FR2957551A1

FR2957551A1 - Method for thinning composite piece i.e. composite, with ceramic matrix for repairing fan vane of turbojet engine, involves lowering pressure applied to water at inlet of cutting head, where pressure is lower specific bars

Info

Publication number: FR2957551A1
Application number: FR1051997A
Authority: FR
Inventors: Damien Hebuterne
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-09-23
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: FR2957551B1

Abstract

The method involves lowering applied pressure to water (3) at an inlet of a cutting head, (1), where the pressure is lower than 2000 bars. Abrasive particles are aspired on a collimation tube (2), an acceleration nozzle (4) and a mixing chamber (5) of the head. The head is moved along a surface to be thinned at forward speed higher than 10 000 mm/min or 2000 mm/min. The particles are in diamond powder or silicon containing material. The acceleration nozzle is made of ceramics. An independent claim is also included for a method for repairing of a composite piece by reloading its damaged part.

Description

1 Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage, et en particulier celui de l'usinage des pièces en matériaux composites. La découpe des matériaux durs comme les matériaux composites, est couramment effectuée par la technique du jet d'eau, qui permet une découpe relativement franche, dans des conditions industrielles de réalisation. La découpe par jet d'eau comporte un dispositif d'alimentation en eau sous pression qui est reliée à une tête de découpe, telle, par exemple, que celle décrite dans la demande de brevet EP 1964646 de la demanderesse. La tête de découpe comporte un tube de collimation qui conduit l'eau vers une buse de très petit diamètre et qui débouche sur une chambre de mélange et d'accélération. Dans cette chambre est aspirée une poudre abrasive qui se mélange au jet d'eau et subit une forte accélération. Le mélange eau-poudre est ensuite envoyé en direction de la pièce à découper au moyen du canal cylindrique d'un canon de focalisation. Ces dispositifs sont parfaitement adaptés, par la quantité d'énergie qu'ils transmettent à l'eau et la qualité de leur focalisation, à la découpe traversante ou à la rectification d'un matériau composite, tel qu'un matériau à matrice céramique (CMC). Dans l'état actuel de l'art ces techniques ne sont pas mises en oeuvre pour d'autres techniques d'usinage et, en particulier, ne sont pas adaptées à des travaux de désépaississement d'un matériau composite ou à la réalisation d'ébauches préparatoires à la finition de pièces par un usinage classique. On connait par ailleurs des procédés d'élimination de la couche superficielle de résine sur les matériaux composites (dénommée habituellement "sealcoat" par les gens du métier) qui utilisent la projection d'eau sous pression, mais ces procédés, s'ils utilisent des buses analogues aux têtes de découpe, n'utilisent pas de poudre abrasive afin de ne pas détériorer le substrat, c'est-à-dire la partie fibreuse du matériau. Il y a donc un besoin d'un procédé simple et bon marché pour un désépaississement contrôlé des pièces dures en matériaux composites. Un tel procédé ne doit, en particulier, pas générer de défaut métallurgique du type d'un délaminage du matériau composite, ce qui nuirait par la suite à la tenue mécanique de la pièce finie. The field of the present invention is that of machining, and in particular that of machining parts made of composite materials. The cutting of hard materials such as composite materials, is commonly performed by the technique of water jet, which allows a relatively straight cut in industrial production conditions. The waterjet cutting comprises a device for supplying water under pressure which is connected to a cutting head, such as, for example, that described in patent application EP 1964646 of the applicant. The cutting head comprises a collimation tube which conducts the water to a nozzle of very small diameter and which opens onto a mixing chamber and acceleration. In this chamber is sucked an abrasive powder that mixes with the jet of water and undergoes a strong acceleration. The water-powder mixture is then sent towards the workpiece by means of the cylindrical channel of a focusing gun. These devices are perfectly adapted, by the amount of energy that they transmit to the water and the quality of their focusing, through cutting or grinding of a composite material, such as a ceramic matrix material ( CMC). In the current state of the art these techniques are not implemented for other machining techniques and, in particular, are not suitable for thinning work of a composite material or the realization of preparatory blanks for finishing parts by conventional machining. Also known are methods of removing the surface layer of resin on composite materials (usually called "sealcoat" by those skilled in the art) that use the projection of water under pressure, but these processes, if they use similar nozzles to the cutting heads, do not use abrasive powder so as not to damage the substrate, that is to say the fibrous part of the material. There is therefore a need for a simple and inexpensive method for controlled de-thickening of hard parts made of composite materials. Such a method must not, in particular, generate a metallurgical defect of the type of a delamination of the composite material, which would subsequently affect the mechanical strength of the finished part.

