EP4638915A1 - Aube avec pied muni d'un revêtement anti-usure - Google Patents

Aube avec pied muni d'un revêtement anti-usure

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Publication number
EP4638915A1
EP4638915A1 EP23841284.5A EP23841284A EP4638915A1 EP 4638915 A1 EP4638915 A1 EP 4638915A1 EP 23841284 A EP23841284 A EP 23841284A EP 4638915 A1 EP4638915 A1 EP 4638915A1
Authority
EP
European Patent Office
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blade
wear coating
turbomachine
wear
mass
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841284.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Josserand Jacques André BASSERY
Ba-Phuc TANG
Stephane Knittel
Morgan MERRIEN
Andrès OSTAU DE LA FOND
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.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP4638915A1 publication Critical patent/EP4638915A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/509—Self lubricating materials; Solid lubricants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • This presentation concerns a turbomachine blade, as well as a turbomachine module and a turbomachine, the foot of which is provided with an anti-wear coating.
  • a turbomachine blade can equip any type of turbomachine, and in particular an aircraft turbojet.
  • the moving blades of a turbomachine are conventionally mounted on a rotating disk secured to one of the power shafts of the turbomachine. More precisely, the moving blades generally include a dovetail blade root designed to engage in radial cells formed on the circumference of the disc. For example, document FR 2 890 126 describes such a configuration.
  • a foil between the blade root and the cell of the disc.
  • a foil can help to lubricate the contact between the blade root, the foil and the cell and therefore reduce wear caused by friction.
  • Such foil can also be configured to be worn more easily than the bearing surfaces of the blade root and the retaining surfaces of the disc cell: in fact, in such a case, the foil is worn as a priority, saving bearing surfaces and retaining surfaces; it is then easy to replace the foil when its wear becomes too severe.
  • TiAI titanium aluminide
  • Inconel 718 registered trademark
  • nickel-based alloys such as DS200 or R77, which are other alloys used for certain blades.
  • the present presentation concerns a blade for a turbomachine, comprising a blade part, and a blade root, the blade root comprising at least one bearing surface configured to cooperate with a fixing device of the turbomachine, in in which at least the blade root is made essentially of TiAI, and in which the bearing surface is provided with an anti-wear coating, this anti-wear coating being made essentially of a Nickel-based alloy comprising at least 9, 5% by mass of Co and/or at least 14% by mass of Cr.
  • the anti-wear coating may also comprise at least one of the elements chosen from Fe, Ni, S, P, C, Zr, B in trace form.
  • Such an anti-wear coating then makes a foil superfluous and, unlike the latter, does not present a risk of disengagement.
  • such an anti-wear coating has sufficient anti-wear performance by itself, without the need to apply a lubricating varnish on top.
  • the anti-wear coating is made essentially from a Nickel-Cobalt based alloy. Indeed, upon exposure to heat, these alloys form oxides, notably cobalt oxides, which play a role of dry lubrication at the contact surface.
  • the anti-wear coating is made essentially from a Nickel-based alloy.
  • the anti-wear coating is made essentially from an alloy comprising at least 3% by mass, and preferably between 3 and 30% by mass, of Molybdenum.
  • Molybdenum when the alloy is based on Nickel or Nickel-Cobalt, the Molybdenum content does not exceed 5% by mass.
  • the addition of molybdenum to the composition makes it possible to form molybdenum oxides which extend the temperature range over which dry lubrication is effective.
  • the anti-wear coating is made essentially from an alloy comprising at least 3% by mass, and preferably between 3 and 5% by mass, of silicon. Analogous to molybdenum, the addition of silicon to the composition makes it possible to form silicon oxides which extend the temperature range over which dry lubrication is effective.
  • the alloy of the anti-wear coating comprises carbide particles, preferably chromium carbide.
  • the carbide particles due to their hardness, limit the consumption of the anti-wear coating during friction.
  • Chromium carbide particles are particularly suitable in the context of a nickel-based alloy, preferably comprising a high chromium content: in fact, such alloys have a certain ductility forming a good matrix for the carbide particles.
  • the anti-wear coating is essentially made from one of the following alloys, René 80 (registered trademark), Cr3C2-Ni20Cr or Inconel 718 (registered trademark). These three alloys showed very good results during tests carried out by the inventors.
