FR2956602A1 - Procede de realisation d'un renfort metallique d'aube de turbomachine - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement : - une étape de réalisation d'un insert métallique (41) représentant la base (39) du renfort métallique (30) ; - une étape de positionnement dudit insert métallique (41) sur l'extrémité (54) d'une préforme (51) d'un outillage de forme (50), ladite préforme (51) reprenant la forme de ladite aube (10) de turbomachine ; - une étape de formage d'une tôle métallique (60) sur ledit insert métallique (41) et sur ladite préforme (51) dudit outillage (50) par un procédé de formage à chaud.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN RENFORT METALLIQUE D'AUBE DE TURBOMACHINE.
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube composite ou métallique de turbomachine. Plus particulièrement l'invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine. Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflante, en matériau composite ou métallique, de turbomachine et dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique. Toutefois, l'invention est également applicable à la réalisation d'un renfort métallique destiné à renforcer un bord de fuite d'aube de turbomachine.
On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados. Le bord de fuite correspond à la partie postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.
Il est connu d'équiper les aubes de soufflante d'une turbomachine, réalisées en matériaux composites, d'un renfort structurel métallique s'étendant sur toute la hauteur de l'aube et au-delà de leur bord d'attaque comme mentionné dans le document EP1809918. Un tel renfort permet de protéger l'aubage composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux. En particulier, le renfort structurel métallique protège le bord d'attaque de l'aube composite en évitant des risques de délamination, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice. De façon classique, une aube de turbomachine comporte une surface aérodynamique s'étendant, selon une première direction, entre un bord d'attaque et un bord de fuite et, selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, entre un pied et un sommet de l'aube. Le renfort structurel métallique épouse la forme du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube et s'étend selon la première direction au-delà du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube pour épouser le profil de l'intrados et de l'extrados de l'aube et selon la deuxième direction entre le pied et le sommet de l'aube. De façon connue, le renfort structurel métallique est une pièce métallique réalisée entièrement par fraisage à partir d'un bloc de matière. Cependant, le renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube est une pièce complexe à réaliser, nécessitant de nombreuses opérations de reprises et des outillages complexes impliquant des coûts de réalisation importants.
Dans ce contexte, l'invention vise à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine permettant de réduire significativement les coûts de réalisation d'une telle pièce tout en simplifiant la gamme de fabrication.
A cette fin, l'invention propose un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement : - une étape de réalisation d'un insert métallique représentant la base du renfort métallique ; - une étape de positionnement dudit insert métallique sur l'extrémité d'une préforme d'un outillage de forme, ladite préforme reprenant la forme de ladite aube de turbomachine ; - une étape de formage d'une tôle métallique sur ledit insert métallique et sur ladite préforme dudit outillage par un procédé de formage à chaud. Grâce à l'invention, le renfort structurel métallique est réalisé de façon simple et rapide à partir d'une préforme réalisée dans un outillage de forme et reprenant la profil externe d'une aube de turbomachine, d'un outillage, d'un insert métallique réalisé conventionnellement par usinage et d'une tôle métallique mise en forme sur ladite préforme et sur ledit insert par un procédé de formage à chaud. Le formage à chaud permet également de solidariser l'insert sur la tôle mise en forme dans l'outillage, de sorte que l'ensemble constitué par la tôle mise en forme et l'insert forment respectivement les flancs et la base du renfort métallique d'aube de turbomachine. Avantageusement, le procédé de formage à chaud utilisé est un procédé de formage superplastique (SPF pour Super Plastic Forming en langue anglaise).
Ce procédé de réalisation permet ainsi de s'affranchir de la réalisation complexe du renfort par fraisage dans la masse à partir de méplats nécessitant de grand volume de matière de mise en oeuvre et par conséquent des coûts importants en approvisionnement de matière première.
