WO2012045980A1 - Procède de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine - Google Patents

Procède de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine Download PDF

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WO2012045980A1
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reinforcement
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trailing edge
producing
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Bruno Jacques Gérard DAMBRINE
Thierry Godon
Alain Robert Yves Perroux
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Snecma
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a metallic blade reinforcement composite or metal turbomachine.
  • the invention relates to a method for producing a turbomachine blade leading edge metal reinforcement.
  • the field of the invention is that of turbomachines and more particularly that of the fan blades, made of composite or metallic material, of a turbomachine and whose leading edge comprises a metallic structural reinforcement.
  • the invention is also applicable to the production of a metal reinforcement intended to reinforce a leading edge or blade trailing edge of any type of turbomachine, terrestrial or aeronautical, and in particular a helicopter turbine engine or an airplane turbojet engine but also propellers such as propellers of double blowers contrarotative unducted (“open rotor" in English).
  • leading edge corresponds to the front part of an airfoil which faces the airflow and which divides the airflow into an intrados airflow and a flow of air. extrados air.
  • the trailing edge corresponds to the posterior part of an aerodynamic profile where the intrados and extrados flows meet.
  • the turbomachine blades and in particular the fan blades, undergo significant mechanical stress, particularly related to the speed of rotation, and must meet strict conditions of weight and bulk. Therefore, blades made of composite materials are used which are lighter.
  • the metallic structural reinforcement protects the leading edge of the composite blade by avoiding risks of delamination, fiber breakage or damage by fiber / matrix decohesion.
  • a turbomachine blade has an aerodynamic surface extending, in a first direction, between a leading edge and a trailing edge and, in a second direction substantially perpendicular to the first direction, between a foot and a dawn summit.
  • the metallic structural reinforcement follows the shape of the leading edge of the aerodynamic surface of the blade and extends in the first direction beyond the leading edge of the aerodynamic surface of the blade to match the profile of the blade. the intrados and the upper surface of the dawn and in the second direction between the foot and the top of the dawn.
  • the metallic structural reinforcement is a metal part made entirely by milling from a block of material.
  • the invention aims to solve the problems mentioned above by proposing a method for producing a leading edge metal reinforcement or turbomachine blade trailing edge making it possible to simplify the production range of the machine. such a piece while reducing the costs of realization.
  • the invention proposes a method for producing a leading edge metal reinforcement or a turbomachine blade trailing edge. comprising successively:
  • each metal pocket being made from two metal foils cut in the previous step
  • foil corresponding substantially to the development of said reinforcement means a foil whose general shape is close to the shape of the developed reinforcement but the dimensions of the foil are not necessarily the final dimensions of the reinforcement.
  • the metallic structural reinforcement is produced in a simple and fast manner from a stack of thin metal bags of small thickness forming the preform of the metal reinforcement and a hot isostatic pressing or compaction process ( HIP for Hot Isostatic Pressing in English) to obtain a compact piece without porosity by the combination of plastic deformation, creep and diffusion welding.
  • HIP Hot Isostatic Pressing in English
  • the metal pockets are made by cutting foils, whose geometry corresponds to the development of the metal reinforcement, from at least one sheet or a thin metal strip, the foils being secured so as to make a pocket easy to slide or assemble by insertion on a template or in a form tool.
  • This production method thus makes it possible to dispense with the complex realization of the blade reinforcement by machining in the mass, such as milling, broaching, from flats requiring large volume of processing material and consequently costs. important in raw material supply.
  • the method also makes it easy to produce metal reinforcements that meet strict requirements of mass and / or geometric.
  • the method for producing a turbomachine blade metal reinforcement according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • said step of making a plurality of metal pockets is carried out by superposing two distinct metal foils and then assembling at least one edge of said two metal foils by connecting means;
  • step of making a plurality of metal pockets is made by folding a junction area between two metal foils and then assembling at least one edge of said two metal foils by connecting means;
  • Said connecting means of said step of making a plurality of metal bags are bonding means and / or welding means;
  • said welding means are spot welding means
  • said cutting step is carried out in at least one metal sheet having a thickness of between 0.1 mm and 0.3 mm;
  • said stacking step comprises a sub-step of incorporating an insert between two successive metal bags; said sub-step of incorporating an insert is a step of insertion of a solid metal insert, or woven or a fugitive insert capable of being dissolved by a chemical attack;
  • said step of interlocking each of said metal pockets is carried out by stacking said metal pockets by means of a shape template;
  • said stacking step by interlocking each of the metal pockets is carried out by stacking said metal pockets in an impression or on a counter-impression of a hot isostatic pressing tool.
  • FIG. 1 is a side view of a blade having a hollow metal structural reinforcement leading edge obtained by means of the embodiment of the invention
  • Figure 2 is a partial sectional view of Figure 1 along a cutting plane AA;
  • FIG. 3 is a block diagram showing the main steps for producing a turbomachine blade leading edge metallic structural reinforcement of the embodiment method according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a side view of the turbomachine blade leading edge metal reinforcement during the first step of the process illustrated in FIG. 3;
  • FIG. 5 illustrates a side view of a second example of turbomachine blade leading edge metal reinforcement during the first step of the process illustrated in FIG. 3;
  • FIG. 6 illustrates a perspective view of the turbomachine blade leading edge metal reinforcement during the second step of FIG. process illustrated in Figure 3;
  • FIG. 7 illustrates a sectional view of the turbomachine blade leading edge metal reinforcement during the third step of the process illustrated in FIG. 3;
  • FIG. 8 illustrates a sectional view of the turbomachine blade leading edge metal reinforcement during the fourth step of the process illustrated in FIG. 3.