  • the anti-wear coating comprises a thickness of between 0.1 and 1.5 mm, preferably between 0.1 and 1.0 mm, more preferably between 0.1 and 0. .3mm. Such thicknesses are adapted to ensure a good interface with the disc socket.
  • the anti-wear coating is present only on all of the bearing surfaces of the blade.
  • the coating is thus deposited only where it is useful, which limits the cost of the operation.
  • the deposition of a coating may not be desired in certain areas for reasons of dimensional constraints or mechanical strength of the part.
  • the anti-wear coating does not have a protective varnish.
  • the anti-wear coating is directly exposed to the external environment of the blade, and therefore in contact with the retaining surfaces of the disc when the blade is mounted.
  • the tests have showed that it was possible to obtain as good results, or even better, with such anti-wear coatings compared to configurations using a lubricating varnish. It is therefore possible to do without a long and tedious step of applying such a varnish.
  • the anti-wear coating is deposited by thermal spraying, preferably by plasma spraying.
  • the blade further comprises a blade head comprising at least one heel surface, said heel surface being provided with an anti-wear coating of the same nature as the anti-wear coating from the foot of the dawn.
  • a blade head comprising at least one heel surface, said heel surface being provided with an anti-wear coating of the same nature as the anti-wear coating from the foot of the dawn.
  • said blade is a movable blade. Indeed, friction, and therefore the phenomenon of wear, is greater when the blade rotates in the turbomachine.
  • said blade is a turbine blade. Indeed, the phenomenon of wear is more significant at high temperatures.
  • the present presentation also relates to a turbomachine module, comprising a disk, comprising a plurality of cells, and a plurality of blades according to any of the preceding embodiments, the blade root of each blade being engaged in a cell of the disc so that the bearing surfaces of the blade root are in contact with retaining surfaces of the cell.
  • the turbomachine module is devoid of foil at the interface between the blade roots and the disk.
  • This presentation also concerns a turbomachine, comprising a blade or a turbomachine module according to any of the preceding embodiments.
  • a part or part of a part is made essentially of a given material when it is formed at least 80%, preferably 90%, more preferably 99%, by this material.
  • the invention is the result of technological research aimed at very significantly improving the performance of aircraft and, in this sense, contributes to reducing the environmental impact of aircraft.
  • Figure 1 is a schematic axial section of an example of a turbomachine.
  • Figure 2 is a perspective view of an example of a blade.
  • Figure 3 is an enlarged view of the root of the blade in Figure 2.
  • Figure 4 schematically illustrates a rotating disk.
  • FIG. 5 Figure 5 schematically illustrates a testing device.
  • Figure 6 illustrates the results of first tests carried out by the inventors.
  • Figure 7 illustrates the results of second tests carried out by the inventors.
  • Fig. 1 represents, in section along a vertical plane passing through its main axis A, a double-flow turbojet 1 according to the presentation. It comprises, from upstream to downstream according to the circulation of the air flow, a blower 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustion chamber 5, a high pressure turbine 6, and a low pressure turbine 7.
  • FIG. 2 represents in more detail a movable blade 10 of the low pressure turbine 7.
  • This blade 10 comprises a blade root 11, a blade part 12 and a blade head 13.
  • An internal platform 14 is provided at the interface between the blade root 11 and the blade part 12.
  • the internal platform 14 is extended, on each side, upstream and downstream, by radial walls 15 each provided with an axial spoiler 16.
  • the blade root 11 comprises a dovetail portion 20, extending axially, having a neck 21, divergent lateral surfaces 22, forming bearing surfaces, and a lower surface 23.
  • the blade head 13 comprises for its part an external platform 17 and, on each side in the circumferential direction, heel surfaces 18 designed to fit with the heel surfaces of the adjacent blades when the blades are mounted .
  • Fig. 4 illustrates for its part the rotating disk 30 on which the moving blade 10 is intended to be mounted.
  • a plurality of cells 31 are made in the exterior surface of the disc 30: these cells 31 are rectilinear and extend axially from upstream to downstream all along the disk 30. They are also regularly distributed all around the axis A of the disk 30. In this way, each cell 31 defines with its neighbor a tooth 32 which thus also extends axially from upstream to downstream all along the disk 30.
  • Each cell 31 has a bottom 33, two converging lateral surfaces 34, forming retaining surfaces, and a constricted opening 35.