Le procédé selon l'invention permet également de diminuer sensiblement les coûts de fabrication d'une telle pièce. Le procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite étape de formage de ladite tôle métallique est réalisée par un procédé de formage superplastique ; - ladite étape de positionnement dudit insert métallique est réalisée par positionnement de la face inférieure dudit insert, de forme complémentaire à la ladite forme de l'extrémité, sur ladite extrémité de ladite préforme ; - ledit procédé comporte une étape de soudage par diffusion dudit insert et de ladite tôle métallique simultanément avec ladite étape de formage ; - ledit procédé comporte une étape de démoulage dudit renfort métallique dudit outillage ; - ledit procédé comporte une étape de finition dudit renfort métallique consistant en une sous-étape de polissage de la surface dudit renfort et/ou en une sous-étape de reprise du profil et/ou des épaisseurs des flancs dudit renfort et/ou en une sous-étape de reprise du profil de la base du renfort ; - ladite étape de reprise du profil et/ou des épaisseurs des flancs dudit renfort est réalisée par usinage chimique ; - ledit procédé comporte une étape de préparation de la tôle consistant en une sous-étape d'usinage préalable de certaines zones de la tôle et/ou en une sous-étape d'augmentation de la rugosité sur la face inférieure de ladite tôle ; - ledit procédé comporte une opération consistant à augmenter la rugosité des faces intérieures desdits flancs dudit renfort. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort structurel métallique de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de réalisation selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe de la figure 1 selon un plan de coupe AA ; - la figure 3 est un schéma synoptique présentant les principales étapes de réalisation d'un renfort structurel métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine du procédé de réalisation selon l'invention ; - la figure 4 est une vue illustrant l'état initial du renfort lors de la troisième étape du procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine illustré en figure 3 ; - la figure 5 est une vue illustrant l'état intermédiaire du renfort lors de la troisième étape du procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine illustré en figure 3 ; - la figure 6 est une vue illustrant l'état final du renfort lors de la troisième étape du procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine illustré en figure 3. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire. La figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort structurel métallique de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de réalisation selon l'invention. L'aube 10 illustrée est par exemple une aube mobile de soufflante d'une turbomachine (non représentée). L'aube 10 comporte une surface aérodynamique 12 s'étendant selon une première direction axiale 14 entre un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18 et selon une deuxième direction radiale 20 sensiblement perpendiculaire à la première direction 14 entre un pied 22 et un sommet 24. La surface aérodynamique 12 forme la face extrados 13 et intrados 11 de l'aube 10, seul la face extrados 13 de l'aube 10 est représentée sur la figure 1. L'intrados 11 et l'extrados 13 forment les faces latérales de l'aube 10 qui relient le bord d'attaque 16 au bord de fuite 18 de l'aube 10. Dans ce mode de réalisation, l'aube 10 est une aube composite obtenue typiquement par drapage d'un matériau composite tissé. A titre d'exemple, le matériau composite utilisé peut être composé par un assemblage de fibres de carbone tissées et d'une matrice résineuse, l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé d'injection de résine sous vide de type RTM (pour « Resin Transfer Molding »). L'aube 10 comporte un renfort structurel métallique 30 collé au niveau de son bord d'attaque 16 et qui s'étend à la fois selon la première direction 14 au-delà du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube 10 et selon la deuxième direction 20 entre le pied 22 et le sommet 24 de l'aube. Comme représenté à la figure 2, le renfort structurel 30 épouse la forme du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube 10 qu'il prolonge pour former un bord d'attaque 31, dit bord d'attaque du renfort. De façon classique, le renfort structurel 30 est une pièce monobloc comportant une section sensiblement en forme de V présentant une base 39 formant le bord d'attaque 31 et prolongée par deux flancs latéraux 35 et 37 épousant respectivement l'intrados 11 et extrados 13 de la surface aérodynamique 12 de l'aube. Les flancs 35, 37 présentent un profil effilé ou amincie en direction du bord de fuite de l'aube. La base 39 comporte un profil interne 33 arrondi apte à épouser la forme arrondie du bord d'attaque 16 de l'aube 10.
Le renfort structurel 30 est métallique et préférentiellement à base titane. Ce matériau présente en effet une grande capacité d'absorption de l'énergie due aux chocs. Le renfort est collé sur l'aube 10 au moyen de colle connue de l'homme du métier, comme par exemple une colle cyanoacrylique ou encore époxy.
Ce type de renfort structurel métallique 30 utilisé pour le renfort d'aube composite de turbomachine est plus particulièrement décrit notamment dans la demande de brevet EP1908919. Le procédé selon l'invention permet de réaliser un renfort structurel tel qu'illustré à la figure 2, la figure 2 illustrant le renfort 30 dans son état final.
La figure 3 représente un schéma synoptique illustrant les principales étapes d'un procédé de réalisation 100 d'un renfort structurel métallique 30 de bord d'attaque d'aube 10 tel qu'illustré aux figures 1 et 2. La première étape 110 du procédé de réalisation 100 est une étape de fabrication d'un insert métallique 41 par des moyens conventionnels d'usinage connus de l'homme du métier. L'insert métallique 41 est usiné de façon à représenter sensiblement le profil et la forme de la base 39 du renfort métallique 30 dans son état final. A cet effet, les flancs de l'insert métallique 41 sont usinés de façon à reprendre la forme intrados et extrados du renfort métallique 30 et la face inférieure 42 de l'insert 41 est usiné de façon à correspondre à la forme du profil interne 33 arrondi apte à épouser la forme arrondie du bord d'attaque 16 de l'aube 10. La deuxième étape 120 du procédé de réalisation 100 est une étape de positionnement, ou d'accostage, de l'insert 41 à l'extrémité d'une préforme 51 ménagée dans un outillage de forme 50. L'outillage de forme 50 comporte une partie inférieure 52 comportant la préforme 51 et une partie supérieure 53 recouvrant la partie inférieure 52 de façon étanche.