  • metal reinforcement of leading edge or trailing edge will be indifferently named metal reinforcement or reinforcement.
  • FIG. 1 is a side view of a blade comprising a metallic leading edge structural reinforcement obtained by means of the embodiment method according to the invention.
  • the blade 10 illustrated is for example a mobile blade of a fan of a turbomachine (not shown).
  • the blade 10 has an aerodynamic surface 12 extending in a first axial direction 14 between a leading edge 16 and a trailing edge 18 and in a second radial direction 20 substantially perpendicular to the first direction 14 between a foot 22 and a summit 24.
  • the aerodynamic surface 12 forms the extrados face 13 and intrados 1 1 of the blade 10, only the extrados face 13 of the blade 10 is shown in Figure 1.
  • the intrados 11 and the extrados 13 form the lateral faces of the blade 10 which connect the leading edge 16 to the trailing edge 18 of the blade 10.
  • the blade 10 is a composite blade typically obtained by draping or shaping a woven fiber texture.
  • the composite material used may be composed of an assembly of woven carbon fibers and a resinous matrix, the assembly being formed by molding using a resin injection molding method RTM (for "Resin Transfer Molding").
  • the blade 10 has a metal structural reinforcement 30 bonded at its leading edge 16 and which extends both in the first direction 14 beyond the leading edge 16 of the aerodynamic surface 12 of the blade. dawn 10 and in the second direction 20 between the foot 22 and the apex 24 of the dawn.
  • the structural reinforcement 30 matches the shape of the leading edge 16 of the aerodynamic surface 12 of the blade 10 that it extends to form a leading edge 31, said leading edge of the reinforcement .
  • the structural reinforcement 30 is a one-piece piece having a substantially V-shaped section having a base 39 forming the leading edge 31 and extended by two lateral flanks 35 and 37 respectively fitting the intrados 11 and extrados 13 the aerodynamic surface 12 of the dawn.
  • Flanks 35, 37 have a tapered or thinned profile towards the trailing edge of the blade.
  • the base 39 of the structural reinforcement 30 also has an internal cavity 40 extending over the height of the structural reinforcement 30, from the foot to the top of the blade.
  • the structural reinforcement 30 is metallic and preferably based on titanium. This material has indeed a high energy absorption capacity due to shocks.
  • the reinforcement is glued on the blade 10 by means of adhesive known to those skilled in the art, such as a cyanoacrylic or epoxy glue.
  • FIG. 2 illustrating the reinforcement 30 in its final state.
  • FIG. 3 represents a block diagram illustrating the main steps of a method of producing a blade blade leading edge metal structural reinforcement 10 as illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the first step 210 of the production method 200 is a step of cutting a plurality of flexible metal pieces 101, 101 ', 102, 102', subsequently called metal foils, from a metal sheet or from a metal sheet. thin metal foil made of titanium. Two examples of cutting foils are illustrated in Figures 4 and 5.
  • the metal foils 101, 101 ', 102, 102', as illustrated in FIGS. 4 and 5, are cut by conventional means for cutting thin metal sheets, ie with a thickness of less than 0 , 3mm.
  • the metal foils 101, 101 ', 102, 102' can be cut for example by die cutting means, shear cutting means, or by water jet, etc.
  • the cut metal foils 101, 101 ', 102, 102' have a geometry corresponding substantially to the development of the blade leading edge metal brace 10, as illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the metal foils 101 , 101 'and 102, 102' have a geometry substantially corresponding to the development of the intrados and extrados face of the metal reinforcement 30.
  • the second step 220 of the production method 200 is a step of making metal bags 100, as shown in Figure 6, from the flexible metal foils 101, 101 ', 102, 102'.
  • the pockets 100 are made by superimposing a first foil 101 corresponding to the geometry of the intrados face of the metal reinforcement 30 with a second foil 101' corresponding to the geometry of the extrados face of the metal reinforcement 30.
  • the bonding of the two metal foils 101, 101 'in titanium can be achieved simply by heating two metal foils 101, 101' superimposed under a weakly pressurized atmosphere.
  • the weld at the edge 105 is made by known welding means for welding two thin titanium metal sheets.
  • the two foils 101, 101 ' are joined by points 1 1 1 of welding by a method of electric spot welding.
  • the two foils 102, 102', forming the intrados and extrados faces of the metal reinforcement 30, are held together at a junction zone 103 as well as possibly by two retaining tabs 104 on either side of the junction zone 103 thus ensuring stability of the metal foils after the cutting step 210 during the various handling operations.
  • the making of the pocket 100 is made by folding the two foils 102, 102 'at the junction area 103 so as to superimpose the two foils 102, 102' on one another. During the folding operation, the two holding tabs 104 are removed for example by cutting means.
