FR3141878A1 - Procede de fabrication d’une aube - Google Patents

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Pierre-Antoine BOSSAN
Aurélien JOULIA
Sophie SENANI
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Safran SA
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube (11) pour une turbomachine (1) d’aéronef, le procédé comprenant les étapes chronologiques suivantes : (a) fournir une pale (12) comprenant une face extrados (12e) et une face intrados (12i) reliées par un bord d’attaque (12a) et un bord de fuite (12b), la pale (12) comprenant un matériau composite, (b) agencer une couche de liaison (16) sur la pale (12), la couche de liaison (16) comprenant un matériau polymérique, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes chronologiques suivantes après l’étape (b) : (c) former un bouclier de protection (14) sur la pale (12) par projection thermique, (d) optionnellement, traiter thermiquement la couche de liaison (16). Figure d’abrégé : Figure 5

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE Domaine technique de l'invention
L’invention concerne le domaine des procédés de fabrication des aubes pour les turbomachines d’aéronef. L’invention concerne plus particulièrement le domaine de fabrication des aubes comprenant une pale en matériau composite et un bouclier de protection agencé sur la pale.
 Arrière-plan technique
Une turbomachine d’aéronef comprend typiquement un moteur comprenant d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante mobile en rotation autour d’un axe longitudinal, un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression et une tuyère d’échappement des gaz.
La soufflante permet l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire et un flux secondaire. Le flux primaire traverse une veine primaire de la turbomachine tandis que le flux secondaire est dirigé vers une veine secondaire entourant la veine primaire.
Le flux primaire est comprimé au sein des compresseurs. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein de la chambre de combustion. Les gaz issus de la combustion traversent les turbines puis s’échappent au travers de la tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion.
Les composants de la turbomachine tels que la soufflante, les compresseurs ou les turbines comprennent des aubes qui permettent d’exercer une action sur le flux d’air. Par exemple, les aubes de compresseurs permettent de comprimer le flux d’air primaire et les aubes de la soufflante permettent de comprimer le flux d’air secondaire.
Une aube comprend une pale qui présente une forme aérodynamique et comprend ainsi une face intrados et une face extrados reliée à la face intrados par un bord d’attaque et un bord de fuite. Pour réduire le poids de l’aube, la pale est en un matériau composite. Le matériau composite de la pale comprend des fibres de renfort noyées dans une matrice polymérique. Afin de protéger la pale, notamment de soufflante, d’une dégradation provoquée par l’impact de corps étrangers et de l’érosion, il est connu de revêtir le bord d’attaque d’un bouclier de protection. Le bouclier de protection présente une forme de dièdre comprenant une première ailette latérale et une seconde ailette latérale reliées par une âme. L’âme recouvre le bord d’attaque et la première ailette latérale s’étend sur la face intrados et la seconde ailette latérale s’étend sur la face extrados. Le bouclier de protection est typiquement collé à la pale. A cet effet, l’aube comprend en outre une couche de liaison agencée entre la pale et le bouclier de protection. La couche de liaison comprend typiquement un matériau polymérique tel qu’une résine époxy.
Un procédé de fabrication de l’aube précitée comprend les étapes suivantes :
- fabrication de la pale,
- fabrication du bouclier de protection.
Le procédé comprend ensuite une étape d’appairage et de collage du bouclier de protection sur la pale.
Un tel procédé de fabrication ne procure par entière satisfaction. En effet, l’étape de fabrication du bouclier de protection présente des défis car la configuration du bouclier de protection est complexe. Cette étape est par conséquent fastidieuse. Par ailleurs, les tolérances de fabrication sont faibles et il est difficile d’assurer la répétabilité de cette étape.
Par ailleurs, l’étape d’appairage du bouclier de protection qui consiste à rapporter le bouclier de protection sur la pale est réalisée de manière manuelle si bien que, garantir la précision de l’assemblage de l’aube et la répétabilité de cette étape, requièrent une maitrise parfaite du procédé de fabrication pour limiter les défauts sur le bouclier de protection ou l’aube et donc le rebus de ces pièces.
