce 110, en question, en fonction de ces propriétés propres et en fonction de la vitesse de rotation avec l’équation suivante :

[0058] [Math 3]

Gr cible = pente * vitesse ² + D

[0059] Dans une cinquième sous-étape 125, lorsque le grossissement radial réel de la pièce 10 est équivalent au grossissement cible G _r cible, calculé par le calculateur 22, celui-ci stoppe la phase d’accélération P1.

[0060] De manière optionnelle, dans une troisième 130, la pièce 10 est maintenue en rotation à vitesse constante, à la vitesse maximale atteinte lors de l’étape précédente correspondant au grossissement cible G _r cible, pendant une période prédéterminée, appelée temps de maintien. Cette étape 130 est la deuxième phase P2 décrite précédemment et représentée à la [fig 1].

[0061] Durant ce temps de maintien à vitesse constante, la pièce 10 continue légèrement à se déformer plastiquement. Cette troisième étape 130 de maintien à vitesse constante permet une homogénéisation structurelle et permet aux déformations visco-plastiques de se stabiliser.

[0062] Par exemple, cette étape 130 de maintien est réalisée entre 1 et 5 minutes, et avantageusement pendant une période de l’ordre de 2 minutes.

[0063] Lorsqu’on prévoit cette étape 130 de maintien à vitesse constante dans le procédé 100 de relaxation des contraintes, il est nécessaire de prendre en compte dans les étapes précédentes, le grossissement, ou déformation plastique, de la pièce durant le temps de maintien, que l’on appellera grossissement du temps de maintien, G _r temps de maintien.

[0064] Ainsi, dans la formule présentée précédemment, il est nécessaire de prendre en compte, dans le calcul du grossissement cible G _r cible, le grossissement du temps de maintien G _r temps de maintien. [0065] Ce grossissement pendant le temps de maintien peut être défini empiriquement et être commun aux différentes pièces d’une même série. Celui-ci étant très faible par rapport au grossissement subi par la pièce 10 pendant la phase d’accélération, les variations obtenues avec un grossissement du temps de maintien estimé impactent très peu le résultat final, avec une variation entre les différentes pièces inférieure ou égale à 1%.

[0066] Dans ce cas, le calcul du grossissement cible est le suivant :

[0067] [Math 4]

Gr cible = pente * vitesse ² + D — Gr temps de maintien

[0068] Dans une quatrième étape 140, le calculateur 22 pilote la décélération des moyens 25 de mise en rotation : on entre dans la phase de décélération P3 consistant à diminuer progressivement la vitesse de rotation pour atteindre l’arrêt complet et la fin du cycle de relaxation des contraintes.

[0069] Lors de la décélération, le grossissement radial de la pièce 10 diminue progressivement avec la vitesse en suivant la droite D’ mentionnée précédemment, on assiste alors au phénomène de retour élastique de la pièce.

[0070] A l’arrêt complet, le grossissement résiduel obtenu sur la pièce en question correspond alors au grossissement final souhaité D.

[0071] Ainsi, le procédé de relaxation des contraintes par rotation selon l’invention permet d’obtenir automatiquement et sans mise au point préalable le grossissement résiduel souhaité correspondant à un état de relaxation des contraintes souhaité.

[0072] Le procédé de relaxation des contraintes par rotation selon l’invention permet de s’adapter automatiquement et spécifiquement aux caractéristiques géométriques, structurelles, de composition et de montage d’une pièce sans intervention d’un opérateur et sans réalisation d’une campagne d’essai au préalable.

[0073] Cette adaptabilité est permise notamment par la prise en compte du comportement structurelle spécifique de chaque pièce et de ses caractéristiques mécaniques (notamment le mode de déformation élastique) en cours de cycle de relaxation des contraintes.

[0074] Ainsi, le procédé de relaxation des contraintes par rotation selon l’invention permet d’avoir un process répétable et des pièces qui présentent un même état final de relaxation des contraintes.

[0075] L’invention a été décrite spécifiquement pour relaxer les contraintes dans un disque de turbine de turbomachine, toutefois, l’invention est également applicable à toutes les pièces de révolution d’une turbomachine nécessitant une opération de relaxation des contraintes induites par un traitement thermique post- forge.