FR2984777A1 - Procede de fabrication d'un arbre de turbomachine - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique (120) de forme générale cylindrique, comprenant une étape de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial (128) traversant, une étape d'engagement d'un insert cylindrique (130) dans cet alésage, cet insert étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement au forgeage, une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche forgée de plus grande longueur que la billette, une étape de retrait de l'insert, et une étape d'usinage de l'ébauche.

Description

Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine L'invention concerne un procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine, tel qu'un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine.

Un arbre de turbine basse pression (BP) est formé d'une seule pièce et comprend une partie allongée sensiblement cylindrique qui est reliée à une extrémité à un tourillon de plus grand diamètre externe, l'arbre étant creux et comportant un alésage cylindrique axial qui s'étend sur toute la longueur axiale de l'arbre. Typiquement, un arbre BP a une longueur supérieure à 1,2 mètre, sa partie cylindrique allongée ayant un diamètre externe inférieur à 20 cm environ et un diamètre interne supérieur à 2 cm environ. Dans la technique actuelle, un arbre de ce type est réalisé à partir d'une billette métallique de forme générale cylindrique par un procédé comprenant essentiellement trois étapes : une étape de forgeage à chaud de la billette pour former une ébauche ayant une dimension axiale supérieure à celle de la billette ; une étape de forage ou de perçage de l'ébauche pour réaliser un alésage cylindrique axial dans l'ébauche; puis une étape d'usinage de l'ébauche.

Les nouvelles générations de turbomachines ont des arbres de turbine de plus en plus long et ayant un diamètre interne de plus en plus petit. De plus, les arbres de turbine sont réalisés dans des matériaux de plus en plus résistants qui sont de plus en plus difficiles à usiner. Les contraintes géométriques précitées (allongement des arbres et réduction de leur diamètre interne) combinées aux difficultés d'usinage des matériaux des arbres rendent la fabrication des arbres de turbine, et en particulier l'étape de forage ou perçage précitée, de plus en plus difficile à réaliser. On a déjà proposé de nouvelles technologies pour réaliser le forage d'une ébauche forgée sur une grande longueur. Une nouvelle machine d'usinage comprenant un bras longitudinal portant à une extrémité un outil d'usinage a été mise au point. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante car les risques de désalignement du bras par rapport à l'axe longitudinal de l'ébauche et de déviation du forage sont importants.

L'invention a pour objet une solution simple, efficace et économique à ce problème de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique de forme générale cylindrique, comprenant une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche forgée de plus grande longueur que la billette, et une étape d'usinage de l'ébauche, caractérisé en ce qu'il comprend : - avant l'étape de forgeage, une étape de forage ou de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial au moins en partie traversant, et une étape d'engagement d'un insert dans cet alésage, cet insert ayant une forme sensiblement cylindrique complémentaire de celle de l'alésage et étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement lors d'un forgeage proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement lors du forgeage, - et, après l'étape de forgeage, une étape de retrait de l'insert. Le procédé selon l'invention diffère de la technique antérieure notamment en ce que le forage ou perçage intervient avant le forgeage et non pas après, si bien que c'est la billette qui est percée et non pas l'ébauche forgée. La billette a une longueur inférieure à celle de l'ébauche.

Le perçage de la billette est donc plus facile à réaliser que celui de l'ébauche, car ce perçage est effectué sur une longueur moins importante et est réalisable avec des moyens connus et fiables. Le procédé selon l'invention diffère également de la technique antérieure en ce qu'un insert est engagé dans l'alésage de la billette, avant son forgeage. Cet insert, qui a une forme complémentaire de celle de l'alésage de la billette, est destiné à se déformer en même temps que la billette lors du forgeage et a pour fonction de forcer la surface interne de la billette à conserver une forme sensiblement cylindrique lors du forgeage, de façon à ce que l'alésage ait après forgeage une forme et des dimensions qui pourraient être directement obtenues par perçage de l'ébauche si ce perçage était facilement réalisable. Le procédé selon l'invention propose donc une alternative au perçage de l'ébauche forgée à un diamètre D1 donné, par perçage de la billette à un diamètre D2, insertion d'un insert de diamètre D2 dans cette billette, et forgeage de la billette de façon à ce que le diamètre de son alésage se réduise lors du forgeage et passe du diamètre D2 au diamètre Dl. Pour autoriser ce phénomène, il faut que les matériaux de l'insert et de la billette aient des comportements similaires lors du forgeage et en particulier qu'ils aient des contraintes d'écoulement proches l'une de l'autre, par exemple de l'ordre de 50 à 250 MPa à 1000°C, c'est-à-dire qu'ils aient des rhéologies similaires à la température de forgeage. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, l'insert est réalisé en NC19FeNb et la billette est réalisée en acierX25NiCoCr1313-6-4 ou X1NiCoMo18-8-5. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'insert est engagé de manière amovible dans l'alésage de la billette et son matériau a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'ébauche de sorte que l'insert puisse être retiré de l'ébauche en chauffant ou refroidissant l'ébauche et l'insert puis en déplaçant en translation axiale l'insert dans l'ébauche. Le refroidissement consécutif au forgeage de la pièce engendre des retraits de l'insert et de l'ébauche qui, compte tenu des différences des coefficients de dilatation de leurs matériaux, peuvent suffire à autoriser le retrait de l'insert de l'alésage de l'ébauche. En variante, le matériau de l'insert a une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche forgée et l'insert est retiré par usinage, par exemple lors de l'étape précitée d'usinage de l'ébauche.

