EP3898073A1 - Procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine - Google Patents

Procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine

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Publication number
EP3898073A1
EP3898073A1 EP19821084.1A EP19821084A EP3898073A1 EP 3898073 A1 EP3898073 A1 EP 3898073A1 EP 19821084 A EP19821084 A EP 19821084A EP 3898073 A1 EP3898073 A1 EP 3898073A1
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EP
European Patent Office
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reinforcement
parts
forming
blade
base
Prior art date
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Pending
Application number
EP19821084.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Antoine BOSSELUT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mecachrome France SAS
Original Assignee
Mecachrome France SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Mecachrome France SAS filed Critical Mecachrome France SAS
Publication of EP3898073A1 publication Critical patent/EP3898073A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/04—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine or like blades from several pieces
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    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
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    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
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    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
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    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of turbomachinery and more particularly that of fan blades of composite material.
  • the invention relates more particularly to a metal reinforcement of a turbine engine blade made of composite material, as well as to a method of producing such a reinforcement.
  • this metal reinforcement can be produced entirely by milling, from a block of metallic material, for example a block of titanium.
  • a blade has a complex shape, in particular having a double camber, so that this reinforcement requires multiple recovery operations and complex tools. This induces significant manufacturing costs.
  • the document FR 3 009 982 proposes a process for forging a reinforcement using specific tools to conform each of the lateral fins of the reinforcement.
  • a forging process can cause folds at the fins during twisting, which are primarily caused by the thin thickness of the fins.
  • the movements of each point of the part in formation are not made in a plane, but in three dimensions.
  • the tool will first touch certain parts of the part before others because the part is strongly left. The efforts are therefore different according to the zones, which can also create folds.
  • Document US 201 1/0274551 describes another method which also uses a forging step to arch a plate of metallic material and a machining step to make a slit in the thickness of the plate. This process also includes a step of superplastic forming in a mold, by introducing a hot gas inside the plate.
  • the superplastic forming step does not allow precise control of the internal surface of the reinforcement and in particular its bottom radius, which is however essential to allow the introduction and maintenance of the composite blade in the reinforcement. .
  • the superplastic forming step has the same drawbacks as a forging process. Indeed, the control and retouching of the interior of the part are complicated to carry out, while the shaping can cause folds.
  • the part being relatively flexible, it is necessary to provide complex tools to hold it firmly without deforming it during its machining.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks by proposing a method for producing a metal reinforcement of the leading edge of a turbine engine blade, making it possible to simplify the manufacturing range, to reduce the costs of manufacturing this reinforcement, retaining sufficient mechanical strength characteristics.
  • the invention thus relates to a method for producing a metal reinforcement of a turbine engine blade comprising an aerodynamic surface which extends between a leading edge and a trailing edge, said reinforcement comprising a base forming its leading edge and being extended by two lateral fins so as to define an internal surface capable of receiving the leading edge of the blade, the method comprising the following steps:
  • the invention deviates completely from conventional methods leading to the production of a one-piece metal reinforcement.
  • the invention also departs from the methods which envisage making a reinforcement in several parts which are assembled by a diffusion welding technique.
  • diffusion welding techniques almost do not reduce the properties of the material of the parts at the assembly level unlike fusion welding techniques (welding in English terminology) or mixing friction (friction stir welding in English terminology) which are nevertheless retained within the framework of the invention.
  • the location of the assembly will be chosen according to the distribution of the stresses to which the reinforcement is subjected, this distribution being known during the design of the part.
  • the invention thus makes it possible to position the assembly in the most appropriate zone so that the reinforcement has sufficient mechanical strength.
  • this process eliminates any forging or forming step during the shaping of the reinforcement from a crude.
  • the fact remains that the crude oil on which the process can be applied can be a crude oil previously forged to optimize the material used.
  • the fins are entirely produced by machining (to define the inside and the outside of the fins) and in the same operation.
  • the machining of the fin is carried out without any other operation interposed between two stages of machining of this fin, which can be offset in time.
  • the method does not carry out any viscoplastic deformation operation of the material, for example by forming or forging, aimed at modifying the shape of the part as a whole.
  • the machining is not followed by any operation aiming to modify the section or the thickness of the fins, except possibly in the area of assembly of the parts.
  • the thickness of the fins as well as their shape are therefore perfectly controlled.
  • the internal radius of the reinforcement is also produced by machining and it is no longer subjected to other geometric transformations. Its implementation is simple to master, unlike known methods, which reduces the tolerance ranges.
  • finished part is understood here a part which is in its final definition in terms of shape and thickness in its internal surface and a large part of its external surface. In other words, only a percentage by mass of between 0 and 5% is capable of being machined on the external surface of the part, after it has been assembled with the other component (s) constituting the reinforcement.
  • the method can be implemented by assembling two or three parts.
  • step (a) are preferably made a first monobloc piece forming one of the fins of the reinforcement and at least partially the base of the reinforcement and a second monobloc piece forming at least the other fin .
  • step (a) are preferably made a first one-piece piece forming one of the fins of the reinforcement, a second one-piece piece forming at least the other fin and a third one-piece piece forming at least partially the base of the reinforcement.
  • the method can be implemented with parts which are all produced by machining a metallic crude.
  • At least one of the parts is obtained by machining an already existing metal reinforcement.
  • step (a) the machining of a metallic crude is carried out alternately on each side of the crude to obtain said fin.
  • first and second intermediate parts are obtained, comprising a first part corresponding to a fin and a second part forming a heel.
  • step (a) the first intermediate part is positioned on said tool to remove or machine said heel.
  • step (a) the heel of the second intermediate part is machined to at least partially form the rounded internal surface of the base and the second intermediate part is then positioned on said tool to machine the external surface of said heel and form at least partially the outer surface of the base.
  • step (b) a step of texturing the internal surface of at least one of the parts is carried out, to give it a surface condition facilitating the subsequent fixing of the blade and of the reinforcement.
  • step (b) the assembly between the two parts is located to the right of the rounded internal surface of the base.
  • the invention also relates to a metal reinforcement of a turbine engine blade made of composite material comprising an aerodynamic surface which extends between a leading edge and a trailing edge, said reinforcement comprising a base forming its leading edge and being extended. by two lateral fins, said reinforcement defining an internal surface capable of receiving the leading edge of the blade and comprising at least two parts each forming at least one of the fins of the reinforcement and being assembled by a fusion welding technique or by friction mixing, each piece being one piece and finished.
  • a weld relief is present on the internal surface of the reinforcement, projecting relative to this surface,
  • the assembly between the first part and the second part is located at the right of the rounded internal surface of the base
  • the reinforcement is made of steel or a titanium alloy.
  • the invention also relates to a turbine engine blade made of a composite or metallic material, of the aluminum, magnesium or even graphene type and comprising a reinforcement according to the invention.
  • this blade has a recess of complementary shape to the weld relief present on the internal surface of the reinforcement.
  • Figure 1 is a side view of a blade having a metal reinforcement of the leading edge.
  • FIG. 2 is a perspective view of the leading edge illustrated in FIG. 1.
  • Figure 3 includes Figures 3A to 3F which are side views illustrating the stages of manufacturing a first component part of a reinforcement according to the invention.
  • FIG. 4 comprises the figs 4A to 4G which are side views illustrating the stages of manufacture of the second component part of the reinforcement according to the invention.
  • Figure 5 includes Figures 5A to 5C which are sectional views illustrating the assembly steps of the two component parts of the reinforcement according to the invention.
  • Figure 6 includes Figures 6A to 6E which are sectional views illustrating alternative embodiments of the reinforcement according to the invention.
  • Figure 7 is a perspective view illustrating another alternative embodiment of the reinforcement according to the invention.
  • Figure 8 includes Figures 8A and 8C which are sectional views illustrating the section of the reinforcement according to Figure 7 according to three different section planes.
  • Figure 1 illustrates a blade 1, in particular made of a composite material, for example an assembly of carbon fibers which is molded with resin by a vacuum injection process.
  • This blade comprises an aerodynamic surface 10 extending in a first axial direction 11 between a leading edge 13 and a trailing edge 14 and, in a second radial direction 12, between a base 15 and a top 16.
  • This aerodynamic surface 10 therefore has two lateral faces connecting the leading edge 13 to the trailing edge 14, one of them forming the upper surface of the blade and the other the lower surface of the blade.
  • Figure 1 only the underside 17 of the blade is shown.
  • This blade 1 comprises a metal reinforcement 2 'which is fixed to the blade, in particular by gluing so as to cover the leading edge 13.
  • This reinforcement 2 ' extends in the first axial direction 11, from the leading edge 13 of the blade as far as a part of the lower surface and the upper surface. It also extends in the second radial direction 12, between the base 15 and the apex 16 of the blade 1.
  • the reinforcement 2 ’ is therefore designed to conform to the shape of the leading edge 13 of the blade. Given the shape of the blade, the reinforcement 2 ’therefore has a double camber, as illustrated in FIG. 2.