2 La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de désépaississement d'une pièce en matériau composite par la mise en oeuvre de la technique de l'usinage par jet d'eau sous pression et l'utilisation d'une tête de découpe classique. The object of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing a method of thinning a composite material part by the use of the technique of machining by water jet under pressure and the use of a classic cutting head.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de désépaississement d'une pièce en matériau composite, tel qu'un composite à matrice céramique, par projection sous pression d'un mélange d'eau et de particules abrasives par l'intermédiaire d'une tête de découpe comportant un tube de collimation, une buse d'accélération, une chambre de mélange dans laquelle sont aspirés les dites particules, et un canon de focalisation caractérisé en ce que la pression appliquée à l'eau en entrée de ladite tête est inférieure à 2000 bars. Cette pression relativement faible par rapport à la pression appliquée pour une découpe d'un matériau composite, permet de désépaissir le matériau en contrôlant la profondeur de ce désépaississement, et donc sans risquer de traverser le matériau. Avantageusement la tête de découpe est déplacée le long de la surface à désépaissir à une vitesse d'avancement supérieure à 2000 mm/min. For this purpose, the subject of the invention is a process for the de-thickening of a composite material part, such as a ceramic matrix composite, by spraying under pressure a mixture of water and abrasive particles via a cutting head comprising a collimation tube, an acceleration nozzle, a mixing chamber into which said particles are drawn, and a focusing gun characterized in that the pressure applied to the inlet water of said head is less than 2000 bars. This relatively low pressure compared to the pressure applied to a cutting of a composite material makes it possible to thin the material by controlling the depth of this thinning, and thus without the risk of crossing the material. Advantageously, the cutting head is moved along the surface to be thinned at a forward speed greater than 2000 mm / min.

La vitesse de passage de la tête participe au contrôle de la profondeur de désépaississement. Préférentiellement la tête de découpe est déplacée à une vitesse d'avancement supérieure à 10 000 mm/min. Dans un mode particulier de réalisation les particules sont en poudre de diamant ou en un matériau à base de silicium. Ce choix de ce matériau très dur permet d'usiner le matériau composite relativement rapidement, malgré la relative faiblesse de la pression appliquée. Préférentiellement la buse d'accélération est réalisée en céramique. Le choix de ce matériau permet d'éviter une usure de la buse, malgré celui effectué pour les particules abrasives. L'invention revendique également une utilisation, pour la réalisation d'une ébauche d'une pièce en matériau composite par projection sous pression d'un mélange d'eau et de particules abrasives, d'une tête de découpe comportant un tube de collimation, une buse d'accélération, une chambre de mélange dans laquelle sont aspirés lesdites particules, et un canon de focalisation, caractérisée en ce que la The speed of passage of the head participates in the control of the depth of thinning. Preferably, the cutting head is moved at a forward speed greater than 10,000 mm / min. In a particular embodiment, the particles are in diamond powder or in a silicon-based material. This choice of this very hard material makes it possible to machine the composite material relatively quickly, despite the relative weakness of the applied pressure. Preferably the acceleration nozzle is made of ceramic. The choice of this material avoids wear of the nozzle, despite that performed for abrasive particles. The invention also claims a use, for producing a blank of a composite material part by pressure projection of a mixture of water and abrasive particles, of a cutting head comprising a collimation tube, an acceleration nozzle, a mixing chamber in which said particles are sucked, and a focusing gun, characterized in that the