Dans encore une autre variante, l'insert est retiré par attaque chimique de son matériau. Avantageusement, la surface cylindrique externe de l'insert est revêtue d'une couche mince d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant, qui résiste aux températures de forgeage de la billette. Un produit barrière est destiné à empêcher toute contamination d'un matériau par un autre matériau à l'interface entre ces matériaux et un produit antiadhésif a pour fonction de limiter ou d'empêcher l'adhésion d'un matériau sur un autre matériau au niveau de leur interface.

L'insert peut être engagé dans l'alésage de la billette à température ambiante. L'insert peut être retenu axialement dans l'alésage de la billette à l'une ou à chacune de ses extrémités axiales, par exemple par des points de soudure entre la billette et l'insert.

La présente invention concerne également une ébauche forgée ou une billette pour la fabrication d'un arbre de turbomachine, comprenant un corps métallique de forme cylindrique allongée, caractérisée en ce qu'elle comprend un alésage cylindrique axial traversant dans lequel est logé un insert de forme complémentaire de l'alésage et dont le matériau a, d'une part, une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette et, d'autre part, un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau de l'ébauche ou de la billette ou une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche ou de la billette. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine ; la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une billette métallique pour la formation d'un arbre de turbomachine ; la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée pour la formation d'un arbre de turbomachine ; la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée et percée pour la formation d'un arbre de turbomachine ; la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée et percée dans laquelle est représenté un arbre de turbomachine qui sera obtenu après usinage de l'ébauche ; la figure 6 est une vue schématique en perspective d'une billette percée dans l'alésage de laquelle est engagé un insert, et représente une étape de réalisation du procédé selon l'invention ; et la figure 7 est une vue schématique en perspective d'une ébauche forgée réalisée à partir de la billette de la figure 6. La figure 1 représente un arbre 10 de turbine basse pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cet arbre étant réalisé d'une seule pièce dans un alliage métallique tel qu'un acier (par exemple X25NiCoCr1313-6-4). L'arbre 10 est creux et comprend un alésage cylindrique axial qui s'étend sur toute la longueur axiale de l'arbre. L'arbre 10 comprend une partie cylindrique allongée 12 reliée à une extrémité axiale à un tourillon 14 de plus grand diamètre externe et de plus petite dimension axiale que la partie 12. Typiquement, l'arbre 10 a une longueur supérieure à 1,2m voire 2m, sa partie cylindrique 12 ayant un diamètre interne supérieur à 20mm et un diamètre externe inférieur à 200mm, et son tourillon 14 ayant un diamètre externe supérieur à 200mm.

De façon connue, le tourillon 14 de l'arbre 10 comprend une bride annulaire externe 18 de fixation à un élément du rotor de la turbine et la partie cylindrique 12 de l'arbre 10 comprend, au voisinage de son extrémité opposée au tourillon 14, des cannelures externes 16 d'entraînement d'un élément du rotor de la turbomachine.

