WO2025238317A1 - Procede de fabrication d'une piece de revolution en materiau composite avec l'insertion d'un antiadhesif inter-plis - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece de revolution en materiau composite avec l'insertion d'un antiadhesif inter-plis

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WO2025238317A1
WO2025238317A1 PCT/FR2025/050394 FR2025050394W WO2025238317A1 WO 2025238317 A1 WO2025238317 A1 WO 2025238317A1 FR 2025050394 W FR2025050394 W FR 2025050394W WO 2025238317 A1 WO2025238317 A1 WO 2025238317A1
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preform
stick material
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Guillaume Pascal Jean-Charles Gondre
Thibaut VOGEL
Frédéric Claude Jean RAYMOND
Arnaud POUGIS
Baptiste René Roger BATONNET
Yann Didier Simon MARCHAL
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Safran Aircraft Engines SAS
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
    • B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C70/32—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core on a rotating mould, former or core
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    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/24—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least three directions forming a three-dimensional [3D] structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/748—Machines or parts thereof not otherwise provided for
    • B29L2031/7504—Turbines

Definitions

  • the present invention relates to the general field of manufacturing parts of revolution exposed to impacts and more particularly, but not exclusively, to gas turbine blower housings for aeronautical engines.
  • the fan casing performs several functions. It defines the air intake duct in the engine, supports an abradable material opposite the fan blade tips, supports an optional sound-absorbing structure for acoustic treatment at the engine inlet, and incorporates a retention shield.
  • the retention shield acts as a debris trap, retaining debris, such as ingested objects or fragments of damaged blades, ejected by centrifugal force, to prevent them from passing through the casing and reaching other parts of the aircraft.
  • housings such as the blower housing
  • housings are now made of composite material, that is to say from a fibrous preform densified by an organic matrix, which makes it possible to produce parts with a lower overall mass than the same parts when made of metallic material while having at least equivalent or even greater mechanical resistance.
  • prior art solutions have the disadvantage of concentrating stresses on the outer face of the housing when it is subjected to penetrating or non-penetrating impacts.
  • the structure of prior art housings consists of a single piece or several layers bonded together.
  • maximum stress or deformation is generated on the face opposite the force, namely the outer face of the housing.
  • the main purpose of the present invention is therefore to propose a solution for the manufacture of a blower housing which does not have the aforementioned disadvantages.
  • the invention proposes a method for manufacturing a part of revolution made of composite material for a gas turbine, comprising the following steps:
  • the method further comprises an interposition of at least one strip of an anti-stick material between at least two adjacent turns of the fibrous texture, said at least one strip of anti-stick material extending in the circumferential direction along the interface between said at least two adjacent turns and in that said at least one strip of anti-stick material has a width less than the width of the preform in the axial direction.
  • the manufacturing process makes it possible to obtain a part of revolution with a delamination zone, which promotes the distribution of stresses within the fibrous reinforcement. This reduces the deformation generated on the external face of the part while maintaining its overall structural integrity.
  • each of its layers will deform in isolation and dissipate part of the energy received before transmitting it to the adjacent layer.
  • the process makes it possible to obtain a part made of composite material having improved mechanical properties without increasing the overall mass.
  • laminate refers to a phenomenon which includes the at least partial dissociation of several layers in the fibrous reinforcement of the part.
  • said at least one strip of non-stick material can extend over a width of between 5% and 25% of the width of said preform.
  • the non-stick material can be chosen from polytetrafluoroethylene, paints, ceramics, alloys or a mixture thereof.
  • the non-stick material may comprise polytetrafluoroethylene.
  • Polytetrafluoroethylene has the advantage of very good chemical inertness, which prevents it from bonding to the matrix during densification and facilitates delamination. It also has the advantage of being flexible, which allows it to optimally conform to the surface of the fibrous texture on which it is placed.
  • the invention also relates to a part of revolution made of composite material for a gas turbine, comprising fibrous reinforcement densified by a matrix, the fibrous reinforcement comprising a fibrous texture having a three-dimensional weave in the form of a band, said fibrous texture being wound on itself in several turns, said part extending in width along an axial direction, in thickness along a radial direction between a first and a second opposite face, and in length along a circumferential direction, characterized in that said reinforcement comprises a band of non-stick material between at least two adjacent turns of said fibrous texture, said at least one band of non-stick material extending in the circumferential direction along the interface between said at least two adjacent turns and in that said at least one band of non-stick material has a width less than the width of said reinforcement in the axial direction.
  • the composite material part according to the invention has the advantage of having improved mechanical properties without increasing the overall mass.
  • said at least one strip can extend over a width between 10% and 25% of the width of said reinforcement.
  • the non-stick material can be chosen from polytetrafluoroethylene, paints, ceramics, alloys or a mixture thereof.
