FR3048629A1 - Procede de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine - Google Patents

Procede de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un anneau (24) de turbine pour turbomachine, comprenant la fabrication d'au moins un secteur (26) d'anneau de turbine, le positionnement du secteur (26) d'anneau de turbine dans un moule inférieur de sorte qu'une surface externe du secteur d'anneau de turbine soit en contact au moins partiel avec le moule inférieur et le dépôt d'une couche de poudre sur une surface interne (28) du secteur (26) d'anneau de turbine. Un moule supérieur est ensuite positionné sur la couche de poudre et une couche d'abradable (32) est réalisée par un procédé de frittage SPS de la couche de poudre, la couche d'abradable (32) étant destinée à être disposée face à une roue de turbine.

Description

Arrière-Plan de l'invention [0001] Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine.
[0002] Dans de nombreuses machines tournantes, il est désormais connu de munir l'anneau du stator de pistes abradables en regard du sommet des aubes du rotor. De telles pistes sont réalisées à l'aide de matériaux dit « abradables » qui, lorsqu'ils entrent en contact avec les aubes tournantes, s'usent plus facilement que ces dernières. On assure ainsi un jeu minimal entre le rotor et le stator, améliorant les performances de la machine tournante, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur le stator. Au contraire, un tel frottement érode la piste abradable, ce qui permet d'ajuster automatiquement le diamètre de l'anneau du stator au plus proche du rotor. Ainsi, de telles pistes abradables sont souvent mises en place dans les compresseurs de turbomachines.
[0003] En revanche, leur emploi est plus rare dans les turbines de telles turbomachines, et surtout dans les turbines haute pression dans lesquelles régnent des conditions physico-chimiques extrêmes.
[0004] En effet, les gaz brûlés issus de la chambre de combustion débouchent dans la turbine haute pression à des niveaux de température et de pression très élevés, ce qui entraîne l'érosion prématurée des pistes abradables conventionnelles.
[0005] Dès lors, afin de protéger l'anneau de turbine, il est souvent préféré de munir ce dernier d'un revêtement du type barrière thermique dont les matériaux et la densité élevée, trop importante pour que le revêtement soit efficacement abradable, permettent de protéger l'anneau contre l'érosion et la corrosion.
[0006] Toutefois, on comprend naturellement que dans un tel cas l'intégrité des aubes n'est plus assurée en cas de contact avec le stator, ce qui nécessite de prévoir un jeu plus important entre le rotor et le stator et augmente donc le débit de fuite en sommet d'aubes et réduit ainsi les performances de la turbine.
Objet et résumé de l'invention [0007] Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
[0008] A cet effet, le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine, comprenant les étapes suivantes : - fabrication d'au moins un secteur d'anneau de turbine ; - positionnement du secteur d'anneau de turbine dans un mouie inférieur de sorte qu'une surface externe du secteur d'anneau de turbine soit en contact au moins partiei avec ie mouie inférieur ; - dépôt d'une couche de poudre sur une surface interne du secteur d'anneau de turbine ; - positionnement d'un moule supérieur sur la couche de poudre ; et - réalisation d'une couche d'abradable sur la surface interne par un procédé de frittage SPS de la couche de poudre, la couche d'abradable étant destinée à être disposée face à une roue de turbine.
[0009] L'anneau de turbine est généralement réalisé en plusieurs parties, chaque partie formant un secteur d'anneau de turbine de dimensions réduites comparées aux dimensions de l'anneau de turbine compiet. li est donc simple de disposer un secteur d'anneau dans un mouie.
[0010] La surface interne du secteur d'anneau de turbine est ia surface qui fait face à la roue de turbine lorsque l'anneau de turbine est monté dans la turbine, c'est donc cette surface interne sur laquelle est déposée la couche de poudre.
[0011] Le procédé de frittage SPS, conformément au sigle anglais pour « Spark Plasma Sintering », aussi connu sous le nom de frittage FAST, conformément au sigle anglais pour « Field Assisted Sintering Technology », ou frittage flash, est un procédé de frittage au cours duquel, une poudre est soumise simultanément à un courant pulsé de forte intensité et à une pression uniaxiale afin de former un matériau fritté. Le frittage SPS est généralement réalisé sous atmosphère contrôlée et peut être assisté par un traitement thermique.
