WO2012114053A2 - Procede de fabrication d'une piece metallique - Google Patents

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Bruno Jacques Gérard DAMBRINE
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    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of a metal part by the technique of hot isostatic compression of a preform formed of a fibrous structure comprising metal son with optional insertion of reinforcements based on ceramic fibers.
  • the invention aims in particular at producing a reinforcement piece for large blades of organic composite material, such as turbojet fan blades or propeller blades.
  • this reinforcing piece attached to the blade of composite material, extends in a direction substantially radial with respect to the axis of rotation of the fan rotor, along the leading edge. It extends on both sides of the leading edge on a portion of the intrados and extrados faces tapering downstream. It has a cross section in the shape of "C" with a relatively thick central branch and tapered lateral branches. The profile of the reinforcing pieces is also twisted and arched between the foot and the head of the blade which it follows the so-called three-dimensional shape.
  • the Applicant has developed a method of manufacturing a piece of this type comprising a step of producing at least one fibrous structure by three-dimensional weaving of metal son followed by the submission of the fibrous structure to hot isostatic pressing causing compaction and diffusion bonding of the metal wires so as to obtain a massive piece.
  • the metal son are advantageously drawn wire son.
  • the three-dimensional weave makes it possible to shape the fibrous structure with the imprint of a tool and thus to obtain a piece with complex geometry.
  • wire of different diameters can be used depending on the thickness at a given location.
  • the fibrous structure may comprise composite son or coated son made of a ceramic fiber, such as SiC, coated with a metal alloy such as a titanium alloy.
  • the invention relates to an alternative embodiment of the previously deposited method.
  • the method of manufacturing a metal part by producing a structure with a fibrous structure of metal fibers and submitting the preform to hot isostatic pressing in a tool to obtain a massive piece, the tooling comprising at least a first element with a mold cavity of the part, is characterized in that the first tool element is of elongate shape along a direction XX between two ends, the fibrous structure is produced at least in part by winding at least one wire around said first member along said direction from one end to the other.
  • the method allows the possible incorporation of fibrous structure elements formed by three-dimensional weaving of metal and / or composite son.
  • the piece is obtained from a first elongated tool element along a first direction.
  • the fibrous structure obtained by the winding of wire around said direction, from one end to the other of the first element, makes it possible to produce a part having a variable thickness along the first direction.
  • the solid piece is advantageously a turbojet fan blade reinforcing edge.
  • the composite yarns are then preferably disposed along the part of the part forming the leading edge.
  • FIG. 1 represents, in perspective, an example of a turbojet fan blade equipped with an example of a reinforcing piece
  • Figure 2 shows in perspective the reinforcing piece
  • Figure 3 shows schematically the winding mode of a wire around the first tooling element
  • Figure 1 shows a blade 1 of a turbojet fan. It comprises a foot 2 by which the blade is fixed to the rotor of the machine. This is extended by a blade aerodynamic profile, in a radial direction relative to the axis of rotation of the fan.
  • the blade 4 has a lower face 8 and an extrados face 6 extending between the leading edge 10 upstream and the trailing edge 12 downstream (with respect to the gas flow).
  • Reinforcing pieces may be fixed on the body 7 of the blade at the trailing edge and especially at the leading edge 10 to prevent or delay their deterioration, especially in case of impact.
  • a reinforcing piece 20 is fixed on the body 7 of the blade, itself made of organic composite material, at the leading edge 10 thereof.
  • the leading edge 10 is formed at least in part by the reinforcing piece 20 which conforms to the general shape of the blade.
  • the fan blade of FIG. 1 is of three-dimensional shape, being twisted along its longitudinal direction and transversely arched.
  • the reinforcing piece 20 is also of complex shape as can be seen in FIG.
  • the reinforcing piece extends longitudinally along a first direction A and has a cross section in a plane P perpendicular to this direction, a central portion 22 of relatively large thickness extended by tapered branches 24.
  • the reinforcing piece 20 thus has a longitudinal central portion 21 of substantial thickness laterally lined by two longitudinal sides 23 thinned towards their distal edge.
  • the outer face 24E of the flanks 23 comes in the continuity the outer surface 22E of the central portion forms the leading edge 10 of the blade, once the reinforcing piece 20 fixed on the body 7 of the blade.
