FR3079848A1 - Procede de depot d'un materiau anti-usure sur un element aubage pour une turbomachine d'aeronef - Google Patents
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Abstract
Procédé de dépôt d'un matériau anti-usure sur un élément aubagé (10) métallique pour une turbomachine d'aéronef, cet élément aubagé comportant au moins une pale s'étendant entre des plateformes, respectivement interne (19) et externe (20), au moins une de ces plateformes comportant des bords latéraux (21, 22) configurés pour coopérer par emboîtement circonférentiel avec des bords latéraux (22, 21) complémentaires d'éléments aubagés circonférentiellement adjacents, ces bords latéraux comportant chacun un revêtement (36) en matériau anti-usure obtenu par une étape (E2) de dépose d'une goutte de ce matériau fondu, caractérisé en ce que : - l'étape de dépose est précédée d'une étape (E1) de positionnement d'au moins un bloc (60) en matériau thermoconducteur au contact de ladite plateforme et configuré pour absorber de la chaleur générée lors de l'étape de dépose, et - l'étape de dépose est suivie d'une étape (E3) de retrait dudit au moins un bloc.
Description
PROCEDE DE DEPOT D’UN MATERIAU ANTI-USURE SUR UN ELEMENT AUBAGE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF
DOMAINE TECHNIQUE [0001]La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication des éléments aubagés pour une turbomachine d’aéronef, ces éléments aubagés pouvant être des éléments de stator ou de rotor. Elle concerne plus particulièrement un procédé de dépôt d’un matériau anti-usure sur un tel élément aubagé.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0002]Classiquement, une turbine axiale de turbomachine se compose d’une succession d’étages axiaux (selon l’axe de circulation des flux de gaz) disposés les uns derrière les autres. Chaque étage comporte une roue mobile à aubes formant le rotor et un distributeur aubagé formant le stator. La roue mobile est mise en rotation en vis-à-vis du distributeur correspondant.
[0003]Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des flux d’air (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine. On appelle axe de la turbomachine, l'axe de rotation du rotor principal de la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine, et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adjectifs intérieur et extérieur sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure du même élément. L'axe d'empilement d'une aube est l'axe perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, qui passe par le centre de gravité de la section la plus intérieure de la pale de l'aube (Le., la section la plus proche de l'axe de la turbomachine). Typiquement, une aube de turbomachine comprend une pale s'étendant suivant l'axe d'empilement de l'aube, entre les extrémités proximale et distale (i.e., intérieure et extérieure) de l'aube.
[0004]La roue mobile est classiquement constituée d’un disque annulaire centré sur l’axe de rotation de la roue, sur lequel sont fixées une pluralité d’aubes.
[0005]Un exemple d’aube est représenté sur la figure 1. Une aube de ce type est décrite dans le document de brevet FR-B1-2 985 759. Cette aube 10 comprend une pale 16 s'étendant suivant l'axe d'empilement X de l'aube, entre les extrémités proximale 10A et distale 10B de l'aube 10. A son extrémité proximale 10A, l'aube comprend une plateforme 19 et un pied 12 par lequel elle est fixée au disque (non représenté). A son extrémité distale 10B, l'aube 10 présente un talon 14. Lorsque plusieurs aubes 10 sont fixées sur le disque, leurs talons 14 sont disposés bord à bord de manière à former une couronne circonférentielle délimitant une surface de révolution autour de l’axe A de rotation de la roue. Cette couronne a notamment pour fonction de délimiter la surface extérieure de la veine d’écoulement des flux de gaz circulant entre les pales 16 et de limiter les fuites de gaz au niveau de l’extrémité distale 10B des aubes 10.
[0006]Le talon 14 comprend une plateforme 20 délimitant extérieurement la veine d'écoulement du gaz circulant entre les pales 16, et présentant des bords latéraux 21, 22 opposés. La plateforme 20 comporte une partie amont 24 appelée « becquet amont >> et une partie aval 28 appelée « becquet aval >>. Le talon 14 comprend également des léchettes d'étanchéité amont 31 et aval 32 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la face extérieure de la plateforme 20. Chacun des bords latéraux 21, 22 de la plateforme présente, entre les léchettes amont 31 et aval 32, un profil sensiblement en « U >> Dans le cas d’autres aubes, ce profil peut prendre la forme d’un « Z >> ou d’un « V », par exemple.