[0012] La durée de frittage SPS est relativement courte et le frittage SPS permet un choix des poudres de départ qui est relativement peu limité. En effet, le frittage SPS permet notamment de fritter, c'est-à-dire de densifier, des matériaux dont le soudage est relativement compliqué à réaliser, voire impossible, du fait que ces matériaux se fissurent facilement lorsqu'ils sont chauffés. Du fait du choix du frittage SPS et de la courte durée de ce frittage, il est donc possible de réaliser une couche d'abradable avec une très grande variété de matériaux.
[0013] Par ailleurs, le frittage SPS étant réalisé sous pression uniaxiale exercée par le moule inférieur et le moule supérieur sur la couche de poudre, le retrait dû au frittage de la couche de poudre pour donner la couche d'abradable est limité à la direction d'application de la pression. On ne constate donc pas de retrait de la couche de poudre dans des directions perpendiculaires à la direction d'application de la pression. Aussi, la couche d'abradable recouvre toute la surface interne du secteur d'anneau.
[0014] L'anneau de turbine est donc recouvert d'une couche d'abradable. Il est donc possible de prévoir un jeu relativement faible entre l'anneau de turbine et le rotor, par exemple les aubes d'une roue de turbine, et d'améliorer les performances de la turbine, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur l'anneau du stator.
[0015] De plus, le frittage SPS permet la formation d'une couche de diffusion entre la couche d'abradable et le matériau formant le secteur d'anneau de sorte que la couche d'abradable est fermement accrochée au matériau formant le secteur d'anneau. La couche d'abradable ainsi formée ne peut pas être retirée du secteur d'anneau de manière non intentionnelle.
[0016] Le procédé peut comprendre en outre les étapes suivantes : - assemblage d'une pluralité de secteurs d'anneau de turbine, la surface interne de chaque secteur d'anneau de turbine étant recouverte d'une couche d'abradable ; et - usinage d'une surface libre de la couche d'abradable.
[0017] Une fois plusieurs secteurs d'anneau de turbine assemblés, la couche d'abradable de chaque secteur d'anneau présente une surface libre qui peut ne pas être dans le prolongement de la surface libre du secteur d'anneau adjacent. Aussi, les surfaces libres des différents secteurs d'anneau sont usinées de sorte à présenter une surface destinée à faire face à la roue de turbine qui présente le moins de discontinuité possible. En effet, si de telles discontinuités sont présentes, la roue d'aube pourrait venir butter contre ces discontinuités et ainsi provoquer des chocs dans la turbine, ce qui n'est pas désirable.
[0018] Le moule inférieur peut avoir une forme complémentaire de la surface externe du secteur d'anneau de turbine.
[0019] Ainsi, le moule inférieur applique une pression relativement uniforme sur la surface externe du secteur d'anneau. Cependant, comme le moule inférieur présente une forme complémentaire de la surface externe du secteur d'anneau, le moule permet d'accommoder les variations de dimensions d'un secteur d'anneau à l'autre dues au procédé de fabrication du secteur d'anneau. En effet, les secteurs de turbine peuvent par exemple être obtenus par un procédé de fonderie et les dimensions de chaque secteur de turbine peuvent varier légèrement d'un secteur de turbine à l'autre.
[0020] Avant de positionner le secteur d'anneau de turbine dans le moule inférieur et le moule supérieur, on peut déposer une couche de matériau chimiquement inerte sur le moule inférieur et sur le moule supérieur.
[0021] Cette couche de matériau chimiquement inerte permet de réduire les réactions chimiques entre la couche de poudre et le secteur d'anneau de turbine avec le moule inférieur et le moule supérieur pendant le frittage SPS. Le matériau chimiquement inerte permet notamment de réduire, voire d'éviter, le collage de la couche d'abradable et/ou du secteur d'anneau avec les parties du moule.
[0022] Le matériau chimiquement inerte permet également de réduire, voire d'éviter, la formation d'une couche de carbure sur la surface libre de la couche d'abradable. On cherche à éviter la formation de cette couche de carbure qui, si elle se forme, doit être retirée de la couche d'abradable avant utilisation.
