FR2949091A1

FR2949091A1 - Procede de realisation d'un disque aubage monobloc creux

Info

Publication number: FR2949091A1
Application number: FR0955683A
Authority: FR
Inventors: Alain Foucault; Etienne Juchauld; David Marsal; Stephane Otin
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-18
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: US20110048620A1; FR2949091B1; US8177933B2

Abstract

Un premier insert (15) formant un anneau est mis en place à l'intérieur et au contact d'un noyau (10) en matériau dégradable. Sur la face externe du noyau est disposée une pluralité d'inserts (20) comprenant chacun une plate-forme (21) appliquée contre la face externe du noyau et au moins une aube (22) s'étendant sensiblement radialement vers l'extérieur. Une structure fibreuse (56) est bobinée tout autour du noyau en passant sur les plates-formes (21) et sur la surface interne de l'insert annulaire (15). Un moulage de la structure fibreuse imprégnée par une composition contenant une résine est réalisé avant polymérisation de la résine et élimination du noyau.

Description

Arrière-plan de l'invention

L'invention concerne un disque aubagé monobloc creux tel qu'un disque de compresseur ou de turbine dans une turbine à gaz aéronautique ou industrielle et vise plus particulièrement un procédé de fabrication d'un tel disque. Les matériaux composites, notamment ceux composés d'une structure de renfort fibreux densifiée par une matrice, sont de plus en plus employés pour réaliser des pièces de structure, en particulier parce qu'ils permettent une diminution de masse à performances égales en comparaison avec des matériaux métalliques. L'emploi de tels matériaux a été proposé pour des éléments de turbine à gaz, qu'il s'agit d'éléments situés en service dans des zones "froides" ou d'éléments situés en service dans des zones "chaudes".

A titre d'exemples, on peut citer le document EP 1 526 285 qui décrit la réalisation d'une aube de soufflante en matériau composite à renfort fibreux tissé et matrice polymère, et le document WO 2008/104692 qui décrit la réalisation d'un mélangeur à lobes en matériau composite à matrice céramique (CMC) pour une turbine à gaz double flux. Toutefois, les techniques décrites dans ces documents ne conviennent pas lorsqu'il s'agit de réaliser des pièces de forme encore plus complexe tel qu'un disque aubagé monobloc creux.

Objet et résumé de l'invention

L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et propose à cet effet un procédé comprenant les étapes de : - fourniture d'un noyau rigide annulaire ayant une face interne annulaire, une face externe annulaire et deux faces latérales, - mise en place d'un premier insert formant un anneau ayant une surface externe au contact de la face interne du noyau et une surface interne, - disposition sur la face externe du noyau d'une pluralité de deuxièmes inserts comprenant chacun une plate-forme appliquée contre la face externe du noyau et au moins une aube s'étendant sensiblement radialement vers l'extérieur à partir de la plate-forme, 1 - bobinage tout autour du noyau d'une structure fibreuse comprenant des spires passant chacune le long d'une face latérale du noyau, sur une plate-forme d'un deuxième insert, le long de l'autre face latérale du noyau et sur la surface interne du premier insert, - moulage de la structure fibreuse imprégnée par une composition contenant une résine, - polymérisation de la résine, et - élimination du noyau. Ainsi, l'invention est remarquable en ce qu'elle permet d'obtenir un disque aubagé monobloc creux en une seule pièce. La structure fibreuse peut être formée par bobinage de fil, câbles ou ruban. De préférence, le bobinage est réalisé sur les plates-formes des deuxièmes inserts, entre les aubes.