[0007]Dans le but d'amortir les vibrations auxquelles les aubes 10 sont soumises en fonctionnement et de donner de la rigidité à l’ensemble, les aubes 10 sont montées sur leur disque avec une contrainte de torsion autour de leur axe d'empilement X. La géométrie des talons 14 est telle que chaque aube 10 est mise en contrainte de torsion par appui sur les aubes 10 voisines au niveau des bords latéraux 21 et 22. Ces bords latéraux 21, 22 définissent donc des surfaces de contact inter-aubes et sont le lieu de frottements importants lors du fonctionnement de la turbomachine. Pour être protégées contre l'usure, ces bords sont munis d’un revêtement en matériau anti-usure résistant aux frottements. Il peut, par exemple, s’agir d’un matériau commercialisé sous la marque Stellite®. Ce revêtement 36 en matériau anti-usure est visible à la figure 2.
[0008]Classiquement, ce matériau anti-usure est déposé sur les bords latéraux 21, 22 par soudure, par exemple par soudure à la goutte, impliquant la création d’un arc électrique pour la fusion de la matière. Il s'agit souvent d'une opération manuelle, l’alliage de type Stellite® étant sous forme d’une goutte liquide lors du dépôt.
[0009]L’alliage Stellite® est un alliage d'acier à haute teneur en chrome (Cr) et en cobalt (Co). Il peut aussi contenir une petite quantité de tungstène (W) ou de molybdène (Mo) et une petite quantité de carbone (C). L’alliage Stellite® n’est pas forgeable et doit être soit moulé, soit fixé par soudure sur un objet dont il forme une partie ou auquel il est inséré.
[0010] L’opération de dépôt est complexe à réaliser, et il a été constaté l’apparition de criques après la dépose de la goutte de Stellite® sur des aubes, ce qui induit la mise au rebut de ces aubes. En effet, la soudure implique une forte augmentation de température très localisée et de manière instantanée. Ce choc thermique appliqué sur des épaisseurs fines de l’aubage peut provoquer des criques sur le matériau de base.
[0011]La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème.
[0012]EXPOSÉ DE L’INVENTION [0013]La présente invention propose un procédé de dépôt d’un matériau antiusure sur un élément aubagé métallique pour une turbomachine d’aéronef, cet élément aubagé comportant au moins une pale s’étendant entre des plateformes, respectivement interne et externe, au moins une de ces plateformes comportant des bords latéraux configurés pour coopérer par emboîtement circonférentiel avec des bords latéraux complémentaires d’éléments aubagés circonférentiellement adjacents, ces bords latéraux comportant chacun un revêtement en matériau antiusure obtenu par une étape de dépose d’une goutte de ce matériau fondu, caractérisé en ce que :
- l’étape de dépose est précédée d’une étape de positionnement d’au moins un bloc en matériau thermoconducteur au contact de ladite plateforme et configuré pour absorber de la chaleur générée lors de l’étape de dépose, et
- l’étape de dépose est suivie d’une étape de retrait dudit au moins un bloc.
[0014]Les inventeurs ont constaté que les criques qui apparaissaient sur les éléments aubagés étaient dues à un gradient thermique trop élevé entre la température de l’élément aubagé (trop froide) et la température de la goutte de matériau par exemple de Stellite® (trop chaude). Lorsque la goutte est déposée sur l’élément aubagé, elle chauffe rapidement et énormément la zone de dépose et la zone avoisinante, ce qui fait apparaître des criques. Ce phénomène est amplifié en présence d’épaisseurs optimisées dites fines dans le cas des aubagés de turbines. Le bloc thermoconducteur permet d’absorber au moins une partie de la chaleur générée lors de la dépose et donc de refroidir les zones précitées en supprimant tout pic localisé de température, ce qui réduit voire annule le risque d’apparition de criques. Le bloc est destiné à être au contact de l’élément aubagé pour absorber la chaleur par conduction thermique.