[0023] Dans le moule inférieur, le matériau chimiquement inerte peut également permettre de combler les espaces existants entre le moule inférieur et ia surface externe du secteur d'anneau de turbine. Ainsi, l'uniformité de la pression exercée par le moule inférieur sur le secteur d'anneau de turbine et donc sur la couche de poudre est améliorée.
[0024] Le matériau chimiquement inerte peut par exemple comprendre du nitrure de bore ou du corindon. On entend par matériau chimiquement inerte comprenant du nitrure de bore un matériau qui comprend au moins 95% en masse de nitrure de bore. De même, on entend par matériau chimiquement inerte comprenant du corindon un matériau qui comprend au moins 95% en masse de corindon.
[0025] La poudre peut être une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel.
[0026] Par « à base de cobalt », on entend une poudre métallique dont le cobalt présente le pourcentage massique le plus important. De même, par « à base de nickel », on entend une poudre métallique dont le nickel présente le pourcentage massique le plus important. Ainsi, par exemple, une poudre métallique comportant 38% en masse de cobalt et 32% en masse de nickel sera désignée comme une poudre à base de cobalt, le cobalt étant l'élément chimique dont le pourcentage massique est le plus Important dans la poudre métallique.
[0027] Les poudres métalliques à base de cobalt ou de nickel sont des poudres qui, une fols frittées, présentent une bonne résistance à haute température. Elles peuvent ainsi remplir la double fonction d'abradable et de bouclier thermique. Par exemple, on peut citer les superalliages CoNiCrAlY. Ces poudres métalliques ont également l'avantage de présenter une composition chimique similaire à la composition chimique du matériau formant l'anneau de turbine, par exemple les superalliages AMI ou N5 [0028] Le frittage SPS peut être réalisé pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 30 minutes, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15 minutes.
[0029] La durée de frittage SPS est donc relativement courte.
[0030] Le moule supérieur et le moule inférieur peuvent être en graphite et le frittage SPS peut être réalisé à une température supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C.
[0031] Le frittage SPS peut être réalisé à une pression supérieure ou égale à 10 MPa, de préférence supérieure ou égale à 20 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 30M Pa.
[0032] Le moule supérieur et le moule inférieur peuvent être en carbure de tungstène et le frittage SPS peut être réalisé à une température supérieure ou égale à 500°C, de préférence supérieure ou égale à 600°C.
[0033] Le frittage SPS peut être réalisé à une pression supérieure ou égale à 100 MPa, de préférence supérieure ou égale à 200 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 300 MPa.
[0034] La couche d'abradable peut avoir une porosité ouverte inférieure ou égale à 20%, de préférence inférieure ou égale à 15%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 10%.
[0035] Grâce au procédé de frittage SPS, on peut, en faisant varier les paramètres de frittage tels que la pression, la température de frittage et/ou le temps de frittage et ainsi faire varier la porosité de la couche d'abradable obtenue. Ce procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine permet donc une grande flexibilité.
[0036] La couche d'abradable peut avoir une épaisseur supérieure ou égale à 0.5 mm, de préférence supérieure ou égale à 4 mm et inférieur ou égale à 15 mm, de préférence inférieure ou égale à 10 mm, encore plus de préférence inférieure ou égale à 5 mm.
[0037] L'anneau de turbine peut comporter un nombre de secteurs d'anneau de turbine supérieur ou égal à 20, de préférence supérieur ou égal à 30, encore plus de préférence supérieur ou égal à 40.
Brève description des dessins [0038] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une turbomachine ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un secteur d'anneau de turbine comportant une couche d'abradable ; - la figure 3 est vue en coupe d'un secteur d'anneau de turbine dans un moule pour frittage SPS, selon un plan de coupe similaire au plan de coupe III-III de la figure 2 ; - les figures 4A et 4B sont des vues schématiques latérales de plusieurs secteurs d'anneau de turbine recouverts d'une couche d'abradable, respectivement avant et après usinage d'une surface libre de la couche d'abradable ; - la figure 5 est une image réalisée au microscope électronique à balayage d'une interface entre un secteur d'anneau et une couche d'abradable ; - la figure 6 représente l'évolution de la concentration de certains éléments chimiques de la couche d'abradable au secteur d'anneau ; - les figures 7A-7D sont des Images réalisées au microscope électronique à balayage de la microstructure de différentes couches d'abradable.
Description détaillée de l'invention [0039] La figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 10. Le turboréacteur à double flux 10 comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, et une turbine basse pression 22.
