EP0181255B1

EP0181255B1 - Procédé de fabrication d'un anneau de turbine en céramique intégré à un support métallique annulaire

Info

Publication number: EP0181255B1
Application number: EP85402051A
Authority: EP
Inventors: Alain Marie Lardellier
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1984-10-30
Filing date: 1985-10-23
Publication date: 1987-12-23
Also published as: JPS61119370A; FR2572394B1; DE3561231D1; EP0181255A1; JPH0247309B2; FR2572394A1; US4646810A

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication applicable notamment aux anneaux de turbine composés d'un élément céramique intégré à un support métallique annulaire.
Les avantages de l'utilisation de matériaux céramiques pour constituer des anneaux d'étanchéité de stator de turbine disposés au regard du rotor d'un étage de la turbine sont bien connus. La faible conductivité thermique de ces matériaux leur procure en effet une efficacité remarquable en tant que barrière thermique et leur utilisation permet ainsi de définir des éléments de stator, en particulier des carters, répondant plus facilement aux autres exigences de leur fonction, à moindre coût et avec une mise en oeuvre facilitée. La bonne résistance des matériaux céramiques aux températures élevées permet notamment de réduire ou dans certains cas de supprimer tout refroidissement et de réduire ainsi le débit d'air de ventilation, ce qui permet des gains en rendement appréciables. Ces matériaux présentent également notamment des propriétés de résistance à la corrosion à chaud qui sont avantageuses pour leur utilisation dans les anneaux de turbine.
Par contre, l'extension de l'utilisation des matériaux céramiques pour des anneaux de turbine a été freinée par diverses contraintes tenant à des difficultés de mise en oeuvre de ce type de solution dans ces applications. En particulier, les matériaux céramiques, surtout lorsqu'il s'agit de matériaux du type massiques, compacts, ont une mauvaise tenue lorsqu'ils sont soumis a des efforts de traction. Par ailleurs, leur faible coefficient de dilatation thermique provoque des défauts sérieux en fonctionnement au niveau de leurs liaisons sur des supports métalliques. Plusieurs solutions ont tenté de résoudre ces problèmes.
FR-A-2 371 575 décrit ainsi un anneau de turbine dans lequel un anneau céramique est constitué par la juxtaposition de segments. Ce type de solution impose un mode de fabrication et de montage relativement compliqué et coûteux. Par ailleurs, les discontinuités inévitables, au niveau des bords accouplés des segments, sont préjudiciables à un bon écoulement des gaz.
Un perfectionnement décrit par FR-A-2 540 938 prévoit de fixer élastiquement les segments en céramique à un anneau par une vis dont la tête transmet au segment une force axifuge qui l'applique contre l'anneau.
FR-A-2 559 634 prévoit d'utiliser un anneau en céramique d'une seule pièce, ce qui permet d'éviter quelques-uns des inconvénients mentionnés ci-dessus. Le mode de montage proposé dans ce cas, au moyen d'un support annulaire en matériau céramique bobiné, permet une mise en précontrainte de compression de l'anneau céramique mais n'est pas toutefois entièrement satisfaisant dans toutes les applications.
Le procédé de fabrication, selon l'invention, d'un anneau de turbine en céramique permet d'éviter les inconvénients notés ci-dessus et évite également l'utilisation d'un anneau supplémentaire en matériau céramique bobiné, ce qui rend cette solution plus complexe et impose également l'utilisation des moyens de liaison entre l'anneau céramique et son support annulaire, tels que des vis et des inserts.
Le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :

a) une opération de moulage en forme d'un élément céramique,
b) la mise en place de l'élément céramique obtenu en a) dans la cavité annulaire d'un outillage qui constitue un moule de coulée,
c) une coulée par centrifugation d'un matériau métallique dans la cavité dudit moule qui est entraîné en rotation jusqu'à la fin de la solidification,
d) un démoulage de la pièce obtenue en c) par démontage dudit moule,
e) un usinage de la pièce obtenue en d), de manière à ce que la pièce obtenue soit utilisable comme anneau de turbine constitué d'un élément céramique annulaire fretté dans un support métallique annulaire.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description ci-après, en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 représente, selon une vue partielle et schématique en coupe, une étape du procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'invention dans laquelle un élément céramique est placé dans un outillage constituant un moule de coulée,
la figure 2 représente une vue en coupe selon II-Il du dispositif de la figure 1,
la figure 3 représente, selon une vue en section par un plan contenant son axe géométrique, un anneau de turbine obtenu par le procédé conforme à l'invention,
la figure 4 représente une vue en coupe selon IV-IV de l'anneau de turbine de la figure 3,
la figure 5 représente, selon une vue en section par un plan contenant son axe géométrique, une variante d'anneau de turbine obtenu par le procédé conforme à l'invention,
la figure 6 représente une vue partielle en coupe selon VI-VI de la figure 5.
la figure 7 représente, selon une vue en perspective avec coupe, un secteur d'anneau de turbine également obtenu par le procédé conforme à l'invention.

Le procédé selon l'invention vise à réaliser un anneau de turbine en céramique intégré à un support métallique annulaire. La première étape du processus consiste en une opération de moulage en forme d'un élément en céramique tel que 1 visible sur les figures 1 et 2 représentant une étape ultérieure du procédé. Cette opération de moulage ne fait appel qu'à des méthodes connues couramment utilisées pour obtenir des éléments céramiques moulés. Cet élément céramique 1 peut constituer un anneau monobloc continu, comme représenté sur les figures 1 et 2 et il comporte sur son diamètre externe et sur son diamètre interne des picots 2 et 3 obtenues lors de l'opération de moulage. Selon la définition de l'anneau de turbine qui a été retenue. les éléments céramiques obtenus par moulage peuvent également se présenter sous forme de segments ou blocs séparés, susceptibles d'être assemblés pour former un anneau. De tels segments 1a sont représentés à la figure 4. En dehors des picots 2 et 3 présents sur les surfaces externes de l'élément céramique 1, un élément céramique peut être du type représenté aux figures 5 et 6 tel que 1b et comporter sur le diamètre externe des ancrages tels que 4 et éventuellement également sur les flancs de l'élément céramique des ancrages tels que 5. Ces ancrages 4 ou 5 peuvent ou non être annulaires et présenter toute forme compatible avec leur mode d'obtention par moulage. Ces détails d'ancrages peuvent aussi être appliqués sur l'anneau continu du type représenté aux figures 1 et 2.
Cet élément céramique 1 ainsi obtenu et défini, en anneau ou en segments, est ensuite mis en place entre une partie interne 6 et une partie externe 7 d'un outillage 8 entre lesquelles est ménagée une cavité annulaire 9, cet outillage 8 'constituant un moule de coulée. Les picots 2 et 3 mentionnés ci-dessus sont utilisés pour le positionnement et le maintien en place de l'élément céramique 1 dans la cavité annulaire 9.
On procède ensuite à une opération de coulée par centrifugation en respectant les précautions propres à cette méthode connue de coulée. Le métal en fusion est introduit dans l'outillage 8 qui, pendant ce temps, est entraîné en rotation autour de son axe. La cavité annulaire 9 est remplie par le métal en fusion et l'outillage 8 est maintenu en rotation jusqu'à la solidification complète du métal.
Le démoulage de la pièce obtenue est ensuite effectué par démontage du moule de coulée 8. Des usinages complémentaires sont habituellement nécessaires pour obtenir une pièce finie présentant des cotes précises exigées pour le montage de la pièce sur une turbine. Cette pièce finie 10 représentée aux figures 3 et 4 se compose ainsi d'un élément céramique 1 maintenu à l'intérieur d'un support métallique 11 auquel cet élément céramique 1 adhère parfaitement. Le support métallique 11 comporte une, ou plusieurs, bride(s) telle que 12 utilisée pour l'assemblage de la pièce dans la turbine (voir figure 3).
Le procédé selon l'invention qui vient d'être décrit permet également d'obtenir des anneaux du type représenté à la figure 7 qui présente un secteur d'un tel anneau dans lequel des pavés en matériau céramique 13 sont « emprisonnés dans une matrice métallique 14 qui a été obtenue par l'opération de coulée par centrifugation, ces pavés pouvant présenter toutes formes particulières, dont un exemple est représenté à la figure 7 et qui permettent leur « emprisonnement •.
Parmi les avantages obtenus par le procédé conforme à l'invention, on doit noter qu'au cours de la solidification complète du métal qui suit la coulée proprement dite, le matériau métallique exerce une mise en compression de l'élément céramique 1. Il en résulte une précontrainte de compression de la céramique qui peut être faible, voire s'annuler en fonctionnement, lors de l'utilisation de l'anneau après montage sur une turbine, mais en aucun cas il n'apparaît d'effort de traction du support métallique sur la céramique, ce qui serait gravement préjudiciable à une bonne tenue en service de l'élément céramique.
On notera qu'un type de céramique le mieux adapté aux conditions d'utilisation prévues peut être choisi pour la fabrication de l'élément céramique 1. En particulier, une céramique homogène ou composite peut être utilisée.
Diverses variantes dont les détails de réalisation sont immédiatement à la portée de l'homme du métier s'inscrivent également dans l'objet de l'invention. Ainsi les picots 2 ou 3 destinés au maintien de l'élément céramique 1 entre les deux parties 6 et 7 de l'outillage 8 avant et pendant l'opération de coulée du métal peuvent être remplacés par des entretoises rapportées. De même, le logement annulaire de l'élément céramique 1 dans le support métallique 11 peut avoir toute forme de section, rectangulaire ou trapézoïdale ou autre. Par ailleurs, la pièce annulaire 10 obtenue avant montage sur une turbine peut également être segmentée par sciage.