  • the reinforcement 2 has a substantially V-shaped section and has a base 21 'forming the leading edge 20' of the reinforcement which is extended by two lateral wings 22 'and 23', the wing 23 'being intended to cover the upper surface of the blade, while the fin 22 'is intended to cover the lower surface of the blade.
  • the two fins have the same length, but this is not always the case.
  • the internal surface 200 ’of the reinforcement is defined inside the V and it is capable of receiving the leading edge 13 of the blade 1.
  • Figure 2 shows that the base 21 'has a rounded internal surface 210'.
  • Reinforcement 2 is made of metal. We choose a metal with a significant capacity for absorbing energy due to shocks. This reinforcement is conventionally made of a titanium alloy or steel.
  • the reinforcement 2 ’ can be bonded to the blade 1 by means of known adhesives, such as, for example, a cyanoacrylic adhesive or an epoxy adhesive. Other means of fixing the reinforcement to the blade can be provided. They are chosen according to the materials of the blade and the reinforcement.
  • FIG. 3 describes the steps for manufacturing a first piece of the reinforcement which is here the upper surface part of the reinforcement, that is to say the part comprising the fin intended to match the upper surface of the blade.
  • FIG. 4 describes the steps for producing the second part of the reinforcement which is here the lower surface part, that is to say the part comprising the lower surface fin intended to match the lower surface of the blade.
  • the invention is not limited to this mode of implementation of the method and the steps described with reference to FIG. 3 could be used to make the lower surface part, while the steps illustrated in FIG. 4 could be used to make the upper surface part.
  • FIG. 3A illustrates a metallic crude 3 in which the first part of the reinforcement will be produced.
  • This crude 3 is a forged or rolled crude for example.
  • This forging step is not necessary for the implementation of the process.
  • the rough has a thickness much greater than that of the fin, the first part being machined then remains rigid.
  • FIGS. 3B and 3C illustrate the machining operations (for example by milling or rectification) carried out with the cutter 6 alternately on each face 30, 31 of the stock 3 which are opposite.
  • the cutter 6 can alternately machine each face over a thickness of 10 mm.
  • the clamping tool which maintains the stock during machining is not illustrated in the figures. It is positioned on the right side of FIGS. 3A to 3D or also on the side of the heel 42 illustrated in FIG. 3D.
  • This machining is carried out from the end of the stock located opposite the clamping tool (or even opposite the heel 42 illustrated in Figure 3D) to this clamping tool.
  • the rigidity of the part can remain high, which makes it possible to obtain high machining performance and to guarantee the thicknesses in the part and thus to respect tolerances as well as possible.
  • Figure 3D illustrates the intermediate part 4 which is obtained after these machining operations.
  • This intermediate part 4 comprises a first part 41 corresponding substantially to the upper wing 23 and a second part 42 forming a heel and corresponding to an end part of the block 3.
  • the part 4 undergoes another machining operation to create a face 43 corresponding to the end of the fin 23 which is opposite to the heel 42. This operation can also be carried out during the machining of the rough to get the first part 41.
  • a texturing step can be carried out, in order to subsequently facilitate the fixing of the blade on the reinforcement according to the invention.
  • the thickness of the first part 41 of this part 4 is controlled, in order to make possible adjustments. As illustrated in FIG. 3D, the thickness of this first part 41 is preferably variable and decreases from the second part 42 towards the face 43. The upper wing will therefore have this same variable thickness.
  • FIG. 3E shows the part 4 in position on a tool 8 which will later be used for a welding operation.
  • This tool 8 has a tapered shape and its external surface corresponds substantially to the internal surface 200 of the reinforcement 2.
  • This tool 8 has two shoulders 80 and 81, the shoulder 80 being located on the upper face 82 of the tool and the shoulder 81 on the lower face 83.
  • FIG. 3E shows that the part 4 is wedged against the shoulder 80, thanks to its end 43. Its internal face 410 is therefore in contact with the upper surface 82 of the tool.
  • heel 42 helps to manipulate the part 4 when it is placed in position on the tool 8.
  • FIG. 3F shows the last step in obtaining the upper wing 23, in which the heel 42 is removed.
  • a reference face 230 is produced at the end opposite to the end 43. This reference face 230 will be useful for making the connection between the first part and the second part .
  • FIGS. 4A to 4G describe stages in the production of the second part, here the part comprising the underside fin.
  • FIG. 4A illustrates a metallic rough 5 in which the second part of the reinforcement 2 will be produced.
  • This crude 5 is for example a forged or rolled crude.
  • the second part 24 of the reinforcement is drawn in dotted lines, which will be obtained at the end of the manufacturing steps illustrated in FIG. 4.
  • This part 24 includes the lower surface fin 22 as well as the base 21 of the reinforcement 2.
  • Figures 4B and 4C illustrate the machining operations performed with the cutter 6 alternately on each face 50 and 51 of the stock 5 which are opposite.
  • the stock 5 is maintained by a clamping tool which is not illustrated in the figures and which is positioned on the right side of Figures 4A to 4E or also on the heel side 72 illustrated in Figure 4E.
  • Machining is also carried out from the end of the stock located opposite the clamping tool (or even opposite the heel 72) to this clamping tool.
  • FIG. 4D illustrates the intermediate part 7 which is obtained after these machining operations.
  • This intermediate part 7 comprises a first part 71 corresponding substantially to the lower surface fin 22 and a second part 72 forming a heel and corresponding to an end part of the block 5.
  • FIG. 4D also illustrates a machining operation carried out with the cutter 6a, in the heel 72, in order to define the rounded internal surface 210 of the base 21 of the reinforcement.
  • This surface is easily achieved because the inner part of the heel is easily accessible and allows the use of a milling tool without constraint.
  • the radius of curvature of this internal surface 210 is defined as a function of the profile of the blade for which the reinforcement is intended. It will be noted that the blade does not necessarily come into contact with all of this internal surface.
  • this internal surface and in particular its curvature must be controlled to avoid areas of concentration of stresses which could weaken the reinforcement and to allow correct positioning of the blade relative to the reinforcement.
  • FIG. 4E therefore illustrates the intermediate part 7 which then undergoes another machining operation to create a face 73 corresponding to the end of the fin 22 which is opposite to the heel 72.
  • This other machining operation can be carried out at during the machining of crude.
  • a texturing step can be carried out, in order to subsequently facilitate the fixing of the blade on the reinforcement according to the invention.
  • this texturing can in particular be carried out by a micromachining technique by laser or by sandblasting.
  • the thickness of the first part 71 of the part 7 is checked, in order to make any adjustments.
  • this first part 71 is preferably variable and decreases from the heel 72 towards the face 73.
  • the underside fin will therefore have this same variable thickness.
  • FIG. 4F shows the part 7 in position on the tool 8.
  • the part 7 is wedged against the shoulder 81, thanks to its end 73.
  • FIG. 4G shows the last step of obtaining the second part 24 of the reinforcement, in which the external surface of the heel 72 is machined in order to obtain the base 21 of the reinforcement with its leading edge 20 on its external surface 212.
  • a reference face 21 1 is produced at the free end of the base 21 of the reinforcement, opposite the leading edge 20 and facing the underside fin 22.
  • This reference face 21 1 will be useful for making the connection between the first part and the second part.
  • FIGS. 5A to 5C illustrate how the first part 23 and the second part 24 are assembled.
  • these two parts 23 and 24 are finished parts, their shape and their dimensions being substantially unchanged in the reinforcement obtained after assembly.
  • FIG. 5A illustrates the step in which these two parts are put in place on the welding tool 8.
  • the internal face 410 of the first part 23 is in contact with the upper surface 82 of the tool, while its end 43 bears against the shoulder 80.
  • the second part 24 is put in place on the tool 8, by bringing its internal face 710 into contact with the underside face 83 of the tool.
  • the second part 24 is wedged against the shoulder 81, thanks to its end 73.
  • the reference face 230 of the first part 23 is opposite with the reference surface 21 1 of the second part 24.
  • FIG. 5B illustrates the next step in which a weld 90 is produced between the reference faces 230 and 21 1.
  • the assembly technique used is a fusion welding technique (welding in English terminology) or friction stir welding (friction stir welding in English terminology) which is adapted in particular to the nature of the materials to be welded. It can be a laser welding technique, of the MIG / MAG or TIG type or even by electron beam for example.
  • the energy used is relatively low because the thicknesses involved are also low. Indeed, the welding is carried out between the thicknesses of each fin which are small, in particular between 0.5 and 3 mm.
  • fusion welding techniques are generally used for blanks of parts because they cause deformations and require subsequent treatments to loosen the stresses. They are also used for massive parts that are less sensitive to deformation. In mechanized welding, fusion welding techniques are used to obtain parts of simple geometry and imprecise dimensions which therefore require subsequent machining and stress relieving treatment. They are also used for parts of small dimensions (a few cms) whose deformations caused by welding are compatible with the expected tolerances and which are not very tight. These parts therefore do not undergo any subsequent operation and in particular, no machining subsequent to the welding. With regard to friction stir mixing techniques, their use is not widespread and, in general, limited to welds following simple paths and generating relatively large weld zones, imposed by the implementation tools.