  • the moving blade 10 is mounted on the disk 30 by engaging the dovetail portion 20 of its foot 11 in a cell 31 of the disk 30.
  • the width of the opening 35 is designed to correspond substantially to the width of the neck 21 of the blade root 11. Therefore, in the assembled state, the bearing surfaces 22 of the blade root 11 are in contact with the retaining surfaces 34 of the cell 31 of the disc 30.
  • At least the blade root 11, and preferably the entire moving blade 10 is made essentially of TiAI, possibly shot-peened.
  • the disc 30 is made essentially of Inconel 718 (registered trademark), preferably shot-blasted.
  • the bearing surfaces 22 of the blade root 11 are provided with an anti-wear coating.
  • the anti-wear coating is made of Cr 3 C 2 -Ni20Cr; in a second example, the anti-wear coating is made of René 80; in a third example, the anti-wear coating is made of Inconel 718 (registered trademark).
  • the anti-wear coating can be deposited by plasma spraying; however, in other examples, other projection modes would be possible, for example hypersonic thermal projection (HVOF), detonation cannon or even wire arc.
  • the thickness of the coating is between 0.1 and 0.3 mm; preferably, this thickness is determined so as to ensure permanent contact between the bearing surfaces 22 of the blade 10 and the retaining surfaces 34 of the disc 30.
  • the other surfaces of the blade root 11 are devoid of such covering: they are in fact hidden during the plasma projection stage.
  • no additional lubricating varnish is deposited on top of this anti-wear coating.
  • An anti-wear coating of the same nature can be deposited on the heel surfaces 18 of the blade head 13 in order to protect them from wear caused by contact with the heel surfaces of the adjacent blades.
  • FIG. 5 illustrates part of the test device 40 used during these tests.
  • This test device 40 thus comprises a fixed punch 41, against which a movable button 42 is pressed.
  • an actuator (not shown) pushes the button 42 against the punch 41 in plane contact while moving it along an alternating rectilinear path, along the surface of the punch 41.
  • Three configurations E1, E2 and E3 are configurations according to the presentation, using anti-wear coatings comprising materials among those presented above.
  • Two configurations C1 and C2 are comparative configurations for which the substrate has no protection.
  • the C3 comparative configuration provides for a simple lubricating varnish.
  • the comparative configuration C4 corresponds to the situation in which a foil made of HS25 alloy (registered trademark) is inserted between the blade root 11 and the cell 31 of the disc 30.
  • the comparative configurations C5 to C7 provide other types of anti-wear coatings combined with a lubricating varnish.
  • the punch 41 was made of Inconel 718 (registered trademark) to correspond to the material of the disk 30; in the comparative test according to the C4 configuration, the punch 41 was made of HS25 to correspond to the usual material of an interlayer foil.
  • Table 1 [Table 1]
  • the average pressure exerted on the button 42 was equal to 212 MPa; the travel of the button 42 relative to its central position was equal to ⁇ 1 OOpm; the frequency of the reciprocating movement was equal to 20 Hz; the duration of the test was equal to 50,000 cycles, or 42 minutes; and the test temperature was 625°C.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

Aube pour turbomachine, comprenant une partie de pale (12), et un pied d'aube (11), le pied d'aube (11) comprenant au moins une surface de portée (22) configurée pour coopérer avec un dispositif de fixation (31) de la turbomachine (1), dans lequel au moins le pied d'aube (11) est réalisé en TiAl, et dans lequel la surface de portée (22) est munie d'un revêtement anti-usure, ce revêtement anti-usure étant réalisé dans un alliage à base Nickel comprenant au moins 9,5% en masse de Co et/ou au moins 14% en masse de Cr.

Description

AUBE AVEC PIED MUNI D'UN REVÊTEMENT ANTI-USURE
Domaine Technique
[0001 ] Le présent exposé concerne une aube de turbomachine, ainsi qu’un module de turbomachine et une turbomachine, dont le pied est muni d’un revêtement anti-usure. Une telle aube peut équiper tout type de turbomachine, et en particulier un turboréacteur d’avion.
Technique antérieure
[0002] Les aubes mobiles de turbomachine sont classiquement montées sur un disque rotatif solidaire de l’un des arbres de puissance de la turbomachine. Plus précisément, les aubes mobiles comprennent généralement un pied d’aube en queue d’aronde prévu pour s’engager dans des alvéoles radiales formées sur la circonférence du disque. Par exemple, le document FR 2 890 126 décrit une telle configuration.