Par conséquent, il existe un besoin de fournir un procédé simple à mettre en œuvre, pour la fabrication d’une aube pour une turbomachine d’aéronef, comprenant une pale en matériau composite, qui soit résistante aux chocs et à l’érosion.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une aube pour une turbomachine d’aéronef, le procédé comprenant les étapes chronologiques suivantes :
(a) fournir une pale comprenant une face extrados et une face intrados reliées par un bord d’attaque et un bord de fuite, la pale comprenant un matériau composite,
(b) agencer une couche de liaison sur la pale, la couche de liaison comprenant un matériau polymérique.
Le procédé est notamment remarquable en ce qu’il comprend en outre les étapes chronologiques suivantes après l’étape (b) :
(c) former un bouclier de protection sur la pale par projection thermique,
(d) optionnellement, traiter thermiquement la couche de liaison.
Le procédé de projection thermique permet de former des revêtements de géométrie complexe de manière précise et répétable réduisant ainsi les risques de défauts du bouclier de protection et sa mise au rebut.
En outre, grâce au procédé de projection thermique il est possible de s’affranchir d’une étape de fabrication du bouclier de protection au profit d’une étape de formation du bouclier de protection directement sur la pale. Ceci permet en outre de s’affranchir d’une étape d’appairage du bouclier sur la pale permettant ainsi de simplifier le procédé d’assemblage d’une aube et d’un bouclier de protection et de réduire les défauts d’assemblage de l’aube.
Le procédé de projection thermique permet en plus la mise en œuvre d’une variabilité de matériaux pour le bouclier de protection qui n’est pas offerte par les autres procédés de fabrication du bouclier.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le procédé comprend après l’étape de formation du bouclier de protection une étape de traitement thermique de la couche de liaison. L’étape de traitement thermique permet la polymérisation de la couche de liaison et par suite, la fixation par collage du bouclier de protection sur la pale.
L’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- la projection thermique est réalisée avec une poudre comprenant des particules métalliques, céramiques ou un mélange de celles-ci ;
- au moins 90% des particules présentent une taille (d90) comprise entre 5 µm et 200 µm, avantageusement comprise entre 10 µm et 150 µm ;
- au plus 10% des particules présentent une taille (d10) comprise entre 0,05 µm et 50 µm, avantageusement comprise entre 0,1 µm et 20 µm ;
- la couche de liaison présente une épaisseur comprise entre 50 µm et 500 µm, avantageusement entre 80 µm et 400 µm ;
- l’étape (d) est réalisée à une température comprise entre 100 °C et 200 °C, avantageusement entre 140 °C et 190 °C ;
- à l’étape (d) l’aube est placée dans un dispositif de chauffage tel qu’une étuve, un four ou un autoclave ;
- le procédé comprend entre les étapes (b) et (c) une étape (f) de pré traitement thermique de la couche de liaison ;
- l’étape (f) est réalisée à une température inférieure ou égale à 150 °C, avantageusement inférieure ou égale à 130 °C, ou avantageusement encore inférieure à 100°C ;
- le procédé comprend après l’étape (d), une étape (e) d’usinage du bouclier de protection.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la est une vue schématique en coupe longitudinale d’une demi-turbomachine d’aéronef,
la est une vue schématique en perspective d’une aube équipant la turbomachine de la ,
la est une vue en coupe transversale de l’aube de la ,
la est une autre vue schématique en coupe de l’aube de la ,
la est une vue schématique d’un procédé de fabrication selon l’invention,
la est une vue schématique du procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de l’invention.
 Description détaillée de l'invention
Un exemple de turbomachine 1 d’aéronef selon l’invention est représenté sur la . La turbomachine 1 s’étend autour et le long d’un axe longitudinal A.
Dans la présente demande, les termes « axial », « axialement », « radial » et « radialement » sont définis par rapport à l’axe longitudinal A.
Les termes « amont », « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine 1 suivant l’axe longitudinal A.
Les termes « interne », « intérieur », « externe », « extérieur », « extérieurement » sont définis par rapport à l’éloignement de l’axe longitudinal X le long d’un axe radial perpendiculaire à l’axe longitudinal A.
La turbomachine 1 s’étend autour d’un axe longitudinal A. Elle comprend d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz F le long de l’axe longitudinal A, une soufflante 2, au moins un compresseur tel qu’un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, au moins une turbine 6 telle qu’une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère (non représentée).
