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EP3429784B1 - Procede de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine - Google Patents

Procede de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine Download PDF

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Publication number
EP3429784B1
EP3429784B1 EP17715221.2A EP17715221A EP3429784B1 EP 3429784 B1 EP3429784 B1 EP 3429784B1 EP 17715221 A EP17715221 A EP 17715221A EP 3429784 B1 EP3429784 B1 EP 3429784B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
ring sector
turbine
abradable
equal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17715221.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3429784A1 (fr
Inventor
Jean-Baptiste Mottin
Yannick Marcel BEYNET
Geoffroy CHEVALLIER
Romain EPHERRE
Claude Estournes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Toulouse
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Toulouse III Paul Sabatier filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP3429784A1 publication Critical patent/EP3429784A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3429784B1 publication Critical patent/EP3429784B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
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    • F05D2240/11—Shroud seal segments

Definitions

  • This disclosure relates to a method of manufacturing a turbine ring for a turbomachine.
  • the burnt gases from the combustion chamber enter the high-pressure turbine at very high temperature and pressure levels, which causes premature erosion of conventional abradable tracks.
  • thermal barrier type coating whose materials and high density, too high for the coating to be effectively abradable, make it possible to protect the ring against erosion and corrosion.
  • US 2013/177740 A1 discloses a method for the simultaneous manufacture of a porous/abradable layer on an element of a turbomachine, including a turbine ring, by the SPS method.
  • FR 2 941 965 A1 discloses a method in which a protective layer on a turbomachine part (blade) is deposited by the SPS method in which the powder is deposited on a curved surface of the turbomachine part and an undercut is positioned on the powder before SPS sintering.
  • the present disclosure relates to a method of manufacturing a turbine ring for a turbomachine according to claim 1.
  • the turbine ring is usually made in several parts, each part forming a turbine ring sector of reduced dimensions compared to the dimensions of the complete turbine ring. It is therefore simple to arrange a ring sector in a mold.
  • the inner surface of the turbine ring sector is the surface that faces the turbine wheel when the turbine ring is mounted in the turbine, so it is this inner surface on which the powder layer is deposited.
  • SPS sintering process in accordance with the English acronym for "Spark Plasma Sintering", also known as FAST sintering, in accordance with the English acronym for "Field Assisted Sintering Technology", or flash sintering, is a sintering process during which a powder is simultaneously subjected to a high intensity pulsed current and uniaxial pressure in order to form a sintered material.
  • SPS sintering is generally carried out in a controlled atmosphere and can be assisted by a heat treatment.
  • SPS sintering time is relatively short and SPS sintering allows a relatively unrestricted choice of starting powders.
  • SPS sintering allows in particular to sinter, i.e. to densify, materials whose welding is relatively complicated to achieve, or even impossible, because these materials crack easily when heated. Due to the choice of SPS sintering and the short duration of this sintering, it is therefore possible to produce an abradable layer with a very wide variety of materials.
  • the shrinkage due to sintering of the powder layer to give the abradable layer is limited to the direction of application of the pressure. Therefore, no shrinkage of the powder layer is observed in directions perpendicular to the direction of application of the pressure. Also, the abradable layer covers the entire internal surface of the ring sector.
  • the turbine ring is therefore covered with an abradable layer. It is therefore possible to provide a relatively small clearance between the turbine ring and the rotor, for example the blades of a turbine wheel, and to improve the performance of the turbine, without risking damage to the blades in the event of their rubbing on the stator ring.
  • SPS sintering allows the formation of a diffusion layer between the abradable layer and the material forming the ring sector so that the abradable layer is firmly attached to the material forming the ring sector.
  • the abradable layer thus formed cannot be removed from the ring sector unintentionally.
  • the abradable layer of each ring sector has a free surface which may not be in line with the free surface of the adjacent ring sector.
  • the free surfaces of the different ring sectors are machined so as to present a surface intended to face the turbine wheel which has the least possible discontinuity. Indeed, if such discontinuities are present, the blade wheel could come up against these discontinuities and thus cause shocks in the turbine, which is not desirable.
  • the lower mold may have a shape complementary to the outer surface of the turbine ring sector.
  • the lower mold applies a relatively uniform pressure to the outer surface of the ring sector.
  • the mold can accommodate variations in dimensions from one ring sector to another due to the manufacturing process of the ring sector.