[0003] Dans une telle configuration, des surfaces des portées du pied d’aube sont en contact permanent avec des surfaces de retenue de l’alvéole. Dès lors, en raison du frottement causé notamment par les vibrations de la turbomachine en fonctionnement, on constate une usure importante et rapide des surfaces de portée du pied d’aube et/ou des surfaces de retenue de l’alvéole.
[0004] Pour réduire l’impact d’un tel phénomène, il est connu de mettre en place un clinquant entre le pied d’aube et l’alvéole du disque. Selon les configurations, un tel clinquant peut aider à lubrifier le contact entre le pied d’aube, le clinquant et l’alvéole et donc à réduire l’usure causée par les frottements. Un tel clinquant peut également être configuré pour être usé plus facilement que les surfaces de portée du pied d’aube et les surfaces de retenue de l’alvéole du disque : en effet, dans un tel cas, le clinquant est usé en priorité, épargnant les surfaces de portée et les surfaces de retenue ; il est alors facile de remplacer le clinquant lorsque son usure devient trop importante.
[0005] Toutefois, il arrive de temps en temps que des clinquants se désengagent de leur alvéole lors du fonctionnement de la turbomachine. Le pied d’aube frotte alors de nouveau directement sur les surfaces de retenue de l’alvéole, ce qui aboutit à une usure prématurée du pied d’aube, avec des endommagements suffisamment importants pour nécessiter le remplacement complet de l’aube endommagée.
[0006] Ce phénomène est d’autant plus critique pour certains moteurs de nouvelle génération dont les aubes sont réalisées en aluminure de titane (Ti Al). En effet, le TiAI s’use rapidement et plus facilement que l’Inconel 718 (marque déposée) qui est le matériau fréquemment utilisé pour réaliser les disques rotatifs. Il s’use également plus facilement que les alliages base nickel type DS200 ou R77, qui sont d’autres alliages utilisés pour certaines aubes.
[0007] Une autre option connue pour atténuer ce phénomène d’usure consiste à protéger les surfaces de portée du pied d’aube à l’aide d’un vernis lubrifiant, par exemple le vernis lubrifiant connu sous la dénomination Surf-Kote Lob-1800-G (marque déposée). Toutefois, cette option est très onéreuse et peu robuste en termes de fabrication. En particulier, un tel vernis doit être appliqué manuellement, au pinceau ou à l’aérographe sur des zones étroites et difficiles d’accès.
[0008] Il existe donc un réel besoin pour une aube de turbomachine, ainsi que pour un module de turbomachine et une turbomachine, qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.
Exposé de l’invention
[0009] Le présent exposé concerne une aube pour turbomachine, comprenant une partie de pale, et un pied d’aube, le pied d’aube comprenant au moins une surface de portée configurée pour coopérer avec un dispositif de fixation de la turbomachine, dans lequel au moins le pied d’aube est réalisé essentiellement en TiAI, et dans lequel la surface de portée est munie d’un revêtement anti-usure, ce revêtement anti-usure étant réalisé essentiellement dans un alliage à base Nickel comprenant au moins 9,5% en masse de Co et/ou au moins 14% en masse de Cr. Le revêtement anti-usure peut également comprendre au moins un des éléments choisi parmi Fe, Ni, S, P, C, Zr, B sous forme de traces.
[0010] Grâce à un tel revêtement anti-usure, il est possible de protéger efficacement les surfaces de portée du pied d’aube. En particulier, les essais réalisés par les inventeurs montrent que les matériaux correspondants présentent un bon comportement en frottement à haute température avec des niveaux d’usure beaucoup moins importants que les configurations existantes sans revêtement ou en présence d’un clinquant.
[0011 ] Un tel revêtement anti-usure rend alors un clinquant superflu et, contrairement à ce dernier, ne présente pas de risque de désengagement. De plus, un tel revêtement anti-usure présente des performances anti-usure suffisantes par lui-même, sans qu’il soit nécessaire d’appliquer par-dessus un vernis lubrifiant.
