EP0700738A1

EP0700738A1 - Procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine

Info

Publication number: EP0700738A1
Application number: EP95402012A
Authority: EP
Inventors: Matthieu Bichon; Yvon Marie Joseph Louesdon; Charles Jean Pierre Douguet; Florence Anne Nathalie Renou; Alain Georges Henri Lorieux
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1995-09-06
Publication date: 1996-03-13
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: FR2724127A1; ATE187370T1; FR2724127B1; JP3305927B2; CA2157643C; DE69513754T2; JPH08189303A; ES2139860T3; IL115123A0; EP0700738B1; CA2157643A1; DE69513754D1; IL115123A; US5636440A

Abstract

Un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine comporte les étapes suivantes : (a) à partir de la définition d'une aube à obtenir, étude en utilisant des moyens de Conception et Fabrication Assistés par Ordinateur/CFAO et réalisation d'une simulation numérique de la mise à plat des pièces constitutives de l'aube ; (b) forgeage sur presse des pièces primaires par matriçage ; (c) usinage des pièces primaires ; (d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif prédéfini ; (e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage-diffusion en pression isostatique ; (f) gonflage sous pression de gaz et formage superplastique ; (g) usinage final.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine.
Les avantages découlant de l'utilisation d'aubes à grande corde pour les turbomachines sont apparus notamment dans le cas des aubes de rotor de soufflante des turboréacteurs à double flux. Ces aubes doivent répondre à des conditions sévères d'utilisation et posséder notamment des caractéristiques mécaniques suffisantes associées à des propriétés antivibratoires et de résistance aux impacts de corps étrangers. L'objectif de vitesses suffisantes en bout d'aube a en outre amené à rechercher une réduction des masses. Ce but est notamment atteint par l'utilisation d'aubes creuses.
EP-A-0.500.458 décrit un procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine, notamment une aube de rotor de soufflante à grande corde. Les pièces primaires utilisées dans cette fabrication comprennent deux tôles extérieures et au moins une tôle centrale. Le procédé décrit comporte une opération de formage à chaud par cambrage et vrillage des pièces, une opération de soudage-diffusion dans des zones localisées et une opération de gonflage sous pression de gaz induisant un formage superplastique amenant les surfaces extérieures de l'aube au profil recherché. Des outillages appropriés, notamment des matrices de forme, sont utilisés pour la réalisation de ces opérations.
Le but de l'invention est d'apporter aux nombreux procédés connus de fabrication d'aubes creuses, illustrés notamment par l'exemple cité ci-dessus, des améliorations substantielles visant notamment à obtenir des aubes présentant des caractéristiques mécaniques améliorées et optimisées dans les conditions d'utilisation, en garantissant une qualité répétitive tout en facilitant les conditions de fabrication au moindre coût.
Ces buts sont atteints par un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine qui comporte les étapes suivantes :

(a) à partir de la définition d'une aube à obtenir, étude en utilisant des moyens de Conception et Fabrication Assistés par Ordinateur / CFAO et réalisation d'une simulation numérique de la mise à plat des pièces constitutives de l'aube, correspondant à un dégonflage ;
(b) forgeage sur presse des pièces primaires par matriçage ;
(c) usinage des pièces primaires ;
(d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif prédéfini ;
(e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage-diffusion en pression isostatique ;
(f) gonflage sous pression de gaz et formage superplastique ;
(g) usinage final,