3 pression appliquée à l'eau en entrée de ladite tête est inférieure à 2000 bars. Il est ainsi possible d'utiliser une buse standard, déjà connue pour la découpe des matériaux composites, pour un simple désépaississement d'une pièce réalisée en ce matériau. Il n'y a donc pas d'outillage particulier ou de tête spécifique à acquérir, ni de réglage spécial à effectuer pour le montage de la tête. On obtient ainsi un procédé simple et bon marché à mettre en oeuvre. L'invention revendique par ailleurs un procédé de réparation d'une pièce par rechargement de sa partie endommagée, caractérisé en ce qu'il comporte, avant application du rechargement, une étape de préparation de la surface de ladite partie endommagée comprenant la réalisation d'une opération de désépaississement tel que décrit ci-dessus. Le fait que l'opération de désépaississement se traduise par un état de surface rugueux est particulièrement adapté à une opération du type collage pour recharger une partie endommagée. Avantageusement ce procédé peut être appliqué à la réparation d'une aube d'une turbomachine. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une tête de découpe par jet d'eau utilisée pour un désépaississement d'un matériau composite par l'application d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue d'un matériau composite désépaissi 30 par un procédé selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit une tête de découpe 1 comportant un tube de collimation 2 dans lequel circule un flux d'eau sous pression 3. Le tube de collimation 2 se termine par une buse 4 de très petit diamètre, typiquement de l'ordre de 0,2 ou 0,3 mm. Au passage 35 à travers cette buse l'eau subit une forte accélération, pour atteindre une vitesse de l'ordre de Mach 2,5, le nombre de Mach étant le rapport de la 3 pressure applied to the water inlet of said head is less than 2000 bar. It is thus possible to use a standard nozzle, already known for cutting composite materials, for a simple de-thickening of a part made of this material. There is therefore no particular tool or specific head to acquire, nor special adjustment to be made for mounting the head. This gives a simple and inexpensive method to implement. The invention also claims a method of repairing a part by reloading its damaged part, characterized in that it comprises, before application of the reloading, a step of preparing the surface of said damaged part comprising the production of a thinning operation as described above. The fact that the thinning operation results in a rough surface condition is particularly suitable for a bonding operation to reload a damaged part. Advantageously, this method can be applied to the repair of a blade of a turbomachine. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will become more clearly apparent from the following detailed explanatory description of an embodiment of the invention given as a purely illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying schematic drawings. In these drawings: FIG. 1 is a diagrammatic view of a waterjet cutting head used for de-thickening of a composite material by the application of a method according to one embodiment of the invention; FIG. 2 is a view of a composite material thinned by a method according to the invention. Referring to FIG. 1, we see a cutting head 1 comprising a collimation tube 2 in which circulates a flow of pressurized water 3. The collimation tube 2 ends with a nozzle 4 of very small diameter, typically of the order of 0.2 or 0.3 mm. At the passage 35 through this nozzle the water undergoes a strong acceleration, to reach a speed of the order of Mach 2.5, the Mach number being the ratio of the