[0012] Par ailleurs, le cas échéant, lorsque l’usure devient malgré tout trop importante, un tel revêtement anti-usure peut être décapé et reconditionné, sans qu’il soit nécessaire de remplacer l’aube dans son ensemble. La réparation est donc facilitée et peu onéreuse.
[0013] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est réalisé essentiellement dans un alliage à base Nickel-Cobalt. En effet, lors de l’exposition à chaud, ces alliages forment des oxydes, notamment des oxydes de cobalt, qui jouent un rôle de lubrification sèche au niveau de la surface de contact.
[0014] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est réalisé essentiellement dans un alliage à base Nickel.
[0015] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est réalisé essentiellement dans un alliage comprenant au moins 3% en masse, et de préférence entre 3 et 30% en masse, de Molybdène. De préférence, lorsque l’alliage est à base Nickel ou Nickel-Cobalt, la teneur du Molybdène ne dépasse pas 5% en masse. L’ajout de molybdène dans la composition permet de former des oxydes de molybdène qui viennent étendre la plage de température sur laquelle la lubrification sèche est efficace. [0016] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est réalisé essentiellement dans un alliage comprenant au moins 3% en masse, et de préférence entre 3 et 5% en masse, de Silicium. De manière analogue au molybdène, l’ajout de silicium dans la composition, permet de former des oxydes de silicium qui viennent étendre la plage de température sur laquelle la lubrification sèche est efficace.
[0017] Dans certains modes de réalisation, l'alliage du revêtement anti-usure comprend des particules de carbure, de préférence de carbure de chrome. Les particules de carbure, en raison de leur dureté, permettent de limiter la consommation du revêtement anti-usure lors du frottement. Les particules de carbure de chrome sont particulièrement adaptées dans le cadre d’un alliage base nickel, comportant de préférence une teneur importante en chrome : en effet, de tels alliages présente une certaine ductilité formant une bonne matrice pour les particules de carbure.
[0018] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est réalisé essentiellement dans l’un des alliages suivants, René 80 (marque déposée), Cr3C2-Ni20Cr ou Inconel 718 (marque déposée). Ces trois alliages ont montré de très bons résultats lors des essais réalisés par les inventeurs.
[0019] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure comprend une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 ,5 mm, de préférence comprise entre 0,1 et 1 ,0 mm, de préférence encore entre 0,1 et 0,3 mm. De telles épaisseurs sont adaptées pour assurer une bonne interface avec l’alvéole du disque.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est présent uniquement sur l’ensemble des surfaces de portée de l’aube. Le revêtement est ainsi déposé uniquement aux endroits où il est utile, ce qui limite le coût de l’opération. De plus, le dépôt d’un revêtement peut ne pas être souhaité dans certaines zones pour des raisons de contraintes dimensionnelles ou de tenue mécanique de la pièce.
[0021] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est dépourvu d’un vernis de protection. Autrement dit, le revêtement anti-usure est directement exposé à l’environnement extérieur de l’aube, et donc en contact avec les surfaces de retenue du disque lorsque l’aube est montée. En effet, les essais ont montré qu’il était possible d’obtenir d’aussi bons résultats, voire meilleurs, avec de tels revêtements anti-usure par rapport aux configurations mettant en oeuvre un vernis lubrifiant. Il est donc possible de se passer d’une étape longue et fastidieuse d’application d’un tel vernis.
[0022] Dans certains modes de réalisation, le revêtement anti-usure est déposé par projection thermique, de préférence par projection plasma.
[0023] Dans certains modes de réalisation, l’aube comprend en outre une tête d’aube comprenant au moins une surface de talon, ladite surface de talon étant munie d’un revêtement anti-usure de même nature que le revêtement anti-usure du pied d’aube. Ainsi, il est possible d’utiliser un même matériau pour protéger à la fois le pied d’aube et la tête d’aube : on simplifie ainsi le procédé de fabrication de l’aube.
[0024] Dans certains modes de réalisation, ladite aube est une aube mobile. En effet, les frottements, et donc le phénomène d’usure, sont plus importants lorsque l’aube tourne dans la turbomachine.
[0025] Dans certains modes de réalisation, ladite aube est une aube de turbine. En effet, le phénomène d’usure est plus important à haute température.
[0026] Le présent exposé concerne également un module de turbomachine, comprenant un disque, comprenant une pluralité d’alvéoles, et une pluralité d’aubes selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le pied d’aube de chaque aube étant engagé dans une alvéole du disque de sorte que les surfaces de portée du pied d’aube soient en contact avec des surfaces de retenue de l’alvéole.