  • 100 is made by making a bond, by a bonding process or a welding process, at least at the edges 105 of two foils 102, 102 'defining the profile of the leading edge of the reinforcement.
  • the third step 230 is a step of producing a preform 1 10 metal reinforcement 30 by successively interlocking a plurality of pockets 100.
  • the stack of the various pockets 100 is made on a shape template (not shown) so as to form the preform 1 10 of the metal reinforcement 30.
  • the tool 400 comprises a cavity 410 (matrix) corresponding to the final external shape of the metal reinforcement 30 and a counterprint 420 (punch) corresponding to the final internal shape of the leading edge metal reinforcement.
  • the stack of the various pockets 100 is made directly in the impression 410 or on the counter-impression 420.
  • the pockets 100 are made from foils having different widths L so that the preform 1 10, formed by stacking the different pockets, meets the material thickness requirements necessary for the production of the final part (ie the metal reinforcement 30).
  • the pockets 100 of different sizes also make it easy to carry out an easily transportable stack, in particular by successive stacking in order of decreasing size of the pockets 100 as illustrated in FIG. 7.
  • the larger pocket forms the outer surface of the preform 1 10 in contact with the cavity 410 and the smaller pocket forms the inner surface of the preform 1 10 in contact with the the counterpart 420.
  • the various pockets 100 of the preform are encompassed and maintained by the outer pocket of larger size.
  • an insert may be inserted between two successive bags 100 so as to provide, for example, a greater thickness of material, a specific reinforcement made of a different material or to produce a hollow metal reinforcement.
  • the insert may be a solid insert made by a forging, machining or casting process, or an insert woven by means of metal wires, for example with titanium wires and / or threads based on silicon carbide and titanium (SiC-Ti), and / or son coated boron (SiC-Boron), or silicon carbide (SiC-SiC).
  • metal wires for example with titanium wires and / or threads based on silicon carbide and titanium (SiC-Ti), and / or son coated boron (SiC-Boron), or silicon carbide (SiC-SiC).
  • the insert is a fugitive insert made of a material different from the material of metal foils 100.
  • fugitive insert means an insert which is not intended to be permanent and which is only necessary for the realization of the leading edge hollow metal reinforcement.
  • the fugitive insert is not present in the metal reinforcement in its final state and does not participate in any mechanical characteristics of the metal reinforcement.
  • the fugitive insert is for example made of a material capable of withstanding a high temperature, of the order of 900 ° C., a high pressure, of the order of 1000 bar, and which is compatible with the materials of metal foils 100 so as not to create impurities or oxidation in the preform 1 10.
  • the material of the fugitive insert must also be chemically etchable by dissolution using a chemical agent.
  • the fugitive insert is made of copper, or quartz or silica.
  • the shape of the fugitive insert incorporated in the stack of metal foils 100 is a function of the shape of the final internal cavity desired.
  • the fourth step 240 of the production method 200 is a hot isostatic pressing (HIP) step of the preform in the tooling 400, illustrated in FIG. 8.
  • HIP hot isostatic pressing
  • Hot isostatic pressing is a widely used manufacturing process known to reduce the porosity of metals and affect the density of many metals, such as ceramics.
  • the isostatic pressing process also makes it possible to improve the mechanical properties and the exploitability of the materials.
  • Isostatic pressing is carried out at high temperature (conventionally between 400 ° C. and 1400 ° C., and of the order of 1000 ° C. for titanium) and at isostatic pressure.
  • the application of the heat combined with the internal pressure eliminates the voids of the preform, as well as the microporosities by means of a combination of plastic deformation, creep, and diffusion welding so as to form a solid piece 430 .
  • the massive piece 430 resulting from the isostatic pressing step comprises the internal and external profiles of the metal reinforcement 30.
  • the solid piece 430 is then demolded from the tool 400.
  • the isostatic pressing step is carried out under vacuum, advantageously under secondary vacuum or in a tool welded in wherein the secondary vacuum is achieved, either in autoclave bag, the choice of the method depending on the number of piece to produce.
  • the secondary vacuum makes it possible to avoid the presence of oxygen in the tooling and at the level of the fibrous structure, during the titanium isostatic pressing step.
  • Tooling 400 is made of a mechanical alloy called superalloy or high performance alloy.
  • the isostatic pressing step 240 may previously comprise a step 235 for cleaning, degreasing and / or chemical etching of the various metal bags 100 so as to eliminate the residual impurities of the preform.
  • the impurity cleaning step is carried out by dipping the fibrous assembly in a bath of cleaning agent or chemical agent.
  • the method according to the invention may comprise an additional chemical etching step of the insert introduced during the step of stacking the various pockets and forming an integral part of the piece. massive 430.
  • the chemical attack is performed by means of a chemical agent capable of attacking the material in which the insert is made.
  • the chemical attack of the fugitive insert dissolves the fugitive insert so that the space released by the dissolved insert forms the internal cavity in the metal reinforcement.
  • the etching step is carried out by dipping the solid piece 430 in a bath comprising the chemical agent capable of dissolving the insert.
  • the chemical agent is for example an acid or a base.
  • the chemical agent is capable of dissolving copper, quartz or silica.
