FR2950382A1 - Piece comportant une structure et un element en alliage a memoire de forme - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une pièce comportant une structure et au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) noyé au moins partiellement à l'intérieur de la structure. Cet alliage en mémoire de forme (10) est apte à dissiper l'énergie mécanique de cette structure lorsque celle-ci vibre dans une bande de fréquences donnée.

Description

La présente invention concerne une pièce comportant une structure. Dans certaines applications, une structure est soumise à des sollicitations aérodynamiques causées par un écoulement de fluide, par exemple de l'air, autour de cette structure. C'est le cas pour une structure qui est une pièce de turbomachine aéronautique, par exemple une une aube de soufflante. Ces sollicitations peuvent faire vibrer la structure. Une telle structure possède par ailleurs ses propres modes vibratoires liés à ses propriétés mécaniques (essentiellement ses distributions de raideur et de masse). Il peut alors s'établir un couplage instable entre les vibrations générées dans la structure par les sollicitations aérodynamiques, et les caractéristiques vibratoires de cette structure, par action réciproque entre la structure et le fluide qui s'écoule autour d'elle. Ce phénomène de couplage est appelé flottement. L'apparition ou non du flottement dans une structure soumise à des sollicitations aérodynamiques dépend du bilan de la somme de deux énergies : l'énergie aérodynamique EA et l'énergie de dissipation mécanique de la structure EM. L'énergie aérodynamique EA est l'énergie transmise par le fluide à la structure de par son écoulement autour d'elle. L'énergie de dissipation mécanique de la structure EM est l'énergie qui est dissipée mécaniquement par la structure. Cette dissipation dépend des propriétés mécaniques intrinsèques de la structure. Dans le cas d'une structure en matériau composite, ces propriétés mécaniques dépendent de la nature des matériaux composant la structure composite, et de l'architecture interne de cette structure, c'est-à-dire de l'agencement entre eux des différents matériaux qui la composent. Cet agencement peut exister à une ou plusieurs échelles : mésoscopique (fibres courtes/longues, particules), macroscopique (tissage, tressage, couches/plis). Il y a risque de flottement de la structure lorsque (-EA)>EM.
Le flottement d'une structure est un phénomène indésirable car il conduit la structure à entrer dans des modes de résonance où les amplitudes de vibration de la structure augmentent de façon incontrôlée, ce qui peut conduire à la ruine de la structure. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient.
L'invention vise à proposer une pièce comportant une structure, par exemple une structure composite, pour laquelle les niveaux de vibration
sont diminués pour une grande variété de sollicitations libres (flottement) ou forcées de type asynchrone, synchrone ou transitoire. Ce but est atteint grâce au fait que la pièce comporte au moins un élément en alliage à mémoire de forme noyé au moins partiellement à l'intérieur de cette structure, cet alliage en mémoire de forme étant apte à dissiper l'énergie mécanique de cette structure lorsque celle-ci vibre dans une bande de fréquences donnée. Grâce à ces dispositions, le ou les éléments en alliage à mémoire de forme (AMF) confèrent à la structure une fonction d'amortissement interne des vibrations auxquelles cette structure est soumise. Il en résulte une augmentation de l'énergie de dissipation mécanique de la structure EM, et donc une diminution du risque de flottement de cette structure. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure en matériau composite avec un élément en alliage à mémoire de forme en son sein, cette structure étant composée de plusieurs sous- structures. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé par le fait que On fournit plusieurs sous-structures, On place l'élément en alliage à mémoire de forme sur une des sous- structures, On recouvre au moins partiellement l'élément en alliage à mémoire de forme par une autre des sous-structures, On fixe l'élément en alliage à mémoire de forme au sein de la structure, lesdites sous-structures étant choisies dans un groupe comprenant un stratifié de plis unidirectionnels, un composite tissé, un composite tressé, un matériau homogène, un revêtement de type film, un revêtement de type couche de peinture. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre le comportement d'un alliage à mémoire de forme utilisé dans une structure selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une pièce selon l'invention avec une structure composite comportant des plis,