[0027] Dans certains modes de réalisation, le module de turbomachine est dépourvu de clinquant à l’interface entre les pieds d’aube et le disque.
[0028] Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant une aube ou un module de turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[0029] Dans le présent exposé, les termes « longitudinal », « transversal »,
« inférieur », « supérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à la direction principale des aubes ; les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont quant à eux définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air dans la turbomachine.
[0030] Dans le présent exposé, on considère qu’un matériau est à base d’un élément lorsque cet élément représente l’élément majoritaire, en masse, dans la composition du matériau.
[0031] Dans le présent exposé, on considère qu’une pièce ou une partie de pièce est réalisée essentiellement en un matériau donné lorsqu’elle est formée à au moins 80%, de préférence 90%, de préférence encore 99%, par ce matériau.
[0032] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de l’aube proposée. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
[0033] A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.
Brève description des dessins
[0034] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
[0035] Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
[0036] [Fig. 1] La figure 1 est une coupe axiale schématique d’un exemple de turbomachine.
[0037] [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective d’un exemple d’aube.
[0038] [Fig. 3] La figure 3 est une vue agrandie du pied de l’aube de la figure 2.
[0039] [Fig. 4] La figure 4 illustre schématiquement un disque rotatif.
[0040] [Fig. 5] La figure 5 illustre schématiquement un dispositif d’essai. [0041 ] [Fig. 6] La figure 6 illustre les résultats de premiers essais réalisés par les inventeurs.
[0042] [Fig. 7] La figure 7 illustre les résultats de deuxièmes essais réalisés par les inventeurs.
Description des modes de réalisation
[0043] Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple d’aube est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
[0044] La Fig. 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 1 selon l’exposé. Il comporte, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7.
[0045] La Fig. 2 représente plus en détail une aube mobile 10 de la turbine basse pression 7. Cette aube 10 comprend un pied d’aube 1 1 , une partie de pale 12 et une tête d’aube 13. Une plateforme interne 14 est prévue à l’interface entre le pied d’aube 11 et la partie de pale 12. La plateforme interne 14 se prolonge, de chaque côté, vers l’amont et vers l’aval, par des murets radiaux 15 munis chacun d’un becquet axial 16.
[0046] Comme cela est mieux visible sur la Fig. 3, le pied d’aube 11 comprend une partie en queue d’aronde 20, s’étendant axialement, présentant un col 21 , des surfaces latérales divergentes 22, formant des surfaces de portée, et une surface inférieure 23.
[0047] La tête d’aube 13 comprend pour sa part une plateforme externe 17 et, de chaque côté dans la direction circonférentielle, des surfaces de talon 18 prévues pour s’emboîter avec les surfaces de talon des aubes adjacentes lorsque les aubes sont montées.
[0048] La Fig. 4 illustre pour sa part le disque rotatif 30 sur lequel l’aube mobile 10 est prévue pour être montée. Une pluralité d’alvéoles 31 sont pratiquées dans la surface extérieure du disque 30 : ces alvéoles 31 sont rectilignes et s’étendent axialement d’amont en aval tout le long du disque 30. Elles sont en outre régulièrement réparties tout autour de l’axe A du disque 30. De cette manière, chaque alvéole 31 définit avec sa voisine une dent 32 qui s’étend ainsi également axialement d’amont en aval tout le long du disque 30. Chaque alvéole 31 possède un fond 33, deux surfaces latérales convergentes 34, formant des surfaces de retenue, et une ouverture resserrée 35.
[0049] L’aube mobile 10 est montée sur le disque 30 en engeant la partie en queue d’aronde 20 de son pied 11 dans une alvéole 31 du disque 30. Ainsi, la largeur de l’ouverture 35 est prévue pour correspondre sensiblement à la largeur du col 21 du pied d’aube 11 . Dès lors, dans l’état monté, les surfaces de portée 22 du pied d’aube 11 sont en contact avec les surfaces de retenue 34 de l’alvéole 31 du disque 30.
[0050] Dans la présente invention, au moins le pied d’aube 11 , et de préférence l’ensemble de l’aube mobile 10, est réalisé essentiellement en TiAI, éventuellement grenaillé. Le disque 30 est réalisé pour sa part essentiellement en Inconel 718 (marque déposée), de préférence grenaillé.