  • the turbine sectors can for example be obtained by a casting process and the dimensions of each turbine sector can vary slightly from one turbine sector to another.
  • a layer of chemically inert material can be deposited on the lower mold and on the upper mold.
  • This layer of chemically inert material makes it possible to reduce chemical reactions between the powder layer and the turbine ring sector with the lower mold and the upper mold during SPS sintering.
  • the chemically inert material makes it possible to reduce or even avoid sticking of the abradable layer and/or the ring sector with the mold parts.
  • the chemically inert material also makes it possible to reduce, or even avoid, the formation of a carbide layer on the free surface of the abradable layer.
  • the aim is to avoid the formation of this carbide layer which, if it forms, must be removed from the abradable layer before use.
  • the chemically inert material can also be used to fill existing gaps between the lower mold and the outer surface of the turbine ring sector.
  • the uniformity of the pressure exerted by the lower mold on the turbine ring sector and therefore on the powder layer is improved.
  • the chemically inert material may for example comprise boron nitride or corundum.
  • a chemically inert material comprising boron nitride is understood to mean a material which comprises at least 95% by mass of boron nitride.
  • a chemically inert material comprising corundum is understood to mean a material which comprises at least 95% by mass of corundum.
  • the powder is a metallic powder based on cobalt or nickel.
  • Cobalt-based means a metal powder in which cobalt is the largest mass percentage.
  • nickel-based means a metal powder in which nickel is the largest mass percentage.
  • cobalt-based powder a metal powder containing 38% by mass of cobalt and 32% by mass of nickel will be referred to as a cobalt-based powder, cobalt being the chemical element in which the largest mass percentage is present in the metal powder.
  • Cobalt or nickel-based metal powders are powders that, once sintered, have good resistance to high temperatures. They can thus fulfill the dual function of abradable and heat shield. For example, we can cite CoNiCrAlY superalloys. These metal powders also have the advantage of having a chemical composition similar to the chemical composition of the material forming the turbine ring, for example AM1 or N5 superalloys.
  • SPS sintering can be carried out for a period of less than or equal to 60 minutes, preferably less than or equal to 30 minutes, even more preferably less than or equal to 15 minutes.
  • the SPS sintering time is therefore relatively short.
  • the upper mold and the lower mold are made of tungsten carbide, and the SPS sintering can be carried out at a temperature greater than or equal to 500°C, preferably greater than or equal to 600°C.
  • SPS sintering is carried out at a pressure greater than or equal to 100 MPa, preferably greater than or equal to 200 MPa, even more preferably greater than or equal to 300 MPa.
  • the abradable layer may have an open porosity less than or equal to 20%, preferably less than or equal to 15%, even more preferably less than or equal to 10%.
  • the abradable layer may have a thickness greater than or equal to 0.5 mm, preferably greater than or equal to 4 mm and less than or equal to 15 mm, preferably less than or equal to 10 mm, even more preferably less than or equal to 5 mm.
  • the turbine ring may comprise a number of turbine ring sectors greater than or equal to 20, preferably greater than or equal to 30, even more preferably greater than or equal to 40.
  • FIG. 1 represents, in section along a vertical plane passing through its main axis A, a dual-flow turbojet 10.
  • the dual-flow turbojet 10 comprises, from upstream to downstream according to the circulation of the air flow, a fan 12, a low-pressure compressor 14, a high-pressure compressor 16, a combustion chamber 18, a high-pressure turbine 20, and a low-pressure turbine 22.
  • the high-pressure turbine 20 comprises a plurality of moving blades 20A rotating with the rotor and rectifiers 20B mounted on the stator.
  • the stator of the turbine 20 comprises a plurality of stator rings 24 arranged opposite the moving blades 20A of the turbine 20.
  • each stator ring 24 is made of several ring sectors 26.
  • Each ring sector 26 has an internal surface 28, an external surface 30 and an abradable layer 32 on which the moving blades 20A of the rotor can rub.
  • the ring sector 26 is made of a cobalt- or nickel-based superalloy, such as the AM1 superalloy or the N5 superalloy, and the abradable layer 32 is obtained from a cobalt- or nickel-based metal powder.
  • the method of manufacturing the turbine ring 24 comprises a first step of manufacturing at least one turbine ring sector 26, for example by a foundry method.
  • FIG. 3 shows a sectional view of the turbine ring sector 26 in a mold for SPS sintering.