De préférence encore, le long d'une face latérale du noyau, chaque segment de spire suit un trajet formant un angle non nul par rapport à la direction radiale à l'emplacement de ce segment. Avantageusement alors, le long d'une face latérale du noyau, des segments de spires se croisent en faisant des angles non nuls de signes opposés par rapport à la direction radiale à l'emplacement de ces segments. On peut utiliser un premier insert ayant une section en forme de U dont les extrémités des ailes s'appuient sur la face interne du noyau, ce qui permet d'alléger le disque aubagé. Avantageusement, le premier insert est en matériau composite à renfort fibreux. De préférence, l'on utilise un premier insert ayant une section en forme de U dont les extrémités des ailes s'appuient sur la face interne du noyau. Selon une particularité du procédé, sur une des faces latérales au moins du noyau, on met en place des troisièmes inserts formant pièces de liaison. De telles pièces de liaison sont destinées à permettre le montage du disque aubagé et la transmission des efforts radiaux et axiaux aux pièces adjacentes. Selon une autre particularité du procédé, au niveau de la face externe du noyau, on met en place au moins un quatrième insert formant renfort annulaire. Par exemple, l'on met en place des quatrièmes inserts formant joncs de renfort dans des logements ménagés dans la face externe du noyau au voisinage de ses faces latérales. Selon encore une autre particularité du procédé, sur une au moins de ses faces latérales, le noyau présente des pions en saillie et le bobinage est réalisé autour des pions de manière à former des orifices latéraux dans le disque creux après élimination du noyau. De tels orifices permettant la ventilation de l'intérieur du disque aubagé sont ainsi formés au stage du bobinage.

Brève description des dessins

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après à titre indicatif mais non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique en perspective montrant un disque aubagé monobloc tel qu'il peut être réalisé par un procédé conforme à l'invention ; - la figure 2 indique des étapes successives d'un procédé de fabrication d'un disque tel que celui de la figure 1, selon un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un noyau utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe radiale d'un insert formant couronne utilisé pour la mise en oeuvre du procédé ; - la figure 5 est une vue schématique en perspective partiellement arrachée d'un insert formant plate-forme et aube utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de la figure 2 ; - la figure 6 est une vue schématique en perspective d'un insert formant attache utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de la figure 2 ; - la figure 7 est une vue schématique partielle en coupe radiale montrant l'étape de bobinage du procédé de la figure 2 ; - la figure 8 est une vue de détail montrant le trajet de fils sur une face latérale du noyau lors du bobinage ; - la figure 9 est une vue schématique partielle en coupe radiale montrant l'étape de moulage du procédé de la figure 2 ; - la figure 10 est une vue partielle en coupe radiale montrant une variante du procédé des figures 1 à 6; et - la figure 11 est une vue partielle en coupe radiale montrant une autre variante du procédé des figures 1 à 6. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre très schématiquement un disque aubagé monobloc creux 1, ci-après désigné par DAM, tel qu'un disque de compresseur ou un disque de turbine d'une turbine à gaz aéronautique ou industrielle. Le DAM 1 comporte une couronne creuse 2 à la périphérie de laquelle sont réparties une pluralité d'aubes 3 solidaire de la couronne 2. Sur une de ses faces latérales, la couronne 2 est munie d'une pluralité d'attaches 4 qui s'étendent axialement. Les attaches 4 sont réparties circonférentiellement de façon régulière en une rangée et sont destinées à permettre le montage du DAM. Sur l'autre face, des orifices (non visibles sur la figure 1) font communiquer une cavité interne de la couronne 2 avec l'extérieur, ces orifices étant par exemple répartis circonférentiellement de façon régulière en une rangée. Les aubes 3 sont des aubes creuses dont les cavités internes communiquent avec celles de la couronne 2 et qui s'ouvrent vers l'extérieur à travers des orifices (non représentés) généralement formés à travers leurs parois intrados, bords d'attaque, bords de fuite et sommets en forme de baignoires. Différentes étapes successives pour la réalisation d'un DAM creux tel que celui de la figure 1 sont indiquées sur la figure 2. Une première étape 101 consiste à fournir un noyau rigide 10 (figure 3) destiné à définir la géométrie de la cavité interne de la couronne du DAM et des orifices qui la font communiquer avec l'extérieur. Le noyau 10 a une forme annulaire avec une face interne annulaire 11a, une face externe annulaire iib et des faces latérales opposées 12a, 12b. Les faces 11a, 11b sont ici cylindriques tandis que les faces 12a, 12b sont radiales.