[0015] Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- pendant l’étape de dépose, ledit au moins un bloc est soumis à un environnement ou à des conditions facilitant l’absorption de chaleur par ce bloc,
- ledit au moins un bloc est soumis à un flux d’air forcé,
- ledit au moins un bloc comprend un réseau interne de canalisations de circulation d’un fluide de refroidissement, tel que de l’eau,
- ledit au moins un bloc est maintenu en place au contact de ladite plateforme au moyen de pince(s),
- l’étape de positionnement comprend le positionnement de plusieurs blocs indépendants au contact de ladite plateforme,
- l’étape de positionnement comprend le positionnement :
o d’un ou deux blocs sur ladite plateforme, entre deux léchettes en saillie de cette plateforme, et/ou o d’un bloc sur ladite plateforme, au niveau d’un becquet amont ou aval de cette plateforme, et/ou o d’un ou deux blocs sous la plateforme et au contact desdits bords latéraux,
- les blocs sont positionnés sur des surfaces directement adjacentes au revêtement en matériau anti-usure ; un bloc peut être présent seulement sur un becquet amont ou aval de l’élément aubagé,
- ledit au moins un bloc a une conductivité thermique à 20°C qui est supérieure ou égale à 20 W.m’1.K’1, de préférence supérieure ou égale à 40 W.m’1.K’1, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 150 W.m’1.K’1,
- ledit au moins un bloc est configuré pour épouser la forme de surfaces de la plateforme avec lesquelles il est en contact,
- l’élément aubagé est une aube de rotor de turbine ou un secteur de distributeur.
[0016JBRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES [0017]L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement 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’une aube de roue mobile de turbine, la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle d’un talon d’une aube de roue mobile de turbine, la figure 3 est une vue schématique d’un secteur de distributeur de turbine, la figure 4 est un schéma bloc illustrant des étapes d’un procédé de fabrication d’un élément aubagé, selon l’invention, les figures 5 et 6 sont des vues schématiques partielles en perspective d’un talon d’une aube et montre les zones thermiquement sollicitées lors de l’étape de dépose d’un matériau anti-usure, les figures 7 à 9 sont des vues schématiques partielles en perspective d’un talon d’une aube et illustrent une étape du procédé selon l’invention de positionnement de blocs thermoconducteurs sur le talon, et la figure 10 est une vue à plus grande échelle d’une partie d’un bloc thermoconducteur.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE RÉALISATION [0018]L’invention s’applique à un élément aubagé qui peut être une aube 10 de roue mobile telle que décrite ci-dessus en référence aux figures 1 et 2, ou un distributeur 10’ de turbine tel qu’illustré à la figure 3.
[0019]Dans les deux cas, l’élément aubagé comprend au moins une pale 16 qui s’étend entre deux plateformes, respectivement interne 19 et externe 20. La plateforme interne 19 est reliée à l’extrémité radialement interne de chaque pale et comprend des revêtements 36 en matériau anti-usure dans le cas du secteur de distributeur de turbine de la figure 3. La plateforme externe 20 est reliée à l’extrémité radialement externe de chaque pale et comprend des revêtements 36 anti-usure durs dans le cas de l’aube des figures 1 et 2.
[0020]La figure 4 illustre un procédé selon l’invention de fabrication d’un élément aubagé. Le procédé comprend pour l’essentiel trois étapes à savoir une étape E1 de positionnement d’au moins un bloc en matériau thermoconducteur au contact de la plateforme, une étape E2 de dépose d’une goutte du revêtement anti-usure fondu sur cette plateforme, le bloc étant destiné à absorber de la chaleur générée lors de cette étape et transmise à la plateforme, et une étape E3 de retrait du bloc.