  • a method of manufacturing a workpiece such as the reinforcement piece 20 is now described. While the method described in the patent application FR 10 57799) comprises the preparation of a preform with a fibrous structure obtained by weaving yarns. metal associated with coated son, said preform being disposed in a tool comprising a first element and a second tool element, the method of the invention consists essentially in the development of a preform with a fibrous structure obtained by winding of wire.
  • FIG. 3 diagrammatically shows a first tool element 51, preferably a superalloy, one face of which forms part of the tooling cavity.
  • This first element of the tool 51 is of elongated shape in a direction XX which is here an axis XX, with an imprint corresponding to the shape of a part of the part to be obtained; it is provided with holding blocks 51 A at its ends.
  • the profile is here shaped for the realization of a blade 20 of blower blade.
  • a preform 25 is made by winding a wire 36 around the tooling element 51.
  • the yarn is unwound from a reel not shown in the figure.
  • the winding can be carried out by turning the element 51 about its axis XX while arranging the wire with respect to this axis so that it is always properly oriented, here perpendicular to the tangent to the curve of the edge. 'attack.
  • the wire 36 used is advantageously a drawn wire of titanium alloy.
  • the wire may be single or it is possible to wind son of different diameters depending on the desired thicknesses on certain areas of the preform. Reinforcements may be incorporated into the preform by being held in place by the wire windings.
  • a composite wire insert 38 may be disposed along the element in the area to be reinforced, such as the leading edge of the blade.
  • These composite yarns comprise a ceramic core fiber 39, for example silicon carbide (SiC) coated with a metal alloy such as a titanium alloy or an aluminum alloy in the case of an aluminum wire.
  • reinforcements that may be incorporated are inserts and / or preforms based on coated composite wires such as SiC-Ti, SiC-Al SiC-SiC,
  • the preform may comprise strips based on Ti, Al TiAl or any other compatible material having properties that may allow superplastic forming and diffusion welding.
  • the first tooling element 51 with the preform 25 is disposed in a second tooling element 52 with an impression adapted to conform the part.
  • the set of two elements 51 and 52 forms the tooling 50. This could be formed of several tooling elements of which at least one is the first element around which the fiber preform is wound.
  • the preform 25 is compacted in the tooling 50 supplemented by a suitable lid in an isothermal press or autoclaved bag by vacuum isostatic compression treatment under vacuum: for example, it is maintained at 940 ° C for 120 minutes under a pressure of 1000 bars.
  • This metal piece includes reinforcements 39 ceramic.
  • a pair of reinforcing pieces is produced by winding a wire around two first tooling elements assembled along a mandrel. This arrangement makes it possible to optimize the manufacturing and reduce the manufacturing cost.

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Abstract

La présente invention porte sur un procédé de fabrication d'une pièce métallique par réalisation d'une préforme avec une structure fibreuse de fibres métalliques (36) et soumission de la préforme à un pressage isostatique à chaud dans un outillage jusqu'à obtenir une pièce massive, l'outillage comprenant au moins un premier élément (51) avec une empreinte de moulage de la pièce. Le procédé est caractérisé par le fait que le premier élément d'outillage (51) est de forme allongée le long d'une direction XX entre deux extrémités, la structure fibreuse est réalisée au moins en partie par enroulement d'au moins un fil métallique (36) autour dudit premier élément d'outillage (51) le long de ladite direction, d'une extrémité à l'autre. L'invention présente un intérêt pour la fabrication de pièces de renforcement d'aube de soufflante de turboréacteur.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE METALLIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne la fabrication d'une pièce métallique par la technique de compression isostatique à chaud d'une préforme formée d'une structure fibreuse comprenant des fils métalliques avec insertion éventuelle de renforts à base de fibres céramiques.
L'invention vise en particulier la fabrication d'une pièce de renfort pour des aubes de grande dimension en matériau composite organique, telles que des aubes de soufflante de turboréacteur ou de pales d'hélice.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les aubes de soufflante dans les moteurs modernes sont de grandes dimensions et pour combiner résistance mécanique et faible masse on cherche à les réaliser en matériau composite organique.
Afin de leur permettre de résister à l'abrasion et aux impacts de corps étrangers, on prévoit de protéger les zones exposées et en particulier la surface amont de la pale par une pièce métallique offrant une plus grande résistance à ces agressions que le matériau composite seul.