  • the weld will thus be positioned in an area of the fin close to the nose rather than in the nose of the reinforcement because it has a lower stiffness due to the section ratio.
  • these techniques have the advantage of being simple and quick to implement, unlike diffusion joining techniques (bonding in English terminology). This is in particular due to the fact that an assembly by diffusion requires an oven and holding tools compatible with the material to be welded.
  • a surface treatment or a heat treatment can be carried out. These treatments are optional.
  • a heat treatment it may for example be a stress relaxation treatment or solution treatment, to modify the mechanical properties of the weld. It is also possible to provide a straightening or calibration operation to remedy any minor deformations occurring during welding or a minor removal or addition operation of material to correct any geometric deviations associated with the welding. This operation is a simple finishing operation in particular linked to the welding technique used.
  • the sum of the masses of the constituent parts of the reinforcement before assembly is greater than 95% of the mass of the final reinforcement intended to be fixed on the blade and which has therefore possibly undergone one or more finishing operations.
  • the reinforcement may locally include extra thicknesses or extra lengths (for example extra lengths making it possible to machine the ends of the part or extra thicknesses making it possible to perform polishing).
  • the method according to the invention requires only one tool used in all the steps of the method and which makes it possible to obtain a reinforcement having a precise shape and dimensions, thanks to a common reference system.
  • the thicknesses of the fins are obtained by a single machining phase in contrast to known methods and by a strategy that maximizes the rigidity of the part. This allows to obtain the expected dimensions, with optimal reproducibility with regard to the thickness of the fins and the shape of the bottom radius which are key characteristics of the reinforcement.
  • tolerances of ⁇ 0.02 mm can be obtained with the method according to the invention with regard to the thicknesses, in particular those of the fins.
  • the dimensions of the reinforcements obtained with the process according to the invention have a very low dispersion.
  • FIG. 5C illustrates the reinforcement 2 obtained after its removal from the tooling 8.
  • the reinforcement is then ready to be fixed on the blade 1, subject to a possible finishing operation as defined above. It has the same shape as the reinforcement 2 'illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the assembly by welding is carried out between the upper surface fin 23 and the base 21 of the reinforcement and more precisely in line with the rounded internal surface 210.
  • the weld extends substantially at right angles to this internal surface.
  • the invention is not however limited to this mode of implementation and the junction between the two parts could be located at another location on the rounded internal surface 210 of the base 21 of the reinforcement which is located at the bottom of the surface. internal 200 of the reinforcement.
  • the junction or assembly zone 90 corresponds to the entry of this internal surface 210.
  • this junction zone 91 is offset beyond this internal surface 210 while remaining close to the bottom of this surface.
  • FIGS. 6B and 6C correspond to two other embodiments of the method according to the invention in which the second part corresponds to the lower surface fin 22 of the reinforcement while the first part 25 comprises the upper surface fin 23 as well as the base 21 of the reinforcement.
  • FIG. 6B illustrates the junction zone 92 between the parts 22 and 25 in the example illustrated in FIG. 6B, the junction zone 92 between the parts 22 and 25 is located beyond the internal surface 210 of the base 21, while FIG. 6C illustrates the mode of implementation in which the junction zone 93 is located at the entrance to this internal surface 210 and to the right of the latter (reverse mode of FIG. 5A).
  • the intermediate part 4 illustrated in FIG. 3D is intended to form a fin, while the intermediate part 7 is intended to form the other fin and the base reinforcement.
  • each intermediate piece can be intended to form a fin and part of the base of the reinforcement, the two parts then being complementary.
  • the reinforcement is obtained from two parts obtained by machining a crude.
  • the invention is not however limited to this mode of implementation and the reinforcement can also be obtained from three pieces for example, each obtained by machining a crude.
  • a first part can form a fin, a second part the other fin and a third part the base of the reinforcement.
  • the reinforcement can be obtained from an already existing but defective reinforcement.
  • at least one component part of the reinforcement is obtained by machining this existing reinforcement while at least one other component part is obtained by machining a crude. The assembly of the parts thus makes it possible to repair the defective reinforcement.
  • FIGS. 6D and 6E show that the first part 26 comprises the upper surface fin 23 and a first part 21 a from the base 21 of the reinforcement while the second part 27 comprises the lower surface fin 22 and a second part 21 b of base 21, complementary to the first part 21 a.
  • the line of the junction zone 94 extends from the bottom of the surface 210 at an angle to the external surface 212 of the base 21, while in the example illustrated in FIG. 6E, the trace of the zone 95 extends along two straight lines, substantially perpendicular.
  • the assembly area is located in the base itself.
  • the assembly then causes little deformation due to the thickness of the base.
  • This solution will be adopted if the junction zone is located in a region of the reinforcement undergoing little stress.
  • the location of the assembly area will be chosen according to the mechanical stresses that the blade must bear. However, in all cases, it is preferable that the weld zone be distant from the end of the base 21, opposite the fins.
  • FIGS. 5B and 6A to 6E illustrate a section of the reinforcement which is produced at a determined level of the height of the reinforcement.
  • This section illustrates the positioning of the assembly between the two parts forming the reinforcement.
  • This positioning can be the same over the entire height of the reinforcement.
  • Figure 7 illustrates a reinforcement 2 according to the invention having the same shape as the reinforcement 2 'of Figures 1 and 2, identifying the assembly area 9 or joint plane between the two component parts of the reinforcement.
  • plane A located near the top 28 of the reinforcement
  • plane B located in an intermediate zone
  • plane C located at the foot 29 of the reinforcement.
  • FIGS. 8A to 8C show that the positioning of the assembly zone differs from one plane to another.
  • FIG. 8A shows that this zone 9 is located between the upper surface fin 23 and the base 21 of the reinforcement, as illustrated in FIG. 5C.
  • FIG. 8B shows that this zone 9 is offset towards the base 21 of the reinforcement, in a similar manner to the variant illustrated in FIG. 6A.
  • the assembly zone 9 is located in the base 21 of the reinforcement and close to the fin, similar to the variant illustrated in FIG. 6D.
  • the fins generally have a variable profile depending on the height of the reinforcement and it may be preferable that the welding parameters are constant over the entire weld to simplify its production.
  • the assembly can be carried out by implementing the same fusion welding technique over the entire height of the reinforcement or by using different techniques depending on the portion concerned of the reinforcement.
  • the method according to the invention makes it possible to reduce the outstandings, in particular since it does not include any long heating stage prior to forming.
  • the machining strategy allows significant efficiency.
  • this process can also allow prototypes to be produced more quickly than the other processes because it can be implemented without heavy means (presses, tools for forming refractory materials very long to supply and very expensive, development long).
  • it requires a machining machine comprising the cutting tool, a machining tool to clamp the roughs during their machining and an assembly tool.
  • this process makes it possible to obtain reinforcements of complex shape since it allows access to the bottom of the reinforcement, with in particular an internal surface having a smaller radius of curvature and a specific texturing inside the reinforcement. It also makes it possible to produce reinforcements having longer fins, thereby covering a larger surface of the blade and ensuring a more resistant interface between the reinforcement and the blade on which it is bonded.
  • the present invention is not limited to the modes of realization more particularly described. On the contrary, it embraces all of its variants and in particular that in which the blade is not made of a composite material but, for example, of aluminum with a reinforcement of titanium or steel alloy.

Abstract

La présente invention concerne un renfort métallique d'aube de turbomachine comprenant une surface aérodynamique qui s'étend entre un bord d'attaque et un bord de fuite, ledit renfort comprenant une base (21) formant son bord d'attaque (20) et étant prolongée par deux ailettes latérales (22, 23) de façon à définir une surface interne apte à recevoir le bord d'attaque de l'aube, le procédé comportant les étapes suivantes : (a) obtention d'au moins deux pièces formant chacune au moins l'une des ailettes du renfort, chaque pièce étant monobloc et finie, au moins l'une desdites pièces étant réalisée par usinage d'un brut métallique (b) assemblage desdites pièces préalablement positionnées sur un outillage (8) par une technique de soudage par fusion ou par friction malaxage, afin d'obtenir ledit renfort.

Description

PROCÉDÉ DE RÉALISATION D'UN RENFORT MÉTALLIQUE D'AUBE DE
TURBOMACHINE
La présente invention concerne le domaine technique des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflante en matériau composite.
L'utilisation de matériaux composites permet d'alléger la masse de l'aube, en comparaison avec une aube métallique.
Cependant, ces aubes en matériau composite présentent des risques de détérioration du fait d'une délamination ou d'une décohésion fibres/matrice en résine.
Ces aubes sont de plus sensibles aux impacts de corps étrangers, comme des oiseaux.
C'est pourquoi il est connu d'équiper ces aubes de soufflante en matériau composite d'un renfort métallique qui s'étend sur toute la hauteur de l'aube et qui couvre son bord d'attaque. Un tel renfort est par exemple décrit dans les documents FR 2 732 406 et EP 1 908 919.
Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un renfort métallique d’aube de turbomachines en matériau composite, ainsi qu'un procédé de réalisation d'un tel renfort.
De façon classique, ce renfort métallique peut être réalisé entièrement par fraisage, à partir d'un bloc de matière métallique, par exemple un bloc de titane.
Cependant, une aube présente une forme complexe, présentant notamment une double cambrure, de telle sorte que ce renfort nécessite de multiples opérations de reprise et des outillages complexes. Ceci induit des coûts de fabrication importants.
C'est pourquoi des techniques alternatives ont été développées. On peut ainsi citer le document FR 2 961 866 qui décrit un procédé de réalisation d'un renfort métallique incluant des étapes successives de forgeage d'un barreau métallique, pour réaliser des opérations de cambrage, bourrage, filage et enfin de vrillage, pour rapprocher les ailettes et calibrer la section plus épaisse.
Il est tout d'abord apparu que les dernières étapes de forgeage sont délicates à réaliser, compte tenu des contre-dépouilles que présente le renfort.
Ainsi, le document FR 3 009 982 propose un procédé de forgeage d'un renfort mettant en oeuvre un outillage spécifique pour conformer chacune des ailettes latérales du renfort.
De façon générale, un procédé de forgeage peut provoquer des replis au niveau des ailettes lors du vrillage qui sont en premier lieu provoqués par la faible épaisseur des ailettes. De plus, lors de la fermeture des ailettes, les déplacements de chaque point de la pièce en formation ne se font pas dans un plan, mais selon trois dimensions. Ainsi, l’outillage va d’abord toucher certaines parties de la pièce avant d’autres car la pièce est fortement gauche. Les efforts sont donc différents en fonction des zones, ce qui peut également créer des replis.
De plus, une usure importante des outils de forgeage et notamment de l’outillage de filage est probable puisqu’ils présentent une forme en V.
C’est pourquoi il est difficile d’obtenir avec précision la géométrie souhaitée pour le rayon de fond (intérieur) du renfort. Or, le contrôle de cette géométrie comme une éventuelle retouche sont difficiles voire impossibles à réaliser puisque cette zone est peu accessible après la fermeture des ailettes.
De plus, les procédés de forgeage comportent un nombre important d'étapes de fabrication, ce qui renchérit le coût des renforts. Il est enfin difficile par ces procédés de forgeage d'obtenir des épaisseurs très fines pour des ailettes.
Le document US 201 1 /0274551 décrit un autre procédé qui utilise également une étape de forgeage pour cambrer une plaque en matériau métallique et une étape d’usinage pour réaliser une fente dans l'épaisseur de la plaque. Ce procédé inclut également une étape de formage superplastique dans un moule, grâce à l’introduction d'un gaz chaud à l'intérieur de la plaque.
Ce procédé comporte donc, là encore, de nombreuses étapes de fabrication. De plus, l'étape de formage superplastique ne permet pas de maîtriser de façon précise la surface interne du renfort et notamment son rayon de fond, ce qui est pourtant indispensable pour permettre l'introduction et le maintien de l'aube composite dans le renfort.
Par ailleurs, l’étape de formage superplastique présente les mêmes inconvénients qu’un procédé de forgeage. En effet, le contrôle et la retouche de l’intérieur de la pièce sont compliqués à réaliser, alors que la mise en forme peut provoquer des replis.
De façon générale, tous les procédés connus nécessitent de nombreuses opérations de fabrication, incluant des étapes de fraisage, de formage et/ou de forgeage. Ces procédés sont donc relativement longs à mettre en oeuvre, ce qui renchérit le coût des renforts obtenus et crée un encours important.
Par ailleurs, il peut se produire une dispersion importante dans les cotes des pièces. En effet, ces procédés ne permettent pas d’obtenir directement des renforts dont les ailettes présentent l’épaisseur attendue qui est de l’ordre de 0,5 mm. Il est donc nécessaire d’effectuer une étape de finition, notamment par fraisage, pour obtenir l’épaisseur finale des ailettes et le profil aérodynamique attendu. Par ailleurs, l’intérieur de la pièce a été réalisé par formage et comporte donc une dispersion assez importante. Le profil extérieur de la pièce doit être adapté à celui de l’intérieur de la pièce lequel est déterminé par une mesure tridimensionnelle (par exemple par palpage). C’est un procédé long et complexe qui peut entraîner des incompatibilités avec les tolérances de la pièce et des rebuts sont possibles.
De plus, la pièce étant relativement souple, il est nécessaire de prévoir des outillages complexes pour la maintenir fermement sans la déformer lors de son usinage.
En conclusion, les procédés évoqués ici sont complexes, avec des contrôles et retouches qui sont difficiles car ils nécessitent un accès à la zone intérieure de la pièce. La combinaison de ces deux critères conduit à des gammes à fort risque de rebuts.
Ce risque de dispersion est également constaté lorsque le procédé nécessite une mise en forme finale alors que certaines cotes ont été précédemment définies en usinage. C’est par exemple le cas pour le brevet WO 2009/108253 qui décrit un procédé dans lequel l’ensemble de la pièce est usiné avant d’effectuer une opération de formage sur un mandrin pour rapprocher les ailettes.
L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d’aube de turbomachines permettant de simplifier la gamme de fabrication, de réduire les coûts de fabrication de ce renfort, tout en conservant des caractéristiques suffisantes de résistance mécanique.
L'invention concerne ainsi un procédé de réalisation d’un renfort métallique d’aube de turbomachines comprenant une surface aérodynamique qui s'étend entre un bord d’attaque et un bord de fuite, ledit renfort comprenant une base formant son bord d'attaque et étant prolongé par deux ailettes latérales de façon à définir une surface interne apte à recevoir le bord d'attaque de l’aube, le procédé comportant les étapes suivantes :
(a) obtention d’au moins deux pièces formant chacune au moins l’une des ailettes du renfort, chaque pièce étant monobloc et finie, au moins l’une desdites pièces étant réalisée par usinage d’un brut métallique
(b) assemblage desdites pièces préalablement positionnées sur un outillage par une technique de soudure par fusion ou par friction malaxage, afin d’obtenir ledit renfort.
Ainsi, l’invention s'écarte complètement des procédés classiques conduisant à l'obtention d'un renfort métallique monobloc.
Or, les pièces de renfort doivent présenter une résistance mécanique importante. C'est pourquoi, l'homme du métier écarte a priori des solutions conduisant à réaliser de telles pièces en plusieurs parties. En effet, les zones de liaison entre ces parties lui apparaissent comme des zones de faiblesse. La présence de telles zones est donc en contradiction avec la fonction de renfort attribuée à la pièce.
L’invention s’écarte également des procédés qui envisagent de réaliser un renfort en plusieurs parties qui sont assemblées par une technique de soudure par diffusion.
En effet, les techniques de soudure par diffusion n’entrainent presque pas d’abattement des propriétés du matériau constitutif des pièces au niveau de l’assemblage contrairement aux techniques de soudure par fusion (welding dans la terminologie anglaise) ou par friction malaxage (friction stir welding dans la terminologie anglaise) qui sont pourtant retenues dans le cadre de l’invention.
Or, il a été constaté que, de façon inattendue, le choix de ces techniques n’avait pas de conséquences négatives sur la résistance du renfort et permettait de bénéficier de tous leurs avantages, notamment en termes de simplicité et de rapidité de mise en oeuvre.
La localisation de l’assemblage sera choisie en fonction de la répartition des contraintes auxquelles le renfort est soumis, cette répartition étant connue lors de la conception de la pièce. L’invention permet ainsi de positionner l’assemblage dans la zone la plus appropriée afin que le renfort présente une résistance mécanique suffisante.
De ce fait, la présence d'un assemblage n'a pas d'impact sur la tenue mécanique du renfort.
Par ailleurs, ce procédé élimine toute étape de forgeage ou de formage lors de la mise en forme du renfort à partir d’un brut. Il reste que le brut sur lequel le procédé est susceptible d’être appliqué peut être un brut préalablement forgé pour optimiser la matière mise en oeuvre.
Avec le procédé selon l’invention, les ailettes sont entièrement réalisées par usinage (pour définir l’intérieur et l’extérieur des ailettes) et dans la même opération. En d’autres termes, l’usinage de l’ailette est réalisé sans autre opération intercalée entre deux étapes d’usinage de cette ailette, lesquelles peuvent être décalées dans le temps.
Le procédé ne met en oeuvre aucune opération de déformation viscoplastique de la matière, par exemple par formage ou forgeage, visant à modifier la forme de la pièce dans son ensemble. Par ailleurs, l’usinage n’est suivi d’aucune opération visant à modifier la section ou l’épaisseur des ailettes, hormis éventuellement dans la zone d’assemblage des pièces.
L’épaisseur des ailettes ainsi que leur forme sont donc parfaitement maîtrisées. De plus, le rayon intérieur du renfort est également réalisé par usinage et il ne subit plus par la suite d’autres transformations géométriques. Sa réalisation est simple à maîtriser, contrairement aux procédés connus, ce qui permet de réduire les plages de tolérance.