Dans le cas d'un alliage de titane, du type TA6V, la taille de grain obtenue est inférieure à 10 µm, pour une température de matriçage de la pièce comprise entre 880°C et 950°C et une température d'outillage comprise entre 600°C et 850°C.
De manière avantageuse, le cambrage / vrillage des aubes placé après l'opération de soudage-diffusion permet une plus grande facilité de l'application des barrières de diffusion sur un motif préétabli sur pièce à plat.
De manière avantageuse, la réalisation d'aube de soufflante à très fort taux de compression, suppose une très forte cambrure de la base pale et un vrillage accentué et non continu. Ceci nécessite une opération spécifique d'allongement des fibres précédant l'opération de vrillage.
De manière avantageuse, l'opération de vrillage dans ce cas peut être intégrée à l'opération de gonflage sous pression gazeuse et formage superplastique.
De manière avantageuse, l'opération de cambrage/vrillage des aubes peut être placée après l'opération de forgeage dans le cas de développement exploratoire nécessitant de faibles séries de pièces, ou après l'opération d'usinage des pièces primaires dans le cas de formes aérodynamiques simples.
De manière avantageuse, l'opération de cambrage/vrillage s'effectue sur une presse, de manière isotherme. Dans le cas d'alliage de titane type TA6V, cette température sera comprise entre 700 et 940°C.
Cette opération nécessite un blocage des extrémités afin de garantir un allongement effectif des fibres dans les zones choisies, ceci sans déchirure. La longueur de la fibre centrale reste inchangée et le taux d'allongement des fibres varie suivant leur distance à cette fibre centrale.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre des modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 représente une vue schématique de la première étape de simulation de la mise à plat d'une aube creuse dans le procédé de fabrication conforme à l'invention ;
la figure 2 représente une vue en perspective d'une pièce brute de départ dans le procédé de fabrication d'une aube creuse conforme à l'invention ;
la figure 3 représente la pièce de la figure 2 à un premier stade de mise en forme ;
la figure 4 représente la pièce des figures 2 et 3 au stade suivant de mise en forme ;
la figure 5 représente selon une vue en perspective un exemple de pièce obtenue à l'issue des étapes de forgeage et usinage du procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'invention ;
la figure 6 représente selon une vue en coupe par un plan passant par l'axe longitudinal de la pièce suivant la ligne VI VI de la figure 5 la pièce obtenue à ce stade de fabrication selon la figure 5 ;
la figure 7 représente un graphique reproduisant un cycle d'évolution des températures de pièce lors du forgeage par matricage sous presse des pièces primaires constitutives de l'aube ;
la figure 8 représente une vue en perspective d'une pièce primaire constitutive de l'aube creuse obtenue par le procédé conforme à l'invention après la réalisation de l'étape de préparation par dépôt de barrières anti-diffusion ;
les figures 9 et 10 représentent une vue en perspective des pièces primaires de l'aube creuse lors de l'étape d'assemblage suivi du soudage-diffusion du procédé conforme à l'invention ;
les figures 11 et 12 représentent schématiquement les résultats d'une simulation numérique d'une opération de mise à longueur des fibres à effectuer sur les pièces constitutives de l'aube creuse assemblée obtenue par le procédé conforme à l'invention ;
la figure 13 représente une vue en perspective de l'aube obtenue par ledit procédé après une opération de mise en forme conduisant à un allongement des fibres ;
la figure 14 représente une vue schématique en perspective d'un exemple d'outil de presse utilisé pour obtenir la pièce de la figure 13 ;
la figure 15 représente une vue en bout de l'aube de la figure 13 montrant le résultat de l'opération de cambrage du pied d'aube ;
la figure 16 représente une vue schématique de la réalisation de l'opération de vrillage de l'aube des figures 13 et 15 ;
la figure 17 représente selon une vue en coupe par un plan passant par l'axe longitudinal de pièce suivant une ligne XVII-XVII de la figure 16 la réalisation de l'opération de vrillage de la figure 16 ;
la figure 18 représente selon une vue schématique en perspective une variante de réalisation de l'opération de vrillage de l'aube des figures 13 et 15 ;
la figure 19 représente une vue en perspective de l'aube obtenue après l'opération de vrillage dudit procédé ;
la figure 20 représente selon une vue schématique en perspective un exemple d'une partie de l'outillage utilisé lors de l'étape de formage superplastique de l'aube de la figure 19 ;
la figure 21 représente selon une vue schématique en coupe par un plan transversal un exemple de profil d'aube avant gonflage et en tiretés, après gonflage.

