FR3126914A1 - Aube en matériau composite comportant un renfort métallique et procédé de fabrication d’une telle aube - Google Patents

Aube en matériau composite comportant un renfort métallique et procédé de fabrication d’une telle aube Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube (100) en matériau composite pour une turbomachine, comprenant les étapes de : - tissage de fibres en tridimensionnel et réaliser une préforme fibreuse (100’), - renfort d’un bord (108’) de la préforme (100’) destiné à former un bord d’attaque d’une pale de l’aube, par intégration d’un renfort métallique (130) sur ce bord (108’), - montage de la préforme (100’) et du renfort (130) dans un moule, - densification de la préforme (100’) par une matrice pour former l’aube (100), dans lequel, avant l’intégration du renfort (130), le procédé comprend une étape d’introduction d’au moins un support de renfort (140) configuré pour être intercalé entre le renfort (130) et le bord (108’), et dans lequel à l’étape de densification, le support (140) est enveloppé de la matrice pour coller le bord (108’) et le renfort (130) avec une épaisseur minimale prédéfinie et homogène. Figure pour l'abrégé : Figure 9a

Description

AUBE EN MATÉRIAU COMPOSITE COMPORTANT UN RENFORT MÉTALLIQUE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE TELLE AUBE
L’invention se rapporte au domaine des aubes en matériau composite pour une turbomachine, notamment d’aéronef, et plus précisément à l’amélioration de la tenue mécanique d’une telle aube en matériau composite.
Arrière-plan technique
Il est connu des turbomachines, en particulier des turbomachines à double flux, comportant une soufflante disposée en amont d’un générateur de gaz selon la circulation des gaz dans la turbomachine. Le générateur de gaz est logé dans un carter annulaire interne tandis que la soufflante est logée dans un carter annulaire extérieur solidaire généralement d’une nacelle. La soufflante génère un flux primaire ou flux chaud circulant dans une veine primaire traversant le générateur de gaz, et un flux secondaire ou flux froid circulant dans une veine secondaire autour du générateur de gaz.
Ces veines primaire et secondaire sont séparées par un carter inter-veine annulaire pourvu d’un bec de séparation. La soufflante comprend des aubes de soufflante avec chacune une extrémité libre en regard du carter extérieur de manière à comprimer un flux d’air incident au moins dans la veine secondaire et, de préférence, également dans la veine primaire.
De manière classique, la veine secondaire comporte, en aval de la soufflante, un étage d’aubes de stator, connues également sous le terme d’aubes de redresseur ou d’aubes directrices de flux de sortie (OGV, acronyme de l’expression anglaise «Outlet Guide Vane»). Ces aubes OGV sont régulièrement réparties autour de l’axe de rotation de la soufflante et disposées radialement depuis l’axe de rotation de la soufflante, en aval des aubes de soufflante. Une aube OGV a pour fonction de redresser le flux à la sortie d’une aube de soufflante dans le flux secondaire de la turbomachine.
Les aubes OGV forment des rangées d'aubes fixes qui permettent de guider le flux traversant la turbomachine, selon une vitesse et un angle appropriés.
La représente une aube OGV 10 qui comporte une pale 12 ayant une face intrados 18 et une face extrados 28 s'étendant entre un bord d'attaque 14 et un bord de fuite 16. Les extrémités longitudinales d’une aube OGV sont reliées à des plateformes : des plateformes inter-OGV 20 rapportées sur l'extrémité radiale extérieure de la pale 12, et qui sont agencées entre cette aube OGV et les aubes OGV adjacentes, et une plateforme 22 rapportée sur une extrémité radiale intérieure de la pale 12, et reliée à un moyeu 24 du carter-interne annulaire.
Les aubes OGV peuvent être métalliques ou bien en matériau composite, tel qu’un matériau composite à matrice organique (CMO), notamment pour en diminuer la masse.
Un matériau composite classiquement utilisé comprend une préforme fibreuse noyée dans une résine polymérique. La préforme fibreuse peut être issue d’un tissage tridimensionnel (3D) ou peut être obtenue par drapage et superposition de plusieurs couches/plis (multicouche). La résine peut être injectée dans la préforme fibreuse ou bien la préforme fibreuse peut être préalablement imprégnée avec la résine (également désignée par « pré-imprégnée »).
Un procédé de fabrication connu des aubes OGV composites est le procédé de moulage par injection de résine liquide RTM (acronyme de l’expression anglaise «Resin Transfert Molding»). Il s’agit de réaliser une préforme fibreuse, puis de placer cette préforme dans un moule et de densifier la préforme fibreuse par une matrice en polymère qui consiste à imprégner la préforme fibreuse par une résine et à polymériser cette dernière pour obtenir la pièce finale.