Claims

1. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine en céramique intégré à un support métallique annulaire caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :

a) une opération de moulage en forme d'un élément céramique (1 ; 1a ; 1b)

b) la mise en place de l'élément céramique (1 ; 1a ; 1 b) obtenu en a) dans la cavité annulaire (9) d'un outillage (8) qui constitue un moule de coulée

c) une coulée par centrifugation d'un matériau métallique dans la cavité (9) dudit moule (8) qui est entraîné en rotation jusqu'à la fin de la solidification

d) un démoulage de la pièce (10) obtenue en c) par démontage dudit moule (8)

e) un usinage de la pièce (10) obtenue en d) de manière à ce que la pièce (10) obtenue est utilisable comme anneau de turbine constitué d'un élément céramique annulaire (1 ; 1a ; 1b) fretté dans un support métallique annulaire (11).

2. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape a) l'élément céramique (1 ; 1a : 1b) obtenu est constitué d'une céramique homb- gène.

3. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape a) l'élément céramique (1 ; 1a ; 1 b) obtenu est constitué d'une céramique composite.

4. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans les étapes b) et c), l'élément céramique (1 ; 1a ; lb) est maintenu en position dans l'outillage (8) au moyen d'entretoises en céramique.

5. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément céramique (1 ; 1a ; 1b) obtenu par l'étape a) comporte des picots (2, 3) destinés lors des étapes b) et c) à maintenir l'élément céramique (1 ; 1a ; 1b) en position dans l'outillage (8).

6. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément céramique est constitué d'un anneau monobloc.

7. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément céramique (1a) est constitué de segments disposés en anneau dans l'étape b).

8. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément céramique (1 b) obtenu en a) comporte des ancrages (4 ; 5) de type femelle qui se remplissent de matériau métallique dans l'étape c) de manière à constituer à partir de là un « emprisonnement » de l'élément céramique dans le support annulaire métallique.

9. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits ancrages (4 ; 5) sont constitués sur le diamètre externe et sur les flancs de l'élément céramique.

10. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape c) est une coulée sous vide.

11. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape c) est une coulée sous atmosphère protectrice.

12. Procédé de fabrication d'un anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'usinage dans l'étape e) comporte une segmentation par sciage de la pièce annulaire (10) obtenue.