Chacune des pièces constituant le renfort sont des pièces finies lorsqu’elles sont assemblées par soudure par fusion ou par friction malaxage. On comprend ici par « pièce finie » une pièce qui est dans sa définition finale en termes de forme et d’épaisseur dans sa surface intérieure et une grande partie de sa surface extérieure. En d’autres termes, seul un pourcentage en masse compris entre 0 et 5% est susceptible d’être usiné sur la surface extérieure de la pièce, après son assemblage avec l’autre ou les autres pièce(s) constitutive(s) du renfort.
Ainsi, le procédé peut être mis en oeuvre par l’assemblage de deux ou trois pièces.
Dans le premier cas, lors de l’étape (a), sont de préférence réalisées une première pièce monobloc formant l’une des ailettes du renfort et au moins partiellement la base du renfort et une deuxième pièce monobloc formant au moins l’autre ailette.
Dans le deuxième cas, lors de l’étape (a), sont de préférence réalisées une première pièce monobloc formant l’une des ailettes du renfort, une deuxième pièce monobloc formant au moins l’autre ailette et une troisième pièce monobloc formant au moins partiellement la base du renfort.
Par ailleurs, le procédé peut être mis en oeuvre avec des pièces qui sont toutes réalisées par usinage d’un brut métallique.
Cependant, il peut également être mis en oeuvre pour réparer un renfort métallique détérioré. Dans ce cas, au moins l’une des pièces est obtenue par usinage d’un renfort métallique déjà existant.
Dans d’autres modes de mise en oeuvre avantageux, on a de plus recours à l'une ou à l'autre des dispositions suivantes : - Dans l'étape (a), l'usinage d’un brut métallique est réalisé alternativement de chaque côté du brut pour obtenir ladite ailette.
- Dans l’étape (a), sont obtenues une première et une deuxième pièces intermédiaires, comportant une première partie correspondant à une ailette et une deuxième partie formant talon.
- Dans l’étape (a), la première pièce intermédiaire est positionnée sur ledit outillage pour retirer ou usiner ledit talon.
- Dans l’étape (a), le talon de la deuxième pièce intermédiaire est usiné pour former au moins partiellement la surface interne arrondie de la base et la deuxième pièce intermédiaire est ensuite positionnée sur ledit outillage pour usiner la surface extérieure dudit talon et former au moins partiellement la surface extérieure de la base.
- Avant l'étape (b), est réalisée une étape de texturation de la surface interne d'au moins l’une des pièces, pour lui donner un état de surface facilitant la fixation ultérieure de l'aube et du renfort.
- Dans l’étape (b), l’assemblage entre les deux pièces est localisé au droit de la surface interne arrondie de la base.
L'invention concerne également un renfort métallique d’aube de turbomachines en matériau composite comprenant une surface aérodynamique qui s'étend entre un bord d'attaque et un bord de fuite, ledit renfort comprenant une base formant son bord d'attaque et étant prolongée par deux ailettes latérales, ledit renfort définissant une surface interne apte à recevoir le bord d'attaque de l’aube et comprenant au moins deux pièces formant chacune au moins l’une des ailettes du renfort et étant assemblées par une technique de soudure par fusion ou par friction malaxage, chaque pièce étant monobloc et finie.
Dans d'autres modes de mise en oeuvre avantageux, on a de plus recours à l'une ou à l'autre des dispositions suivantes : - la base du renfort comporte une surface interne arrondie,
- un relief de soudure est présent sur la surface interne du renfort, en saillie par rapport à cette surface,
- l’assemblage entre la première pièce et la deuxième pièce est localisé au droit de la surface interne arrondie de la base,
- la surface interne du renfort est texturée,
- le renfort est réalisé en acier ou en un alliage de titane.
Enfin, l'invention concerne également une aube de turbomachines réalisée en un matériau composite ou métallique, du type aluminium, magnésium ou encore en graphène et comprenant un renfort selon l'invention.
De préférence, cette aube comporte un évidement de forme complémentaire du relief de soudure présent sur la surface interne du renfort.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort métallique de bord d'attaque.
La figure 2 est une vue en perspective du bord d'attaque illustré à la figure 1 .
La figure 3 comporte les figures 3A à 3F qui sont des vues de côté illustrant les étapes de fabrication d'une première pièce constitutive d'un renfort selon l'invention. La figure 4 comporte les figues 4A à 4G qui sont des vues de côté illustrant les étapes de fabrication de la deuxième pièce constitutive du renfort selon l’invention.
La figure 5 comporte les figures 5A à 5C qui sont des vues en coupe illustrant les étapes d’assemblage des deux pièces constitutives du renfort selon l'invention.
La figure 6 comprend les figures 6A à 6E qui sont des vues en coupe illustrant des variantes de réalisation du renfort selon l’invention.
La figure 7 est une vue en perspective illustrant une autre variante de réalisation du renfort selon l’invention.
La figure 8 comprend les figures 8A et 8C qui sont des vues en coupe illustrant la section du renfort selon la figure 7 selon trois plans de section différents.
Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.
La figure 1 illustre une aube 1 , notamment réalisée en un matériau composite, par exemple un assemblage de fibres de carbone qui est moulé avec de la résine par un procédé d'injection sous vide.
Cette aube comporte une surface aérodynamique 10 s'étendant selon une première direction axiale 1 1 entre un bord d'attaque 13 et un bord de fuite 14 et, selon une deuxième direction radiale 12, entre un pied 15 et un sommet 16.
Cette surface aérodynamique 10 comporte donc deux faces latérales reliant le bord d’attaque 13 au bord de fuite 14, l’une d’elle formant la face extrados de l’aube et l’autre la face intrados de l’aube. Sur la figure 1 , seule la face intrados 17 de l’aube est représentée.
Cette aube 1 comporte un renfort métallique 2’ qui est fixé sur l’aube, notamment par collage de façon à recouvrir le bord d’attaque 13. Ce renfort 2’ s’étend selon la première direction axiale 1 1 , depuis le bord d’attaque 13 de l’aube jusque sur une partie de la face intrados et de la face extrados. Il s'étend également selon la deuxième direction radiale 12, entre le pied 15 et le sommet 16 de l’aube 1 .
Le renfort 2’ est donc conçu pour épouser la forme du bord d'attaque 13 de l'aube. Compte tenu de la forme de l'aube, le renfort 2’ présente donc une double cambrure, comme cela est illustré sur la figure 2.
Le renfort 2 présente une section sensiblement en forme de V et comporte une base 21’ formant le bord d’attaque 20’ du renfort qui est prolongée par deux ailes latérales 22’ et 23’, l’aile 23’ étant destinée à recouvrir la face extrados de l'aube, tandis que l’ailette 22’ est destinée à recouvrir la face intrados de l'aube. Dans l’exemple illustré, les deux ailettes ont la même longueur mais ce n’est pas toujours le cas.
La surface interne 200’ du renfort est définie à l’intérieur du V et elle apte à recevoir le bord d’attaque 13 de l’aube 1 .
La figure 2 montre que la base 21’ comporte une surface interne 210’ arrondie.
Le renfort 2’ est réalisé en métal. On choisit un métal ayant une capacité importante d'absorption de l'énergie due aux chocs. Ce renfort est classiquement réalisé en un alliage de titane ou en acier.
Le renfort 2’ peut être collé sur l'aube 1 au moyen de colles connues, comme par exemple une colle cyanoacrylique ou encore une colle époxy. D’autres moyens de fixation du renfort sur l’aube peuvent être prévus. Ils sont choisis en fonction des matériaux constitutifs de l’aube et du renfort.
Il va maintenant être fait référence aux figures 3 à 5 pour décrire un procédé selon l'invention pour la fabrication d'un renfort tel qu’illustré aux figures 1 et 2, mais en deux parties et non d’une pièce. La figure 3 décrit les étapes de fabrication d'une première pièce du renfort qui est ici la pièce extrados du renfort, c'est-à-dire la pièce comprenant l’ailette destinée à épouser la face extrados de l'aube.
Par ailleurs, la figure 4 décrit les étapes de réalisation de la deuxième pièce du renfort qui est ici la pièce intrados, c'est-à-dire la pièce comprenant l’ailette intrados destinée à épouser la face intrados de l’aube.
Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce mode de mise en oeuvre du procédé et les étapes décrites en référence à la figure 3 pourraient être utilisées pour réaliser la pièce intrados, tandis que les étapes illustrées à la figure 4 pourraient être utilisées pour réaliser la pièce extrados.
En référence à la figure 3, la figure 3A illustre un brut métallique 3 dans lequel va être réalisée la première pièce du renfort.
Ce brut 3 est un brut forgé ou laminé par exemple.
Un forgeage préalable à la mise en oeuvre du procédé permet d’optimiser la matière utilisée et d’obtenir une pièce présentant des caractéristiques mécaniques élevées.
Cette étape de forgeage n’est pas nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé.
À l'intérieur du brut 3, est dessinée en pointillés l’ailette extrados du renfort qui sera obtenue à l'issue des étapes de fabrication illustrées à la figure 3.