En outre, afin de protéger le bord d’attaque de l’usure par érosion et/ou de la dégradation causée par des chocs avec des corps étrangers, celui-ci est recouvert d’un bouclier de protection ou d’un renfort métallique 30. Le renfort 30, sous la forme d’un clinquant métallique (par exemple en Nickel-Cobalt ou en alliage de titane), est co-injecté sur la partie du bord d’attaque 14 de la pale 12. Plus particulièrement, le renfort 30 est assemblé et fixé sur un bord de la préforme fibreuse destiné à former le bord d’attaque 14 de l’aube OGV, par collage. A cet effet, le bord de la préforme fibreuse ou le renfort métallique 30 est revêtu d’une bande d’adhésif 40, puis le renfort métallique 30 est assemblé sur le bord de la préforme fibreuse de l’aube OGV ( ). L’ensemble est ensuite disposé dans un moule et soumis à un traitement thermique. La résine injectée imprègne la préforme fibreuse et vient au contact du renfort métallique pour assurer la solidarisation du renfort métallique à la préforme après polymérisation et durcissement.
Cependant, l’utilisation d’adhésif, en bande ou film, pour l’assemblage d’une pièce métallique et d’une matrice fibreuse créée des contraintes dans les opérations de fabrication, telles que :
- l’adhésif présente une durée de vie limitée à quelques jours à température ambiante et doit donc être conservé à une température inférieure à -18°C,
- le placement de l’adhésif entre le bord de la préforme fibreuse et le renfort métallique peut être complexe, notamment pour des géométries (dimensions et forme) complexes des aubes OGV,
- un cycle de cuisson (ou chauffage) par palier est nécessaire pour assurer une bonne cohésion entre l’adhésif et la résine ; la température du premier palier est comprise entre 100 et 160°C et le second palier, notamment pour réticuler la résine, à une température de 180°C ( ),
- risque de non-conformité des cycles de cuisson et donc de mise en rebus de l’assemblage non-conforme, et
- l’adhésif est un matériau couteux.
Les performances de l’adhésif dépendent de la nature chimique de l’adhésif, des substrats utilisés, des traitements de surfaces et de l’épaisseur de l’adhésif. La résine utilisée dans la co-injection du procédé de fabrication de l’aube OGV décrite ci-dessus, est généralement de même nature chimique que l’adhésif actuellement utilisé.
Ainsi, afin d’améliorer le procédé de fabrication de l’aube, il a été testé de coller le renfort métallique 30 directement sur le bord d’attaque 14 de la préforme fibreuse avec de la résine polymérique 50. Cependant, le collage par la résine 50 est hétérogène entre le renfort métallique 30 et le bord d’attaque 14 en l’absence de l’adhésif. En référence à la , il est observé des épaisseurs différentes de la résine sur l’interface de l’assemblage, notamment une absence de résine sur certaines zones Z1 d’interface entre le bord d’attaque 14 et le renfort métallique 30 et un excès de résine sur d’autres zones Z2 d’interface de l’assemblage. Cette configuration hétérogène modifie localement les propriétés mécaniques et fragilise les performances du collage. Le collage par résine est donc insuffisant et ceci peut entraîner une rupture prématurée de l’assemblage renfort métallique/bord d’attaque d’aube.
Il existe donc un besoin de fournir un procédé de fabrication qui permette d’améliorer la qualité de collage du renfort métallique sur le bord d’attaque d’une pale d’aube en matériau composite.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique aux inconvénients précités de l’art antérieur.
À cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, notamment d’aéronef, ladite aube comprenant une pale ayant une face intrados et une face extrados s’étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite, le procédé comprenant les étapes de:
- tissage de fibres en trois dimensions de sorte à réaliser une préforme fibreuse,
- renfort d’un bord de ladite préforme destiné à former le bord d’attaque de la pale, par intégration d’un renfort métallique sur ledit bord de la préforme,
- montage de la préforme fibreuse et du renfort métallique dans un moule,
- densification de la préforme fibreuse par une matrice pour former l’aube en matériau composite.
Selon l’invention, avant l’étape d’intégration du renfort métallique, le procédé comprend une étape d’introduction d’au moins un support de renfort sur le bord de la préforme fibreuse, ledit support de renfort étant configuré pour être intercalé entre le renfort métallique et ledit bord de la préforme fibreuse.
Selon l’invention, à l’étape de densification, ledit support de renfort est enveloppé de la matrice pour coller le bord de la préforme fibreuse et le renfort métallique avec une épaisseur minimale prédéfinie et homogène.