4 vitesse d'un fluide par rapport à la vitesse du son dans ce fluide. En sortie de la buse 4 l'eau sous pression 3 pénètre dans une chambre de mélange et d'accélération 5 où sa vitesse produit une dépression qui aspire une poudre de particules abrasives 6 amenée par une canalisation branchée sur ladite chambre. La poudre abrasive se mélange à l'eau dans la chambre de mélange 5, et est entraînée à grande vitesse dans un canon de focalisation (7), de diamètre typiquement égal à 0,8 mm, d'où le mélange eau-poudre sort pour attaquer la pièce à usiner. Sur la figure 2 est représenté le résultat d'une opération de désépaississement d'un matériau en matériau composite à l'aide d'un dispositif de découpe par jet d'eau tel que décrit ci-dessus. La pièce présente trois gorges 11, 12 et 13 réalisées chacune par un balayage de la pièce par un jet d'eau 3 mélangé à des particules abrasives 6. On constate sur la figure que le désépaississement a été réalisé sans création de défaut métallurgique apparent, c'est-à-dire sans délaminage des fibres du matériau composite. Cet état métallurgique est néanmoins obtenu au prix d'un état de surface en fond de gorge qui présente une rugosité relativement élevée. On va maintenant décrire la mise en oeuvre d'un procédé de 20 désépaississement selon l'invention sur un matériau composite tel que celui représenté sur la figure 2. Alors que dans le cas d'une découpe, l'eau 3 est amenée dans le tube de collimation 2 à une pression typiquement de l'ordre de 3800 bars, ici, la pression utilisée est fortement réduite puisqu'elle se situe entre 25 seulement 500 et 2000 bars. Cette pression relativement faible permet de réduire l'agressivité du jet et de pouvoir piloter la descente du faisceau au sein du matériau à désépaissir. La buse 4 utilisée est une buse en céramique à base de silicium. Il convient de noter qu'une buse en céramique est préférable afin de 30 limiter son usure par le jet d'eau. Par ailleurs la tête de découpe utilisée pour le désépaississement est, à cette matière de la buse près, identique à celle d'une buse normale de découpe. Il n'y a donc pas besoin de faire de modification sur la machine-outil pour mettre en oeuvre une tête de désépaississement. 35 Les particules abrasives 6 choisies sont typiquement des particules de l'ordre 0,2 mm de diamètre, similaires à celles utilisées pour une découpe. Mais, contrairement aux poudres en carbure de bore utilisées pour les procédés de découpe, elles sont ici préférentiellement réalisées en poudre de diamant ou encore par des particules à base de nitrure ou de carbure de silicium, pour avoir une dureté plus grande et 5 ainsi pouvoir attaquer le matériau en dépit de la moindre pression donnée à l'eau 3. Les paramètres opératoires retenus pour effectuer un simple désépaississement et éviter un perçage intempestif sont, d'une part, le niveau de pression de l'eau 3 mentionné ci-dessus et, d'autre part, une vitesse de balayage relativement rapide. Ce balayage s'effectue à une vitesse d'avancement comprise entre 2000 et 20 000 mm/min, en fonction de la profondeur de désépaississement recherché. L'enlèvement de matière obtenu est alors de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm par passe, et peut être réalisé avec un pas de balayage de 0,5 à 2 mm de large. Étant données les vitesses d'avancement élevées obtenues avec ce procédé, il est possible de réaliser dans des délais relativement courts un désépaississement contrôlé sur une surface d'une pièce en matériau composite, même d'une grande dureté comme dans le cas d'un matériau en CMC. 4 speed of a fluid with respect to the speed of sound in this fluid. At the outlet of the nozzle 4, the pressurized water 3 enters a mixing and accelerating chamber 5 where its velocity produces a vacuum that draws a powder of abrasive particles 6 fed by a pipe connected to said chamber. The abrasive powder mixes with the water in the mixing chamber 5, and is driven at high speed into a focusing gun (7), of diameter typically equal to 0.8 mm, from which the water-powder mixture comes out. to attack the workpiece. In Figure 2 is shown the result of a de-thickening operation of a composite material material using a water jet cutting device as described above. The part has three grooves 11, 12 and 13 each made by a sweeping of the part by a jet of water 3 mixed with abrasive particles 6. It can be seen in the figure that the thinning has been achieved without creating an apparent metallurgical defect, that is to say without delamination of the fibers of the composite material. This metallurgical state is nevertheless obtained at the cost of a surface state at the bottom of the groove which has a relatively high roughness. We will now describe the implementation of a de-thickening process according to the invention on a composite material such as that shown in FIG. 2. While in the case of a cut, water 3 is fed into the collimation tube 2 at a pressure typically of the order of 3800 bars, here the pressure used is greatly reduced since it is between only 500 and 2000 bar. This relatively low pressure makes it possible to reduce the aggressiveness of the jet and to be able to control the descent of the beam within the material to be thinned out. The nozzle 4 used is a silicon-based ceramic nozzle. It should be noted that a ceramic nozzle is preferable in order to limit its wear by the water jet. In addition, the cutting head used for de-thickening is, to this material of the nozzle, the same as that of a normal cutting nozzle. There is therefore no need to make changes on the machine tool to implement a de-thickening head. The abrasive particles 6 chosen are typically particles of about 0.2 mm in diameter, similar to those used for cutting. However, unlike the boron carbide powders used for the cutting processes, they are here preferably made of diamond powder or else particles based on nitride or silicon carbide, to have a greater hardness and thus to be able to to attack the material despite the slightest pressure given to the water 3. The operating parameters used to perform a simple thinning and prevent inadvertent drilling are, firstly, the water pressure level 3 mentioned above and, on the other hand, a relatively fast scanning speed. This sweeping is carried out at a forward speed of between 2000 and 20 000 mm / min, depending on the depth of desiccation desired. The removal of material obtained is then of the order of 0.2 to 0.3 mm per pass, and can be carried out with a scanning pitch of 0.5 to 2 mm wide. Given the high forward speeds obtained with this method, it is possible to achieve in a relatively short time a controlled thinning on a surface of a composite material part, even a high hardness as in the case of a material in CMC.