  • the mold comprises a lower mold 34 of a shape complementary to the external surface 30 of the ring sector 26.
  • the ring sector 26 is positioned in a lower mold 34 such that the outer surface 30 of the ring sector 26 is in contact at least partially with the lower mold 34.
  • the lower mold 34 is therefore not in contact with the ring sector 26 over the entire outer surface 30 of the ring sector 26.
  • the visible spaces between the ring sector 26 and the lower mold 34 make it possible to accommodate the variations in dimensions due to the manufacturing process of the different ring sectors 26.
  • the shape of the lower mold 34 being complementary to the outer surface 30 of the ring sector 26, the pressure exerted by the lower mold 34 on the ring sector 26 is relatively uniform.
  • a layer of powder 36 is then deposited on the internal surface 28 of the ring sector 26 and the upper mold 38 is positioned on the layer of powder 36.
  • the SPS sintering step is then carried out, which makes it possible to obtain an abradable layer 32 made directly on the ring sector 26.
  • the upper mold 38 and the lower mold 34 can be made of graphite. They can also be made of tungsten carbide.
  • a layer of chemically inert material may be deposited in the lower mold 34 and on the upper mold 38.
  • the chemically inert material may be boron nitride applied using a spray. Boron nitride powder may also be added to fill the spaces between the ring sector 26 and the lower mold 34.
  • the chemically inert material can also be corundum.
  • the ring sector 26 coated with the abradable layer 32 is then removed from the mold.
  • each ring sector 26 is covered with a layer of abradable 32.
  • the layer of abradable 32 of each ring sector has a free surface 44 which may not be in the extension of the free surface 44 of the adjacent ring sector 26.
  • the free surfaces 44 of the different ring sectors 26 are machined so as to have a machined surface 46 intended to face the turbine wheel. This machined surface 46 has the least possible discontinuity. Indeed, if such discontinuities are present, the blade wheel could come up against these discontinuities and thus cause shocks in the turbine, which is not desirable.
  • FIG. 5 is an image taken using a scanning electron microscope of an interface between a ring sector 26 and an abradable layer 32.
  • this abradable layer 32 is sintered on the ring sector 26 at 950°C, under a pressure of 40 MPa for 30 minutes.
  • the pressure can be applied cold, that is to say from the start of the cycle, or hot, during the sintering stage.
  • the chemical composition evolves progressively, along line 40 of the figure 5 , starting from the ring sector 26 towards the abradable layer 32, defining a diffusion zone 42 at the interface between the ring sector 26 and the abradable layer 32.
  • FIGS. 7A-7D represent different microstructures of abradable layers 32 whose open porosity is respectively approximately 10%, approximately 7%, approximately 3% and almost zero.
  • the Figure 7A represents a layer of abradable 32 obtained during an SPS sintering step at 925°C for 10 minutes by applying a pressure of 20 MPa.
  • the Figure 7D represents a layer of abradable 32 obtained during an SPS sintering step at 950°C for 30 minutes applying a pressure of 40 MPa.
  • the thickness of the abradable layer 32 obtained after SPS sintering depends in particular on the thickness of the powder layer 36 deposited on the internal surface 28 of the ring sector 26 as well as on the SPS sintering parameters.
  • the thickness of the abradable layer 32 obtained after SPS sintering may also depend on the particle size and morphology of the powder used. In particular, the morphology of the powder may depend on the method of manufacturing the powder. Thus, a powder manufactured by gas atomization or rotating electrode will have grains of substantially spherical shape while a powder manufactured by liquid atomization will have grains of less regular shape.

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Description

    Arrière-plan de l'invention
  • Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine.
  • Dans de nombreuses machines tournantes, il est désormais connu de munir l'anneau du stator de pistes abradables en regard du sommet des aubes du rotor. De telles pistes sont réalisées à l'aide de matériaux dit « abradables » qui, lorsqu'ils entrent en contact avec les aubes tournantes, s'usent plus facilement que ces dernières. On assure ainsi un jeu minimal entre le rotor et le stator, améliorant les performances de la machine tournante, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur le stator. Au contraire, un tel frottement érode la piste abradable, ce qui permet d'ajuster automatiquement le diamètre de l'anneau du stator au plus proche du rotor. Ainsi, de telles pistes abradables sont souvent mises en place dans les compresseurs de turbomachines.