La préforme 51 est réalisée de façon à former le galbe et le profil intrados et extrados désirés du renfort métallique 30. Avantageusement, la préforme 51 comporte sensiblement le même profil que l'aube sur laquelle le renfort métallique sera assemblé. La face supérieure 54 de la préforme 51 est réalisée de façon à correspondre à la forme complémentaire de la face inférieure 42 de l'insert 41 qui correspond à la forme du profil interne 33 du renfort 30. Ainsi, le positionnement de l'insert 41 sur la préforme 51 est réalisé par emboitement de la face inférieure 42 sur la face supérieure 54 de la préforme 51 de sorte que l'ensemble forme un profil équivalent à la forme de la partie interne du renfort métallique 30. La troisième étape 130 du procédé de réalisation 100 est une étape de formage à chaud d'une tôle plane 60 placée dans l'outillage de forme 50 entre la partie inférieure 52 et la partie supérieure 53 fermant l'outillage de façon étanche. Dans son état initial (figure 4), la tôle 60 plane est maintenue bridée à ses extrémités entre les deux parties 52, 53 de l'outillage 50. L'étape de formage à chaud consiste à utiliser la propriété des métaux qui ont une capacité à se déformer sans rupture à une température donnée, comme par exemple l'aluminium ou encore le titane. A titre d'exemple, le titane dans certaines conditions de température, par exemple à 940°C, possède un taux d'allongement supérieur à 35%. A titre d'exemple, un procédé de formage à chaud utilisé pour cette étape peut être un procédé de formage superplastique (SPF pour Super 15 Plastic Forming en langue anglaise). Le formage superplastique est un procédé permettant de produire des pièces complexes en tôles avec de faibles épaisseurs et en une seule opération. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, la tôle 60 plane est chauffée à 20 une température donnée, par exemple à une température équivalente à la moitié de la température de fusion du matériau. A cette température, la tôle 60 est déformée par la pression d'un gaz neutre, par exemple de l'argon, introduit à l'intérieur de l'outillage 50 fermé tel que représenté à la figure 5. L'évolution de cette pression de gaz, représentée par des flèches sur la 25 figure 5 est contrôlée de sorte que la mise en forme de la tôle 60b, sur l'insert 41 et sur la préforme 51, s'effectue dans le domaine superplastique qui est associé à une plage de vitesse de déformation spécifique à chaque famille de matériau. De façon connue, la prédiction de la loi d'évolution de la pression de formage est réalisée par simulation numérique de façon à optimiser la mise en forme et le temps de cycle d'un tel procédé. Pendant l'étape de formage à chaud et une fois que la tôle 60 est mise en forme, on continue d'appliquer les conditions de température et de pression à l'intérieur de l'outillage de forme 50 de façon à solidariser l'insert 41 par soudage par diffusion, tel qu'illustré à la figure 6. Le soudage par diffusion utilise le principe de diffusion des atomes pour créer une liaison mécanique. L'étanchéité de l'outillage de forme 50 permet de s'affranchir des risques de contamination des pièces lors de la soudure par diffusion permettant ainsi d'obtenir une soudure qualitative.
Cette étape de formage à chaud de la tôle 60 plane peut être éventuellement précédé par une étape 170 de préparation de la tôle 60 avant sa déformation à chaud. Cette étape 170 de préparation consiste par exemple en une étape d'usinage préalable de certaines zones de la tôle 60 de façon à obtenir localement les épaisseurs s'approchant des épaisseurs finales des flancs 35, 37 du renfort métallique 30 lorsque la tôle 60 est formée. A titre d'exemple l'usinage local de la tôle 60 plane peut être réalisé chimiquement. Cette étape 170 de préparation de la tôle 60 plane peut comporter également une étape d'augmentation de la rugosité de sa face inférieure 61 qui formera la surface intérieure du renfort métallique 30 dans son état final. A titre d'exemple, la rugosité de la face inférieure 61 de la tôle 60 peut également être dégradée lors de la mise en forme de la tôle 60 par formage à chaud sur la préforme 51, la préforme 51 comportant préalablement une rugosité dégradée. La quatrième étape 140 du procédé de réalisation 100 est une étape de démoulage du renfort métallique 30 d'aube formé par la tôle 60 mise en forme et l'insert 41 solidarisé à la tôle 60 mise en forme. La finesse des flancs 35, 37 assure une certaine élasticité à l'ensemble ce qui permet de démouler la pièce sans dommage. La cinquième étape 150 du procédé de réalisation 100 est une étape finition et de reprise du renfort 30 par usinage de façon à obtenir les épaisseurs et le profil requis.