[0040] La turbine haute pression 20 comprend une pluralité d'aubes mobiles 20A tournant avec le rotor et de redresseurs 20B montés sur le stator. Le stator de la turbine 20 comprend une pluralité d'anneaux 24 de stator disposés en vis-à-vis des aubes mobiles 20A de la turbine 20.
[0041] Comme cela est visible sur la figure 2, chaque anneau 24 de stator est réalisé en plusieurs secteurs 26 d'anneau. Chaque secteur 26 d'anneau comporte une surface interne 28, une surface externe 30 et une couche d'abradable 32 sur laquelle peuvent venir frotter les aubes mobiles 20A du rotor.
[0042] Par exemple, le secteur 26 d'anneau est fabriqué en superalliage à base de cobalt ou de nickel, tel que le superalliage AMI ou le superalliage N5 et la couche d'abradable 32 est obtenue à partir d'une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel.
[0043] Le procédé de fabrication de l'anneau 24 de turbine comporte une première étape de fabrication d'au moins un secteur 26 d'anneau de turbine, par exemple par un procédé de fonderie.
[0044] La figure 3 représente une vue en coupe du secteur 26 d'anneau de turbine dans un moule pour frittage SPS. Le moule comporte un moule inférieur 34 de forme complémentaire de la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau.
[0045] Le secteur 26 d'anneau est positionné dans un moule inférieur 34 de sorte que la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau soit en contact au moins partiellement avec le moule inférieur 34. Le moule inférieur 34 n'est donc pas en contact avec le secteur 26 d'anneau sur toute la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau. Les espaces visibles entre le secteur 26 d'anneau et le moule inférieur 34 permettent d'accommoder les variations de dimensions dues au procédé de fabrication des différents secteurs 26 d'anneau. Cependant, la forme du moule inférieur 34 étant complémentaire de la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau, la pression exercée par le moule inférieur 34 sur le secteur 26 d'anneau est relativement uniforme.
[0046] On vient ensuite déposer une couche de poudre 36 sur la surface interne 28 du secteur 26 d'anneau et on positionne le moule supérieur 38 sur la couche de poudre 36.
[0047] On réalise ensuite l'étape de frittage SPS qui permet d'obtenir une couche d'abradable 32 réalisée directement sur le secteur 26 d'anneau. Par exemple, le moule supérieur 38 et le moule inférieur 34 peuvent être en graphite. Ils peuvent également être en carbure de tungstène.
[0048] Avant de positionner le secteur 26 d'anneau dans le moule inférieur 34, on peut déposer une couche de matériau chimiquement inerte dans le moule inférieur 34 et sur le moule supérieur 38. Par exemple, le matériau chimique inerte peut être du nitrure de bore appliqué à l'aide d'un spray. On peut également ajouter de la poudre de nitrure de bore de sorte à combler les espaces présents entre le secteur 26 d'anneau et le moule inférieur 34.
[0049] Le matériau chimiquement inerte peut également être du corindon.
[0050] Le secteur 26 d'anneau revêtu de la couche d'abradable 32 est ensuite retiré du moule.
[0051] Comme représenté sur la figure 4A, pour former un anneau 24 complet, on assemble plusieurs secteurs 26 d'anneau ensemble, chaque secteur 26 d'anneau étant recouvert d'une couche d'abradable 32. Une fois ces secteurs 26 d'anneau de turbine assemblés, la couche d'abradable 32 de chaque secteur d'anneau présente une surface libre 44 qui peut ne pas être dans le prolongement de la surface libre 44 du secteur 26 d'anneau adjacent. Aussi, les surfaces libres 44 des différents secteurs 26 d'anneau sont usinées de sorte à présenter une surface usinée 46 destinée à faire face à la roue de turbine. Cette surface usinée 46 présente le moins de discontinuité possible. En effet, si de telles discontinuités sont présentes, la roue d'aube pourrait venir butter contre ces discontinuités et ainsi provoquer des chocs dans la turbine, ce qui n'est pas désirable.
[0052] La figure 5 est une image réalisée au microscope électronique à balayage d'une interface entre un secteur 26 d'anneau et une couche d'abradable 32. Par exemple, cette couche d'abradable 32 est frittée sur le secteur 26 d'anneau à 950°C, sous une pression de 40 MPa pendant 30 minutes.