La première étape (a) du procédé de fabrication d'une aube creuse de soufflante de turbomachine conforme à l'invention comporte une opération dite de mise à plat, à partir de la définition de la pièce finie.
L'opération de mise à plat est constituée du dégonflage suivie du dévrillage/décambrage.
Comme représenté sur la figure 1, les principes de construction et de contrôle d'une aube de soufflante sont basés sur l'utilisation de sections de définition réparties le long de l'axe moteur. Chaque section est travaillée afin que l'ensemble des autres pièces constitutives de l'aube telles que 11, 12 soient plaquées sur la peau d'intrados 13 inchangée. L'épaisseur de la peau extrados 11 est ajustée en fonction de son allongement ultérieur lors de l'opération de formage.
A ce stade, on réalise une simulation numérique du gonflage confirmant le résultat intermédiaire.
Comme représentée sur la figure 1, la géométrie finale vrillée est transformée en celle à plat. Le dévrillage/décambrage est une opération délicate pour laquelle le procédé de fabrication conforme à l'invention prévoit une méthode remarquable, automatisée, respectant la conservation du volume par la répartition de matière en fonction du taux de déformation lié à la position de chaque section.
A ce stade, on réalise une nouvelle simulation numérique du vrillage confirmant le résultat final.
De façon avantageuse, il est possible de réaliser la mise à plat en une seule opération, sans l'étape de dégonflage.
La seconde étape (b) consiste à forger sur presse les pièces primaires constitutives de l'aube telles que 11, 12, 13 visibles sur la figure 9, par matriçage. Selon les techniques connues antérieures, ce type de pièce est fabriqué à partir de tôles laminées car on considère que la dimension et la taille ne permettent pas d'assurer par forgeage une ébauche suffisamment précise et fine.
Selon l'invention et comme il est connu en soi dans le procédé de forgeage de précision, la pièce brute de départ est constituée, comme représenté sur la figure 2, d'une barre 3, d'un alliage de titane par exemple TA6V, de dimension adéquate (diamètre compris entre 80 et 120mm) pour réaliser l'ébauche des pièces primaires. Comme représenté sur la figure 3 une ou plusieurs opérations de refoulage permettent la mise en place de la matière dans les zones de fort volume de type pied 4 ou bout de pale. A ce stade, les barres sont chauffées à une température comprise entre 880°C et 950°C, alors que l'outillage est chauffé à une température comprise entre 200 et 250°C.
L'une des difficultés et donc une étape remarquable du procédé selon l'invention réside dans la capacité à produire des ébauches forgées 5 telles que représentées sur la figure 5 de dimension et surtout d'épaisseur capables de produire économiquement des aubes à grande corde. Les inventeurs ont mis au point une méthode de forgeage des ébauches permettant de garantir sur une presse de grande puissance des ébauches précises et calibrées.
En effet la réalisation d'aubes de soufflante de turboréacteur à grande corde nécessite des ébauches de grande taille. A titre d'exemple un turboréacteur de la classe 270KN de poussée nécessite des aubes d'une largeur de 500 mm environ. Cette largeur est encore augmentée par d'éventuelles sur largeurs pouvant atteindre 50 mm environ sur chaque bord pour assurer des fonctions de types assemblage, maintien, etc... du produit.
Afin d'obtenir un produit suffisamment fin et afin de limiter les coûts de matière première et d'usinage, tout en limitant la pression de forgeage, les inventeurs ont mis au point un procédé comprenant une combinaison judicieuse d'une forme trapézoïdale 6 de l'ébauche 5 telle que représentée sur la figure 4, de la lubrification et du chauffage des outillages. Notamment, l'opération de forgeage sur presse ou matriçage permettant d'obtenir les pièces telles que 5 de la figure 4 est effectuée en chauffant la pièce à une température comprise entre 880°C et 950°C et l'outillage à une température comprise entre 700°C et 900°C.
Il est alors possible de réaliser un produit avec un rapport de finesse défini par le rapport épaisseur/largeur de l'aube de l'ordre de 0,02. La figure 7 montre un graphique d'évolution de température à chaque matriçage. La courbe a correspond aux températures des surfaces de contact de matrice, la courbe b la température interne de l'outillage et la courbe c la température du porte-outil. On constate que grâce à un cycle de matriçage parfaitement maîtrisé, le cycle de température varie entre 720°C et 840°C.
La structure des barres de départs 3 est grossière par rapport aux spécifications classiques appliquées à des barres de plus petites dimensions (diamètre 50 mm) utilisées pour le matriçage d'aubes classiques de turboréacteur : le forgeage et matriçage permettent d'affiner la structure d'une manière significative puisque la taille de grain est ramenée de 10 µm en moyenne à 7 µm. Cette opération permet ainsi de gagner 30 MPa en moyenne sur la tenue en fatigue du produit final et ceci malgré les cycles thermiques du soudage-diffusion et du gonflage qui suivent l'opération de forgeage.
Dans l'exemple représenté sur les figures 5 et 6, la précision du forgeage permet de réaliser la surface 8 gauche externe finie de forgeage : l'état de surface final étant obtenu par un polissage sélectif, à commande numérique, effectué sur une machine à polir 5 axes.
La finition de la surface interne 9 des pièces primaires est réalisée par usinage par tout procédé d'usinage connu en soi, ces usinages constituant l'étape (C) du procédé conforme à l'invention.
Les opérations de préparation du sandwich jusqu'à l'obtention d'un ensemble soudé-diffusé font appel à des procédés déja connus comprenant les opérations de l'étape suivante (d) du procédé :