  • Figure 1 schematically represents a turbomachine housing in one embodiment of the invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view along plane II-II of the housing of Figure 1, showing the stacking of the superimposed towers of the housing according to an embodiment in the delamination zone of the housing,
  • Figure 3 is a perspective view showing the shaping of a fibrous texture and a strip of non-stick material intended to form the reinforcement of the blower housing of Figure 1,
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a loom showing the weaving of a fibrous texture used for the formation of the fibrous reinforcement of the casing of Figure 1,
  • Figure 5 is a schematic view showing the simultaneous winding of the fibrous structure and the strip into an anti-stick material of Figure 3,
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing the profile of the fibrous preform obtained after winding the fibrous structure and the strip with an anti-stick material of Figures 3 and 5,
  • Figure 7 is a schematic view showing a tooling for densifying with a matrix the fibrous preform obtained at the end of winding.
  • the invention applies generally to any gas turbine composite material part of revolution comprising a retention shield.
  • a manufacturing process for a part of revolution of the invention is described below, applied according to a first example, to a blower housing for an aeronautical gas turbine engine.
  • Such an engine comprises, from upstream to downstream in the direction of the gas flow, a blower 1 disposed at the inlet of the engine, a compressor 2, a combustion chamber 3, a high-pressure turbine 4 and a low-pressure turbine 5.
  • the motor is housed inside a casing comprising several parts corresponding to different elements of the motor.
  • the blower 1 is surrounded by a blower casing 10 having a shape of revolution.
  • the fan housing 10 is here made of an organic matrix composite material, that is to say, from a fiber reinforcement, for example of carbon, glass, aramid or ceramic, densified by a polymer matrix, for example epoxy, bismaleimide or polyimide.
  • a fiber reinforcement for example of carbon, glass, aramid or ceramic
  • a polymer matrix for example epoxy, bismaleimide or polyimide.
  • the manufacture of such a housing is described in particular in US patent 8,322,971.
  • the internal surface 11 of the housing defines the air intake duct of the engine.
  • the housing 10 extends in width along an axial direction D between its upstream and downstream ends (from left to right in Figure 2), which are here provided with external flanges 14, 15 to allow its mounting and connection with other elements.
  • the housing extends in thickness along a radial direction and in length along a circumferential direction.
  • the housing 10 includes a delamination zone 12 ( Figure 1).
  • the fibrous reinforcement is formed by winding a fibrous texture 140 made by three-dimensional weaving onto a mandrel 200, the mandrel having a profile corresponding to that of the housing to be made ( Figure 3).
  • the fibrous reinforcement of the housing 10 consists of a plurality of superimposed layers 141 to 144 of a fibrous texture 140 in the form of a strip having a three-dimensional or multi-layer weave, each layer 141 to 144 corresponding to one winding turn of the fibrous texture 140 (figure 2).
  • a strip of non-stick material 150 is interposed between two adjacent layers of the fibrous texture, the strip of non-stick material 150 having a width li 50 less than the width li 40 of the fibrous texture 140 (figure 3) and delimiting the delamination zone of the housing 10.
  • the layers 151 to 153 of a non-stick material 150 are interposed between the superimposed layers 141 to 144 of the fibrous texture 140, each layer 151 to 153 corresponding to one winding of the non-stick material 150.
  • the non-stick material 150 used to form a delaminated portion can be interposed between two or more superimposed layers of fibrous texture 140, each corresponding to one winding of said fibrous texture 140.
  • the thickness of the layers 151 to 153 has been intentionally exaggerated to facilitate understanding of the figure.
  • the interposition of the non-stick material 150 between two or more layers of fibrous texture 140 does not necessarily generate an increased thickness in the texture fibrous 140 neither in the final piece.
  • the structure of the part of revolution is either a single piece or composed of several layers of fibrous material bonded to one another.
  • maximum stress and deformation are generated on the outer face opposite to the force, i.e., the outer surface of the housing.
  • a strip made of a non-stick material it is possible to give the part specific mechanical properties. Indeed, the interposition of the non-stick material strip generates a multi-layered structure. Locally decoupled, delamination occurs within the part's structure.
  • each portion of the delaminated layer will deform and dissipate energy before transmitting the stress to the adjacent layer.
  • the stress is thus distributed throughout the casing's layers. It is therefore possible to reduce the deformation on the outer face while maintaining the overall structural integrity of the part.
  • the addition of the strip made of a non-stick material facilitates the delamination of adjacent axial portions.
  • the width of the fibrous texture covered by the non-stick material strip constitutes a delamination initiation zone. Delamination propagates easily and rapidly from the initiation zone to the adjacent axial portions not covered by the non-stick material strip. Thus, a portion of the energy received during the impact is dissipated by each layer of the part.
  • the strip made of a non-stick material can extend over a width of between 5% and 25% of the width of said fibrous reinforcement
  • the strip made of a non-stick material can extend over a width that corresponds to 10% of the width of said fibrous reinforcement.
  • the non-stick material can be chosen from polytetrafluoroethylene, paints, ceramics, alloys.
  • the thickness of the strip in a non-stick material may be less than or equal to 0.9 mm (to be confirmed).
  • the non-stick material may include, in particular, polytetrafluoroethylene.
  • Polytetrafluoroethylene has the advantage of very good chemical inertness, which prevents it from bonding to the matrix during densification and facilitates delamination. It also has the advantage of being flexible, which allows it to conform optimally to the surface of the fibrous texture on which it is placed.
