EP0500458B1 - Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine - Google Patents

Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine Download PDF

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EP0500458B1
EP0500458B1 EP19920400435 EP92400435A EP0500458B1 EP 0500458 B1 EP0500458 B1 EP 0500458B1 EP 19920400435 EP19920400435 EP 19920400435 EP 92400435 A EP92400435 A EP 92400435A EP 0500458 B1 EP0500458 B1 EP 0500458B1
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diffusion
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André Claude Félix Collot
Bernard Philippe Cornil Sohier
Danilo Varela
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/053—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure characterised by the material of the blanks
    • B21D26/055—Blanks having super-plastic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/78—Making other particular articles propeller blades; turbine blades

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a hollow blade for a turbomachine.
  • FR-A-1 577 388 gives an exemplary embodiment of a blade made up of two wall elements between which is disposed a honeycomb structure, these wall elements being made in particular of titanium alloy and being formed in profile and to the desired shape by hot pressing.
  • FR-A-2 286 688 and FR-A-2 304 438 is a method of producing a metal structure from several parts comprising a superplasticity forming operation, at high temperature, by applying the pressure d '' an inert fluid in a suitable tool, associated with diffusion welding.
  • US-A-4,882,823 which document is considered to be the closest state of the art, further describes a method of manufacturing a hollow part from at least two assembled sheets comprising the steps of setting place of diffusion, welding-diffusion and superplastic forming barriers by inflation in a tool.
  • a variant applicable to turbomachine blades provides after the diffusion diffusion of the structure an operation of shaping the blade by twisting before performing the superplastic forming.
  • the object of the invention is to apply to the production of parts having a structure with at least three sheets and having if necessary a controlled distribution of the masses with respect to a centrifugal field in the case of parts rotating, an alternative method of manufacturing process allowing in particular to obtain fan blades with a large cord.
  • a single central sheet or two central sheets can be used.
  • the outer sheets can be obtained by hot forming from parts with decreasing thickness or by forming / pushing back using methods known per se of matrix forging. hot or isothermal forging.
  • the central sheet (s) can be chemically machined, either at the primary part stage in stage (a) of the process, or after stage (b) before installation diffusion barriers.
  • FIG. 1 shows an example of two external sheets 1 equipped with pins 2, and d 'a central sheet 7 constituting the primary parts of the blade.
  • the method of manufacturing these primary parts uses techniques known per se.
  • Figure 1 shows said parts 1 and 7 after a bending / twisting operation according to a known hot forming technique using a tool not shown in the drawings.
  • a chemical machining operation can be carried out on the central sheet 7 in order to obtain a determined distribution of the masses on the blade by controlling the thicknesses.
  • FIGS. 3A and 3B represent said sheet 7 after chemical machining by showing sections in a direction perpendicular to the edges of the blade to be obtained or in a direction parallel to these edges.
  • Said central sheet 7 is then coated with diffusion barriers delimiting welding zones 12, as shown in FIG. 4.
  • the zones of application of diffusion barriers are delimited using a mask which can be either a tool rigid or flexible, or an adherent deposit on the surface of a suitable material known per se, which will be cut or peeled, constituting a diffusion barrier during welding and unmasking.
  • Figure 6 shows schematically the establishment of the blade vane 11 on a tool 14 which includes inlets 15 for pressurizing gas and suitable sealing devices.
  • the seal between inside and outside of the tool is produced by a separate seal 16 and the seal between the inside of the blade and the inside of the tool is ensured by means of a peripheral weld of the part, as indicated in 13 in FIG. 5.
  • the seals on the one hand of the tool with respect to the outside and, on the other hand from the inside of the blade relative to the inside of the tool can be provided using a seal produced directly by creep and welding-diffusion of the external contour of the part. In this case, the seal footprint will be eliminated during finishing by machining.
  • the welding-diffusion operation is carried out in the oven.
  • the operation is carried out at a temperature of 930 ° C. and a neutral gas, such as argon, is used to obtain the pressurization of the parts as shown by the arrows 17.
  • a neutral gas such as argon
  • the pressure applied is 4 MPa.
  • the welds 18 between the central sheet 7 and the external sheets 1 are arranged alternately on one side and the other, as shown in FIG. 6.
  • the blade 11 is then held in place on the single tool 14 to carry out the inflation operation and superplastic forming under argon pressure using the gas collector which has been previously set up and the gas inlets arranged during of the previous operation of chemical machining of the central sheet 7 and during the installation of the blade 11 on the tool 14.