nettoyage parfait des surfaces, internes particulièrement ;
application d'un produit anti-diffusant sur au moins deux des faces internes avec des motifs prédéfinis 10, par exemple par un procédé de sérigraphie classique, comme schématisé sur la figure 8 ;
cuisson du produit anti-diffusant entre 250°C et 280°C pour dégrader tout ou partie du liant ;

assemblage des pièces primaires 11, 12, 13 afin d'obtenir l'ensemble 14 en utilisant au moins deux pions de centrage 15, 16, comme représenté sur les figures 9 et 10 ;
soudage TIG ou par faisceau d'électrons de la périphérie puis éventuellement de deux tubes 17, 18 de mise au vide ;
tirage du vide dans une enceinte à vide et fermeture des tubes 17, 18 dans le cas de leur utilisation ;
soudure-diffusion à une température de 875°C à 940°C, et sous une pression de 30 à 40 x 10⁵ MPa pendant 1 H mini.

Les étapes suivantes (f) de gonflage sous pression de gaz et formage superplastique et (g) d'usinage final sont ensuite effectuées dans des conditions de réalisation connues en soi, les paramètres, notamment la température et les pressions appliquées étant déterminées en fonction du matériau des pièces. Par ailleurs et suivant les applications particulières du procédé conforme à l'invention à l'obtention d'aubes de soufflante, une mise en forme des pièces par cambrage/vrillage peut être nécessaire. Dans ce cas le cambrage/vrillage est une opération délicate qui nécessite un certain nombre de précautions pour éviter l'apparition d'ondulations dues aux allongements des différentes parties de la pièce lors de cette opération.
Préalablement on réalise une opération géométrique sur un système CFAO de manière à conserver de part et d'autre de la fibre neutre, les longueurs des fibres en fonction de leur position par rapport à l'axe 20 de la pièce 19, comme représenté sur les figures 11 et 12.
A ce stade, on réalise une simulation numérique du vrillage confirmant le résultat final.
L'opération consiste en une mise en forme isotherme de la pièce primaire ou de l'ensemble soudé, sous presse à une température comprise entre 700 et 940°C permettant, avec un outillage 21, d'obtenir les allongements des différentes fibres de la pièce 19.
Cette opération s'effectue à pression contrôlée entre deux outillages métalliques ou céramique à la même température que la pièce soit 700°C à 940°C. La définition géométrique de l'outil 21 réalisée en CFAO intègre la forme de la partie massive du pied 22 et latéralement les allongements évolutifs des fibres notamment par une ou plusieurs ondes 23, 24, 25, 26 dont l'amplitude varie avec le taux d'allongement nécessaire, comme schématisé sur les figures 13 et 14.
Ces allongements vont générer des contraintes de compression longitudinales généralement situées sur l'axe 20 de la pièce.
Celles-ci seront contenues par une immobilisation à chaque extrémité, pied 22 et bout de pale 27.
Cette opération peut comprendre le cambrage du pied 22. L'ajout de surépaisseurs 28, 29, 30 judicieusement placées permet d'assurer un maintien dès le premier contact pièce/outil, comme représenté sur la figure 15.
Pour l'opération de vrillage et comme schématisé sur les figures 16 et 17, l'ensemble soudé 31 est maintenu à chaque extrémité par deux mors 32, 33 dont l'un au moins est mobile en rotation.
L'opération de vrillage est effectuée dans un four ou une enceinte chauffante, à une température de fluage comprise entre 880°C et 920°C en fonction de l'alliage de l'ensemble soudé.
Des masselottes 34,35 imposent à la pièce un vrillage parfaitement contrôlé par des butées de fin de course.
De manière avantageuse, une autre méthode est de fournir le mouvement de rotation d'un au moins des mors par un système mécanique agissant sur le bras de levier 37, ceci est alors réalisé par deux doigts fixés sur la partie mobile d'une presse à laquelle est ajouté une enceinte chauffante locale 38. Des empreintes locales ajoutées 36 permettent d'obtenir la forme aérodynamique accentuée du bord de fuite.
Dans ces deux cas, l'un des mors peut être équipé d'un accouplement hélicoïdal afin d'appliquer à la pièce une contrainte de traction au cours du vrillage, permettant d'éviter l'apparition d'un phénomène d'ondulation, de manière remarquable, conforme à l'invention.
De manière avantageuse, il est possible de réaliser le mouvement de rotation d'un au moins des mors par un moteur électrique ou hydraulique, protégé thermiquement dans la zone de travail.
L'aube vrillée 39 ainsi obtenue et telle que représentée sur la figure 19 est maintenue par ces tourillons 40, 41 durant la fermeture du moule de formage super plastique 44. Ceux-ci sont guidés verticalement par encoches 42, 43, comme représenté sur la figure 20.
L'opération de formage super plastique est réalisée entre 850 et 940°C sous une pression de 20 à 40x10⁵MPa d'argon.
De manière avantageuse, il est possible de former l'aube 31 à partir de la géométrie obtenue après allongement des fibres dans la même opération que le gonflage. La diminution du nombre de chauffes favorise la conservation des caractéristiques mécaniques élevées obtenues par forgeage des pièces constitutives de l'aube.