  • a fibrous texture 140 is produced in a known manner by weaving using a jacquard type loom 100 on which a bundle of warp yarns or strands 20 has been arranged in a plurality of layers, the warp yarns being linked by weft yarns or strands 30.
  • the fibrous texture 140 is produced by three-dimensional weaving.
  • three-dimensional weave or “3D weave” refers to a weaving method in which at least some of the weft yarns interlock with warp yarns over several layers of warp yarns, or vice versa.
  • An example of a three-dimensional weave is the so-called “interlock” weave.
  • Interlock refers to a weave structure in which each layer of warp yarns interlocks with several layers of weft yarns, with all the yarns in the same warp column having the same movement within the plane of the weave.
  • the fibrous texture 140 has a band-like shape extending lengthwise in an X direction corresponding to the direction of the warp yarns or strands 20 and widthwise or transversely in a Y direction corresponding to the direction of the weft yarns or strands 30.
  • the fibrous reinforcement of the part of revolution here the housing 10
  • the fibrous texture 140 is formed by the fibrous texture 140, which is shaped by winding it onto itself ( Figure 3). Consequently, in the fibrous reinforcement of the final part, the warp yarns or strands extend along the circumferential direction D ⁇ sub>c ⁇ /sub> ( Figure 1) while the weft yarns or strands extend along the axial direction D ⁇ sub>A ⁇ /sub> ( Figure 1).
  • the fibrous texture 140 can in particular be woven from fiber yarns of carbon type, ceramic such as silicon carbide, glass, or aramid.
  • a fibrous preform is formed by winding the fibrous texture 140, produced by three-dimensional weaving, onto a mandrel 200.
  • the mandrel has a profile corresponding to that of the housing to be produced.
  • a strip of non-stick material 150 is wound simultaneously with the fibrous texture 140.
  • the strip 150 is positioned above the first layer 141 of the texture 140 wound onto the mandrel 200 so as to interpose a layer of the narrower non-stick material 150 between two adjacent layers of the wider fibrous texture, corresponding to two turns of the fibrous texture 140.
  • the strip 150 is positioned at a location on the fibrous texture 140 corresponding to the axial delamination zone to be formed in the part.
  • the width li 40 can correspond to one winding turn of the fibrous texture 140.
  • the mandrel 200 has an external surface 201 whose profile corresponds to the internal surface of the housing to be produced. By winding onto the mandrel 200, the fibrous texture 140 conforms to its profile.
  • the mandrel 200 also includes two flanges 220 and 230 to form portions of the fibrous preform corresponding to the flanges 14 and 15 of the housing 10 ( Figure 3).
  • the fibrous texture 140 and the strip in an anti-stick material 150 are called from drums 60 and 70 respectively on which they are stored as illustrated in Figure 5.
  • Figure 6 shows a cross-sectional view of the fibrous preform 300 obtained after winding the fibrous texture 140 and the non-stick material strip 150 in several layers onto the mandrel 200.
  • the preform 300 comprises four layers 141 to 144 of fibrous texture 140 and three layers 151 to 153 of the non-stick material strip 150 interposed respectively between the adjacent layers 141 and 142, 142 and 143, and 143 and 144.
  • the thickness of the layers 151 to 153 in Figure 6 has been intentionally exaggerated to facilitate understanding of the figure.
  • the interposition of the non-stick material strip 150, between two or more layers of fibrous texture 140 does not necessarily generate an overthickness in the fibrous texture 140 or in the final part.
  • the preform 300 can comprise 4 layers 141 to 144 of fibrous texture 140 and a layer of strip in a non-stick material 150.
  • a fibrous preform 300 is obtained with a delamination zone formed by the interposition of the layers 151 to 153 of the strip 150 between the superimposed layers 141 to 144 of the fibrous texture 140.
  • the fibrous preform 300 is then densified by a matrix.
  • the densification of the fibrous preform consists of filling the porosity of the preform, in all or part of its volume, with the material constituting the matrix.
  • the matrix can be obtained in a manner known per se following the liquid-based process.
  • the liquid process consists of impregnating the preform with a liquid composition containing an organic precursor of the matrix material.
  • the organic precursor is usually in the form of a polymer, such as a resin, possibly diluted in a solvent.
  • the fibrous preform is placed in a mold that can be sealed tightly with a cavity having the shape of the final molded part. As illustrated in Figure 7, the fibrous preform 300 is placed between a plurality of sectors 240 forming a counter-mold and the mandrel 200 forming a support, these elements having respectively the external and internal shapes of the housing to be produced.
  • the liquid matrix precursor for example a resin, is injected throughout the cavity to impregnate the entire fibrous portion of the preform.
  • the transformation of the precursor into an organic matrix is carried out by heat treatment, generally by heating the mold, after removal of any solvent and crosslinking of the polymer, the preform always being held in the mold having a shape corresponding to that of the part to be produced.
  • the organic matrix can in particular be obtained by starting from epoxy resins, such as, for example, a commercially available high-performance epoxy resin, or from liquid precursors of carbon or ceramic matrices.