[0021]Les figures 5 et 6 permettent de visualiser les zones contraintes thermiquement lors de l’étape de dépose. Une première zone Z1 concerne des surfaces radialement externes de la plateforme externe 20 qui s’étendent entre les léchettes 31, 32. Dans le cas où les léchettes 31, 32 sont reliées entre elles par un voile de matière 40 qui s’étend en saillie sur la plateforme, dans le prolongement de la pale 16, la zone Z1 est divisée en deux parties par ce voile. Cette zone Z1 comprend une ou des surfaces 42 s’étendant entre le voile 40 et l’un des bords latéraux 21 de la plateforme, qui est destiné à recevoir une goutte de matériau anti-usure, et une ou des surfaces 44 s’étendant entre le voile 40 et l’autre bord latéral 22 de la plateforme, qui est également destiné à recevoir une goutte de matériau anti-usure (non visible).
[0022]La zone Z1 comprend en outre une ou des surfaces aval 46 de la léchette 31 sur laquelle le matériau anti-usure peut être en partie déposé. La zone Z2 comprend des surfaces amont 48 de la léchette 31.
[0023]La zone Z3 comprend des surfaces radialement internes 50 de la plateforme 20 qui s’étendent entre le bord latéral 21 et la pale 16. La zone Z3 comprend en outre des surfaces 52 du bord latéral 21 lui-même. Enfin, la zone Z4 comprend des surfaces radialement internes 4 de la plateforme 20, qui s’étendent entre le bord latéral 22 et la pale 16, ainsi que des surfaces du bord latéral 22 luimême.
[0024]Les figures 7 à 9 illustrent l’étape E1 du procédé selon l’invention à savoir le positionnement de blocs thermoconducteurs 60 au contact de la plateforme 20 de l’aube 10. Ces blocs sont positionnés sur des surfaces directement adjacentes à la zone de dépôt du matériau anti-usure. Il est ainsi possible d’avoir un bloc que sur un becquet amont ou aval de l’élément aubagé.
[0025]Dans l’exemple représenté, le nombre de blocs 60 qui n’est pas limitatif est égal à 5. Deux blocs 60a, 60b sont utilisés dans la zone Z1 pour prendre appui sur les surfaces 42, 44 et 46 Un bloc 60c est utilisé dans la zone Z2 pour prendre appui sur les surfaces 48, un bloc 60d est utilisé dans la zone Z3 pour prendre appui sur les surfaces 50, 52, et un bloc 60e est utilisé dans la zone Z4 pour prendre appui sur les surfaces 54.
[0026]Les blocs 60 sont réalisés en matériau thermoconducteur c’est-à-dire qu’ils ont une conductivité thermique suffisante pour absorber l’énergie calorifique transmise à l’aube et en particulier à la plateforme lors de l’étape E2.
[0027]Le matériau des blocs 60 a une conductivité thermique à 20°C qui est 5 supérieure ou égale à 20 W.m’1.K’1, de préférence supérieure ou égale à 40 W.m’ 1.K’1, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 150 W.m’1.K’1. Le tableau suivant donne des exemples de matériaux à haute conductivité thermique.
| Matériaux | Conductivité thermique (\Λ/·ιγΓ1·Κ~1) |
| Valeurs pour une température de 20 °C | |
| Acier doux | 46 |
| Acier inoxydable (18 % Chrome, : | 26 |
| 8 % Nickel) | |
| Al-SiC | 150-200 |
| Aluminium (pureté de 99,9 %) < | 237 |
| Argent | 4183 |
| Cuivre | 3903 |
| Étain | 66,6 |
| Fer | 804 |
| Fonte | 50 |
| Or | 317 |
| Platine | 71,6 |
| Plomb | 354 |
| Titane | 20 |
| Zinc | 116 |
[0028]Les blocs 60 sont configurés pour épouser la forme à refroidir de la 10 plateforme 20 et ont donc des formes et des dimensions spécifiques à leurs zones d’implantation. Les blocs peuvent comprendre des ailettes de refroidissement 62, comme c’est le cas des blocs 60a, 60b. Les ailettes 62 favorisent les échanges thermiques du bloc avec le milieu environnant tel que l’atmosphère. Pour accélérer ces échanges, il est possible de forcer un flux d’air à passer à travers 15 les ailettes 62, en particulier pendant l’étape E2. Les flèches F1 illustrent schématiquement ce flux d’air.