  • the method according to the invention may also include a finishing step and machining of the hollow solid piece obtained at the exit of the tooling so as to obtain the reinforcement 30.
  • This recovery step comprises:
  • this step consisting in particular of trimming the flanks 35, 37 and the thinning of the intrados and extrados flanks;
  • the method according to the invention may also comprise non-destructive testing steps of the reinforcement 30 making it possible to ensure the geometrical and metallurgical conformity of the assembly obtained.
  • the non-destructive tests can be carried out by an X-ray method.
  • the invention has been particularly described for the realization of a metal reinforcement of a composite-turbomachine blade; however, the invention is also applicable for producing a metal reinforcement of a turbomachine metal blade.
  • the invention has been particularly described for producing a metal reinforcement of a turbomachine blade leading edge; however, the invention is also applicable to the production of a metal reinforcement of a trailing edge of a turbomachine blade or to the production of a metallic helical reinforcement composite or metal.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement: - une étape de découpe dans au moins une feuille métallique souple d'une pluralité de clinquants métalliques correspondant sensiblement au développé dudit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite; - une étape de confection d'une pluralité de poches métalliques (100), chaque poche métalliques (100) étant confectionnée à partir de deux clinquants métalliques découpés lors de l'étape précédente; - une étape d'empilement par emboîtement de chacune desdites poches métalliques (100) de façon à former une préforme dudit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite; - une étape de pressage isostatique à chaud de ladite préforme provoquant l'agglomération desdites poches métalliques (100) de manière à obtenir ledit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN RENFORT METALLIQUE
D'AUBE DE TURBOMACHINE.
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube composite ou métallique de turbomachine.
Plus particulièrement l'invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine.
Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflante, en matériau composite ou métallique, de turbomachine et dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique.
Toutefois, l'invention est également applicable à la réalisation d'un renfort métallique destiné à renforcer un bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d'hélicoptère ou un turboréacteur d'avion mais également d'hélices telles que des hélices de double soufflantes contrarotatives non carénées (« open rotor » en langue anglaise).
On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados. Le bord de fuite correspond à la partie postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.
Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissent d'importantes contraintes mécaniques, liées notamment à la vitesse de rotation, et doivent satisfaire à des conditions strictes de poids et d'encombrement. Par conséquent, on utilise des aubes en matériaux composites qui sont plus légères.
Il est connu d'équiper les aubes de soufflante d'une turbomachine, réalisées en matériaux composites, d'un renfort structurel métallique s'étendant sur toute la hauteur de l'aube et au-delà de leur bord d'attaque comme mentionné dans le document EP1908919. Un tel renfort permet de protéger l'aubage composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux.
En particulier, le renfort structurel métallique protège le bord d'attaque de l'aube composite en évitant des risques de délaminage, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice.
De façon classique, une aube de turbomachine comporte une surface aérodynamique s'étendant, selon une première direction, entre un bord d'attaque et un bord de fuite et, selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, entre un pied et un sommet de l'aube. Le renfort structurel métallique épouse la forme du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube et s'étend selon la première direction au-delà du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube pour épouser le profil de l'intrados et de l'extrados de l'aube et selon la deuxième direction entre le pied et le sommet de l'aube.
De façon connue, le renfort structurel métallique est une pièce métallique réalisée entièrement par fraisage à partir d'un bloc de matière.
Cependant, le renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube est une pièce complexe à réaliser, nécessitant de nombreuses opérations de reprises et des outillages complexes impliquant des coûts de réalisation importants.
Dans ce contexte, l'invention vise à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine permettant de simplifier la gamme de fabrication d'une telle pièce tout en réduisant les coûts de réalisation.
A cette fin, l'invention propose un procédé de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement :
- une étape de découpe dans au moins une feuille métallique souple d'une pluralité de clinquants métalliques correspondant sensiblement au développé dudit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite ;
- une étape de confection d'une pluralité de poches métalliques, chaque poche métalliques étant confectionnée à partir de deux clinquants métalliques découpés lors de l'étape précédente ;
- une étape d'empilement par emboîtement de chacune desdites poches métalliques de façon à former une préforme dudit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite ;
- une étape de pressage isostatique à chaud de ladite préforme provoquant l'agglomération desdites poches métalliques de manière à obtenir ledit renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite. On entend par les termes « clinquant correspondant sensiblement au développé dudit renfort » un clinquant dont la forme générale se rapproche de la forme du développé du renfort mais dont les dimensions du clinquant ne sont pas obligatoirement les dimensions finales du renfort.
Grâce à l'invention, le renfort structurel métallique est réalisé de façon simple et rapide à partir d'un empilement de poches métalliques souples de faible épaisseur formant la préforme du renfort métallique et d'un procédé de pressage ou de compactage isostatique à chaud (HIP pour Hot Isostatic Pressing en langue anglaise) permettant d'obtenir une pièce compacte et sans porosité par la combinaison de déformation plastique, de fluage et de soudage diffusion.
Les poches métalliques sont réalisées par découpe de clinquants, dont la géométrie correspond au développé du renfort métallique, à partir d'au moins une feuille ou d'un feuillard métallique de faible épaisseur, les clinquants étant solidarisés de façon à confectionner une poche facile à glisser ou à assembler par insertion sur un gabarit ou dans un outillage de forme.