Selon un mode de réalisation connu, cette pièce de renforcement, rapportée sur la pale en matériau composite, s'étend suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l'axe de rotation du rotor de soufflante, le long du bord d'attaque. Elle se prolonge de part et d'autre du bord d'attaque sur une partie des faces intrados et extrados en s'amincissant vers l'aval. Elle présente ainsi une section transversale en forme de « C » avec une branche centrale relativement épaisse et des branches latérales effilées. Le profil des pièces de renforcement est également vrillé et cambré entre le pied et la tête de la pale dont elle suit la forme dite tridimensionnelle.
Il est connu de fabriquer des pièces de renforcement par mise en forme à chaud et usinage d'une ébauche en alliage de titane. En raison de la complexité de la géométrie de cette pièce, les opérations de formage et d'usinage sont nombreuses longues et complexes. Son coût de fabrication est donc élevé.
Il existe ainsi un besoin pour un procédé de fabrication permettant d'obtenir une pièce de renforcement dont le coût est réduit.
La demanderesse a mis au point un procédé de fabrication d'une pièce de ce type comprenant une étape de réalisation d'au moins une structure fibreuse par tissage tridimensionnel de fils métalliques suivie de la soumission de la structure fibreuse à un pressage isostatique à chaud provoquant la compaction et le soudage par diffusion des fils métalliques de manière à obtenir une pièce massive. Les fils métalliques sont avantageusement des fils métalliques tréfilés. Le tissage tridimensionnel permet de conformer la structure fibreuse à l'empreinte d'un outillage et donc d'obtenir une pièce à la géométrie complexe. En outre, on peut utiliser des fils métalliques de différents diamètres en fonction de l'épaisseur à un endroit donné. Par ailleurs, la structure fibreuse peut comprendre des fils composites ou fils enduits constitués d'une fibre céramique, telles que SiC, enrobée d'un alliage métallique tel qu'un alliage de titane.
L'étape de pressage isostatique à chaud, ou HIP pour « hot isostatic pressing » permet d'assurer par compaction la mise en forme finale de la structure fibreuse et sa densification par soudage - diffusion des fils métalliques et/ou des enrobages entre eux. La pièce massive obtenue présente une porosité nulle ou très faible.
Une demande de brevet couvrant ce procédé de fabrication ainsi que la pièce de renforcement obtenue a été déposée le 28/09/2010 sous le numéro FR 10 57799 par la demanderesse.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention vise une variante de mise en œuvre du procédé précédemment déposé.
Conformément à l'invention, le procédé de fabrication d'une pièce métallique par réalisation d'une structure avec une structure fibreuse de fibres métalliques et soumission de la préforme à un pressage isostatique à chaud dans un outillage jusqu'à obtenir une pièce massive, l'outillage comprenant au moins un premier élément avec une empreinte de moulage de la pièce, est caractérisé par le fait que le premier élément d'outillage est de forme allongée le long d'une direction XX entre deux extrémités, la structure fibreuse est réalisée au moins en partie par enroulement d'au moins un fil métallique autour dudit premier élément le long de ladite direction, d'une extrémité à l'autre.
Un avantage de la réalisation de la structure fibreuse au moins en partie par enroulement autour de l'élément d'outillage est de permettre une automatisation partielle de cette étape du procédé par utilisation de robots et de moyens de déroulement de bobinage.
Conformément à une autre caractéristique, le procédé comprend éventuellement l'incorporation de fils composites dans la structure fibreuse, les fils composites comprenant une fibre céramique, telle que de carbure de silicium, enrobée d'un métal, telle qu'un alliage de titane, l'enroulement de fil métallique étant d'un métal analogue à celui de l'enrobage, notamment en alliage de titane.
Le procédé permet l'incorporation éventuelle d'éléments de structure fibreuse formés par tissage tridimensionnel de fils métalliques et/ou composites.