  • the densification of the fibrous preform can be achieved by the well-known resin transfer molding (RTM) process.
  • RTM resin transfer molding
  • the fibrous preform is placed in a mold having the shape of the housing to be produced.
  • a thermosetting resin is injected into the internal space defined between the mandrel 200 and the counter-molds 240, which includes the fibrous preform.
  • a pressure gradient is generally established in this internal space between the point where the resin is injected and the resin discharge ports in order to control and optimize the impregnation of the preform by the resin.
  • the resin used can be, for example, an epoxy resin.
  • Resins suitable for RTM processes are well known. They preferably have a low viscosity to facilitate their injection into the fibers. The choice of temperature class and/or the chemical nature of the resin is determined according to the thermomechanical stresses to which the part must be subjected. Once the resin has been injected throughout the reinforcement, it is polymerized by heat treatment in accordance with the RTM process.
  • the part is demolded. Finally, the part is trimmed to remove excess resin, and the chamfers are machined to obtain the housing 10 illustrated in Figure 1.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un procédé fabrication d'une pièce de révolution (100) en matériau composite pour turbine à gaz, comprenant l'enroulement d'une texture fibreuse (140) sur plusieurs tours superposés sur un mandrin afin d'obtenir une préforme fibreuse (300) de forme de révolution, ladite préforme s'étendant en largeur suivant une direction axiale, en épaisseur suivant une direction radiale et en longueur suivant une direction circonférentielle, la densification de la préforme fibreuse par une matrice. Lors de l'enroulement de la texture fibreuse le procédé comprend une interposition d'une bande en matériau antiadhésif entre deux tours adjacents de la texture fibreuse, ladite bande en matériau antiadhésif s'étendant suivant la direction circonférentielle le long de l'interface entre lesdits tours adjacents et a une largeur inférieure à la largeur de la préforme suivant la direction axiale

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite avec l'insertion d'un antiadhésif inter- plis
Domaine Technique
[0001] La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces de révolution exposées aux impacts et plus particulièrement, mais non exclusivement, les carters de soufflante de turbine à gaz pour moteurs aéronautiques.
Technique antérieure
[0002] Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, le carter de soufflante remplit plusieurs fonctions. Il définit la veine d’entrée d’air dans le moteur, supporte un matériau abradable en regard des sommets d’aubes de la soufflante, supporte une structure éventuelle d’absorption d’ondes sonores pour le traitement acoustique en entrée du moteur et incorpore un bouclier de rétention. Le bouclier de rétention constitue un piège à débris retenant les débris, tels que des objets ingérés ou des fragments d’aubes endommagées, projetés par centrifugation, afin d’éviter qu’ils traversent le carter et atteignent d’autres parties de l’aéronef.
[0003] Précédemment réalisés en matériau métallique, les carters, comme le carter de soufflante, sont maintenant réalisés en matériau composite, c'est-à-dire à partir d'une préforme fibreuse densifiée par une matrice organique, ce qui permet de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique tout en présentant une résistance mécanique au moins équivalente sinon supérieure.
[0004] La fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite à matrice organique est notamment décrite dans le document US 8 322 971. Dans le carter divulgué dans le document US 8 322 971, le bouclier de rétention est constitué par une portion de surépaisseur obtenue au niveau du renfort fibreux du carter qui présente une épaisseur évolutive. Le renfort fibreux est obtenu par enroulement d'une texture fibreuse tissée 3D qui présente une portion de surépaisseur apte à former un bouclier de rétention. Le carter ainsi obtenu présente au niveau de son bouclier de rétention de bonnes propriétés mécaniques à la fois en termes de résistance à la perforation (rétention) et de comportement dynamique.
[0005] Cependant, les zones structurales présentes en dehors de la zone de rétention étant plus minces, elles présentent une résistance moindre vis-à-vis des impacts perforants ou non perforants. Par conséquent, une déformation de la face externe du carter peut avoir lieu lorsque celui-ci est soumis à des efforts perforants ou non perforants.
[0006] Il existe dans l'art antérieur des solutions qui cherchent à améliorer la résistance à la déformation de la face externe du carter. A ce titre, le document FR3109180 décrit un carter ayant un feuillard métallique sur la surface externe du carter. Cependant, cette solution entraîne une augmentation significative de l'encombrement et de la masse globale du carter, en particulier lorsqu'il s'agit d'un carter de soufflante ayant un grand diamètre.
[0007] En outre, les solutions de l'art antérieur présentent l'inconvénient de concentrer les contraintes sur la face externe du carter lorsque celui-ci est soumis à des impacts perforants ou non perforants. En effet, la structure des carters de l'art antérieur est constituée d'un monobloc ou de plusieurs couches liées entre elles. Ainsi lorsque le carter est soumis à un impact perforant ou non perforant, une contrainte ou déformée maximale est engendrée sur la face opposée à l'effort, à savoir la face externe du carter.
Exposé de l'invention
[0008] La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution pour la fabrication d'un carter de soufflante qui ne présente pas les inconvénients précités.