Le rotor de la turbine basse pression est relié à la soufflante 2 et au rotor du compresseur basse pression 3 par un arbre basse pression (non représenté). Le rotor de la turbine haute pression est quant à lui relié au rotor du compresseur haute pression 4 par un arbre haute pression (non représenté).
La turbomachine 1 comprend par ailleurs un redresseur 10. Le redresseur 10 permet de redresser le flux à la sortie d’un rotor situé en amont afin de fournir une poussée maximale à la sortie de la turbomachine 1. Sur l’exemple particulier de la , le redresseur 10 est situé en aval de la soufflante 2 et permet de redresser le flux secondaire F2.
La soufflante 2 permet l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire F1 et un flux secondaire F2. Le flux primaire F1 traverse une veine primaire de la turbomachine 1 tandis que le flux secondaire F2 est dirigé vers une veine secondaire entourant la veine primaire.
Le flux primaire F1 est comprimé au sein du compresseur basse pression 3 puis du compresseur haute pression 4. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein de la chambre de combustion 5. Les gaz formés par la combustion traversent la turbine haute pression et la turbine basse pression. Les gaz s’échappent enfin au travers de la tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion. Le flux secondaire F2 traverse le redresseur 10 qui accélère la vitesse de circulation du flux secondaire F2 pour générer de la propulsion.
La soufflante 2 ou le redresseur 10 comprennent des aubes 11. Les aubes 11 équipant le redresseur 10 sont connues sous le terme anglais « Outlet Guide Vane » (OGV). Les aubes 11 sont mobiles ou fixes en rotation autour de l’axe longitudinal A. Typiquement, les aubes 11 de la soufflante 11 sont mobiles en rotation. Les aubes 11 du redresseur 10 sont fixes.
Les aubes 11 s’étendent radialement par rapport à l’axe longitudinal A.
En référence à la , chaque aube 11 comprend une pale 12 et un bouclier de protection 14 agencé sur la pale 12.
La pale 12 s’étend selon un axe d’allongement X. L’axe d’allongement X de la pale 12 s’étend radialement par rapport à l’axe longitudinal A de la turbomachine 1 après montage de l’aube 11 sur la turbomachine 1. La pale 12 présente un profil aérodynamique. La pale 12 comprend ainsi une face extrados 12e et une face intrados 12i reliées par un bord d’attaque 12a et un bord de fuite 12b. La pale 12 s’étend ainsi selon un axe transversal Y entre le bord d’attaque 12a et le bord de fuite 12b.
La pale 12 s’étend par ailleurs longitudinalement selon l’axe d’allongement X entre une première extrémité et une seconde extrémité opposée à la première extrémité.
La pale 12 comprend un matériau composite. Le matériau composite comprend une matrice polymérique et un renfort fibreux noyé dans la matrice. Le matériau composite est par exemple un composite à matrice organique (CMO). La matrice est par exemple une matrice polymérique thermoplastique ou thermodurcissable. Le matériau thermodurcissable est par exemple un polymère époxyde. Le renfort fibreux comprend des fibres qui sont par exemple des fibres de carbone ou des fibres de verre. Les fibres sont organisées par exemple sous la forme d’une préforme fibreuse.
Le bouclier de protection 14 est avantageusement agencé sur le bord d’attaque 12a. Il s’étend avantageusement tout le long du bord d’attaque 12a. Le bouclier de protection 14 est avantageusement en matériau métallique. Le matériau métallique est par exemple du titane ou un alliage tel qu’un acier, par exemple un acier inoxydable ou un alliage de nickel et de cobalt (NiCo), un aluminium, de l’argent, du zinc, du nickel, du cuivre ou un mélange de ceux-ci.
Le bouclier de protection 14 est selon un autre exemple en matériau céramique.
Il est destiné à protéger le bord d’attaque 12a des chocs extérieurs. Le bouclier de protection 14 présente une forme allongée en forme de dièdre. Comme mieux visible sur la , le bouclier de protection 14 présente une section transversale en forme de V ou de U. Le bouclier de protection 14 comprend une première ailette latérale 14a et une seconde ailette latérale 14b reliée à la première ailette latérale 14a par une âme 14j. Les première et seconde ailettes latérales 14a, 14b définissent entre elles une cavité dans laquelle le bord d’attaque 12a est agencé.