Sur la face latérale 12a, le noyau 10 présente des pions 14 qui font saillie

à partir de la face latérale, par exemple axialement, et sont répartis circonférentiellement de façon régulière. Le noyau 10 est en un matériau dégradable susceptible d'être éliminé sans détérioration des parties constitutives du DAM. On pourra par exemple utiliser un noyau en alliage métallique à bas point de fusion tel que ceux de la gamme "MCP" de la société britannique "Mining & Chemical Products Ltd", ou un noyau en matériau éliminable par attaque chimique tel qu'un noyau en fer doux éliminable par attaque à l'acide nitrique. D'autres matériaux sont envisageables, par exemple cire, plâtre ou ciment, dès lors qu'ils confèrent au noyau une rigidité suffisante pour supporter l'étape de bobinage et une tenue en température suffisante pour supporter sans dommages l'étape de polymérisation, et qu'ils sont éliminables notamment par solvant, par attaque acide ou par fusion sans affecter l'intégrité des parties constitutives du DAM. Le noyau 10 peut être élaboré par exemple par moulage ou par usinage. Une deuxième étape 102 consiste à fournir un premier insert 15 en forme d'anneau (figure 4) destiné à se loger dans le noyau 10, au contact de la face interne 11a. L'anneau 15 a une surface interne 15a, une surface externe 15b de diamètre correspondant à celui de la face 11a et une dimension axiale sensiblement égale à celle du noyau 10 (hors les pions 14). L'anneau 15 peut être en métal ou, de préférence en matériau composite à renfort fibreux. Un tel anneau 15 en matériau composite peut être fabriqué en formant une préforme fibreuse annulaire et en densifiant celle-ci par une matrice. La préforme fibreuse peut être formée par enroulement filamentaire en bobinant un fil, câble ou ruban en plusieurs couches superposées (comme montré sur la figure 7). La préforme fibreuse est densifiée par exemple par imprégnation par une composition contenant une résine et polymérisation de la résine. Selon le domaine de températures rencontrées en service, la matrice pourra être une matrice polymère, par exemple époxy, ou une matrice carbone ou céramique. Une matrice carbone ou céramique peut être obtenue par pyrolyse d'une résine précurseur de carbone (par exemple une résine phénolique) ou d'une résine pré-céramique ou précurseur de céramique (par exemple polycarbosilane ou polycarbosilazane pour une matrice formée essentiellement de carbure de silicium SiC). Les fibres de la préforme peuvent être en carbone ou céramique. On notera que la préforme fibreuse peut aussi être réalisée par superposition de strates, par exemple par enroulement d'une bande tissée, les strates pouvant être liées entre elles par exemple par aiguilletage, ou bien encore être réalisée par tissage tridimensionnel (3D) ou multi-couches, ces différentes techniques étant bien connues en elles-mêmes. Une troisième étape 103 consiste à fournir une pluralité de deuxièmes inserts 20 formant plate-forme 21 et aube 22 (figure 5) destinés à être disposés à la périphérie du noyau 10, contre sa face externe 11b. Les aubes 22 sont de préférence des aubes creuses avec des petits orifices 23 faisant communiquer la cavité interne d'une aube avec l'extérieur, les orifices 23 étant formés notamment à travers la paroi intrados de l'aube. La plate-forme 21 est courbée pour s'appliquer contre la face 11b du noyau et a une dimension axiale sensiblement égale à celle du noyau 10 (hors les pions 14). La plate-forme 21 est traversée par un passage situé dans la continuité de la cavité interne de l'aube 22. Les inserts 20 peuvent être métalliques et obtenus par fonderie. On pourra aussi les réaliser en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice, la nature des fibres et de la matrice étant choisies en fonction du domaine de températures rencontrées en service, comme pour l'insert 15. Une quatrième étape 104 consiste à fournir une pluralité de troisièmes inserts 30 formant attaches (figure 6). Dans l'exemple illustré, chaque insert 30 comprend une tige filetée 31 munie d'une tête 32. L'étape 105 consiste à assembler le noyau 10 avec les inserts 15, 20 et 30. L'anneau 15 est logé contre la face interne 11a du noyau 10 comme indiqué plus haut. Les inserts 20 sont disposés contre la face externe 11b du noyau, les dimensions des plates-formes 21 étant choisies pour disposer celles-ci de façon contiguë. Les inserts 30 sont disposés sur la face latérale 12b du noyau 10, les têtes des inserts étant placées dans des logements correspondants formés dans la face 12b à cet effet (voir figure 7). Les inserts 15, 20 et 30 pourront être maintenus en place par collage. En variante, les inserts 15, 20 et 30 peuvent être intégrés au noyau 10 au stade de l'élaboration de celui-ci, le noyau 10 étant alors de préférence obtenu par moulage. Dans ce cas, bien entendu, l'étape 101 est omise, étant confondue avec l'étape 105. L'étape 106 suivante du procédé consiste à réaliser un bobinage pour former la couronne complète du DAM, comme montré par la figure 7. Le bobinage est réalisé avec des fils, câbles ou rubans 50 qui forment des spires passant sur la surface interne 15a de l'anneau 15, le long de la face latérale 12b du noyau 10, entre les tiges 31 des inserts 30, sur les plates-formes 21 des inserts 20, entre les aubes 22, et le long de la face latérale 12a du noyau 10, entre les pions 14. Le bobinage est réalisé en plusieurs couches superposées. Comme le montre la figure 8, le long d'une face latérale du noyau 10, chaque segment de spire s'étend de préférence en faisant un angle non nul par rapport à la direction radiale moyenne à l'emplacement de ce segment. En outre, dans des spires superposées, les segments se croisent en faisant des angles non nuls de sens opposés par rapport à la direction radiale. Une meilleure tenue mécanique peut ainsi être obtenue. Les fils, câbles ou rubans 50 sont par exemple en fibre de carbone ou en fibres de céramique. Lorsque les températures rencontrées en service sont élevées, comme c'est le cas pour un disque de turbine, on utilise de préférence des fibres de céramique, par exemple des fibres à base SiC telles que celles commercialisées sous la dénomination "Nicalon" pour la société japonaise Nippon Carbon. Pour réaliser le bobinage, on utilise une bobine 52 sur laquelle le fil, câble ou ruban 50 est stocké et on fait suivre à la bobine 52 un trajet passant de l'intérieur à l'extérieur de l'ensemble annulaire formé par le noyau 10 et les inserts 15, 20 et 30, en étant guidée le long d'un circuit fermé 54. Dans le même temps et de façon coordonnée, l'ensemble annulaire formé par le noyau 10 et les inserts 15, 20 et 30 est déplacé en rotation autour de son axe, par exemple en étant entraîné par des roues venant en prise par friction avec la face interne du DAM en cours de bobinage ou en étant entraîné via les aubes 22, les inserts 30 ou les pions 14 du noyau 10. On obtient ainsi une structure bobinée 56 qui réalise l'assemblage des inserts 20 avec l'anneau 15 et maintient les attaches 30 dont les têtes sont en appui contre la surface intérieure de la structure bobinée 46.