[0009] A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite pour turbine à gaz, comprenant les étapes suivantes :
[0010] - l'enroulement d'une texture fibreuse sur plusieurs tours superposés sur un mandrin afin d'obtenir une préforme fibreuse de forme de révolution correspondant à celle de la pièce de révolution à fabriquer, ladite préforme s'étendant en largeur suivant une direction axiale, en épaisseur suivant une direction radiale et en longueur suivant une direction circonférentielle,
[0011] - la densification de la préforme fibreuse par une matrice,
[0012] caractérisé en ce que, lors de l'enroulement de la texture fibreuse sur le mandrin, le procédé comprend en outre une interposition d'au moins une bande en un matériau antiadhésif entre au moins deux tours adjacents de la texture fibreuse, ladite au moins une bande en matériau antiadhésif s'étendant suivant la direction circonférentielle le long de l'interface entre lesdits au moins deux tours adjacents et en ce que ladite au moins une bande en matériau antiadhésif a une largeur inférieure à la largeur de la préforme suivant la direction axiale.
[0013] Ainsi, le procédé de fabrication permet d'obtenir une pièce de révolution ayant une zone de délaminage, ce qui favorise la répartition des contraintes au sein du renfort fibreux. Cela permet de réduire la déformée engendrée sur la face externe de la pièce tout en conservant sa tenue structurale globale.
[0014] Lorsque la pièce est soumise à un impact, chacune des couches de celle-ci va se déformer de manière isolée et dissiper une partie de l'énergie reçue avant de la transmettre à la couche adjacente.
[0015] En outre, le procédé permet d'obtenir une pièce en matériau composite ayant des propriétés mécaniques améliorées sans augmentation de la masse globale.
[0016] On entend par « délaminage » un phénomène qui comprend la dissociation au moins partielle des plusieurs couches dans le renfort fibreux de la pièce.
[0017] Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, ladite au moins une bande en matériau antiadhésif peut s'étendre sur une largeur comprise entre 5% et 25% de la largeur de ladite préforme.
[0018] Une telle largeur permet d'obtenir un meilleur compromis entre une bonne répartition des contraintes et une bonne tenue structurale globale de la pièce. [0019] Cette plage de valeurs permet obtenir un bon rapport entre la réduction de la déformation sur la face externe de ladite pièce et la conservation de la tenue structurale de celle-ci.
[0020] Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, le matériau antiadhésif peut être choisi parmi le polytétrafluoroéthylène, les peintures, les céramiques, les alliages ou un mélange de ceux-ci.
[0021] Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, le matériau antiadhésif peut comprendre du polytétrafluoroéthylène. Le polytétrafluoroéthylène présente l'avantage d'avoir une très bonne inertie chimique, ce qui lui permet de ne pas se lier à la matrice lors de la densification et de faciliter le délaminage. Il présente également l'avantage d'être flexible, ce qui lui permet d'épouser de manière optimale la surface de la texture fibreuse sur laquelle il est disposé.
[0022] L'invention concerne également une pièce de révolution en matériau composite pour turbine à gaz, comprenant renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une texture fibreuse ayant un tissage tridimensionnel en forme de bande, ladite texture fibreuse étant enroulée sur elle-même sur plusieurs tours, ladite pièce s'étendant en largeur suivant une direction axiale, en épaisseur suivant une direction radiale entre une première et une deuxième faces opposées, et en longueur suivant une direction circonférentielle, caractérisée en ce que ledit renfort comprend une bande en matériau antiadhésif entre au moins deux tours adjacents de ladite texture fibreuse, ladite au moins une bande en matériau antiadhésif s'étendant suivant la direction circonférentielle le long de l'interface entre lesdits au moins deux tours adjacents et en ce que ladite au moins une bande en matériau antiadhésif a une largeur inférieure à la largeur dudit renfort suivant la direction axiale.
[0023] Ainsi, il est possible de répartir les contraintes au sein du renfort fibreux lorsque la pièce est soumise à des impacts perforants ou non perforants. Il est également possible de réduire la déformée engendrée sur la face externe de la pièce tout en conservant sa tenue structurale. En outre, la pièce en matériau composite selon l'invention présente l'avantage d'avoir des propriétés mécaniques améliorées sans augmentation de la masse globale. [0024] Selon une caractéristique particulière de la pièce de l'invention, ladite au moins une bande peut s'étendre sur une largeur comprise entre 10% et 25% de la largeur dudit renfort.
[0025] Selon une caractéristique particulière de la pièce de l'invention, le matériau antiadhésif peut être choisi parmi le polytétrafluoroéthylène, les peintures, les céramiques, les alliages ou un mélange de ceux-ci.