Par ailleurs l'état de surface obtenue en fond des gorges ne présente pas de délaminage mais, en revanche, il est relativement rugueux. Il est de ce fait parfaitement adapté pour servir de support à une opération de rechargement de matière, par exemple pour la réparation d'une pièce usée ou endommagée. La rugosité du fond permet alors un excellent accrochage du matériau rechargé. Une telle technique est tout à fait adaptée à la réparation d'une aube d'une turbomachine, telle par exemple qu'une aube de fan d'un turboréacteur à fort taux de dilution. Dans le cas où cette méthode est utilisée pour la réalisation d'une simple ébauche, un usinage final, par exemple à l'aide d'une fraise diamant, est nécessaire pour obtenir un état de surface satisfaisant. Mais la réalisation de l'ébauche par le procédé objet de l'invention permet un dégrossissage de la forme recherchée dans un temps relativement court et à des coûts réduits. Elle représente donc un progrès notable par rapport aux méthodes classiques d'usinage d'une ébauche, d'autant que la technique d'usinage par jet d'eau permet de suivre sans difficulté le profil de la pièce, quel que soit ce profil. Moreover, the surface condition obtained at the bottom of the grooves does not show delamination but, on the other hand, it is relatively rough. It is therefore perfectly suited to support a material reloading operation, for example for the repair of a worn or damaged part. The roughness of the bottom then allows an excellent attachment of the reloaded material. Such a technique is quite suitable for repairing a blade of a turbomachine, such as for example a fan blade of a turbojet engine with a high dilution ratio. In the case where this method is used for the realization of a simple blank, a final machining, for example using a diamond bur, is necessary to obtain a satisfactory surface condition. But the realization of the blank by the method of the invention allows a roughing of the desired shape in a relatively short time and at reduced costs. It therefore represents a significant improvement over conventional methods of machining a blank, especially as the technique of water jet machining makes it possible to easily follow the profile of the part, whatever that profile.

Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. Although the invention has been described in connection with a particular embodiment, it is obvious that it includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if they fall within the scope of the invention.

Claims

REVENDICATIONS1. A method of thinning a composite material part, such as a ceramic matrix composite, by spraying under pressure a mixture of water (3) and abrasive particles (6) via a head of cutout (1) comprising a collimation tube (2), an acceleration nozzle (4), a mixing chamber (5) into which said particles (6) are sucked, and a focusing gun (7) characterized in the pressure applied to the water (3) at the inlet of said head (1) is less than 2000 bar.

2. Method according to claim 1 wherein the cutting head (1) is moved along the surface to be thinned at a forward speed greater than 2000 mm / min.

3. The method of claim 2 wherein the cutting head is moved at a forward speed greater than 10,000 mm / min.

4. Method according to one of claims 1 to 3 wherein the particles (6) are diamond powder or a silicon-based material.

5. Method according to one of claims 1 to 4 wherein the acceleration nozzle (4) is made of ceramic.

6. Use, for the production of a blank of a composite material part by pressure projection of a mixture of water (3) and abrasive particles (6), of a cutting head (1) comprising a collimation tube (2), an acceleration nozzle (4), a mixing chamber (5) in which said particles (6) are sucked, and a focusing gun (7), characterized in that the pressure applied to the water (3) at the inlet of said head (1) is less than 2000 bar. 30

7. A method of repairing a workpiece by reloading its damaged part, characterized in that it comprises, before application of the reloading, a step of preparing the surface of said damaged portion comprising performing a de-thickening operation according to one of claims 1 to 6. 35

8. Application of the method according to claim 7 to the repair of a blade of a turbomachine.