[0053] La pression peut être appliquée à froid, c'est-à-dire dès le début du cycle, ou à chaud, lors du palier de frittage.
[0054] Comme on peut le voir sur les figures 5 et 6, la composition chimique évolue de manière progressive, ie iong de la ligne 40 de la figure 5, en partant du secteur 26 d'anneau vers ia couche d'abradable 32 en définissant, une zone de diffusion 42 à l'interface entre le secteur 26 d'anneau et la couche d'abradable 32.
[0055] Les figures 7A-7D représentent différentes microstructures de couches d'abradabie 32 dont ia porosité ouverte est respectivement d'environ 10%, d'environ 7%, d'environ 3% et quasi nulle.
[0056] On voit donc qu'en modifiant les paramètres de frittage SPS, tels que la température, la pression et le temps de palier, on peut obtenir des couches d'abradable 32 présentant une structure différente. Par exemple, la figure 7A représente une couche d'abradable 32 obtenue lors d'une étape de frittage SPS à 925°C pendant 10 minutes en appliquant une pression de 20 MPa. La figure 7D représente une couche d'abradable 32 obtenue lors d'une étape de frittage SPS à 950°C pendant 30 minutes en appliquant une pression de 40 MPa.
[0057] On comprend que l'épaisseur de la couche d'abradable 32 obtenue après frittage SPS dépend notamment de l'épaisseur de la couche de poudre 36 déposée sur la surface interne 28 du secteur 26 d'anneau ainsi que des paramètres de frittage SPS. L'épaisseur de la couche d'abradable 32 obtenue après frittage SPS peut égaiement dépendre de la granulométrie et de la morphologie de la poudre utilisée. Notamment, la morphologie de la poudre peut dépendre de la méthode de fabrication de la poudre. Ainsi une poudre fabriquée par atomisation gazeuse ou électrode tournante aura des grains de forme sensiblement sphérique alors qu'une poudre fabriquée par atomisation liquide aura des grains de forme moins régulière.
[0058] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

  1. REVENDICATONS
    1. Procédé de fabrication d'un anneau (24) de turbine pour turbomachine, comprenant les étapes suivantes : - fabrication d'au moins un secteur (26) d'anneau de turbine ; - positionnement du secteur (26) d'anneau de turbine dans un moule inférieur (34) de sorte qu'une surface externe (30) du secteur (26) d'anneau de turbine soit en contact au moins partiel avec le moule inférieur (34) ; - dépôt d'une couche de poudre (36) sur une surface interne (28) du secteur (26) d'anneau de turbine ; - positionnement d'un moule supérieur (38) sur la couche de poudre (36) ; et - réalisation d'une couche d'abradable (32) sur la surface interne (28) par un procédé de frittage SPS de la couche de poudre (36), la couche d'abradable (32) étant destinée à être disposée face à une roue de turbine.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes suivantes : - assemblage d'une pluralité de secteurs (26) d'anneau de turbine, la surface interne (28) de chaque secteur (26) d'anneau de turbine étant recouverte d'une couche d'abradable (32) ; et - usinage d'une surface libre (44) de la couche d'abradable (32).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moule inférieur (34) a une forme complémentaire de la surface externe (30) du secteur (26) d'anneau de turbine.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, avant de positionner le secteur (26) d'anneau de turbine dans le moule inférieur (34) et le moule supérieur (38), on dépose une couche de matériau chimiquement inerte sur le moule inférieur (34) et sur le moule supérieur (38).
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la poudre est une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le frittage SPS est réalisé pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 30 minutes, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15 minutes.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moule supérieur (38) et le moule inférieur (34) sont en graphite et dans lequel le frittage SPS est réalisé à une température supérieure ou égale à 800°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le frittage SPS est réalisé à une pression supérieure ou égale à 10 MPa, de préférence supérieure ou égale à 20 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 30M Pa.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moule supérieur (38) et le moule inférieur (34) sont en carbure de tungstène et dans lequel le frittage SPS est réalisé à une température supérieure ou égale à 500°C, de préférence supérieure ou égale à 600°C.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le frittage SPS est réalisé à une pression supérieure ou égale à 100 MPa, de préférence supérieure ou égale à 200 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 300 MPa.
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