Cette étape 150 de reprise peut comporter une ou plusieurs sous-étapes présentées ci-dessous, à savoir : - une première sous-étape de reprise du profil de la base 39 du renfort 30 de façon à l'affiner et notamment du profil aérodynamique du bord d'attaque 31 par usinage mécanique ; - une deuxième sous-étape de reprise des flancs 35, 37 ; cette étape consistant notamment au détourage des flancs 35, 37 et à l'amincissement des flancs intrados et extrados par usinage chimique, éventuellement sélectif si nécessaire ; - une troisième sous-étape 59 de finition permettant d'obtenir l'état de surface requis. En association avec ces principales étapes de réalisation, le procédé selon l'invention peut également comporter des étapes de contrôle non destructif du renfort 30 permettant de s'assurer de la conformité géométrique et métallurgique de l'ensemble obtenu. A titre d'exemple les contrôles non destructifs peuvent être réalisés par un procédé par rayon X. Le procédé selon l'invention peut également comporter une opération supplémentaire d'augmentation de la rugosité à la suite du démoulage du renfort 30 de l'outillage de forme 50 et si la rugosité n'est pas dégradée au préalable lors de l'étape de préparation 170 de la tôle 60 ou lors de l'étape de formage 130 par un état de surface dégradé de la préforme 51. Le procédé selon l'invention a été décrit principalement pour un renfort structurel métallique à base titane ; toutefois, le procédé selon l'invention est également applicable avec des matériaux à base nickel ou encore à base acier.
L'utilisation d'un procédé de formage à chaud et de soudage par diffusion permet d'obtenir des caractéristiques structurelles et mécaniques identique au matériau corroyé. L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube composite de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube métallique de turbomachine. L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord de fuite d'une aube de turbomachine. Les autres avantages de l'invention sont notamment les suivants : - réduction des coûts de réalisation ; - réduction du temps de réalisation ; - simplification de la gamme de fabrication ; - réduction des coûts matière.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) de bord d'attaque (31) ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement : une étape (110) de réalisation d'un insert métallique (41) représentant la base (39) du renfort métallique (30) ; - une étape (120) de positionnement dudit insert métallique (41) sur l'extrémité (54) d'une préforme (51) d'un outillage de forme (50), ladite préforme (51) reprenant la forme de ladite aube (10) de turbomachine ; - une étape (130) de formage d'une tôle métallique (60) sur ledit insert métallique (41) et sur ladite préforme (51) dudit outillage (50) par un procédé de formage à chaud.
  2. 2. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape (130) de formage de ladite tôle métallique (60) est réalisée par un procédé de formage superplastique.
  3. 3. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite étape de positionnement dudit insert métallique (41) est réalisée par positionnement de la face inférieure (42) dudit insert (41), de forme complémentaire à la ladite forme de l'extrémité (54), sur ladite extrémité (54) de ladite préforme (51).
  4. 4. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de soudage par diffusion dudit insert (41) et de ladite tôle métallique (60) simultanément avec ladite étape de formage (130).
  5. 5. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de démoulage (140) dudit renfort métallique (30) dudit outillage (50), 10
  6. 6. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une étape (150) de finition dudit renfort métallique (30) consistant en une sous-étape de polissage de la surface dudit renfort 15 et/ou en une sous-étape de reprise du profil et/ou des épaisseurs des flancs (35, 37) dudit renfort (30) et/ou en une sous-étape de reprise du profil de la base (39) du renfort (30).
  7. 7. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de 20 turbomachine selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite étape de reprise du profil et/ou des épaisseurs des flancs (35, 37) dudit renfort (30) est réalisée par usinage chimique.
  8. 8. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de 25 turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte une étape (170) de préparation de la tôle (60) consistant en une sous-étape d'usinage préalable de certaines zones de la tôle (60) et/ou en une sous-étape d'augmentation de la rugosité sur la face inférieure (61) de ladite tôle (60).5
  9. 9. Procédé de réalisation d'un renfort métallique (30) d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte une opération consistant à augmenter la rugosité des faces intérieures desdits flancs (35, 37) dudit renfort (30).
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