la figure 3A représente schématiquement une pièce selon l'invention avec une structure composite comportant des fibres tressées, la figure 3B représente schématiquement une pièce selon l'invention avec une structure composite comportant des fibres tissées, la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une pièce selon l'invention avec une structure comportant plusieurs sous-structures composites, la figure 5 montre une aube de soufflante selon l'invention où des fils AMF sont orientés et positionnés dans les zones de déformations maximales. On considère une structure qui peut être en matériau composite, ou en un matériau homogène, y compris un alliage. Cette structure n'est 15 cependant pas elle-même un alliage à mémoire de forme. Dans la présente demande, on entend par structure en matériau composite une structure composée d'au moins deux matériaux dont les propriétés mécaniques sont dissimilaires. Par exemple, l'un des matériaux est un renforcement, qui est noyé 20 dans l'autre matériau qui est la matrice. L'agencement entre le renforcement et la matrice peut exister à une ou plusieurs échelles : mésoscopique (fibres continues formant un pli unidirectionnel, ou fibres courtes ou particules dans une matrice), macroscopique (tissage ou tressage de fibres dans une matrice, superposition de couches constituées 25 de fibres tissées/tressées ou de plis). La structure en matériau composite peut également être constituée d'un coeur en matériau homogène situé à l'intérieur d'une enveloppe en un autre matériau homogène ou en matériau composite. Ce coeur peut être en un matériau moins rigide que cette enveloppe, par exemple ce 30 coeur peut être en mousse. La structure en matériau composite peut également être constituée de deux matériaux, l'un des matériaux est un revêtement qui recouvre au moins partiellement l'autre matériau. Ce revêtement est par exemple un film, qui peut servir de protection contre l'érosion ou les ultra-violets, ou 35 une peinture, qui peut servir de protection contre les ultra-violets. En particulier, ce revêtement peut être constitué d'un film, par exemple en
polyuréthane, sur la face intrados de la pièce, et d'une peinture sur la face extrados. L'autre matériau peut être un matériau homogène ou un matériau composite. On décrit ci-dessous l'invention dans le cas où la structure est une structure en matériau composite. Lorsqu'une structure en matériau composite, notamment une structure de forme allongée, est placée dans un écoulement de fluide, par exemple de l'air, l'interaction entre cet écoulement et la structure peut induire des vibrations dans la pièce. Pour certaines plages de paramètres, qui comprennent les propriétés physiques et la vitesse d'écoulement du fluide, les propriétés mécaniques des matériaux constituant la structure, et la structure interne de la structure (géométrie et agencement de ces différents matériaux), il peut s'établir dans la pièce un flottement, qui est un régime indésirable de vibrations, comme expliqué plus haut. Ce flottement est susceptible de conduire à un endommagement et à la ruine de la structure. Afin d'empêcher ce flottement, les inventeurs insèrent à l'intérieur de la structure, noyé au moins en partie dans cette structure, au moins un élément en alliage à mémoire de forme (AMF), notamment des fils ou des feuillets. Les AMF ont un comportement non-linéaire sous sollicitation mécanique, qui est dû à un changement de phase austénite/martensite réversible au sein du réseau cristallin de l'AMF. Cette particularité des AMF étant connue, on en rappelle simplement les grands principes.
Comme illustré en figure 1, la courbe contrainte-déformation 6(c) d'un AMF suit un certain trajet lors de l'application de la contrainte 6 (courbe 1), et un trajet différent lors de la relaxation de la contrainte (courbe 2). La structure revient à sa forme initiale (la déformation 8 est élastique), mais la structure a dissipé de l'énergie de façon interne lors de ce cycle de chargement (effet d'hystérésis). Cette énergie est égale à la surface comprise entre la courbe 1 et la courbe 2. Ainsi, lorsqu'un AMF est soumis à des sollicitations répétées, par exemple à cause de vibrations, il dissipe de l'énergie par hystérésis à chaque cycle de sollicitation.
En insérant des éléments en AMF dans une structure, on peut ainsi, par dissipation d'énergie par hystérésis, réduire les vibrations indésirables
de cette structure (ce qui revient à augmenter l'énergie de dissipation mécanique de la structure EM), et donc réduire les risques de flottement de la structure. Les éléments en AMF sont noyés, partiellement ou totalement, dans la structure de telle sorte que les déformations de la structure sont transmises à ces éléments, afin que ces éléments reprennent les contraintes subies par la structure et jouent ainsi leur rôle d'amortisseur. Avantageusement, il existe une bonne adhérence entre les éléments en AMF et les zones de la structure avec laquelle ces éléments sont en contact, de façon à ce que les déformations de la structure sont transmises plus efficacement à ces éléments. Les éléments en AMF peuvent être précontraints, c'est-à-dire soumis à une contrainte lors de leur insertion dans la structure composite, cette contrainte n'étant supprimée qu'après que les éléments sont liés à la structure environnante, de telle sorte qu'il subsiste une contrainte dans ces éléments lorsque la structure est au repos. Cette précontrainte a pour effet de décaler le cycle d'hystérésis (voir figure 1) d'un élément en AMF sur une plage de contraintes différente de celle de l'élément non précontraint. Ce procédé permet de maximiser la fonction d'amortissement des éléments en AMF de telle sorte que ces éléments soient actifs aux contraintes maximales générées lors d'un flottement. Selon l'architecture de la structure en matériau composite dans laquelle on place le ou les éléments en AMF, la géométrie, les lieux d'insertion, et le procédé d'insertion de ces éléments varient.