Après bobinage, une opération de moulage (étape 107) est réalisée. A cet effet, l'ensemble est placé dans un moule 60 (figure 9) et une imprégnation de la structure fibreuse 56 par une composition contenant une résine est réalisée, par exemple par injection dans le moule, de façon bien connue en soi. En variante, le bobinage peut avoir été réalisé avec un fil, câble ou ruban pré-imprégné. Le moulage permet de conférer à la structure fibreuse 56 la géométrie extérieure désirée. On utilise une résine choisie en fonction du domaine de températures d'utilisation envisagé pour le DAM. A de basses températures, on pourra utiliser une résine donnant, après polymérisation, directement la matrice du matériau composite souhaité, par exemple une résine époxy. On pourra aussi utiliser une résine précurseur de carbone donnant une matrice carbone par pyrolyse après polymérisation. Pour de plus hautes températures, on utilise de préférence une résine précurseur de céramique donnant une matrice céramique par pyrolyse après polymérisation. Des résines précurseurs de céramique sont bien connues ; on pourra utiliser par exemple des résines polysiloxanes ou polysilazanes pour donner une céramique à base de SiC. A l'étape 108, une polymérisation de la résine est réalisée dans le moule, par élévation de température. Ensuite, l'ensemble est retiré du moule et, à l'étape 109, le noyau 10 est éliminé. On forme alors la cavité interne de la couronne du DAM ainsi que les orifices qui la font communiquer avec l'extérieur. Comme décrit plus haut, l'élimination du noyau est obtenue par exemple par dissolution, attaque acide ou fusion, l'évacuation à l'état liquide étant réalisée à travers les orifices du DAM. A l'étape 110, une pyrolyse de la résine polymérisée est éventuellement réalisée pour obtenir une structure fibreuse 56 densifiée par une matrice carbone ou céramique.