Brève description des dessins
[0026] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[0027] [Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un carter de turbomachine dans un mode de réalisation de l'invention,
[0028] [Fig 2] La figure 2 est une vue en coupe selon le plan II-II du carter de la figure 1, montrant l'empilement des tours superposés du carter selon un mode de réalisation dans la zone de délaminage du carter,
[0029] [Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective montrant la mise en forme d'une texture fibreuse et d'une bande en matériau antiadhésif destinées à former le renfort du carter de soufflante de la figure 1,
[0030] [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en perspective d'un métier à tisser montrant le tissage d'une texture fibreuse utilisée pour la formation du renfort fibreux du carter de la figure 1,
[0031] [Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique montrant l'enroulement simultané de la structure fibreuse et de la bande en un matériau antiadhésif de la figure 3,
[0032] [Fig. 6] La figure 6 est une vue en coupe montrant le profil de la préforme fibreuse obtenue après enroulement de la structure fibreuse et de la bande un matériau antiadhésif des figures 3 et 5, [0033] [Fig. 7] La figure 7 est une vue schématique montrant un outillage permettant de densifier avec une matrice la préforme fibreuse obtenue à l'issu de l'enroulement.
Description des modes de réalisation
[0034] L’invention s'applique d'une manière générale à toute pièce de révolution en matériau composite de turbine à gaz comportant un bouclier de rétention.
[0035] On décrit ci-après un procédé de fabrication d'une pièce de révolution de l'invention appliqué selon un premier exemple, à un carter de soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz.
[0036] Un tel moteur, comme montré très schématiquement par la figure 1 comprend, de l’amont vers l’aval dans le sens de l’écoulement de flux gazeux, une soufflante 1 disposée en entrée du moteur, un compresseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine haute-pression 4 et une turbine basse pression 5.
[0037] Le moteur est logé à l’intérieur d’un carter comprenant plusieurs parties correspondant à différents éléments du moteur. Ainsi, la soufflante 1 est entourée par un carter de soufflante 10 présentant une forme de révolution.
[0038] Le carter de soufflante 10 est ici réalisé en matériau composite à matrice organique, c'est-à-dire à partir d'un renfort en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique, densifié par une matrice en polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. La fabrication d'un tel carter est notamment décrite dans le document US 8 322 971. La surface interne 11 du carter définit la veine d'entrée d'air du moteur.
[0039] Le carter 10 s'étend en largeur suivant une direction axiale D entre ses extrémités amont et aval (de gauche à droit sur la figure 2) qui sont ici munies de brides externes 14, 15 à afin de permettre son montage et sa liaison avec d’autres éléments. Le carter s'étend en épaisseur suivant une direction radiale et en longueur suivant une direction circonférentielle. Conformément à l'invention, le carter 10 comprend une zone de délaminage 12 (figure 1). [0040] Le renfort fibreux est formé par enroulement sur un mandrin 200 d'une texture fibreuse 140 réalisée par tissage tridimensionnel, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser (Figure 3).
[0041] Le renfort fibreux du carter 10 est constitué d'une pluralité de couches superposées 141 à 144 d'une texture fibreuse 140 sous forme d'une bande présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, chaque couche 141 à 144 correspondant à un tour d'enroulement de la texture fibreuse 140 (figure 2).
[0042] En outre, une bande en un matériau antiadhésif 150 est interposée entre deux couches adjacentes de la texture fibreuse, la bande en un matériau antiadhésif 150 présentant une largeur li50 inférieure à la largeur li40 de la texture fibreuse 140 (figure 3) et délimitant la zone de délaminage du carter 10.
[0043] Dans l'exemple décrit dans la figure 2, les couches 151 à 153, de bande en un matériau antiadhésif 150 sont interposées entre les couches superposées 141 à 144 de la texture fibreuse 140, chaque couche 151 à 153 correspondant à un tour d'enroulement de la bande en un matériau antiadhésif 150. D'une manière générale, la bande en matériau antiadhésif 150 permettant de former une portion de délaminage peut être interposée entre deux ou plusieurs couches de texture fibreuse 140 superposées correspondant chacune à un tour d'enroulement de ladite texture fibreuse 140. Sur la figure 2, l'épaisseur des couches 151 à 153 a été volontairement amplifiée afin de faciliter la compréhension de la figure 2. L'interposition de la bande en un matériau antiadhésif 150, entre deux ou plusieurs couches de texture fibreuse 140, ne génère pas obligatoirement une surépaisseur dans la texture fibreuse 140 ni dans la pièce finale.
[0044] Dans les solutions de l'art antérieur, la structure de la pièce de révolution est de type monobloc ou constituée de plusieurs couches de texture fibreuse collées les unes aux autres. Ainsi lorsque le carter est soumis à des efforts perforants ou non perforants une contrainte et une déformée maximale sont générées sur la face externe opposée à l'effort, c'est-à-dire la surface externe du carter. En ajoutant la bande en un matériau antiadhésif, il est possible de conférer à la pièce des propriétés mécaniques particulières. En effet, l'interposition de la bande en un matériau antiadhésif, génère une structure comprenant plusieurs couches découplées localement et, par conséquent, la présence d'un délaminage au sein de la structure de la pièce. Ainsi lorsque la pièce est soumise à des efforts perforants ou non perforants, chaque portion de la couche délaminée va se déformer et dissiper de l'énergie avant de transmettre la contrainte à la couche adjacente. La contrainte est donc répartie au sein des couches du carter. Il est donc possible de réduire la déformée engendrée sur ladite face externe tout en conservant la tenue structurale globale de la pièce.