Le brut présente une épaisseur très supérieure à celle de l’ailette, la première pièce en cours d’usinage restant alors rigide.
Les figures 3B et 3C illustrent les opérations d'usinage (par exemple par fraisage ou rectification) réalisées avec la fraise 6 alternativement sur chaque face 30, 31 du brut 3 qui sont en vis-à-vis. A titre d’exemple, la fraise 6 peut usiner alternativement chaque face sur une épaisseur de 10 mm.
L’outillage de bridage qui permet de maintenir le brut lors de l’usinage, n’est pas illustré sur les figures. Il est positionné du côté droit des figures 3A à 3D ou encore du côté du talon 42 illustré à la figure 3D.
Cet usinage est réalisé depuis l’extrémité du brut située à l’opposé de l’outillage de bridage (ou encore à l’opposé du talon 42 illustré à la figure 3D) vers cet outillage de bridage.
Avec cette technique d’usinage, la rigidité de la pièce peut rester importante, ce qui permet d’obtenir des performances en usinage élevées et de garantir les épaisseurs dans la pièce et ainsi respecter au mieux les tolérances.
La figure 3D illustre la pièce intermédiaire 4 qui est obtenue après ces opérations d’usinage.
Cette pièce intermédiaire 4 comporte une première partie 41 correspondant sensiblement à l’ailette extrados 23 et une deuxième partie 42 formant un talon et correspondant à une partie d'extrémité du bloc 3.
Une fois obtenue, la pièce 4 subit une autre opération d'usinage pour créer une face 43 correspondant à l’extrémité de l’ailette 23 qui est opposée au talon 42. Cette opération peut également être réalisée au cours de l’usinage du brut pour obtenir la première partie 41 .
Par ailleurs, sur la face interne 410 de la première partie 41 , peut être réalisée une étape de texturation, afin de faciliter ultérieurement la fixation de l’aube sur le renfort selon l’invention.
L'épaisseur de la première partie 41 de cette pièce 4 est contrôlée, afin de réaliser d'éventuels ajustements. Comme l’illustre la figure 3D, l’épaisseur de cette première partie 41 est, de préférence, variable et va en s’amenuisant depuis la deuxième partie 42 vers la face 43. L’ailette extrados comportera donc cette même épaisseur variable.
La figure 3E montre la pièce 4 en position sur un outillage 8 qui servira ultérieurement à une opération de soudure.
Cet outillage 8 présente une forme fuselée et sa surface externe correspond sensiblement à la surface interne 200 du renfort 2.
Cet outillage 8 comporte deux épaulements 80 et 81 , l’épaulement 80 étant situé sur la face extrados 82 de l’outillage et l’épaulement 81 sur la face intrados 83.
La figure 3E montre que la pièce 4 est calée contre l'épaulement 80, grâce à son extrémité 43. Sa face interne 410 est donc en contact avec la face extrados 82 de l’outillage.
On comprend par ailleurs que le talon 42 aide à manipuler la pièce 4 lors de sa mise en position sur l'outillage 8.
Enfin, la figure 3F montre la dernière étape d'obtention de l’ailette extrados 23, dans laquelle le talon 42 est retiré.
Avant de retirer la première pièce 23 de l'outillage 8, une face de référence 230 est réalisée à l'extrémité opposée à l’extrémité 43. Cette face de référence 230 sera utile pour réaliser la liaison entre la première pièce et la deuxième pièce.
Il est maintenant fait référence aux figures 4A à 4G qui décrivent des étapes de réalisation de la deuxième pièce, ici la pièce comportant l’ailette intrados.
La figure 4A illustre un brut métallique 5 dans lequel va être réalisée la deuxième pièce du renfort 2.
Ce brut 5 est par exemple un brut forgé ou laminé. À l'intérieur du brut 5, est dessinée en pointillés la deuxième pièce 24 du renfort qui sera obtenue à l'issue des étapes de fabrication illustrées à la figure 4. Cette pièce 24 comprend l’ailette intrados 22 ainsi que la base 21 du renfort 2.
Les figures 4B et 4C illustrent les opérations d'usinage réalisées avec la fraise 6 alternativement sur chaque face 50 et 51 du brut 5 qui sont en vis-à-vis.
Là encore, le brut 5 est maintenu par un outillage de bridage qui n’est pas illustré sur les figures et qui est positionné du côté droit des figures 4A à 4E ou encore du côté du talon 72 illustré à la figure 4E.
L’usinage est par ailleurs réalisé depuis l’extrémité du brut située à l’opposé de l’outillage de bridage (ou encore à l’opposé du talon 72) vers cet outillage de bridage.
La figure 4D illustre la pièce intermédiaire 7 qui est obtenue après ces opérations d'usinage.
Cette pièce intermédiaire 7 comprend une première partie 71 correspondant sensiblement à l’ailette intrados 22 et une deuxième partie 72 formant un talon et correspondant à une partie d’extrémité du bloc 5.
C'est dans cette deuxième partie 72 que sera formée la base 21 du renfort qui est représenté en pointillés sur les figures 4D à 4F.
La figure 4D illustre également une opération d'usinage réalisée avec la fraise 6a, dans le talon 72, afin de définir la surface interne arrondie 210 de la base 21 du renfort.
Cette surface est facilement réalisée car la partie intérieure du talon est aisément accessible et permet d’utiliser un outil de fraisage sans contrainte. Le rayon de courbure de cette surface interne 210 est défini en fonction du profil de l’aube à laquelle le renfort est destiné. On notera que l’aube ne vient pas nécessairement en contact avec toute cette surface interne.
Cependant, la forme de cette surface interne et notamment sa courbure doivent être maîtrisées pour éviter des zones de concentration de contraintes qui pourraient fragiliser le renfort et pour permettre un positionnement correct de l’aube par rapport au renfort.
La figure 4E illustre donc la pièce intermédiaire 7 qui subit alors une autre opération d'usinage pour créer une face 73 correspondant à l’extrémité de l’ailette 22 qui est opposée au talon 72. Cette autre opération d’usinage peut être réalisée au cours de l’usinage du brut.
Par ailleurs, sur la face interne 710 de la première partie 71 de la pièce 7, peut être réalisée une étape de texturation, afin de faciliter ultérieurement la fixation de l'aube sur le renfort selon l'invention. Pour les deux pièces 4 et 7, cette texturation peut notamment être réalisée par une technique de micro-usinage par laser ou par sablage.
Lors de cette étape, l'épaisseur de la première partie 71 de la pièce 7 est contrôlée, afin de réaliser d’éventuels ajustements.
Comme l’illustre la figure 4E, l’épaisseur de cette première partie 71 est, de préférence, variable et va en s’amenuisant depuis le talon 72 vers la face 73. L’ailette intrados comportera donc cette même épaisseur variable.
La figure 4F montre la pièce 7 en position sur l'outillage 8.
La pièce 7 est calée contre l’épaulement 81 , grâce à son extrémité 73.
On comprend par ailleurs que le talon 72 aide à manipuler la pièce 7 lors de sa mise en position sur l’outil 8. Enfin, la figure 4G montre la dernière étape d'obtention de la deuxième pièce 24 du renfort, dans laquelle la surface extérieure du talon 72 est usinée afin d'obtenir la base 21 du renfort avec son bord d’attaque 20 sur sa surface extérieure 212.
Avant de retirer la deuxième pièce 24 de l'outillage 8, une face de référence 21 1 est réalisée à l’extrémité libre de la base 21 du renfort, opposée au bord d’attaque 20 et en vis-à-vis de l’ailette intrados 22.
Cette face de référence 21 1 sera utile pour réaliser la liaison entre la première pièce et la deuxième pièce.
Il est maintenant fait référence aux figures 5A à 5C qui illustrent comment la première pièce 23 et la deuxième pièce 24 sont assemblées.
Il convient ici de souligner que, lors de leur assemblage, ces deux pièces 23 et 24 sont des pièces finies, leur forme et leurs dimensions étant sensiblement inchangées dans le renfort obtenu après assemblage.
Cette notion sera définie plus précisément dans la suite de la description.
La figure 5A illustre l’étape dans laquelle ces deux pièces sont mises en place sur l’outillage de soudure 8.
Ainsi, la face interne 410 de la première pièce 23 est en contact avec la face extrados 82 de l’outillage, tandis que son extrémité 43 vient en appui contre l'épaulement 80.
De même, la deuxième pièce 24 est mise en place sur l'outillage 8, en mettant en contact sa face interne 710 avec la face intrados 83 de l’outillage. De plus, la deuxième pièce 24 est calée contre l’épaulement 81 , grâce à son extrémité 73. Dans la position illustrée à la figure 5A, la face de référence 230 de la première pièce 23 est en vis-à-vis avec la surface de référence 21 1 de la deuxième partie 24.
La figure 5B illustre l’étape suivante dans laquelle une soudure 90 est réalisée entre les faces de référence 230 et 21 1 .