Un ou plusieurs cycles supplémentaires d'imprégnation par une composition contenant une résine, de polymérisation et de pyrolyse peuvent être effectués pour réduire la porosité. La réduction de la porosité peut aussi être obtenue en procédant à une densification supplémentaire par infiltration chimique en phase gazeuse ou CVI ( Chemical Vapour Infiltration ) ou par infiltration par un matériau à l'état fondu ( Melt Infiltration ).

Des processus de densification par carbone ou céramique obtenus par CVI sont bien connus. L'infiltration à l'état fondu peut être réalisée par exemple avec du silicium. Lorsque le résidu de pyrolyse de la résine est du carbone, on obtient un carbure de silicium par réaction entre le silicium et le carbone en élevant la température de façon appropriée, comme bien connu en soi. Un usinage final (étape 111) peut éventuellement être réalisé pour obtenir un DAM creux aux dimensions désirées. La figure 10 montre une variante de réalisation qui se distingue de celle décrite plus haut en ce que le premier insert 15 en forme d'anneau a une section en U avec les extrémités des ailes du U venant en appui contre la face interne 11a du noyau 10. On peut ainsi alléger le DAM réalisé. La figure 11 montre une autre variante de réalisation qui se distingue de celle décrite plus haut en référence aux figures 2 à 9 en ce que l'on introduit des quatrièmes inserts supplémentaires en forme de joncs 40a, 40b, par exemple métalliques. Les joncs 40a, 40b sont insérés dans des logements formés dans la face externe llb du noyau 10, aux extrémités latérales de celle-ci. Les joncs 40a, 40b forment un renfort supplémentaire. Bien entendu, les variantes des figures 10 et 11 pourront être associées l'une à l'autre.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un disque aubagé monobloc creux en matériau composite, comprenant les étapes de : - fourniture d'un noyau annulaire (10) ayant une face interne annulaire, une face externe annulaire et deux faces latérales, - mise en place d'un premier insert (15) formant un anneau ayant une surface externe au contact de la face interne du noyau et une surface interne, - disposition sur la face externe du noyau d'une pluralité de deuxièmes inserts (20) comprenant chacun une plate-forme (21) appliquée contre la face externe du noyau et au moins une aube (22) s'étendant sensiblement radialement vers l'extérieur à partir de la plate-forme, - bobinage tout autour du noyau d'une structure fibreuse (56) comprenant des spires passant chacune le long d'une face latérale du noyau, sur une plate-forme d'un deuxième insert, le long de l'autre face latérale du noyau et sur la surface interne du premier insert, - moulage de la structure fibreuse imprégnée par une composition contenant une résine, - polymérisation de la résine, et - élimination du noyau.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure fibreuse (56) est formée par bobinage de fils, câble ou ruban en plusieurs couches superposées.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bobinage est réalisé sur les plates-formes des deuxième inserts, entre les aubes (22).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, le long d'une face latérale du noyau (10), chaque segment de spire suit un trajet formant un angle non nul par rapport à la direction radiale à l'emplacement de ce segment.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le long d'une face latérale du noyau (10), des segments de spires se croisent en faisant des angles non nuls de signes opposés par rapport à la direction radiale à l'emplacement de ces segments.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise un premier insert (15) ayant une section en forme de U dont les extrémités des ailes s'appuient sur la face interne du noyau.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on utilise un premier insert (15) en matériau composite à renfort fibreux.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on utilise des deuxièmes inserts (20) avec aubes creuses.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, sur une des faces latérales au moins du noyau (10), on met en place des troisièmes inserts (30) formant pièces de liaison.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1. à 9, caractérisé en ce que, au niveau de la face externe du noyau, on met en place au moins un quatrième insert (40a, 40b) formant renfort annulaire.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on met en place des quatrièmes inserts formant joncs de renfort (40a, 40b) dans des logements ménagés dans la face externe du noyau au voisinage de ses faces latérales.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que, sur une au moins de ses faces latérales, le noyau (10) présente des pions (14) en saillie et le bobinage est réalisé autour des pions de manière à former des orifices latéraux dans le disque creux après élimination du noyau.