Lorsque la structure est composée de plusieurs sous-structures, on place le ou les éléments en alliage à mémoire de forme sur une des sous-structures, on recouvre au moins partiellement le ou les éléments en alliage à mémoire de forme par une autre des sous-structures, puis on fixe ensemble le ou les éléments en alliage à mémoire de forme et la structure. Le ou les éléments en alliage à mémoire de forme sont ainsi placés à l'interface entre les sous-structures. Ainsi, lorsque le matériau composite de la structure comprend un stratifié de plis unidirectionnels, le ou les éléments en AMF 10 peuvent être placés entre les plis 20, comme illustré en figure 2. Ainsi, après avoir déposé un des plis, on dépose sur ce pli un ou plusieurs éléments en AMF, puis on recouvre le tout par un autre pli, orienté selon une direction identique ou différente. Ces éléments en AMF peuvent être un ou plusieurs fils, ou un feuillet. On polymérise ensuite cet ensemble de façon à former un bloc solide à l'intérieur duquel le ou les éléments en AMF sont noyés. Comme illustré en figure 3A, un ou plusieurs fils (et/ou un feuillet) en AMF 10 peuvent être insérés entre une première tresse 21 réalisée lors d'une première passe de tressage de la préforme et une deuxième tresse 22 réalisée lors d'une deuxième passe de tressage avant densification de cette préforme (la densification est par exemple réalisée par une infusion, une injection, ou une infiltration chimique en phase vapeur). En général, les sous-structures sont choisies dans un groupe comprenant un stratifié de plis unidirectionnels, un composite tissé, un composite tressé, un matériau homogène, un revêtement de type film, un revêtement de type couche de peinture. Ainsi, dans le cas où la structure est composée d'une sous-structure recouverte au moins partiellement d'un revêtement, le ou les éléments en AMF peuvent être placés sur la sous-structure et recouverts, au moins partiellement, par ce revêtement qui peut être un film, ou une couche de peinture. Lorsque le matériau composite de la structure comprend une préforme constituée d'un tissage ou tressage de fibres, le ou les éléments en AMF peuvent être insérés au sein de cette préforme. Comme illustré en figure 3B, un ou plusieurs fils en AMF 10 peuvent être insérés directement dans la préforme tissée 3D (en 3 dimensions) 30 avant densification de cette préforme et des fils en AMF. Cette préforme peut également être une préforme tissée 2D (en deux dimensions). La préforme est ensuite densifiée. Alternativement, la préforme peut être directement réalisée avec des fibres tissées ou tressées dont au moins une est un fil en alliage à mémoire de forme. On densifie ensuite la préforme ainsi réalisée. La figure 4 montre le cas où des fils en AMF 10 sont placés dans une pale d'hélice 40, à l'interface entre le longeron 42 en matériau composite et un noyau 41 en mousse, à l'interface entre l'enveloppe 44 en matériau composite et un corps 43 en mousse, et à l'interface entre l'enveloppe 44 en matériau composite et le longeron 42 en matériau composite.