[0051] Afin de protéger les surfaces de portée 22 du pied d’aube 11 contre l’usure causé par le frottement avec les surfaces de retenue 34 du disque 30, les surfaces de portée 22 du pied d’aube 11 sont munies d’un revêtement anti-usure. Plusieurs matériaux sont envisageables pour réaliser ce revêtement anti-usure : dans un premier exemple, le revêtement anti-usure est réalisé en Cr3C2-Ni20Cr ; dans un deuxième exemple, le revêtement anti-usure est réalisé en René 80 ; dans un troisième exemple, le revêtement anti-usure est réalisé en Inconel 718 (marque déposée).
[0052] Dans tous ces exemples, le revêtement anti-usure peut être déposé par projection plasma ; toutefois, dans d’autres exemples, d’autres modes de projection seraient possibles, par exemple projection thermique hypersonique (HVOF), canon à détonation ou encore arc fil. L’épaisseur du revêtement est comprise entre 0,1 et 0,3 mm ; de préférence, cette épaisseur est déterminée de manière à assurer un contact permanent entre les surfaces de portée 22 de l’aube 10 et les surfaces de retenue 34 du disque 30. Les autres surfaces du pied d’aube 11 sont dépourvues d’un tel revêtement : elles sont en effet masquées durant l’étape de projection plasma. Par ailleurs, il convient de préciser que, dans ces exemples, aucun vernis lubrifiant additionnel n’est déposé par-dessus ce revêtement anti-usure.
[0053] Un revêtement anti-usure de même nature peut être déposé sur les surfaces de talon 18 de la tête d’aube 13 afin de les protéger de l’usure causée par le contact avec les surfaces de talon des aubes adjacentes.
[0054] Des essais mettant en évidence les performances des différents exemples de revêtements anti-usure vont maintenant être décrits.
[0055] La Fig. 5 illustre une partie du dispositif de test 40 utilisé au cours de ces essais. Ce dispositif de test 40 comprend ainsi un poinçon 41 , fixe, contre lequel est appuyé un bouton 42, mobile. Au cours de l’essai, un actionneur (non représenté) pousse le bouton 42 contre le poinçon 41 selon un contact plan tout en le déplaçant le long d’une trajectoire rectiligne alternative, le long de la surface du poinçon 41 .
[0056] Plusieurs configurations ont été testées. Trois configurations E1 , E2 et E3 sont des configurations selon l’exposé, mettant en oeuvre des revêtements antiusure comprenant des matériaux parmi ceux présentés ci-dessus. Deux configurations C1 et C2 sont des configurations comparatives pour lesquelles le substrat ne dispose d’aucune protection. La configuration comparative C3 prévoit un simple vernis lubrifiant. La configuration comparative C4 correspond à la situation dans laquelle un clinquant réalisé en alliage HS25 (marque déposée) est inséré entre le pied d’aube 11 et l’alvéole 31 du disque 30. Enfin, les configurations comparatives C5 à C7 prévoient d’autres types de revêtements anti-usure associés à un vernis lubrifiant. Ainsi, dans chacun des essais réalisés à l’exception de la configuration C4, le poinçon 41 était réalisé en Inconel 718 (marque déposée) pour correspondre au matériau du disque 30 ; dans l’essai comparatif selon la configuration C4, le poinçon 41 était réalisé en HS25 pour correspondre au matériau habituel d’un clinquant intercalaire. Les différentes configurations testées sont présentées en détails dans le tableau ci-dessous. [0057] [Table 1]
[0058] Dans chacun de ces essais, la pression moyenne exercée sur le bouton 42 était égale à 212 MPa ; le débattement du bouton 42 par rapport à sa position centrale était égal à ±1 OOpm ; la fréquence du mouvement alternatif était égale à 20 Hz ; la durée du test était égale à 50 000 cycles, soit 42 minutes ; et la température d’essai était égale à 625 °C.
[0059] Pour chaque configuration testée, ont été mesurés, d’une part, le coefficient de frottement moyen et, d’autre part, les volumes usés, c’est-à-dire les volumes perdus respectivement par le poinçon 41 et le bouton 42.