La pièce est obtenue à partir d'un premier élément d'outillage de forme allongée le long d'une première direction. La structure fibreuse obtenue par l'enroulement de fil métallique autour de ladite direction, d'une extrémité à l'autre du premier élément, permet de réaliser une pièce présentant une épaisseur variable le long de la première direction. Comme indiqué plus haut, la pièce massive est avantageusement un bord de renforcement d'aube de soufflante de turboréacteur. On dispose alors de préférence les fils composites le long de la partie de la pièce formant le bord d'attaque.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention est décrite plus en détail dans la présentation de modes de réalisation non limitatifs, en regard de dessins annexés sur lesquels
La figure 1 représente, en perspective un exemple d'aube de soufflante de turboréacteur équipé d'un exemple de pièce de renforcement ;
La figure 2 montre en perspective la pièce de renforcement ;
La figure 3 montre de façon schématique le mode d'enroulement d'un fil métallique autour du premier élément d'outillage ;
Les figures 4 et 5 montrent la préforme à l'intérieur d'outillage avant compression isostatique à chaud puis après traitement de compaction.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
La figure 1 représente une aube 1 de soufflante de turboréacteur. Elle comporte un pied 2 par lequel l'aube est fixée au rotor de la machine. Celui-ci est prolongé par une pale de profil aérodynamique, dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation de la soufflante. La pale 4 présente une face intrados 8 et une face extrados 6 s'étendant entre le bord d'attaque 10 à l'amont et le bord de fuite 12 à l'aval (par rapport à l'écoulement gazeux). Des pièces de renforcement peuvent être fixés sur le corps 7 de l'aube au niveau du bord de fuite et surtout au niveau du bord d'attaque 10 pour éviter ou retarder leur détérioration, notamment en cas d'impact.
Dans l'exemple représenté, une pièce de renforcement 20 est fixée sur le corps 7 de l'aube, elle-même réalisée en matériau composite organique, au niveau du bord d'attaque 10 de celle-ci. Le bord d'attaque 10 est formé au moins en partie par la pièce de renforcement 20 qui épouse la forme générale de l'aube.
L'aube de soufflante de la figure 1 est de forme tridimensionnelle, en étant vrillée suivant sa direction longitudinale et cambrée transversalement. La pièce de renforcement 20 est également de forme complexe comme on le voit sur la figure 2.
Plus précisément la pièce de renforcement s'étend longitudinalement suivant une première direction A et présente en section dans un plan P de coupe perpendiculaire à cette direction, une portion centrale 22 d'épaisseur relativement importante prolongée par des branches effilées 24. La pièce de renforcement 20 présente ainsi une partie centrale 21 longitudinale d'épaisseur importante bordée latéralement par deux flancs 23 longitudinaux amincis vers leur bord distal. La face extérieure 24E des flancs 23 vient dans la continuité des faces extrados 6 et intrados 8. La face extérieure 22E de la partie centrale forme le bord d'attaque 10 de l'aube, une fois la pièce de renforcement 20 fixée sur le corps 7 de la pale.
On décrit maintenant un procédé de fabrication d'une pièce telle que la pièce de renforcement 20. Alors que le procédé décrit dans la demande de brevet FR 10 57799) comprend l'élaboration d'une préforme avec une structure fibreuse obtenue par tissage de fils métalliques associés à des fils enduits, ladite préforme étant disposée dans un outillage comprenant un premier élément et un deuxième élément d'outillage, le procédé de l'invention consiste essentiellement en l'élaboration d'une préforme avec une structure fibreuse obtenue par enroulement de fil métallique.
Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un premier élément d'outillage 51 , de préférence en superalliage, dont une face forme une partie de l'empreinte d'outillage. Ce premier élément de l'outillage 51 est de forme allongée dans une direction XX qui est ici un axe XX, avec une empreinte correspondant à la forme d'une partie de la pièce à obtenir ; il est pourvu de blocs de maintien 51 A à ses extrémités. Le profil est ici conformé pour la réalisation d'une pièce 20 de renforcement d'aube de soufflante.
On réalise une préforme 25 en enroulant un fil métallique 36 autour de l'élément d'outillage 51 . Le fil est déroulé depuis une bobine non représentée sur la figure. L'enroulement peut être effectué en tournant l'élément 51 autour de son axe XX tout en disposant le fil par rapport à cet axe de manière à ce qu'il soit toujours convenablement orienté, ici perpendiculaire à la tangente à la courbe du bord d'attaque.
Un autre mode d'enroulement consiste à monter l'élément d'outillage 51 sur une machine multi axes qui vient orienter l'élément tournant autour de son axe XX, par rapport au fil dont la bobine est fixe.