La technique d’assemblage mise en oeuvre est une technique de soudure par fusion (welding dans la terminologie anglaise) ou par friction malaxage (friction stir welding dans la terminologie anglaise) qui est adaptée notamment à la nature des matériaux à souder. Il peut s'agir d'une technique de soudure par laser, du type MIG/MAG ou TIG ou encore par faisceau d’électrons par exemple.
L’énergie mise en oeuvre est relativement faible car les épaisseurs en jeu sont également faibles. En effet, la soudure est réalisée entre les épaisseurs de chaque ailette qui sont faibles, notamment comprises entre 0,5 et 3 mm.
Il convient de noter ici que les techniques de soudure par fusion sont en général utilisées pour des ébauches de pièces car elles entraînent des déformations et nécessitent des traitements ultérieurs pour relâcher les contraintes. Elles sont également utilisées pour des pièces massives moins sensibles aux déformations. En mécano soudure, les techniques de soudure par fusion sont utilisées pour l’obtention de pièces de géométrie simple et de dimensions peu précises qui nécessitent donc un usinage postérieur et un traitement de relaxation des contraintes. Elles sont également utilisées pour des pièces de petites dimensions (de quelques cms) dont les déformations entraînées par la soudure sont compatibles avec les tolérances attendues et qui sont peu serrées. Ces pièces ne subissent donc aucune opération postérieure et en particulier, pas d’usinage postérieur à la soudure. En ce qui concerne les techniques de soudure par friction malaxage, leur utilisation est peu répandue et, en général, limitée à des soudures suivant des trajectoires simples et générant des zones de soudure relativement larges, imposées par les outils de mise en oeuvre.
Il n’est donc pas évident pour un homme du métier d’utiliser ces techniques pour réaliser des pièces de grandes dimensions, complexes ou gauches, dont les tolérances sont serrées et pour des zones de soudure relativement fines.
Or, il s’est avéré qu’en positionnant la soudure dans des zones dont la raideur relative est faible, la déformation du renfort et la variation locale d’épaisseur engendrées par la soudure étaient compatibles avec les tolérances du renfort qui sont typiquement de 2 mm en ce qui concerne l’ensemble de la surface extérieure du renfort et de + ou - 0,2 mm en ce qui concerne l’épaisseur des ailettes.
A titre d’exemple, la soudure sera ainsi positionnée dans une zone de l’ailette proche du nez plutôt que dans le nez du renfort car elle a une raideur plus faible du fait du rapport de sections.
Par ailleurs, ces techniques présentent l’avantage d’être simples et rapides à mettre en oeuvre, contrairement aux techniques d’assemblage par diffusion (bonding dans la terminologie anglaise). Ceci est notamment du au fait qu’un assemblage par diffusion nécessite un four et des outillages de maintien compatibles avec la matière à souder.
Après cette étape de soudure, un traitement de surface ou un traitement thermique peuvent être réalisés. Ces traitements sont optionnels.
Dans le cas d’un traitement thermique, il peut par exemple s’agir d'un traitement de relaxation de contraintes ou de mise en solution, pour modifier les propriétés mécaniques de la soudure. On peut également prévoir une opération de redressage ou de calibrage pour remédier à d’éventuelles déformations mineures intervenues lors de la soudure ou une opération de retrait ou d’apport mineur de matière pour corriger d’éventuels écarts géométriques liés à la soudure. Cette opération est une simple opération de finition notamment liée à la technique de soudure retenue.
Il est enfin préférable d’effectuer un polissage pour améliorer les propriétés aérodynamiques du renfort.
Toutes ces opérations ont un impact mineur sur la forme et le dimensionnement des pièces, c’est pourquoi les pièces sont qualifiées de pièces finies avant leur assemblage.
Ainsi, la somme des masses des pièces constitutives du renfort avant assemblage est supérieure à 95 % de la masse du renfort final destiné à être fixé sur l’aube et qui a donc éventuellement subi une ou des opérations de finition.
En d’autres termes, après assemblage de ses pièces constitutives, le renfort peut comporter localement des surépaisseurs ou des surlongueurs (par exemple des surlongueurs permettant d’usiner les extrémités de la pièce ou des surépaisseurs permettant d’effectuer le polissage).
On comprend que les faces de référence 230 et 21 1 étant réalisées alors que la pièce correspondante est en place sur le même outillage, le positionnement des deux pièces est garanti avec précision, lors de l'étape d’assemblage.
En d’autres termes, le procédé selon l’invention ne nécessite qu’un seul outillage utilisé dans toutes les étapes du procédé et qui permet d’obtenir un renfort présentant une forme et des dimensions précises, grâce à un référentiel commun. Cependant, dans certains cas, il peut être intéressant de recourir à plusieurs outillages, notamment pour des raisons d’organisation de la ligne de production.
Par ailleurs, il va de soi que des étapes de contrôle peuvent être prévues tout au long des opérations qui ont été décrites en référence aux figures 3 à 5.
Les épaisseurs des ailettes sont obtenues par une seule phase d’usinage contrairement aux procédés connus et par une stratégie maximisant la rigidité de la pièce. Ceci permet d’obtenir les cotes attendues, avec une reproductibilité optimale en ce qui concerne l’épaisseur des ailettes et la forme du rayon de fond qui sont des caractéristiques clés du renfort.
Ainsi, des tolérances de ± 0,02 mm peuvent être obtenues avec le procédé selon l’invention en ce qui concerne les épaisseurs, notamment celles des ailettes.
De plus, pour la forme générale du renfort, une tolérance de 0,5 mm peut être obtenue.
En d’autres termes, les cotes des renforts obtenus avec le procédé selon l’invention présentent une très faible dispersion.
Par ailleurs, l’état de surface de la face interne de chacune des pièces est facilement maîtrisé puisqu’un outillage spécifique peut facilement accéder à cette face interne, contrairement à ce qui se produit pour les procédés formant des renforts monoblocs.
La figure 5C illustre le renfort 2 obtenu après son retrait de l'outillage 8. Le renfort est alors prêt à être fixé sur l'aube 1 , sous réserve d’une éventuelle opération de finition telle que définie précédemment. Il présente la même forme que le renfort 2’ illustré aux figures 1 et 2. Dans l'exemple de mise en œuvre du procédé qui vient d'être décrit, l’assemblage par soudure est réalisé entre l’ailette extrados 23 et la base 21 du renfort et plus précisément au droit de la surface interne arrondie 210. En d’autres termes, la soudure s’étend sensiblement à angle droit avec cette surface interne.
L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de mise en œuvre et la jonction entre les deux pièces pourrait être localisée à un autre endroit de la surface interne arrondie 210 de la base 21 du renfort qui est située au fond de la surface interne 200 du renfort.
Dans l'exemple illustré sur la figure 5, la zone de jonction ou d’assemblage 90 correspond à l'entrée de cette surface interne 210.
Dans le mode de mise en œuvre illustré à la figure 6A, cette zone de jonction 91 est décalée au-delà de cette surface interne 210 en restant proche du fond de cette surface.
Les figures 6B et 6C correspondent à deux autres modes de mise en œuvre du procédé selon l'invention dans lesquels la deuxième pièce correspond à l’ailette intrados 22 du renfort tandis que la première pièce 25 comprend l’ailette extrados 23 ainsi que la base 21 du renfort.
Dans l'exemple illustré à la figure 6B, la zone de jonction 92 entre les pièces 22 et 25 est située au-delà de la surface interne 210 de la base 21 , tandis que la figure 6C illustre le mode de mise en œuvre dans lequel la zone de jonction 93 est située à l'entrée de cette surface interne 210 et au droit de celle-ci (mode inversé de la figure 5A).
Dans l'exemple de mise en œuvre du procédé qui vient d'être décrit, la pièce intermédiaire 4 illustrée à la figure 3D est destinée à former une ailette, tandis que la pièce intermédiaire 7 est destinée à former l’autre ailette et la base du renfort.
L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de mise en œuvre et chaque pièce intermédiaire peut être destinée à former une ailette et une partie de la base du renfort, les deux parties étant alors complémentaires.
De même, dans cet exemple, le renfort est obtenu à partir de deux pièces obtenues par usinage d’un brut.
L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de mise en oeuvre et le renfort peut aussi être obtenu à partir de trois pièces par exemple, obtenue chacune par usinage d’un brut. A titre d’illustration, une première pièce peut former une ailette, une deuxième pièce l’autre ailette et une troisième pièce la base du renfort.
De même, le renfort peut être obtenu à partir d’un renfort déjà existant mais défectueux. Dans ce cas, au moins une pièce constitutive du renfort est obtenue par usinage de ce renfort existant tandis qu’au moins une autre pièce constitutive est obtenue par usinage d’un brut. L’assemblage des pièces permet ainsi de réparer le renfort défectueux.
On se réfère maintenant aux figures 6D et 6E qui montrent que la première pièce 26 comprend l’ailette extrados 23 et une première partie 21 a de la base 21 du renfort tandis que la deuxième pièce 27 comprend l’ailette intrados 22 et une deuxième partie 21 b de la base 21 , complémentaire de la première partie 21 a.