Ce procédé de réalisation permet ainsi de s'affranchir de la réalisation complexe du renfort d'aube par usinage dans la masse, de type fraisage, brochage, à partir de méplats nécessitant de grand volume de matière de mise en œuvre et par conséquent des coûts importants en approvisionnement de matière première. Le procédé permet également de réaliser facilement des renforts métalliques qui respectent des exigences strictes de masse et/ou géométriques.
Le procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ladite étape de confection d'une pluralité de poches métalliques est réalisée par superposition de deux clinquants métalliques distincts puis par assemblage d'au moins une bordure desdits deux clinquants métalliques par des moyens de liaison ;
- ladite étape de confection d'une pluralité de poches métalliques est réalisée par pliage d'une zone de jonction entre deux clinquants métalliques puis par assemblage d'au moins une bordure desdits deux clinquants métalliques par des moyens de liaison ;
- lesdits moyens de liaison de ladite étape de confection d'une pluralité de poches métalliques sont des moyens de collage et/ou des moyens de soudage ;
- lesdits moyens de soudage sont des moyens de soudage par point ;
- ladite étape de découpe est réalisée dans au moins une feuille métallique d'une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,3mm ;
- ladite étape d'empilement comporte une sous-étape d'incorporation d'un insert entre deux poches métalliques successives ; - ladite sous-étape d'incorporation d'un insert est une étape d'insertion d'un insert métallique massif, ou tissé ou un insert fugitif apte à être dissout par une attaque chimique ;
- ladite étape d'empilement par emboîtement de chacune desdites poches métalliques est réalisée par empilement desdites poches métalliques au moyen d'un gabarit de forme ;
- ladite étape d'empilement par emboîtement de chacune des poches métalliques est réalisée par empilement desdites poches métalliques dans une empreinte ou sur une contre-empreinte d'un outillage de pressage isostatique à chaud.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort structurel métallique creux de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de réalisation selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en coupe de la figure 1 selon un plan de coupe AA ;
- la figure 3 est un schéma synoptique présentant les principales étapes de réalisation d'un renfort structurel métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine du procédé de réalisation selon l'invention ;
- la figure 4 illustre une vue de côté du renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine lors de la première étape du procédé illustré à la figure 3 ;
- la figure 5 illustre une vue de côté d'un deuxième exemple de renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine lors de la première étape du procédé illustré à la figure 3 ;
- la figure 6 illustre une vue en perspective du renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine lors de la deuxième étape du procédé illustré en figure 3 ;
- la figure 7 illustre une vue en coupe du renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine lors de la troisième étape du procédé illustré en figure 3 ;
- la figure 8 illustre une vue en coupe du renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine lors de la quatrième étape du procédé illustré en figure 3.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire.
Dans la suite de la description, le renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite sera indifféremment nommé renfort métallique ou encore renfort.
La figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort structurel métallique de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de réalisation selon l'invention.
L'aube 10 illustrée est par exemple une aube mobile de soufflante d'une turbomachine (non représentée).
L'aube 10 comporte une surface aérodynamique 12 s'étendant selon une première direction axiale 14 entre un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18 et selon une deuxième direction radiale 20 sensiblement perpendiculaire à la première direction 14 entre un pied 22 et un sommet 24.
La surface aérodynamique 12 forme la face extrados 13 et intrados 1 1 de l'aube 10, seule la face extrados 13 de l'aube 10 est représentée sur la figure 1 . L'intrados 1 1 et l'extrados 13 forment les faces latérales de l'aube 10 qui relient le bord d'attaque 16 au bord de fuite 18 de l'aube 10.
Dans ce mode de réalisation, l'aube 10 est une aube composite obtenue typiquement par drapage ou mise en forme d'une texture fibreuse tissée. A titre d'exemple, le matériau composite utilisé peut être composé par un assemblage de fibres tissées de carbone et d'une matrice résineuse, l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé d'injection de résine de type RTM (pour « Resin Transfer Molding »).
L'aube 10 comporte un renfort structurel métallique 30 collé au niveau de son bord d'attaque 16 et qui s'étend à la fois selon la première direction 14 au-delà du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube 10 et selon la deuxième direction 20 entre le pied 22 et le sommet 24 de l'aube.
Comme représenté à la figure 2, le renfort structurel 30 épouse la forme du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube 10 qu'il prolonge pour former un bord d'attaque 31 , dit bord d'attaque du renfort.
De façon classique, le renfort structurel 30 est une pièce monobloc comportant une section sensiblement en forme de V présentant une base 39 formant le bord d'attaque 31 et prolongée par deux flancs latéraux 35 et 37 épousant respectivement l'intrados 1 1 et extrados 13 de la surface aérodynamique 12 de l'aube. Les flancs 35, 37 présentent un profil effilé ou amincie en direction du bord de fuite de l'aube.
La base 39 du renfort structurel 30 comporte également une cavité interne 40 s'étendant sur la hauteur du renfort structurel 30, du pied au sommet de l'aube.