Pour l'application à la réalisation d'une pièce de renforcement d'aube de soufflante, le fil 36 utilisé est avantageusement un fil tréfilé en alliage de titane. Le fil métallique peut être unique ou bien il est possible d'enrouler des fils de différents diamètres en fonction des épaisseurs voulues sur certaines zones de la préforme. Des renforts peuvent être incorporés à la préforme en étant maintenus en place par les enroulements de fils métalliques. Par exemple, un insert en fils composites 38 peut être disposé le long de l'élément dans la zone à renforcer, telle que le bord d'attaque de l'aube. Ces fils composites comprennent une fibre centrale céramique 39 par exemple en carbure de silicium (SiC) enrobée 37 d'un alliage métallique tel qu'un alliage de titane ou un alliage d'aluminium dans le cas d'un fil métallique en aluminium.
D'autres renforts susceptibles d'être incorporés sont des inserts et/ou préformes à base de fils composites enduits tels que de SiC-Ti, SiC-AI SiC-SiC,
SiC-bore ou de fils métalliques préformés ou tissés. De même, la préforme peut comprendre des feuillards à base de Ti, Al TiAI ou tout autre matériau compatible présentant des propriétés susceptibles de permettre le formage superplastique et le soudage diffusion. Lorsque la préforme 25 est réalisée, elle est mise en place dans l'outillage. Comme on le voit sur les figures 4 et 5, le premier élément d'outillage 51 avec la préforme 25 est disposé dans un deuxième élément d'outillage 52 avec une empreinte adaptée pour conformer la pièce. L'ensemble des deux éléments 51 et 52 forme l'outillage 50. Celui-ci pourrait être formé de plusieurs éléments d'outillage dont l'un au moins constitue le premier élément autour duquel la préforme fibreuse est enroulée..
La préforme 25 est compactée dans l'outillage 50 complété par un couvercle approprié sous presse isotherme ou sous sac à l'autoclave par un traitement de compression isostatique à chaud sous vide : par exemple, elle est maintenue à 940°C pendant 120 minutes sous une pression de 1000 bars.
Après traitement on élimine, notamment par usinage, la partie 20A non utile de la pièce obtenue pour ne conserver que la partie 20 formant la pièce de renforcement. Cette pièce en métal comprend des renforts 39 en céramique.
Selon une variante du procédé, on réalise une paire de pièces de renforcement en enroulant un fil métallique autour de deux premiers éléments d'outillage assemblés le long d'un mandrin. Cette disposition permet d'optimiser la fabrication et réduire le coût de fabrication.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une pièce métallique par réalisation d'une préforme (25) avec une structure fibreuse de fibres métalliques (36) et soumission de la préforme (25) à un pressage isostatique à chaud dans un outillage jusqu'à obtenir une pièce massive, l'outillage comprenant au moins un premier élément (51 ) avec une empreinte de moulage de la pièce, caractérisé par le fait que le premier élément d'outillage (51 ) est de forme allongée le long d'une direction XX entre deux extrémités, la structure fibreuse est réalisée au moins en partie par enroulement d'au moins un fil métallique (36) autour dudit premier élément (51 ) le long de ladite direction, d'une extrémité à l'autre.
2. Procédé selon la revendication 1 , comprenant l'incorporation de fils composites (38) dans la préforme (25), les fils composites comprenant des fibres céramiques (39), telles que de carbure de silicium, enrobées d'un métal (37), tel qu'un alliage de titane.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la préforme comprenant des éléments de structure fibreuse formés par tissage tridimensionnel de fils métalliques et/ou composites.
4. Procédé selon la revendication précédente la pièce présentant une épaisseur variable le long de la direction XX.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel le premier élément d'outillage (51 ) avec préforme (25) est assemblé avec au moins un deuxième élément d'outillage avec une empreinte adaptée pour conformer la pièce, et l'ensemble d'outillage (50) est soumis à un traitement de compression isostatique à chaud.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la pièce (20) étant une pièce de renforcement d'aube, telle qu'une aube de soufflante de turboréacteur, l'aube étant par exemple en matériau composite organique.
7. Procédé selon la revendication précédente, la pièce (20) formant un renfort du bord d'attaque de l'aube.
8. Procédé selon la revendication précédente la préforme comprenant des fils composites (39) le long de la partie de la pièce formant le bord d'attaque de l'aube.
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