Dans l’exemple illustré à la figure 6D, la ligne de la zone de jonction 94 s’étend depuis le fond de la surface 210 en biais jusqu’à la surface extérieure 212 de la base 21 , tandis que dans l’exemple illustré à la figure 6E, la trace de la zone 95 s’étend selon deux lignes droites, sensiblement perpendiculaires.
Dans ce cas, la zone d’assemblage est située dans la base elle- même. L’assemblage entraîne alors peu de déformations du fait de l’épaisseur de la base. Cette solution sera retenue si la zone de jonction est située dans une région du renfort subissant peu de contraintes. L'emplacement de la zone d’assemblage sera choisi en fonction des contraintes mécaniques que l'aube doit supporter. Cependant, dans tous les cas, il est préférable que la zone de soudure soit éloignée de l’extrémité de la base 21 , opposée aux ailettes.
On comprend que les figures 5B et 6A à 6E illustrent une section du renfort qui est réalisée à un niveau déterminé de la hauteur du renfort.
Cette section illustre le positionnement de l’assemblage entre les deux pièces formant le renfort.
Ce positionnement peut être le même sur toute la hauteur du renfort.
Cependant, en fonction des contraintes auxquelles le renfort est soumis, on peut également le concevoir de telle sorte que le positionnement de l’assemblage entre les deux pièces évolue selon la hauteur du renfort.
Ceci est illustré par les figures 7 et 8A à 8C.
La figure 7 illustre un renfort 2 selon l’invention présentant la même forme que le renfort 2’ des figures 1 et 2, en identifiant la zone d’assemblage 9 ou plan de joint entre les deux pièces constitutives du renfort.
Sont également identifiés trois plans de coupe : le plan A situé à proximité du sommet 28 du renfort, le plan B situé dans une zone intermédiaire et le plan C situé au niveau du pied 29 du renfort.
Les figures 8A à 8C montrent que le positionnement de la zone d’assemblage diffère d’un plan à l’autre. Ainsi, la figure 8A montre que cette zone 9 est située entre l’ailette extrados 23 et la base 21 du renfort, comme cela est illustrée sur la figure 5C.
En revanche, la figure 8B montre que cette zone 9 est décalée vers la base 21 du renfort, de façon similaire à la variante illustrée sur la figure 6A.
Enfin, au niveau du pied 29 du renfort, la zone d’assemblage 9 est localisée dans la base 21 du renfort et à proximité de l’ailette, de façon similaire à la variante illustrée sur la figure 6D.
On peut également choisir le positionnement de la soudure de telle sorte que l’épaisseur de la zone à souder est sensiblement constante sur toute la hauteur du renfort. En effet, les ailettes ont généralement un profil variable selon la hauteur du renfort et il peut s’avérer préférable que les paramètres de soudage soient constants sur l’ensemble de la soudure pour simplifier sa réalisation.
On comprend que l’assemblage peut être réalisé en mettant en oeuvre la même technique de soudure par fusion sur toute la hauteur du renfort ou en utilisant des techniques différentes selon la portion concernée du renfort.
La réalisation de la soudure crée un relief dans l'espace intérieur du renfort. Il ne pas pourra être éliminé par usinage car inaccessible à un outil d’usinage. Dans le cadre de l’invention, ce relief ne sera d’ailleurs pas retiré.
Ainsi, la trace de la soudure sera toujours visible à l’intérieur du renfort après sa fabrication.
Lorsque l’aube et le renfort sont assemblés uniquement par collage, il convient d'éviter que ce relief ne gêne le positionnement du renfort sur l'aube. C’est pourquoi, si le bord d'attaque 13 de l'aube n'est pas destiné à venir en contact avec le fond de la surface interne 210 de la base 21 , il sera préféré de positionner la zone de soudure dans le fond de cette surface interne pour éviter tout contact entre la soudure et l'aube.
On peut également prévoir un assemblage entre l’aube et le renfort combinant un collage et une coopération mécanique. Puisque le procédé de fabrication permet d’obtenir à l’intérieur du renfort un relief comme un bourrelet, ce relief peut être utilisé pour renforcer la liaison entre l’aube et le renfort en réalisant sur l’aube un évidement de forme complémentaire du bourrelet.
De façon générale, on constate que le procédé selon l’invention permet de réduire les encours, notamment car il ne comporte aucune étape longue de chauffage préalable à un formage.
La stratégie d’usinage permet une efficacité importante. Par ailleurs, ce procédé peut aussi permettre la réalisation de prototypes plus rapidement que les autres procédés car il peut être mis en oeuvre sans moyens lourds (presses, outillages de mise en forme en matériaux réfractaires très longs à approvisionner et très coûteux, mise au point longue). Il nécessite a minima une machine d’usinage comportant l’outil de coupe, un outillage d’usinage pour assurer le bridage des bruts pendant leur usinage et un outillage d’assemblage.
Enfin, ce procédé permet l’obtention de renforts de forme complexe puisqu’il permet d’accéder au fond du renfort, avec notamment une surface interne présentant un rayon de courbure plus faible et une texturation spécifique à l’intérieur du renfort. Il permet également de réaliser des renforts présentant des ailettes plus longues, couvrant de ce fait une plus grande surface de l’aube et assurant une interface plus résistante entre le renfort et l’aube sur laquelle il est collé.
Comme il va de soi et comme il résulte également de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes et notamment celle où l’aube n'est pas réalisée en un matériau composite mais par exemple en aluminium avec un renfort en alliage de titane ou d’acier.

Claims

Revendications
1 . Procédé de réalisation d’un renfort (2) métallique d’aube (1 ) de turbomachine comprenant une surface aérodynamique (10) qui s'étend entre un bord d'attaque (13) et un bord de fuite (14), ledit renfort comprenant une base (21 ) formant son bord d'attaque (20) et étant prolongée par deux ailettes latérales (22, 23) de façon à définir une surface interne (200) apte à recevoir le bord d’attaque de l'aube, le procédé comportant les étapes suivantes :
(a) obtention d’au moins deux pièces formant chacune au moins l’une des ailettes du renfort, chaque pièce étant monobloc et finie, au moins l’une desdites pièces étant réalisée par usinage d’un brut métallique
(b) assemblage desdites pièces préalablement positionnées sur un outillage (8) par une technique de soudage par fusion ou par friction malaxage, afin d’obtenir ledit renfort.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, lors de l’étape (a), sont réalisées une première pièce (24, 25, 26) monobloc formant l’une des ailettes (22, 23) du renfort et au moins partiellement la base (21 ) du renfort et une deuxième pièce (23, 22, 27) monobloc formant au moins l’autre ailette (23, 22).
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, lors de l’étape (a), sont réalisées une première pièce monobloc formant l’une des ailettes (22, 23) du renfort, une deuxième pièce monobloc formant au moins l’autre ailette (23, 22) et une troisième pièce monobloc formant au moins partiellement la base (21 ) du renfort.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel lesdites pièces sont toutes réalisées par usinage d’un brut métallique.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins l’une desdites pièces est obtenue par usinage d’un renfort métallique déjà existant.
6. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’usinage d’un brut métallique est réalisé alternativement de chaque côté (30, 31 ; 50,51 ) du brut (3,5).
7. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel, lors de l’étape (a), sont obtenues une première et une deuxième pièces intermédiaires (4,7), comportant une première partie (41 ,71 ) correspondant à une ailette (23,22) et une deuxième partie (42,72) formant talon.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel, lors de l’étape (a), la première pièce intermédiaire (4) est positionnée sur ledit outillage (8) pour retirer ou usiner ledit talon (42).
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel, lors de l’étape ( a), le talon (72) de la deuxième pièce intermédiaire (7) est usiné pour former au moins partiellement la surface interne arrondie (210) de la base (21 ) et la deuxième pièce intermédiaire (7) est ensuite positionnée sur ledit outillage (8) pour usiner la surface extérieure (212) dudit talon et former au moins partiellement la surface extérieure (212) de la base (21 ).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel, avant l'étape (b), est réalisée une étape de texturation de la surface interne (410, 710) d'au moins l’une des pièces.
1 1 . Renfort métallique d’aube de turbomachine en matériau composite comprenant une surface aérodynamique (10) qui s'étend entre un bord d'attaque (13) et un bord de fuite (14), ledit renfort comprenant une base (21 ) formant son bord d'attaque (20) et étant prolongée par deux ailettes latérales (22, 23), ledit renfort définissant une surface interne (200) apte à recevoir le bord d’attaque (13) de l’aube et comprenant au moins deux pièces formant chacune au moins l’une des ailettes du renfort et étant assemblées par une technique de soudure par fusion ou par friction malaxage, chaque pièce étant monobloc et finie.
12. Renfort selon la revendication 1 1 , dans lequel la base (21 ) du renfort comporte une surface interne (210) arrondie.
13. Renfort selon la revendication 1 1 ou 12, dans lequel l’assemblage entre lesdites pièces est localisé au droit de la surface interne (210) arrondie de la base.
14. Renfort selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, dans lequel la surface interne (200) du renfort est texturée.
15. Aube de turbomachine comprenant un renfort selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 14.
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