Dans la technique antérieure, un arbre 10 de turbine de ce type est réalisé par un procédé de fabrication comprenant trois étapes qui sont schématiquement représentées aux figures 2 à 5. L'arbre 10 est réalisé à partir d'une billette métallique 20 représentée en figure 2, cette billette ayant une forme générale cylindrique de diamètre dl et de hauteur ou longueur h1. Cette billette 20 est destinée à être soumise à un forgeage à chaud pour former une ébauche forgée 22 du type de celle représentée en figure 3. L'ébauche 20 comprend un fût cylindrique 24 de hauteur h2 et de diamètre externe d2, qui est reliée à une extrémité axiale à un tourillon 26 de hauteur h3 et de diamètre externe d3, h3 étant inférieur à h2 et d3 étant supérieur à d3. h2+h3 est supérieur à h1. On comprend que la partie cylindrique 12 précitée de l'arbre 10 de la figure 1 est destinée à être formée dans le fût 24 de l'ébauche 22 et son tourillon 14 est destiné à être formé dans le tourillon 26 de l'ébauche. L'ébauche 22 est ensuite soumise à une étape de forage ou perçage consistant à former un alésage cylindrique axial dans l'ébauche, une ébauche forgée et percée étant schématiquement représentée en figure 4. Le perçage 28 traverse axialement l'ébauche 22 et est donc réalisé sur toute la longueur ou dimension axiale de l'ébauche. Le perçage 28 est ainsi réalisé sur une distance h2+h3, qui peut dépasser 1,2m. Le perçage 28 est réalisé à un diamètre d4. Dans la technique actuelle, la réalisation de ce perçage est difficile et complexe à mettre en oeuvre. Elle exige des moyens de perçage coûteux et augmente le risque de mauvais perçage dû à un désalignement entre les moyens de perçage et l'axe longitudinal de l'ébauche, et donc de mise au rebut de l'ébauche. Une dernière étape de fabrication consiste à usiner l'ébauche forgée et percée 22 pour former l'arbre 10 (figure 5). La présente invention propose un nouveau procédé de fabrication d'un arbre de turbine d'une turbomachine, dans lequel l'étape de perçage est nettement facilitée. L'étape de perçage de l'ébauche forgée de la technique antérieure 2984 777 7 est remplacée par une étape de perçage de la billette. Comme la billette a une longueur ou dimension axiale plus faible que celle de l'ébauche, le perçage est effectué sur une distance plus courte et est réalisable avec des moyens connus plus simples et moins coûteux. Dans l'exemple cité plus 5 haut, le perçage serait réalisé sur une distance hl (déterminée pour être au plus égale à h2+h3 après forgeage) au lieu d'une distance h2+h3 (qui est supérieure à h1, et de l'ordre de 1,2m environ). Les moyens de perçage de la billette comprennent par exemple des outils et des machines conventionnels d'usinage (foreuse, tour, etc.). 10 Le perçage de la billette est réalisé à un diamètre d5 qui est supérieur au diamètre d4 de l'alésage percée dans l'ébauche de la technique antérieure (figure 4), pour les raisons qui seront expliquées dans ce qui suit. La figure 6 représente une billette 120 selon l'invention, cette billette 15 ayant une forme générale cylindrique similaire à celle de la technique antérieure, et ayant un diamètre externe dl et une hauteur h1. Cette billette 120 est réalisée dans un alliage métallique tel qu'un acier (par exemple un acier X25NiCoCr1 313-6-4). La billette 120 comprend un alésage cylindrique axial 128 de 20 diamètre d5, qui est obtenu par perçage ou forage, comme expliqué dans ce qui précède. Avant l'étape de forgeage de la billette 120, un insert 130 est engagé dans l'alésage 128 de la billette et est destiné à demeurer dans cet alésage pendant l'étape de forgeage puis à être retiré de l'alésage. 25 Cet insert 130 a une forme cylindrique complémentaire de celle de l'alésage 128 de la billette 120 et est engagé dans l'alésage par translation axiale, par exemple à température ambiante. L'insert est destiné à occuper l'intégralité du volume interne défini par l'alésage 128 de la billette. La surface cylindrique externe de l'insert 130 est avantageusement recouverte 30 d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant (par exemple le lubrifiant commercialisé par la société Acheson sous la marque FB651.