  • the blade 11 during this operation thus takes its final internal shape as shown in figure 7.
  • two central sheets can be used so as to obtain a blade structure as shown diagrammatically in section in FIG. 8 where the external sheets 1 are associated with two central sheets 19 and 20.
  • other structures can be sought as shown in FIG. 9.
  • an operation of inflation under gas pressure and superplastic forming is also applied, in accordance with the invention, after the assembly has been subjected to a bending / twisting operation.
  • the proposed solution optionally makes it possible to use a different material for the central sheets and for the outer sheets whose material may, in particular, not have the same superplasticity properties as that of the central sheets.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine.
  • Les avantages découlant de l'utilisation d'aubes à grande corde pour les turbomachines sont apparus notamment dans le cas des aubes de rotor de soufflante des turboréacteurs à double flux. Ces aubes doivent répondre à des conditions sévères d'utilisation et posséder notamment des caractéristiques mécaniques suffisantes associées à des propriétés antivibratoires et de résistance aux impacts de corps étrangers. L'objectif de vitesses suffisantes en bout d'aube a en outre amené à rechercher une réduction des masses. Ce but est notamment atteint par l'utilisation d'aubes creuses.
  • FR-A-1 577 388 donne un exemple de réalisation d'une aube composée de deux éléments de paroi entre lesquels est disposée une structure en nids d'abeille, ces éléments de paroi étant constitués notamment en alliage de titane et étant formés au profil et à la forme désirés par pressage à chaud.
  • On connaît également par FR-A-2 286 688 et FR-A-2 304 438 un procédé de réalisation d'une structure métallique à partir de plusieurs pièces comportant une opération de formage par superplasticité, à haute température, en appliquant la pression d'un fluide inerte dans un outillage adapté, associée à un soudage par diffusion.
  • US-A-4 882 823, lequel document est considéré comme l'état de la technique le plus proche, décrit en outre un procédé de fabrication d'une pièce creuse à partir d'au moins deux tôles assemblées comportant les étapes de mise en place de barrières de diffusion, de soudage-diffusion et de formage superplastique par gonflage dans un outillage. Une variante applicable aux aubes de turbomachine prévoit après le soudage-diffusion de la structure une opération de mise en forme de l'aube par vrillage avant d'effectuer le formage superplastique.
  • Le but de l'invention est d'appliquer à la réalisation de pièces possédant une structure à au moins trois tôles et ayant si besoin une distribution contrôlée des masses par rapport à un champ centrifuge dans le cas de pièces tournantes, une méthode alternative de procédé de fabrication permettant notamment d'obtenir des aubes de soufflante à grande corde.
  • Un procédé de fabrication, tel que défini par les caractéristiques de la revendication indépendante 1, répondant à ces conditions comporte les étapes successives suivantes :
    • a)- fabrication des pièces primaires comprenant deux tôles extérieures et au moins une tôle centrale,
    • b)- formage à chaud consistant en cambrage et vrillage des pièces obtenues à l'étape précédente (a) au profil prévu, de manière que chacune des au moins trois pièces comporte des surfaces vrillées et cambrées;
    • c)- mise en place sur la tôle centrale des barrières de diffusion ;
    • d)- Assemblage et mise en place sur outillage ;
    • e)- soudage-diffusion aux endroits choisis lors de l'étape (c) ;
    • f)- gonflage sous pression de gaz et formage superplastique des zones sélectionnées ;
    • g)- finition.
  • Suivant les applications, une tôle centrale unique ou deux tôles centrales peuvent être utilisées.
  • Avantageusement, les tôles extérieures peuvent être obtenues par formage à chaud à partir de pièces à épaisseur dégressive ou par formage/refoulement en utilisant des procédés connus en soi de forgeage à matrice chaude ou de forgeage isotherme. La ou les tôle(s) centrale(s) peut (peuvent) être usinée(s) chimiquement, soit au stade de pièce primaire à l'étape (a) du procédé, soit après l'étape (b) avant mise en place des barrières de diffusion.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente une vue schématique en perspective des pièces constitutives de l'aube, selon le procédé de fabrication conforme à l'invention,
    • la figure 2 montre une tôle centrale à épaisseur variable,
    • les figures 3A et 3B représentent schématiquement des détails de réalisation de la tôle représentée sur la figure 2,
    • la figure 4 représente selon une vue en perspective une tôle centrale revêtue des barrières de diffusion,
    • la figure 5 représente un schéma de l'assemblage final des pièces selon une vue en perpective,
    • la figure 6 représente l'opération de soudage-diffusion des pièces,
    • la figure 7 représente l'opération de gonflage et formage superplastique des renforts internes de la pièce,
    • les figures 8 et 9 montrent des variantes de réalisation d'aubes représentées schématiquement en coupe.