La première ailette latérale 14a présente une première extrémité longitudinale libre et la seconde ailette latérale 14b présente une seconde extrémité longitudinale libre qui sont opposées à l’âme 14j. Les extrémités longitudinales libres s’étendent le long de la pale 12. Les extrémités longitudinales libres s’étendent respectivement sur la face intrados 12i et la face extrados 12b de la pale 12.
Avantageusement, l’épaisseur du bouclier de protection 14 est variable. L’épaisseur de l’âme 14j est supérieure aux épaisseurs des première et seconde ailettes latérales 14a, 14b. Avantageusement, l’épaisseur des première et seconde ailettes latérales 14a, 14b est décroissante en direction du bord de fuite 12b de la pale 12. Les première et seconde ailettes latérales 14a, 14b sont effilées en direction du bord de fuite 12b de la pale 12.
Alternativement, et de manière non représentée, le bouclier de protection 14 est agencé sur le bord de fuite 12b. Selon encore une autre alternative non représentée, l’aube 11 comprend deux boucliers de protection 14 agencés respectivement sur le bord d’attaque 12a et le bord de fuite 12b.
Le bouclier de protection 14 est de manière très avantageuse formée sur la pale 12 par projection thermique.
L’aube 11 comprend en outre une couche de liaison 16 agencée entre la pale 12 et le bouclier de protection 14. La couche de liaison 16 permet d’assurer l’adhérence du bouclier de protection 14 sur la pale 12 sans endommager la pale 12.
La couche de liaison 16 est en matériau polymérique. Le matériau polymérique est avantageusement choisi parmi les polymères thermodurcissables tels qu’un polymère époxyde, silicone ou polyuréthane ou les polymères thermoplastiques ou encore un mélange de ceux-ci. Le polymère époxyde est par exemple le matériau commercial Redux® 322 de la société HEXCEL.
La couche de liaison 16 est typiquement sous la forme d’un film à base de l’un des matériaux cités. Le film est par exemple le film commercial AF191 ou AF3109 de la société 3M. Avantageusement, la couche de liaison 16 présente une épaisseur comprise entre 50 µm et 500 µm, encore plus avantageusement comprise entre 80 µm et 400 µm.
Un procédé de fabrication de l’aube 11 selon l’invention va maintenant être décrit en référence à la .
Le procédé comprend les étapes chronologiques suivantes:
(a) fournir la pale 12,
(b) agencer la couche de liaison 16 sur la pale 12
(c) former le bouclier de protection 14 sur la pale 12 par projection thermique,
(d) traiter thermiquement la couche de liaison 16,
(e) optionnellement, usiner le bouclier de protection 14.
L’étape (a) peut être réalisée par moulage tel qu’un moulage par transfert de résine connu sous l’acronyme RTM pour « Resin Transfer Molding » en langue anglaise ou un drapage.
L’étape (b) peut être réalisée par drapage du film, ou par application manuelle du matériau de la couche de liaison 16.
Le procédé de projection thermique de l’étape (c) est par exemple un procédé de projection par flamme par exemple par flamme d'oxygène à haute vitesse (HVOF pour « High Velocity Oxy-Fuel » en langue anglaise), par arc-fil, par suspension, par plasma d’arc, cold spray ou tout autre procédé de projection thermique applicable.
La projection thermique est réalisée avec une poudre comprenant des particules dont au moins 90% de ces particules présentent une taille (d90) comprise entre 5 µm et 200 µm, avantageusement comprise entre 10 µm et 150 µm et préférentiellement dont au plus 10% des particules présentent une taille (d10) comprise entre 0,05 µm et 50 µm, avantageusement comprise entre 0,1 µm et 20 µm.
En particulier, dans le cas d’une projection d’une projection plasma à pression atmosphérique (APS), la poudre comprend des particules dont au moins 90% de ces particules présentent une taille (d90) de 110 µm et dont au plus 10% des particules présentent une taille (d10) de 10 µm.
Dans le cas d’une projection plasma de suspensions (SPS), la poudre est sous la forme d’une suspension comprenant des particules dont au moins 90% de ces particules présentent une taille (d90) de 10 µm et dont au plus 10% des particules présentent une taille (d10) de 0,1 µm.