Le support de renfort permet de coller efficacement le bord de la préforme fibreuse et le renfort métallique avec une épaisseur minimale prédéfinie, qui peut être sensiblement constante et homogène à l’interface de l’assemblage. On entend par épaisseur « homogène » ou « constante », la répartition uniforme et régulière des éléments constitutifs au collage du renfort métallique au bord d’attaque de la pale d’aube avec une épaisseur minimale. Cette épaisseur minimale peut être prédéfinie en fonction du type d’éléments constitutifs du collage utilisé dans le procédé de fabrication. Les éléments constitutifs du collage sont notamment la résine polymérisée (ou la matrice de densification) et le support de renfort.
En effet, le support de renfort présente une forme généralement plane avec une épaisseur prédéterminée. Lors de l’étape de densification, la résine polymérique se durci en recouvrant le support de renfort, et solidarise l’assemblage (à savoir le renfort métallique et le bord de la préforme fibreuse). De cette façon, il ne peut y avoir de contact direct entre le renfort métallique et la préforme fibreuse (tel que la zone Z1 d’absence de résine mentionnée ci-dessus). Ce qui limite la propagation de fissure lors de sollicitations mécaniques en fonctionnement et empêche la rupture ou le décollement partiel ou intégral du renfort métallique du bord d’attaque de l’aube. Ainsi, les propriétés mécaniques de l’assemblage collé sont grandement optimisées.
Le collage selon le procédé de l’invention est donc obtenu en maîtrisant, d’une part, l’épaisseur minimale nécessaire pour solidariser l’assemblage, et d’autre part, la propagation de fissure dans l’assemblage collé. De cette façon, la qualité de collage du renfort métallique sur le bord d’attaque de la pale d’aube (sans adhésif), est renforcée de manière significative.
Par ailleurs, le procédé selon l’invention présente également de nombreux avantages, tels que la :
- suppression de l’étape d’ajout d’adhésif entre le bord de la préforme fibreuse et le renfort métallique,
- suppression d’une éventuelle étape d’usinage du bord de la préforme fibreuse avant le collage du renfort métallique,
- suppression de l’étape d’appairage faite manuellement par un opérateur pour coller le renfort métallique sur le bord de la préforme fibreuse densifiée,
- suppression de l’étape de cuisson de l’adhésif présente à chaque nouvel assemblage d’aube, celle-ci étant désormais faite en même temps que l’étape de cuisson de la résine,
- réduction du temps de réticulation de la résine lors de l’étape de densification, et
- application à tout type d’assemblage entre une pièce en composite et une pièce métallique.
L’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’étape de densification comprend l’imprégnation de la préforme fibreuse avec une résine et la transformation de la résine en matrice par traitement thermique,
- la résine est injectée dans la préforme fibreuse avant l’étape de densification, ou la préforme fibreuse est préalablement imprégnée avec la résine à l’étape de réalisation de la préforme fibreuse,
- le bord de la préforme comportant une paroi intrados et une paroi extrados reliées entre elles par une arrête, ledit support de renfort recouvre au moins une partie desdites parois intrados et extrados jusqu’à l’arrête du bord de la préforme fibreuse,
- le support de renfort est réalisé dans un matériau métallique, par exemple en cuivre ou en aluminium, ou bien le support de renfort est réalisé dans un matériau fibreux, par exemple en Nylon 66, en Polyester ou en fibre de verre,
- le matériau fibreux est tissé, non-tissé ou tricoté,
- le support de renfort présente une épaisseur minimale de 50μm, de préférence l’épaisseur est comprise entre 50μm et 600μm,
- en fin d’étape de densification, le support de renfort présente un module de Young maximal de 2500MPa, de préférence le module de Young est compris entre 1000 et 2000MPa et par exemple de 1300MPa,
- la résine est réalisée dans un matériau thermodurcissable ou thermoplastique, par exemple à base d’époxy, polyépoxyde, polyimide, polybismaléimide, polyuréthane, polyester ou vinylester,
-- à l’étape de densification, la résine enveloppe et traverse le support de renfort en matériau fibreux ou la résine enveloppe le support de renfort en matériau métallique.
L’invention concerne également une aube en matériau composite pour une turbomachine, notamment d’aéronef, réalisée par un procédé de fabrication selon l’invention.
L’invention concerne également une aube en matériau composite pour une soufflante non carénée (connue sous les acronymes anglais « propfan » ou « open rotor ») ou carénée, notamment d’aéronef, réalisée par un procédé de fabrication selon l’invention.
L’aube en matériau composite obtenue par le procédé de l’invention peut également être une aube stator d’un compresseur ou d’une turbine de turbomachine, dans lequel le renfort métallique peut être une pièce métallique solidarisée sur toute portion de l’aube (c’est-à-dire sur une portion similaire ou différente du bord d’attaque de l’aube).
La présente invention concerne également une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant une aube en matériau composite selon l’invention.