  • Dans un procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine selon un déroulé des opérations conforme à l'invention et schématiquement représenté sur les figures 1 à 7, la figure 1 montre un exemple de deux tôles extérieures 1 équipées de tétons 2, et d'une tôle centrale 7 constituant les pièces primaires de l'aube.
    Le mode de fabrication de ces pièces primaires fait appel à des techniques connues en soi.
  • La figure 1 montre lesdites pièces 1 et 7 après une opération de cambrage/vrillage selon une technique connue de formage à chaud utilisant un outillage non représenté sur les dessins.
  • En variante, avant cambrage/vrillage, une opération d'usinage chimique peut être effectuée sur la tôle centrale 7 en vue d'obtenir sur l'aube une répartition déterminée des masses par contrôle des épaisseurs.
  • Selon les applications, il peut être avantageux d'effectuer l'usinage chimique de la tôle centrale 7 selon les schémas des figures 2, 3A et 3B après l'opération de cambrage/vrillage.
    Dans ce cas, un usinage chimique est effectué pour obtenir une tôle à épaisseurs variables. Les figures 3A et 3B représentent ladite tôle 7 après usinage chimique en montrant des coupes selon une direction perpendiculaire aux bords de l'aube à obtenir ou selon une direction parallèle à ces bords. On peut notamment obtenir sur la tôle centrale 7 trois zones d'épaisseur 7a, 7b et 7c, comme indiqué sur les figures 2 et 3A et/ou des zones d'épaisseur variable dans la direction perpendiculaire, suivant la figure 3B.
  • Ces opérations sont réalisées suivant les techniques connues d'usinage chimique, notamment en utilisant des masquages, découpes au laser...
  • Ladite tôle centrale 7 est ensuite revêtue de barrières de diffusion délimitant des zones 12 de soudage, comme représenté sur la figure 4. Les zones d'application des barrières de diffusion sont délimitées à l'aide d'un masque qui peut être soit un outillage rigide ou souple, soit un dépôt adhérent à la surface d'un matériau adéquat connu en soi, qui sera découpé ou pelé, constituant une barrière de diffusion au cours du soudage et démasquage.
  • On procède ensuite à un assemblage final des éléments constitutifs de l'aube 11 à obtenir : tôles extérieures 1 et tôle centrale 7. Les tétons 2 d'assemblage sont utilisés, comme représenté sur la figure 5.
    Cette opération d'assemblage comporte également la préparation de l'ensemble 11 pour les opérations suivantes.
  • La figure 6 schématise la mise en place de l'ébauche d'aube 11 sur un outillage 14 qui comporte des arrivées 15 de gaz de mise sous pression et des dispositifs adéquats d'étanchéité. Dans l'exemple représenté, l'étanchéité entre intérieur et extérieur de l'outillage est réalisée par un joint séparé 16 et l'étanchéité entre l'intérieur de l'aube et l'intérieur de l'outillage est assurée au moyen d'une soudure périphérique de la pièce, comme indiqué en 13 sur la figure 5. En fonction de l'outillage utilisé les étanchéités d'une part de l'outillage par rapport à l'extérieur et, d'autre part de l'intérieur de l'aube par rapport à l'intérieur de l'outillage peuvent être assurées à l'aide d'un joint directement produit par fluage et soudage-diffusion du contour extérieur de la pièce. Dans ce cas, l'empreinte du joint sera éliminée lors de la finition par usinage. L'opération de soudage-diffusion est réalisée au four. Dans un exemple d'application à des pièces en alliages de titane, l'opération est réalisée à une température de 930°C et un gaz neutre, tel que l'argon, est utilisé pour obtenir la mise en pression des pièces tel que schématisée par les flèches 17. Dans un exemple de réalisation, la pression appliquée est de 4MPa. Les soudures 18 entre la tôle centrale 7 et les tôles extérieures 1 sont disposées de manière alternative d'un côté et de l'autre, comme représenté sur la figure 6.