  • En revanche, leur emploi est plus rare dans les turbines de telles turbomachines, et surtout dans les turbines haute pression dans lesquelles règnent des conditions physico-chimiques extrêmes.
  • En effet, les gaz brûlés issus de la chambre de combustion débouchent dans la turbine haute pression à des niveaux de température et de pression très élevés, ce qui entraîne l'érosion prématurée des pistes abradables conventionnelles.
  • Dès lors, afin de protéger l'anneau de turbine, il est souvent préféré de munir ce dernier d'un revêtement du type barrière thermique dont les matériaux et la densité élevée, trop importante pour que le revêtement soit efficacement abradable, permettent de protéger l'anneau contre l'érosion et la corrosion.
  • Toutefois, on comprend naturellement que dans un tel cas l'intégrité des aubes n'est plus assurée en cas de contact avec le stator, ce qui nécessite de prévoir un jeu plus important entre le rotor et le stator et augmente donc le débit de fuite en sommet d'aubes et réduit ainsi les performances de la turbine. US 2013/177740 A1 divulgue un procédé pour la fabrication simultanée d'une couche poreuse/abradable sur élément d'une turbomachine, entre autre un anneau de turbine par la méthode SPS. FR 2 941 965 A1 divulgue un procédé dans lequel une couche de protection sur une pièce de turbomachine (aube) est déposée par la méthode SPS dans laquelle, la poudre est déposée sur une surface courbe de la pièce de turbomachine et une contre dépouille est positionnée sur la poudre avant le frittage SPS.
    • Objet et résumé de l'invention
  • Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
  • A cet effet, le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine selon la revendication 1.
  • L'anneau de turbine est généralement réalisé en plusieurs parties, chaque partie formant un secteur d'anneau de turbine de dimensions réduites comparées aux dimensions de l'anneau de turbine complet. Il est donc simple de disposer un secteur d'anneau dans un moule.
  • La surface interne du secteur d'anneau de turbine est la surface qui fait face à la roue de turbine lorsque l'anneau de turbine est monté dans la turbine, c'est donc cette surface interne sur laquelle est déposée la couche de poudre.
  • Le procédé de frittage SPS, conformément au sigle anglais pour « Spark Plasma Sintering », aussi connu sous le nom de frittage FAST, conformément au sigle anglais pour « Field Assisted Sintering Technology », ou frittage flash, est un procédé de frittage au cours duquel, une poudre est soumise simultanément à un courant pulsé de forte intensité et à une pression uniaxiale afin de former un matériau fritté. Le frittage SPS est généralement réalisé sous atmosphère contrôlée et peut être assisté par un traitement thermique.
  • La durée de frittage SPS est relativement courte et le frittage SPS permet un choix des poudres de départ qui est relativement peu limité. En effet, le frittage SPS permet notamment de fritter, c'est-à-dire de densifier, des matériaux dont le soudage est relativement compliqué à réaliser, voire impossible, du fait que ces matériaux se fissurent facilement lorsqu'ils sont chauffés. Du fait du choix du frittage SPS et de la courte durée de ce frittage, il est donc possible de réaliser une couche d'abradable avec une très grande variété de matériaux.
  • Par ailleurs, le frittage SPS étant réalisé sous pression uniaxiale exercée par le moule inférieur et le moule supérieur sur la couche de poudre, le retrait dû au frittage de la couche de poudre pour donner la couche d'abradable est limité à la direction d'application de la pression. On ne constate donc pas de retrait de la couche de poudre dans des directions perpendiculaires à la direction d'application de la pression. Aussi, la couche d'abradable recouvre toute la surface interne du secteur d'anneau.
  • L'anneau de turbine est donc recouvert d'une couche d'abradable. Il est donc possible de prévoir un jeu relativement faible entre l'anneau de turbine et le rotor, par exemple les aubes d'une roue de turbine, et d'améliorer les performances de la turbine, sans risquer de détériorer les aubes en cas de frottement de ces dernières sur l'anneau du stator.
  • De plus, le frittage SPS permet la formation d'une couche de diffusion entre la couche d'abradable et le matériau formant le secteur d'anneau de sorte que la couche d'abradable est fermement accrochée au matériau formant le secteur d'anneau. La couche d'abradable ainsi formée ne peut pas être retirée du secteur d'anneau de manière non intentionnelle.