[0045] En outre, l'ajout de la bande en un matériau antiadhésif facilite le délaminage des portions axiales adjacentes. La largeur de la texture fibreuse couverte par la bande en un matériau antiadhésif constitue une zone d'initiation du délaminage. Le délaminage se propage, facilement et de manière rapide, de la zone d'initiation vers les portions axiales adjacentes non couvertes par la bande en un matériau antiadhésif. Ainsi, une partie de l'énergie reçue lors de l'impact est dissipée par chaque couche de la pièce.
[0046] La bande en un matériau antiadhésif peut s'étendre sur une largeur comprise entre 5% et 25% de la largeur dudit renfort fibreux
[0047] La bande en un matériau antiadhésif peut s'étendre sur une largeur qui correspond à 10% de la largeur dudit renfort fibreux.
[0048] Cela permet d'obtenir le meilleur compromis entre une bonne répartition des contraintes et une bonne tenue structurale globale de la pièce.
[0049] le matériau antiadhésif peut être choisi parmi le polytétrafluoroéthylène, les peintures, les céramiques, les alliages.
[0050] L'épaisseur de la bande en un matériau antiadhésif peut être inférieure ou égale à 0.9 mm (à confirmer).
[0051] Le matériau antiadhésif peut comprendre notamment du polytétrafluoroéthylène. Le polytétrafluoroéthylène présente l'avantage d'avoir une très bonne inertie chimique ce qui lui permet de ne pas se lier à la matrice lors de la densification et de faciliter le délaminage. Il présente également l'avantage d'être flexible, ce qui lui permet d'épouser de manière optimal la surface de la texture fibreuse sur laquelle il est disposé. [0052] On décrit maintenant un procédé de fabrication du carter de soufflante 10.
[0053] Comme illustré sur la figure 4 une texture fibreuse 140 est réalisée de façon connue par tissage au moyen d'un métier à tisser de type jacquard 100 sur lequel on a disposé un faisceau de fils ou torons de chaîne 20 en une pluralité de couches, les fils de chaîne étant liés par des fils ou torons de trame 30. La texture fibreuse 140 est réalisée par tissage tridimensionnel.
[0054] Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de trame lient des fils de chaîne sur plusieurs couches de fils de chaîne ou inversement. Un exemple de tissage tridimensionnel est le tissage dit à armure « interlock ». Par tissage « interlock », on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame, avec tous les fils d'une même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure.
[0055] La réalisation de la texture fibreuse par tissage 3D permet d'obtenir une liaison entre les couches, donc d'avoir une bonne tenue mécanique de la structure fibreuse et de la pièce en matériau composite obtenue, en une seule opération textile.
[0056] Comme illustré sur la figure 4, la texture fibreuse 140 présente une forme de bande qui s'étend en longueur dans une direction X correspondant à la direction de défilement des fils ou torons de chaîne 20 et en largeur ou transversalement dans une direction Y correspondant à la direction des fils ou torons de trame 30. Comme expliqué ci-après, le renfort fibreux de la pièce de révolution, ici le carter 10, est formé par la texture fibreuse 140 qui est mise en forme par enroulement sur elle- même (figure 3). Par conséquent, dans le renfort fibreux de la pièce finale, les fils ou torons de chaîne s'étendent suivant la direction circonférentielle Dc (figure 1) tandis que les fils ou torons de trame s'étendent suivant la direction axiale DA (figure 1).
[0057] La texture fibreuse 140 peut être notamment tissée à partir de fils de fibres de type carbone, céramique telle que du carbure de silicium, verre, ou encore aramide. [0058] Comme illustré sur la figure 3, une préforme fibreuse est formée par enroulement sur un mandrin 200 de la texture fibreuse 140 réalisée par tissage tridimensionnel, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser. Conformément à l'invention, une bande en un matériau antiadhésif 150 est enroulée simultanément avec la texture fibreuse 140, la bande 150 étant positionnée au- dessus de la première couche 141 de la texture 140 enroulée sur le mandrin 200 de manière à intercaler une couche de bande en un matériau antiadhésif 150 de largeur inférieure entre deux couches adjacentes de texture fibreuse de largeur supérieure correspondant à deux tours d'enroulement de la texture fibreuse 140. La bande 150 est positionnée à un emplacement sur la texture fibreuse 140 correspondant à la zone axiale de délaminage à former dans la pièce.
[0059] Selon une caractéristique particulière de l'invention, la largeur li40 peut correspondre à un tour d'enroulement de la texture fibreuse 140.
[0060] Le mandrin 200 présente une surface externe 201 dont le profil correspond à la surface interne du carter à réaliser. Par son enroulement sur le mandrin 200, la texture fibreuse 140 épouse le profil de celui-ci. Le mandrin 200 comporte également deux flasques 220 et 230 pour former des parties de préforme fibreuse correspondant aux brides 14 et 15 du carter 10 (figure 3).
[0061] Lors de la formation de la préforme fibreuse par enroulement, la texture fibreuse 140 et la bande en un matériau antiadhésif 150 sont appelées depuis des tambours 60 et 70 respectivement sur lesquels elles sont stockées comme illustrées sur la figure 5.