L'insert 130 est destiné à se déformer pendant l'étape de forgeage, en même temps que la billette 120. Le matériau de l'insert 130 présente une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette de façon à ce que ces matériaux aient des comportements similaires au forgeage, c'est-à-dire qu'ils se déforment de la même manière comme si l'insert et la billette ne formaient qu'une seule pièce. L'insert 130 est destiné à conserver sa forme générale cylindrique pendant le forgeage de façon à forcer l'alésage 128 de la billette à conserver sa forme cylindrique, et à faciliter le retrait de l'insert après le 10 forgeage. Le forgeage de la billette permet de former une ébauche forgée 122 schématiquement représentée en figure 7, cette ébauche 122 comportant un alésage 128 dans lequel est toujours engagé l'insert 130, cet alésage ayant un diamètre d4' qui est inférieur au diamètre d5 et sensiblement égal 15 au diamètre d4 de l'alésage obtenu par perçage dans la technique antérieure (figure 4). Le perçage de la billette est donc réalisé à un diamètre supérieur au diamètre interne de l'ébauche forgée car le forgeage produit une diminution du diamètre de l'alésage du fait de son allongement. L'ébauche forgée 122 schématiquement représentée en figure 7 20 peut comprendre deux parties comme représenté en figure 3, une partie appelée fût de diamètre d2 et de hauteur h2 et une partie appelée tourillon de hauteur h3 (inférieure à h2) et de diamètre d3 (supérieur à d2). Le forgeage de la billette 120 est par exemple réalisé à une pression de 500 à 4000tonnes environ et à une température de 1000°C environ, au 25 moyen d'un système de forge classique. Pour éviter tout mouvement axial de l'insert 130 vis-à-vis de la billette 120 lors du forgeage, des moyens de retenue axiale de l'insert dans l'alésage de la billette peuvent être prévus. Il est par exemple possible de retenir l'insert dans l'alésage au moyen de points de soudure qui seraient 30 réalisés à l'une ou à chacune des extrémités axiales de l'insert, entre la périphérie externe de cette extrémité et la périphérie interne correspondante de la billette. L'insert 130 est ensuite destiné à être retiré de l'alésage 128 de l'ébauche 122. Le retrait de l'insert peut être réalisé d'au moins trois manières différentes selon les propriétés et caractéristiques du matériau de l'insert 130. Dans le cas où le matériau de l'insert 130 a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la billette 120, l'insert peut être retiré de la billette simplement par translation axiale en chauffant ou en refroidissant préalablement la billette et l'insert. La billette et l'insert peuvent par exemple être chauffés à une température de 200 à 800°C, la billette dont le matériau aurait un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'insert se dilaterait davantage en particulier en direction radiale, ce qui autoriserait le retrait de l'insert. Ce retrait peut être forcé par un outil approprié destiné à exercer une force sur l'insert le long de l'axe longitudinal de la billette. Dans le cas où le matériau de l'insert 130 a une dureté inférieure à celle du matériau de la billette 120, il est envisageable de retirer l'insert par usinage. Même si l'usinage est réalisé sur une distance axiale importante, on peut utiliser pour cela des moyens classiques car le matériau à usiner est moins dur que celui de la billette. En variante, dans le cas où le matériau de l'insert 130 peut être dégradé par voie chimique, l'insert peut être retiré par attaque chimique. Cette opération peut nécessiter la protection de l'ébauche. Il est par exemple possible d'utiliser un produit chimique comme de l'acide chlorhydrique.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique (120) de forme générale cylindrique, comprenant une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche (122) de plus grande longueur que la billette, et une étape d'usinage de l'ébauche, caractérisé en ce qu'il comprend : - avant l'étape de forgeage, une étape de forage ou de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial (128) au moins en partie traversant, et une étape d'engagement d'un insert (130) dans cet alésage, cet insert ayant une forme sensiblement cylindrique complémentaire de celle de l'alésage et étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement lors d'un forgeage proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement lors du forgeage, - et, après l'étape de forgeage, une étape de retrait de l'insert.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (130) est engagé de manière amovible dans l'alésage (128) de la billette (120) et son matériau a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'ébauche de sorte que l'insert est retiré de l'ébauche (122) en chauffant ou refroidissant l'ébauche et l'insert puis en déplaçant en translation axiale l'insert par rapport à l'ébauche.
3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'insert (130) a une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche (122) et en ce que l'insert est retiré par usinage.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (130) est retiré par attaque chimique de son matériau.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface cylindrique externe de l'insert (130) est revêtue d'une couche mince d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant, qui résiste aux températures de forgeage de la billette (120).
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est engagé dans l'alésage (128) de la billette (120) à température ambiante.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est retenu axialement dans l'alésage (128) de la billette (120) à l'une ou à chacune de ses extrémités axiales, par exemple par des points de soudure entre la billette et l'insert.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est réalisé en NC19FeNb et la billette (120) est 10 réalisée en acier X25NiCoCr1313-6-4 ou X1NiCoMo18-8-5.
9. 9. Ebauche forgée (122) ou billette (120) pour la fabrication d'un arbre de turbomachine, comprenant un corps métallique de forme cylindrique allongée, caractérisée en ce qu'elle comprend un alésage cylindrique axial (128) traversant dans lequel est logé un insert (130) de 15 forme complémentaire de celle de l'alésage et dont le matériau a, d'une part, une contrainte d'écoulement lors d'un forgeage proche de celle du matériau de la billette et, d'autre part, un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau de l'ébauche ou de la billette ou une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche ou de la billette. 20