La structure en composite dans laquelle est insérée le ou les éléments en AMF peut être une pièce de turbomachine aéronautique. Par exemple cette pièce est une aube mobile ou fixe de soufflante, une aube mobile ou fixe de compresseur ou de turbine BP (basse pression) ou de turbine HP (haute pression). La pièce peut aussi être une pale d'hélice ou un carter de turbomachine. Les éléments AMF peuvent être placés en plusieurs zones de la structure. Avantageusement, le ou les éléments AMF sont placés dans une/des zones de fortes déformations de la structure composite, et orientés selon la direction de déformation maximale. Ces zones sont préalablement identifiées de façon connue par modélisation, par exemple par éléments finis, ou par des essais. Ainsi, l'efficacité des éléments en AMF pour amortir les vibrations est optimisée. La figure 5 montre le cas d'une aube fan 50 où des fils en AMF 10 (visibles en transparence) sont orientés et positionnés dans les zones de déformations maximales au sein de la structure, par exemple notamment : au niveau du pied d'aube parallèlement au bord d'attaque, au niveau du sommet de l'aube parallèlement à la face d'extrémité du sommet de l'aube, Les éléments en AMF peuvent également être des feuillets, auquel cas l'effet amortissant de l'élément AMF se produit dans n'importe quelle direction dans le plan du feuillet. Les éléments en AMF, tout en étant noyés dans la structure composite, peuvent être situés près de la surface de cette structure. Ce positionnement entraîne une maximisation des déformations des éléments en AMF. Les matériaux composites utilisés dans la structure composite sont par exemple des composites à matrice organique, ou des composites à haute température (par exemple un composite à matrice céramique ou métallique). Idéalement, les AMF sont choisis en fonction de la température de fonctionnement de la structure composite, de telle sorte que cette température de fonctionnement se situe dans la gamme de température spécifique à I'AMF dans laquelle l'effet d'hystérésis (figure 1) se produit.
Les AMF utilisés dans la structure composite sont par exemple des alliages Ni-Ti, ou Ni-Ti-Hf, ou Ni-Ti-Pd, ou Ti-Au-Cu, ou Hf-Pd, ou Ru-Nb, ou Ru-Ta.5

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Pièce comportant une structure et au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) noyé au moins partiellement à l'intérieur de ladite structure, ledit alliage en mémoire de forme étant apte à dissiper l'énergie mécanique de cette structure lorsque celle-ci vibre dans une bande de fréquences donnée.
  2. 2. Pièce selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdits éléments en alliage à mémoire de forme (10) sont placés en plusieurs zones de ladite structure.
  3. 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite structure comprend au moins un matériau composite.
  4. 4. Pièce selon la revendication 3 caractérisée en ce que ledit au moins un matériau composite comprend un stratifié de plis unidirectionnels (20), ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) étant placé entre lesdits plis.
  5. 5. Pièce selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que ledit au moins un matériau composite comprend une préforme (30) en fibres, ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) étant placé au sein de ladite préforme (30).
  6. 6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que ladite structure est composée de plusieurs sous-structures, ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) étant placé à au moins une des interfaces entre lesdites sous-structures.
  7. 7. Pièce selon la revendication 6 caractérisée en ce que lesdites sous-structures sont choisies entre un stratifié de plis unidirectionnels, un composite tissé, un composite tressé, un matériau homogène, un revêtement de type film, un revêtement de type couche de peinture.
  8. 8. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) est choisi entre un fil et un feuillet.
  9. 9. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle est une pièce de turbomachine aéronautique.
  10. 10. Procédé de fabrication d'une structure en matériau composite 35 avec au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) en sonsein, ladite structure étant composée de plusieurs sous-structures, ledit procédé étant caractérisé en ce que On fournit plusieurs sous-structures, On place ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) sur une desdites sous-structures, On recouvre au moins partiellement ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) par une autre desdites sous-structures, On fixe ensemble ledit élément en alliage à mémoire de forme (10) et ladite structure, lesdites sous-structures étant choisies dans un groupe comprenant un stratifié de plis unidirectionnels, un composite tissé, un composite tressé, un matériau homogène, un revêtement de type film, un revêtement de type couche de peinture.
  11. 11. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse avec au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) en son sein, caractérisé en ce que On fournit une préforme (30) de fibres tissées ou tressées, On insère ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10) au sein de la dite préforme (30), On densifie ladite préforme (30) et ledit au moins un élément en alliage à mémoire de forme (10).
  12. 12. Procédé de fabrication d'une structure selon la revendication 10 ou 11, ledit élément en alliage à mémoire de forme étant précontraint avant son placement sur une desdites sous-structures ou son insertion au sein de ladite préforme.
  13. 13. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse avec un élément en alliage à mémoire de forme (10) en son sein, caractérisé en ce que ù On réalise une préforme (30) avec des fibres tissées ou tressées, au moins une de ces fibres étant un fil en alliage à mémoire de forme, ù On densifie ladite préforme (30).
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