La turbomachine peut être un turboréacteur, turbopropulseur ou turbomoteur d’aéronef.
Brèves description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la est une représentation schématique en perspective d’une aube d’une soufflante comportant un renfort métallique selon l’art antérieur,
la est une représentation schématique en couches d’une partie de l’assemblage du renfort métallique et du bord d’attaque de l’aube avec un adhésif de la ,
la est une représentation schématique d’une courbe de cuisson en fonction du temps de l’assemblage de la ,
la est une représentation schématique en couches d’un assemblage du renfort métallique sur le bord d’attaque de l’aube avec une résine polymérique selon l’art antérieur,
la est une représentation schématique en perspective d’une aube en matériau composite comportant un renfort métallique selon l’invention,
la est une représentation schématique en coupe selon le plan Y du bord d’attaque de l’aube de la ,
la représente une courbe de variation du module de Young en fonction de l’épaisseur de plusieurs types de joint de colle,
la représente une courbe contrainte/déformation normale pour différentes épaisseurs du joint de colle,
la représente une courbe contrainte/déformation tangentielle pour différentes épaisseurs du joint de colle,
la est un organigramme d’un procédé de fabrication de l’aube de la ,
la est une représentation schématique en coupe selon le plan Y et partielle d’un assemblage du renfort métallique sur le bord d’attaque de l’aube avec un support de renfort fibreux et la résine polymérique durci selon un mode de réalisation de l’invention, et
la est une représentation schématique d’une courbe de cuisson en fonction du temps de l’assemblage de la .
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’une aube (100) en matériau composite pour une turbomachine, notamment d’aéronef, ladite aube comprenant une pale (102) ayant une face intrados (104) et une face extrados (106) s’étendant entre un bord d'attaque (108) et un bord de fuite (110), le procédé comprenant les étapes de :
    - tissage (S10) de fibres en trois dimensions de sorte à réaliser une préforme fibreuse (100’),
    - renfort (S30) d’un bord (108’) de ladite préforme (100’) destiné à former le bord d’attaque (108) de la pale (102), par intégration d’un renfort métallique (130) sur ledit bord (108’) de la préforme (100’),
    - montage (S40) de la préforme fibreuse (100’) et du renfort métallique (130) dans un moule,
    - densification (S50) de la préforme fibreuse (100’) par une matrice pour former l’aube (100) en matériau composite,
    caractérisé en ce que, avant l’étape de renfort (S30), le procédé comprend une étape d’introduction (S20) d’au moins un support de renfort (140) sur le bord (108’) de la préforme fibreuse (100’), ledit support de renfort (140) étant configuré pour être intercalé entre le renfort métallique (130) et ledit bord (108’) de la préforme fibreuse (100’), et en ce que, à l’étape de densification (S50), ledit support de renfort (140) est enveloppé de la matrice pour coller le bord (108’) de la préforme fibreuse (100’) et le renfort métallique (130) avec une épaisseur minimale prédéfinie et homogène.
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’étape (S50) de densification comprend l’imprégnation de la préforme fibreuse (100’) avec une résine (150) et la transformation de la résine (150) en matrice par traitement thermique.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel la résine (150) est injectée dans la préforme fibreuse (100’) avant l’étape (S50) de densification, ou la préforme fibreuse (100’) est préalablement imprégnée avec la résine (150) à l’étape de tissage (S10).
  4. Procédé de fabrication selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la résine (150) est réalisée dans un matériau thermodurcissable ou thermoplastique, par exemple à base d’époxy, polyépoxyde, polyimide, polybismaléimide, polyuréthane, polyester ou vinylester.
  5. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bord (108’) de la préforme fibreuse (100’) comportant une paroi intrados (114) et une paroi extrados (116) reliées entre elles par une arête (118), ledit support de renfort (140) recouvre au moins une partie desdites parois intrados (114) et extrados (116) jusqu’à l’arête (118) du bord (108’) de la préforme fibreuse (100’).
  6. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support de renfort (140) est réalisé dans un matériau métallique, par exemple en cuivre ou en aluminium, ou bien le support de renfort (140) est réalisé dans un matériau fibreux, par exemple en Nylon 66, en Polyester ou en fibre de verre.
  7. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel ledit matériau fibreux est tissé, non-tissé ou tricoté.
  8. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit support de renfort (140) présente une épaisseur E minimale de 50μm, de préférence l’épaisseur E est comprise entre 50μm et 600μm.
  9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel en fin d’étape de densification (S50), ledit support de renfort (140) présente un module de Young maximal de 2500MPa, de préférence le module de Young est compris entre 1000 et 2000MPa et par exemple de 1300MPa.
  10. Aube (100) en matériau composite pour une turbomachine, notamment d’aéronef, réalisée par un procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes.
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