[0062] La figure 6 montre une vue en coupe de la préforme fibreuse 300 obtenue après enroulement de la texture fibreuse 140 et de la bande en un matériau antiadhésif 150 en plusieurs couches sur le mandrin 200. Dans l'exemple décrit ici, la préforme 300 comprend 4 couches 141 à 144 de texture fibreuse 140 et 3 couches 151 à 153 de bande 150 en un matériau antiadhésif interposées respectivement entre les couches adjacentes 141 et 142, 142 et 143, et 143 et 144. L'épaisseur des couches 151 à 153 sur la figure 6 a été volontairement amplifiée afin de faciliter la compréhension de la figure 6. L'interposition de la bande en un matériau antiadhésif 150, entre deux ou plusieurs couches de texture fibreuse 140, ne génère pas obligatoirement une surépaisseur dans la texture fibreuse 140 ni dans la pièce finale.
[0063] La préforme 300 peut comprendre 4 couches 141 à 144 de texture fibreuse 140 et une couche de bande en un matériau antiadhésif 150.
[0064] On obtient une préforme fibreuse 300 avec une zone de délaminage formée par l'interposition des couches 151 à 153 de la bande 150 entre les couches superposées 141 à 144 de la texture fibreuse 140.
[0065] On procède ensuite à la densification de la préforme fibreuse 300 par une matrice.
[0066] La densification de la préforme fibreuse consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice.
[0067] La matrice peut être obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide.
[0068] Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur organique du matériau de la matrice. Le précurseur organique se présente habituellement sous forme d’un polymère, tel qu’une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme fibreuse est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. Comme illustré sur la figure 7, la préforme fibreuse 300 est ici placée entre une pluralité de secteurs 240 formant un contre-moule et le mandrin 200 formant un support, ces éléments présentant respectivement la forme extérieure et la forme intérieure du carter à réaliser. Ensuite, on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme.
[0069] La transformation du précurseur en matrice organique, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que, par exemple, une résine époxyde à hautes performances présente dans le commerce, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique.
[0070] Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme du carter à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne délimité entre le mandrin 200 et les contres-moules 240 et qui comprend la préforme fibreuse. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace interne entre l'endroit où est injecté la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine.
[0071] La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM.
[0072] Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés pour obtenir le carter 10 illustré sur la figure 1.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce de révolution (100) en matériau composite pour turbine à gaz, comprenant les étapes suivantes :
- l'enroulement d'une texture fibreuse (140) sur plusieurs tours superposés (141, 142, 143, 144) sur un mandrin (200) afin d'obtenir une préforme fibreuse (300) de forme de révolution correspondant à celle de la pièce de révolution à fabriquer, ladite préforme s'étendant en largeur suivant une direction axiale (DA), en épaisseur suivant une direction radiale (DR) et en longueur suivant une direction circonférentielle (Dc) ,
- la densification de la préforme fibreuse (300) par une matrice, caractérisé en ce que, lors de l'enroulement de la texture fibreuse (140) sur le mandrin (200) le procédé comprend en outre une interposition d'au moins une bande en un matériau antiadhésif (150) entre au moins deux tours adjacents de la texture fibreuse (140), ladite au moins une bande en matériau antiadhésif (150) s'étendant suivant la direction circonférentielle (De) le long de l'interface entre lesdits au moins deux tours adjacents et en ce que ladite au moins une bande en matériau antiadhésif a une largeur inférieure (li50) à la largeur de la préforme (li4o) suivant la direction axiale (DA).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une bande s'étend sur une largeur comprise entre 5% et 25% de la largeur de ladite préforme (300).
[Revendication 3] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le matériau antiadhésif est choisi parmi le polytétrafluoroéthylène, les peintures, les céramiques, les alliages ou un mélange de ceux-ci.
[Revendication 4] Pièce de révolution en matériau composite pour turbine à gaz, comprenant renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une texture fibreuse ayant un tissage tridimensionnel en forme de bande, ladite texture fibreuse (140) étant enroulée sur elle-même sur plusieurs tours, ladite pièce s'étendant en largeur suivant une direction axiale (DA), en épaisseur suivant une direction radiale (DR) entre une première et une deuxième faces opposées, et en longueur suivant une direction circonférentielle (Dc), caractérisée en ce que ledit renfort comprend une bande en un matériau antiadhésif (150) entre au moins deux tours adjacents de ladite texture fibreuse, ladite au moins une bande en matériau antiadhésif (150) s'étendant suivant la direction circonférentielle (De) le long de l'interface entre lesdits au moins deux tours adjacents et en ce que ladite au moins une bande en matériau antiadhésif a une largeur inférieure (1150) à la largeur dudit renfort (li4o) suivant la direction axiale (D ).
[Revendication 5] Pièce selon la revendication 4, dans laquelle ladite au moins une bande s'étend sur une largeur comprise entre 5% et 25% de la largeur dudit renfort.
[Revendication 6] Pièce selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans laquelle le matériau antiadhésif est choisi parmi le polytétrafluoroéthylène, les peintures, les céramiques, les alliages ou un mélange de ceux-ci.
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