[0060] Les valeurs mesurées pour les coefficients de frottement des différentes configurations testées sont représentées sur le graphe de la Fig. 6. On constate alors que les coefficients de frottement des trois configurations selon l’exposé E1 , E2, E3 sont plus faibles que les coefficients de frottement des configurations comparatives C1 et C2 dans lesquelles le substrat est dépourvu de toute protection ; ces coefficients de frottement sont également plus faibles que dans la configuration comparative C3 correspondant à la situation dans laquelle un clinquant en alliage HS25 est inséré entre le pied d’aube 1 1 et l’alvéole 31 du disque 30. On constate également que les coefficients de frottement de ces trois configurations E1 , E2 et E3 sont comparables aux coefficients de frottement des configurations comparatives C5 à C7 mettant en oeuvre un revêtement d’un autre type associé à un vernis lubrifiant.
[0061 ] Les valeurs mesurées pour les volumes usés des différentes configurations testées sont représentées sur le graphe de la Fig.7 : le volume perdu par bouton est représenté avec des petits points, en partie inférieure de chaque barre, tandis que le volume perdu par le poinçon est représenté avec des hachures, en partie supérieure de chaque barre ; la valeur indiquée au sommet de chaque barre correspond donc au volume perdu total.
[0062] On constate alors que les volumes usés totaux sont très largement inférieurs dans les configurations selon l’exposé E1 , E2, E3 par rapport aux configurations comparatives C1 et C2 dans lesquelles le substrat n’est pas protégé ; ou encore par rapport à la configuration comparative C3 correspondant à la situation dans laquelle un clinquant en alliage HS25 est inséré entre le pied d’aube 1 1 et l’alvéole 31 du disque 30. On constate également que le volume perdu par le bouton 42 dans les configurations E1 , E2 et E3 est toujours inférieur au volume perdu par le bouton 42 dans les configurations comparatives C5 à C7 mettant en oeuvre un revêtement d’un autre type associé à un vernis lubrifiant. A titre incident, on note également grâce à la configuration comparative C3 qu’un simple vernis lubrifiant, utilisé seul, est insuffisant pour protéger efficacement le substrat.
[0063] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. [0064] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Aube pour turbomachine, comprenant une partie de pale (12), et un pied d'aube (11), le pied d'aube (11) comprenant au moins une surface de portée (22) configurée pour coopérer avec un dispositif de fixation (31) de la turbomachine (1), dans lequel au moins le pied d'aube (11) est réalisé en TiAI, et dans lequel la surface de portée (22) est munie d'un revêtement anti-usure, ce revêtement anti-usure étant réalisé dans un alliage à base Nickel comprenant au moins 9,5% en masse de Co et/ou au moins 14% en masse de Cr.
[Revendication 2] Aube selon la revendication 1, dans laquelle le revêtement anti-usure est réalisé dans un alliage comprenant au moins 3% en masse, et de préférence entre 3 et 30% en masse, de Molybdène.
[Revendication 3] Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le revêtement anti-usure est réalisé dans un alliage comprenant au moins 3% en masse, et de préférence entre 3 et 5% en masse, de Silicium.
[Revendication 4] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'alliage du revêtement anti-usure comprend des particules de carbure, de préférence de carbure de chrome.
[Revendication 5] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le revêtement anti-usure est réalisé dans l'un des alliages suivants : René 80, Cr3C2-Ni20Cr ou Inconel 718 (marque déposée).
[Revendication 6] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le revêtement anti-usure comprend une épaisseur comprise entre 0,1 et 1,5 mm, de préférence comprise entre 0,1 et 1,0 mm, de préférence encore entre 0,1 et 0,3 mm.
[Revendication 7] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le revêtement anti-usure est dépourvu d'un vernis de protection.
[Revendication 8] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le revêtement anti-usure est déposé par projection thermique, de préférence par projection plasma.
[Revendication 9] Module de turbomachine, comprenant un disque (30), comprenant une pluralité d'alvéoles (31), et une pluralité d'aubes (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le pied d'aube (11) de chaque aube (10) étant engagé dans une alvéole (31) du disque (30) de sorte que les surfaces de portée (22) du pied d'aube (21) soient en contact avec des surfaces de retenue (34) de l'alvéole (31). [Revendication 10] Turbomachine, comprenant une aube (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou un module de turbomachine (7) selon la revendication 9.
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