[0029]La figure 10 permet d’illustrer un cas particulier de réalisation des ailettes 62 d’un bloc 60. Les ailettes peuvent avoir une épaisseur e comprise entre 0,2 et 5 mm, une distance b inter-ailettes comprise entre 0,2 mm et 5 mm, et une hauteur h comprise entre 6 mm et 20 mm.
[0030]A la place des ailettes 62 ou en plus des ailettes, les blocs 60 peuvent comprendre un réseau interne de canalisations de circulation d’un fluide de refroidissement, tel que de l’eau. Les flèches F2 illustrent schématiquement la circulation de l’eau depuis une source de fluide de refroidissement jusqu’à l’un des blocs.
[0031]Les blocs 60 peuvent être maintenus en position sur la plateforme 20 par un système de serrage par pinces pour pouvoir assurer un positionnement stable de l’ensemble. Les pinces permettront également de retirer rapidement l’ensemble du système puis d’équiper l’élément aubagé suivante rapidement.
[0032]L’invention permet notamment d’apporter une solution améliorant la fabrication des éléments aubagés équipés de revêtements en matériau anti-usure déposés par goutte. Elle permet de refroidir les zones souhaitées pour éviter l’apparition de criques et de réduire les coûts de production en limitant les retouches, les rebuts et les dérogations dus à des criques.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt d’un matériau anti-usure sur un élément aubagé (10) métallique pour une turbomachine d’aéronef, cet élément aubagé comportant au moins une pale s’étendant entre des plateformes, respectivement interne (19) et externe (20), au moins une de ces plateformes comportant des bords latéraux (21, 22) configurés pour coopérer par emboîtement circonférentiel avec des bords latéraux (22, 21) complémentaires d’éléments aubagés circonférentiellement adjacents, ces bords latéraux comportant chacun un revêtement (36) en matériau anti-usure obtenu par une étape (E2) de dépose d’une goutte de ce matériau fondu, caractérisé en ce que :- l’étape de dépose est précédée d’une étape (E1) de positionnement d’au moins un bloc (60) en matériau thermoconducteur au contact de ladite plateforme et configuré pour absorber de la chaleur générée lors de l’étape de dépose, et- l’étape de dépose est suivie d’une étape (E3) de retrait dudit au moins un bloc.
- 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, pendant l’étape de dépose (E2), ledit au moins un bloc (60) est soumis à un environnement ou à des conditions facilitant l’absorption de chaleur.
- 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé ledit au moins un bloc (60) est soumis à un flux d’air forcé (F1).
- 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé ledit au moins un bloc (60) comprend un réseau interne de canalisations de circulation d’un fluide de refroidissement (F2), tel que de l’eau.
- 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé ledit au moins un bloc (60) est maintenu en place au moyen de pince(s).
- 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé l’étape de positionnement (E1) comprend le positionnement de plusieurs blocs (60a-60e) indépendants au contact de ladite plateforme (19).
- 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé l'étape de positionnement (E1) comprend le positionnement :- d'un ou deux blocs (60a, 60b) sur ladite plateforme (19), entre deux léchettes (31, 32) en saillie de cette plateforme, et/ou- d’un bloc (60c) sur ladite plateforme, au niveau d’un becquet amont ou aval de cette plateforme, et/ou- d'un ou deux blocs (60d, 60e) sous la plateforme et au contact desdits bords latéraux (21,22).
- 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé ledit au moins un bloc (60) est configuré pour épouser la forme de surfaces de la plateforme (19) avec lesquelles il est en contact.
- 9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé ledit au moins un bloc (60) a une conductivité thermique à 20°C qui est supérieure ou égale à 20 W.m*1.K*1, de préférence supérieure ou égale à 40 W.m'1.K'1, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 150 W.m'1.K'1.
- 10. Elément aubagé obtenu par la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est constitué d’une aube de rotor de turbine (10) ou un secteur de distributeur (10’).
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-
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