Le renfort structurel 30 est métallique et préférentiellement à base de titane. Ce matériau présente en effet une grande capacité d'absorption de l'énergie due aux chocs. Le renfort est collé sur l'aube 10 au moyen de colle connue de l'homme du métier, comme par exemple une colle cyanoacrylique ou encore époxy.
Ce type de renfort structurel métallique 30 utilisé pour le renfort d'aube composite de turbomachine est plus particulièrement décrit notamment dans la demande de brevet EP1908919.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser un renfort structurel tel qu'illustré à la figure 2, la figure 2 illustrant le renfort 30 dans son état final. La figure 3 représente un schéma synoptique illustrant les principales étapes d'un procédé de réalisation 200 d'un renfort structurel métallique 30 de bord d'attaque d'aube 10 tel qu'illustré aux figures 1 et 2.
La première étape 210 du procédé de réalisation 200 est une étape de découpe d'une pluralité de pièces métalliques 101 , 101 ', 102, 102' souples, appelées clinquants métalliques par la suite, à partir d'une feuille métallique ou d'un feuillard métallique souple de faible épaisseur à base de titane. Deux exemples de découpage des clinquants sont illustrés aux figures 4 et 5.
Les clinquants métalliques 101 , 101 ', 102, 102', tels qu'illustrés aux figures 4 et 5, sont découpés par des moyens classiques de découpe de feuilles métalliques de faible épaisseur, c'est à dire d'une épaisseur inférieure à 0,3mm. Ainsi, les clinquants métalliques 101 , 101 ', 102, 102' peuvent être découpés par exemple par des moyens de découpe à l'emporte-pièce, des moyens de découpe par cisaillement, ou encore par jet d'eau, etc.
Les clinquants métalliques 101 , 101 ', 102, 102' découpés ont une géométrie correspondant sensiblement au développé du renfort métallique 30 de bord d'attaque d'aube 10, tel qu'illustré aux figures 1 et 2. Ainsi, les clinquants métalliques 101 , 101 ' et 102, 102' ont une géométrie correspondant sensiblement au développé de la face intrados et extrados du renfort métallique 30.
La deuxième étape 220 du procédé de réalisation 200 est une étape de confection de poches métalliques 100, telle qu'illustré à la figure 6, à partir des clinquants métalliques souples 101 , 101 ', 102, 102'.
Selon le premier exemple de découpe de clinquants métalliques 101 ,
101 ' illustré à la figure 4, les poches 100 sont confectionnées en superposant un premier clinquant 101 correspondant à la géométrie de la face intrados du renfort métallique 30 avec un deuxième clinquant 101 ' correspondant à la géométrie de la face extrados du renfort métallique 30. Les deux clinquants 101 , 101 ' sont ensuite assemblés au moins au niveau d'une bordure commune 105 correspondant sensiblement au profil du bord d'attaque 31 du renfort 30 par exemple par collage ou par des moyens de soudure de façon à former une poche métallique 100.
Le collage des deux clinquants métalliques 101 , 101 ' en titane peut être réalisé simplement par échauffement de deux clinquants métalliques 101 , 101 ' superposés sous une atmosphère faiblement pressurisée.
La soudure au niveau de la bordure 105 est réalisée par des moyens de soudure connus permettant de souder deux feuilles métalliques en titane de faible épaisseur. Ainsi, à titre d'exemple, les deux clinquants 101 , 101 ' sont assemblés par des points 1 1 1 de soudure par un procédé de soudage électrique à points.
Selon le deuxième exemple de découpe des clinquants métalliques 102, 102' illustré à la figure 5, les deux clinquants 102, 102', formant les faces intrados et extrados du renfort métallique 30, sont maintenus solidaires au niveau d'une zone de jonction 103 ainsi qu'éventuellement par deux pattes de maintien 104 de part et d'autre de la zone de jonction 103 assurant ainsi une stabilité des clinquants métalliques après l'étape de découpe 210 lors des diverses opérations de manipulation.
La confection de la poche 100 est réalisée par pliage des deux clinquants 102, 102' au niveau de la zone de jonction 103 de façon à superposer les deux clinquants 102, 102' l'un sur l'autre. Lors de l'opération de pliage, les deux pattes de maintien 104 sont retirées par exemple par des moyens de découpe.
De façon similaire au premier exemple décrit précédemment, la poche
100 est confectionnée en réalisant une liaison, par un procédé de collage ou encore un procédé de soudage, au moins au niveau des bordures 105 des deux clinquants 102, 102' définissant le profil du bord d'attaque du renfort.
La troisième étape 230 est une étape de réalisation d'une préforme 1 10 du renfort métallique 30 par emboîtement successif d'une pluralité de poches 100.
Selon un premier exemple de réalisation, l'empilement des différentes poches 100 est réalisé sur un gabarit de forme (non représenté) de façon à former la préforme 1 10 du renfort métallique 30.
Selon ce premier exemple de réalisation, une opération supplémentaire de mise en place de la préforme dans un outillage de forme 400, illustré de manière schématique à la figure 7, est nécessaire. L'outillage 400 comporte une empreinte 410 (matrice) correspondant à la forme externe finale du renfort métallique 30 et une contre-empreinte 420 (poinçon) correspondant à la forme interne finale du renfort métallique de bord d'attaque.