Claims

Procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine, notamment une aube de rotor de soufflante à grande corde, comportant les étapes suivantes :
- (a) à partir de la définition d'une aube à obtenir, étude en utilisant des moyens de Conception et Fabrication Assistés par Ordinateur/CFAO et réalisation d'une simulation numérique de la mise à plat des pièces constitutives de l'aube ;

- (b) forgeage sur presse des pièces primaires par matriçage ;

- (c) usinage des pièces primaires ;

- (d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif prédéfini ;

- (e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage-diffusion en pression isostatique ;

- (f) gonflage sous pression de gaz et formage superplastique ;

- (g) usinage final, dans lequel, à l'étape (b), l'opération de matriçage est réalisée en matrice chaude, à une température comprise dans un intervalle entre 0,7 et 0,8 Tf, Tf étant la température de fusion de matière, la température des outillages étant portée à 80% de la température de pièce, l'ébauche de pièce utilisée présente une forme trapézoïdale spécifique de manière à obtenir un produit final de finesse équivalent à 0,02 fois la largeur de l'aube et un corroyage du métal permettant de garantir une taille de grain adéquate pour assurer, à l'étape e, de bonnes conditions en soudage-diffusion et les caractéristiques mécaniques recherchées pour l'aube finie comportant une bonne tenue en fatigue et comportant une étape supplémentaire de cambrage et vrillage induisant un allongement des fibres du matériau des pièces permettant la mise à longueur finale de la fibre neutre de part et d'autre de l'axe (20) de la pièce lorsque l'épaisseur des pièces, associée au taux de déformation, est inférieure à la limite du flambage.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 1 dans lequel l'étape (a) comporte une simulation numérique d'un dégonflage, en appliquant les autres pièces constitutives (11, 12) de l'aube sur la peau d'intrados (13) inchangée.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 2 dans lequel la simulation numérique est poursuivie par un dévrillage/décambrage de manière à obtenir un produit plat (2).
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 1 dans lequel l'étape (a) comporte une simulation numérique de mise à plat complète (2) en une seule opération, à partir de la géométrie finale vrillée de l'aube (1).
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ladite aube est en un alliage de titane, du type TA6V, la température de matriçage des pièces est comprise entre 880°C et 950°C, la température d'outillage est comprise entre 600°C et 850°C et l'opération de matriçage permet d'obtenir une microstructure métallurgique de pièce à taille de grain inférieure à 10 µm.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel une étape supplémentaire (e1) de cambrage et vrillage est placée après l'operation de soudage-diffusion (e).
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel une opération d'allongement des fibres est effectuée après l'étape (e) de soudage-diffusion et à l'étape (f), une opération de vrillage est intégrée à l'opération de gonflage sous pression gazeuse et formage superplastique.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel une étape supplémentaire de cambrage et vrillage est placée après l'étape (b) de forgeage des pièces primaires.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel une étape supplémentaire de cambrage et vrillage est placée après l'étape (c) d'usinage des pièces primaires.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l'opération de cambrage et vrillage est effectuée sur une presse, de manière isotherme.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 10, dans lequel ladite aube est en alliage de titane, du type TA6V et la température de forgeage isotherme est comprise entre 700°C et 940°C lors de l'opération de cambrage et vrillage.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel lors de l'opération de cambrage et vrillage, un blocage d'au moins deux extrémités de pièce est assuré afin de garantir un allongement effectif des fibres dans les zones choisies, le taux d'allongement des fibres variant suivant leur distance à une fibre axiale de la pièce dont la longueur reste inchangée.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 12 dans lequel lors de l'opération de vrillage, des empreintes locales d'outillage (36) repositionnent les fibres préalablement allongées de manière à obtenir une forme aérodynamique accentuée dans une zone choisie.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 12 ou 13 dans lequel lors de l'opération de vrillage, le système de blocage d'une au moins des extrémités de pièce comporte un dispositif permettant d'exercer sur la pièce une rotation et une traction suivant l'axe de pièce.
Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 1 dans lequel une étape supplémentaire (b1) comportant une opération de mise en forme sur presse est effectuée après l'étape (b).