  • L'aube 11 est ensuite maintenue en place sur l'outillage unique 14 pour réaliser l'opération de gonflage et formage superplastique sous pression d'argon en utilisant le collecteur de gaz qui a été précédemment mis en place et les arrivées de gaz ménagées lors de l'opération précédente d'usinage chimique de la tôle centrale 7 et lors de la mise en place de l'aube 11 sur l'outillage 14. L'aube 11 au cours de cette opération prend ainsi sa forme interne définitive telle que représentée sur la figure 7.
  • Il reste ensuite à obtenir une forme définitive de l'aube 11 par une finition, notamment par usinage avec découpe de la périphérie et enlèvement des attaches et finition des bords d'attaque et bord de fuite de l'aube 11 et finition du pied d'aube, ces techniques étant connues en soi.
    On notera que les bords d'attaque et de fuite de l'aube peuvent, avant finition, avoir une configuration proche de la forme définitive.
  • Le procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine qui vient d'être décrit peut être appliqué sans sortir du concept de l'invention à des aubes comportant des variantes de réalisation. Notamment, au lieu d'une tôle centrale 7 unique, plusieurs tôles centrales peuvent être utilisées. L'une au moins de ces tôles centrales a une surface continue comme la tôle 7 entrant dans la réalisation qui a été décrite précédemment en référence aux figures 1 à 7. On peut en outre utiliser une ou plusieurs tôles intermédiaires supplémentaires présentant par exemple une partie évidée au centre de manière à renforcer notamment les bords de l'aube obtenue.
  • Selon un autre mode de réalisation, deux tôles centrales peuvent être utilisées de manière à obtenir une structure d'aube telle que représentés schématiquement en coupe sur la figure 8 où les tôles extérieures 1 sont associées à deux tôles centrales 19 et 20. Suivant les applications, d'autres structures peuvent être recherchées telles que représentées sur la figure 9. Dans tous les cas des liaisons par soudage-diffusion sont établies entre les différentes tôles et une opération de gonflage sous pression de gaz et formage superplastique est également appliquée, conformément à l'invention, après que l'ensemble ait été soumis à une opération de cambrage/vrillage.
  • On note également que la solution proposée permet éventuellement d'utiliser un matériau différent pour les tôles centrales et pour les tôle extérieures dont le matériau peut, notamment, ne pas avoir les mêmes propriétés de superplasticité que celui des tôles centrales.

Claims (6)

  1. Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine, notamment une aube de rotor de soufflante à grande corde, comportant les étapes successives suivantes :
    (a) -fabrication des pièces primaires comprenant deux tôles extérieures (1) et au moins une tôle centrale (7),
    (b) -formage à chaud consistant en cambrage et vrillage des pièces (1,7) obtenues à l'étape précédente (a) au profil prévu, de manière que chacune des au moins trois pièces (1,7) comporte des surfaces cambrées et vrillées,
    (c) -mise en place sur la tôle centrale (7) des barrières de diffusion,
    (d) -assemblage et mise en place sur outillage (14),
    (e) -soudage-diffusion aux endroits (12) choisis lors de l'étape (c),
    (f) -gonflage sous pression de gaz et formage superplastique des zones sélectionnées,
    (g) -finition
  2. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 1 dans lequel l'étape (a) de fabrication des pièces primaires comporte une étape (a1) consistant en une opération d'usinage chimique sur la tôle centrale (7).
  3. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel après l'étape (b) de cambrage/vrillage, dans une étape complémentaire (b1), la tôle centrale (7) cambrée et vrillée est soumise à une opération d'usinage chimique de manière à obtenir une tôle à épaisseurs variables.
  4. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel les pièces primaires comprennent deux tôles extérieures (1) et plusieurs tôles centrales (7).
  5. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 4 dans lequel les tôles centrales (7) comprennent au moins une tôle centrale (7) à surface continue et au moins une tôle à partie centrale évidée.
  6. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 4 dans lequel les tôles centrales sont au nombre de deux (18,19), les deux dites tôles (18,19) étant liées aux tôles extérieures (1) par soudage diffusion et étant soumises à une opération de gonflage sous pression de gaz et formage superplastique.
EP19920400435 1991-02-20 1992-02-19 Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine Expired - Lifetime EP0500458B1 (fr)

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EP0500458A1 EP0500458A1 (fr) 1992-08-26
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