Selon un deuxième exemple de réalisation, l'empilement des différentes poches 100 est réalisé directement dans l'empreinte 410 ou encore sur la contre-empreinte 420.
De façon avantageuse, les poches 100 sont réalisées à partir de clinquants ayant des largeurs L différentes de sorte que la préforme 1 10, formée par empilement des différentes poches, respecte les exigences d'épaisseurs matières nécessaire pour la réalisation de la pièce finale (i.e. le renfort métallique 30).
II est également envisagé d'optimiser les épaisseurs de la préforme en réalisant un empilement avec des poches métalliques souples d'épaisseur différente, c'est-à-dire avec des épaisseurs variant sensiblement entre 0,05 et 0,3 mm.
Les poches 100 de différente taille permettent également de réaliser simplement un empilement facilement transportable, notamment par empilement successif par ordre de taille décroissante des poches 100 tel qu'illustré à la figure 7. Ainsi, la poche de plus grande taille forme la surface externe de la préforme 1 10 en contact avec l'empreinte 410 et la poche de plus petite taille forme la surface interne de la préforme 1 10 en contact avec la contre-empreinte 420. Ainsi, les différentes poches 100 de la préforme sont englobées et maintenues par la poche externe de plus grande taille.
Toutefois, un empilement différent de celui présenté précédemment est également envisagé.
Selon un autre exemple de réalisation, un insert peut être inséré entre deux poches 100 successives de manière à fournir par exemple une surépaisseur de matière plus conséquente, un renfort spécifique réalisé dans un matériau différent ou encore pour réaliser un renfort métallique creux.
A titre d'exemple, l'insert peut être un insert massif réalisé par un procédé de forgeage, d'usinage, ou encore par coulé, ou encore un insert tissé au moyen de fils métalliques par exemple avec des fils de titane et/ou des fils à base de carbure de silicium et de titane (SiC-Ti), et/ou des fils enduits de Bore (SiC-Bore), ou encore de Carbure de Silicium (SiC-SiC).
Quelle que soit la nature du matériau utilisé pour la réalisation de l'insert inséré entre les serpentins, il est nécessaire que ce matériau soit compatible avec la nature du matériau utilisé pour la réalisation des serpentins métalliques et présente des propriétés permettant le formage superplastique et le soudage diffusion.
Pour la réalisation d'un renfort métallique creux (non représenté), l'insert est un insert fugitif réalisé dans un matériau différent du matériau des clinquants métalliques 100.
On entend par « insert fugitif » un insert qui n'est pas destiné à être permanant et qui est seulement nécessaire à la réalisation du renfort métallique creux de bord d'attaque. L'insert fugitif n'est donc pas présent dans le renfort métallique dans son état final et ne participe aucunement aux caractéristiques mécaniques du renfort métallique.
L'insert fugitif est par exemple réalisé dans un matériau capable de résister à une haute température, de l'ordre de 900°C, une haute pression, de l'ordre de 1000 bar, et qui est compatible avec les matériaux des clinquants métalliques 100 de façon à ne pas créer d'impuretés ou d'oxydation dans la préforme 1 10.
Le matériau de l'insert fugitif doit également pouvoir être attaqué chimiquement par dissolution au moyen d'un agent chimique.
Avantageusement, l'insert fugitif est réalisé en cuivre, ou en quartz ou en silice.
La forme de l'insert fugitif incorporé dans l'empilement des clinquants métalliques 100 est fonction de la forme de la cavité interne finale désirée.
La quatrième étape 240 du procédé de réalisation 200 est une étape de pressage isostatique à chaud (HIP pour Hot Isostatic Pressing en langue anglaise) de la préforme dans l'outillage 400, illustré à la figure 8.
Le pressage isostatique à chaud est un procédé de fabrication très utilisé et connu pour réduire la porosité des métaux et influer sur la densité de nombreux métaux, tels que les céramiques. Le procédé de pressage isostatique permet d'améliorer en outre les propriétés mécaniques, l'exploitabilité des matériaux.
Le pressage isostatique est réalisé à haute température (classiquement entre 400°C et 1400°C, et de l'ordre de 1000°C pour le titane) et à pression isostatique.
Ainsi, l'application de la chaleur combinée à la pression interne élimine les espaces vides de la préforme, ainsi que les microporosités au moyen d'une combinaison de déformation plastique, de fluage, et de soudage diffusion de façon à former une pièce massive 430.
La pièce massive 430 résultant de l'étape de pressage isostatique comporte les profils interne et externe du renfort métallique 30. La pièce massive 430 est ensuite démoulée de l'outillage 400.
L'étape de pressage isostatique est réalisée sous vide, avantageusement sous vide secondaire soit dans un outillage soudé dans lequel le vide secondaire est réalisé, soit sous sac à l'autoclave, le choix du procédé dépendant du nombre de pièce à produire. Le vide secondaire permet d'éviter la présence d'oxygène dans l'outillage et au niveau de la structure fibreuse, lors de l'étape de pressage isostatique du titane.
L'outillage 400 est réalisé dans un alliage mécanique dit superalliage ou alliage à haute performance.