Avantageusement, les particules sont des particules de métal tel que de l’aluminium, de l’argent, du zinc, du nickel, du titane, du cuivre, un alliage de fer, un alliage métallique ou des particules de céramique tel que des particules non oxyde comme du carbure de silicium, ou des particules d’oxyde tel qu’un oxyde d’aluminium, un oxyde de zirconium, un oxyde de silicium, ou encore un mélange des particules.
L’étape de projection thermique est réalisée sur une couche de liaison 16 homogène ce qui contribue à la bonne adhérence du bouclier de protection 14 sur toute la surface de la couche de liaison 16.
L’étape (d) est optionnelle et permet la polymérisation de la couche de liaison 16 et la consolidation de l’interface entre la couche de liaison 16 et la couche fonctionnelle formée par le revêtement 14.
Elle peut être réalisée par chauffage à une température comprise entre 100°C et 200°C, avantageusement comprise entre 120°C et 190°C, encore plus avantageusement comprise entre 140°C et 190°C. L’étape (d) est préférentiellement réalisée pendant une durée supérieure à 10 min, supérieure à 15 min, supérieure à 20 min, supérieure à 30 min encore plus préférentiellement entre 45 min et 200 min. L’aube 11 est par exemple placée dans un dispositif de chauffage tel qu’une étuve, un four ou un autoclave.
L’étape (e) d’usinage peut être un usinage chimique ou un usinage mécanique tel qu’un découpage.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention illustré sur la , le procédé comprend entre les étapes (b) et (c) une étape (f) de pré-traitement thermique de la couche de liaison 16. Cette étape peut être réalisée par chauffage de la couche de liaison 16 à une température inférieure ou égale à 150 °C pour une pré-polymérisation, avantageusement inférieure ou égale à 130 °C. Cette étape de prétraitement thermique permet avantageusement d’éviter la perte de la couche de liaison 16 lors de l’étape (c) de projection thermique.
Cette même étape (f) peut être réalisée à une température inférieure égale à 100 °C pour augmenter uniquement la pégosité. Cette étape peut être réalisée dans une étuve ou un autoclave ou un four. Cette étape permet d’augmenter la force d’adhérence à l’interface de la couche de liaison 16 et du bouclier de protection 14.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’une aube (11) pour une turbomachine (1) d’aéronef, le procédé comprenant les étapes chronologiques suivantes :
    (a) fournir une pale (12) comprenant une face extrados (12e) et une face intrados (12i) reliées par un bord d’attaque (12a) et un bord de fuite (12b), la pale (12) comprenant un matériau composite,
    (b) agencer une couche de liaison (16) sur la pale (12), la couche de liaison (16) comprenant un matériau polymérique,
    le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes chronologiques suivantes après l’étape (b) :
    (c) former un bouclier de protection (14) sur la pale (12) par projection thermique,
    (d) optionnellement, traiter thermiquement la couche de liaison (16).
  2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la projection thermique est réalisée avec une poudre comprenant des particules métalliques, céramiques ou un mélange de celles-ci.
  3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’au moins 90% des particules présentent une taille (d90) comprise entre 5 µm et 200 µm, avantageusement comprise entre 10 µm et 150 µm.
  4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’au plus 10% des particules présentent une taille (d10) comprise entre 0,05 µm et 50 µm, avantageusement comprise entre 0,1 µm et 20 µm.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de liaison (16) présente une épaisseur comprise entre 50 µm et 500 µm, avantageusement entre 80 µm et 400 µm.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (d) est réalisée à une température comprise entre 100 °C et 200 °C, avantageusement entre 140 °C et 190 °C.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’étape (d) l’aube (11) est placée dans un dispositif de chauffage tel qu’une étuve, un four ou un autoclave.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend entre les étapes (b) et (c) une étape (f) de pré traitement thermique de la couche de liaison (16).
  9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape (f) est réalisée à une température inférieure ou égale à 150 °C, avantageusement inférieure ou égale à 130 °C, ou avantageusement encore inférieure à 100°C.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, après l’étape (d), une étape (e) d’usinage du bouclier de protection (14).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR3008109A1 (fr) * 2013-07-03 2015-01-09 Snecma Procede de preparation a la depose d'un revetement metallique par projection thermique sur un substrat
US20160305442A1 (en) * 2015-04-15 2016-10-20 United Technologies Corporation Abrasive Tip for Composite Fan Blades

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