L'étape 240 de pressage isostatique peut comporter préalablement une étape 235 de nettoyage, de dégraissage et/ou d'une attaque chimique des différentes poches métalliques 100 de façon à supprimer les impuretés résiduelles de la préforme.
Avantageusement, l'étape de nettoyage des impuretés est réalisée par trempage de l'ensemble fibreux dans un bain d'agent nettoyant ou d'agent chimique.
Dans le cadre de fabrication d'un renfort métallique creux, le procédé selon l'invention peut comporter une étape supplémentaire d'attaque chimique de l'insert introduit lors de l'étape d'empilement des différentes poches et faisant partie intégrante de la pièce massive 430. L'attaque chimique est réalisée au moyen d'un agent chimique apte à attaquer le matériau dans lequel l'insert est réalisé. L'attaque chimique de l'insert fugitif permet de dissoudre l'insert fugitif de sorte que l'espace libéré par l'insert dissout forme la cavité interne dans le renfort métallique. Avantageusement, l'étape d'attaque chimique est réalisée par trempage de la pièce massive 430 dans un bain comportant l'agent chimique apte à dissoudre l'insert. L'agent chimique est par exemple un acide ou une base.
Avantageusement, l'agent chimique est apte à dissoudre le cuivre, le quartz ou encore la silice.
En association avec ces principales étapes de réalisation, le procédé selon l'invention peut également comporter une étape de finition et de reprise par usinage de la pièce massive creuse obtenue à la sortie de l'outillage de façon à obtenir le renfort 30. Cette étape de reprise comporte :
- une étape de reprise du profil de la base 39 du renfort 30 de façon à l'affiner et notamment du profil aérodynamique du bord d'attaque 31 ;
- une étape de reprise des flancs 35, 37 ; cette étape consistant notamment au détourage des flancs 35, 37 et à l'amincissement des flancs intrados et extrados ;
- une étape de finition permettant d'obtenir l'état de surface requis.
En association avec ces principales étapes de réalisation, le procédé selon l'invention peut également comporter des étapes de contrôle non destructif du renfort 30 permettant de s'assurer de la conformité géométrique et métallurgique de l'ensemble obtenu. A titre d'exemple les contrôles non destructifs peuvent être réalisés par un procédé par rayon X.
L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube composite—de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube métallique de turbomachine.
L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord de fuite d'une aube de turbomachine ou encore à la réalisation d'un renfort métallique d'hélice en composite ou métallique.
Les autres avantages de l'invention sont notamment les suivants :
- réduction des coûts de réalisation ;
- réduction du temps de réalisation ;
- simplification de la gamme de fabrication ;
- réduction des coûts matière.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique (30) de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine comportant successivement :
- une étape (210) de découpe dans au moins une feuille métallique souple d'une pluralité de clinquants métalliques (101 , 101 ', 102, 102') correspondant sensiblement au développé dudit renfort métallique (30) de bord d'attaque ou de bord de fuite ;
- une étape (220) de confection d'une pluralité de poches métalliques (100), chaque poche métalliques (100) étant confectionnée à partir de deux clinquants métalliques découpés lors de l'étape (210) précédente ;
- une étape (230) d'empilement par emboîtement de chacune desdites poches métalliques (100) de façon à former une préforme (1 10) dudit renfort métallique (30) de bord d'attaque ou de bord de fuite ;
- une étape (240) de pressage isostatique à chaud de ladite préforme (1 10) provoquant l'agglomération desdites poches métalliques (100) de manière à obtenir ledit renfort métallique (30) de bord d'attaque ou de bord de fuite.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape (220) de confection d'une pluralité de poches métalliques (100) est réalisée par superposition de deux clinquants métalliques distincts (101 , 101 ') puis par assemblage d'au moins une bordure (105) desdits deux clinquants métalliques (101 , 101 ') par des moyens de liaison.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape (220) de confection d'une pluralité de poches métalliques (100) est réalisée par pliage d'une zone de jonction (103) entre deux clinquants métalliques (102, 102') puis par assemblage d'au moins une bordure (105) desdits deux clinquants métalliques (102, 102') par des moyens de liaison.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison de ladite étape (220) de confection d'une pluralité de poches métalliques (100) sont des moyens de collage et/ou des moyens de soudage.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens de soudage sont des moyens de soudage par point.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite étape (210) de découpe est réalisée dans au moins une feuille métallique d'une épaisseur comprise entre 0,05mm et 0,3mm.
7. Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite étape (230) d'empilement comporte une sous-étape d'incorporation d'un insert entre deux poches métalliques (100) successives.
8. Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite sous-étape d'incorporation d'un insert est une étape d'insertion d'un insert métallique massif, ou tissé ou un insert fugitif apte à être dissout par une attaque chimique.
Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ladite étape (230) d'empilement par emboîtement de chacune desdites poches métalliques (100) est réalisée par empilement desdites poches métalliques (100) sur un gabarit de forme.
10. Procédé de réalisation (200) d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ladite étape (230) d'empilement par emboîtement de chacune des poches métalliques (100) est réalisée par empilement desdites poches métalliques (100) dans une empreinte (410) ou sur une contre-empreinte (420) d'un outillage (400) de pressage isostatique à chaud.
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