  • Le procédé peut comprendre en outre les étapes suivantes :
    • assemblage d'une pluralité de secteurs d'anneau de turbine, la surface interne de chaque secteur d'anneau de turbine étant recouverte d'une couche d'abradable ; et
    • usinage d'une surface libre de la couche d'abradable.
  • Une fois plusieurs secteurs d'anneau de turbine assemblés, la couche d'abradable de chaque secteur d'anneau présente une surface libre qui peut ne pas être dans le prolongement de la surface libre du secteur d'anneau adjacent. Aussi, les surfaces libres des différents secteurs d'anneau sont usinées de sorte à présenter une surface destinée à faire face à la roue de turbine qui présente le moins de discontinuité possible. En effet, si de telles discontinuités sont présentes, la roue d'aube pourrait venir butter contre ces discontinuités et ainsi provoquer des chocs dans la turbine, ce qui n'est pas désirable.
  • Le moule inférieur peut avoir une forme complémentaire de la surface externe du secteur d'anneau de turbine.
  • Ainsi, le moule inférieur applique une pression relativement uniforme sur la surface externe du secteur d'anneau. Cependant, comme le moule inférieur présente une forme complémentaire de la surface externe du secteur d'anneau, le moule permet d'accommoder les variations de dimensions d'un secteur d'anneau à l'autre dues au procédé de fabrication du secteur d'anneau. En effet, les secteurs de turbine peuvent par exemple être obtenus par un procédé de fonderie et les dimensions de chaque secteur de turbine peuvent varier légèrement d'un secteur de turbine à l'autre.
  • Avant de positionner le secteur d'anneau de turbine dans le moule inférieur et le moule supérieur, on peut déposer une couche de matériau chimiquement inerte sur le moule inférieur et sur le moule supérieur.
  • Cette couche de matériau chimiquement inerte permet de réduire les réactions chimiques entre la couche de poudre et le secteur d'anneau de turbine avec le moule inférieur et le moule supérieur pendant le frittage SPS. Le matériau chimiquement inerte permet notamment de réduire, voire d'éviter, le collage de la couche d'abradable et/ou du secteur d'anneau avec les parties du moule.
  • Le matériau chimiquement inerte permet également de réduire, voire d'éviter, la formation d'une couche de carbure sur la surface libre de la couche d'abradable. On cherche à éviter la formation de cette couche de carbure qui, si elle se forme, doit être retirée de la couche d'abradable avant utilisation.
  • Dans le moule inférieur, le matériau chimiquement inerte peut également permettre de combler les espaces existants entre le moule inférieur et la surface externe du secteur d'anneau de turbine. Ainsi, l'uniformité de la pression exercée par le moule inférieur sur le secteur d'anneau de turbine et donc sur la couche de poudre est améliorée.
  • Le matériau chimiquement inerte peut par exemple comprendre du nitrure de bore ou du corindon. On entend par matériau chimiquement inerte comprenant du nitrure de bore un matériau qui comprend au moins 95% en masse de nitrure de bore. De même, on entend par matériau chimiquement inerte comprenant du corindon un matériau qui comprend au moins 95% en masse de corindon.
  • La poudre este une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel.
  • Par « à base de cobalt », on entend une poudre métallique dont le cobalt présente le pourcentage massique le plus important. De même, par « à base de nickel », on entend une poudre métallique dont le nickel présente le pourcentage massique le plus important. Ainsi, par exemple, une poudre métallique comportant 38% en masse de cobalt et 32% en masse de nickel sera désignée comme une poudre à base de cobalt, le cobalt étant l'élément chimique dont le pourcentage massique est le plus important dans la poudre métallique.
  • Les poudres métalliques à base de cobalt ou de nickel sont des poudres qui, une fois frittées, présentent une bonne résistance à haute température. Elles peuvent ainsi remplir la double fonction d'abradable et de bouclier thermique. Par exemple, on peut citer les superalliages CoNiCrAlY. Ces poudres métalliques ont également l'avantage de présenter une composition chimique similaire à la composition chimique du matériau formant l'anneau de turbine, par exemple les superalliages AM1 ou N5
  • Le frittage SPS peut être réalisé pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 30 minutes, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15 minutes.
  • La durée de frittage SPS est donc relativement courte.
  • Le moule supérieur et le moule inférieur sont en carbure de tungstène et le frittage SPS peut être réalisé à une température supérieure ou égale à 500°C, de préférence supérieure ou égale à 600°C.
  • Le frittage SPS est réalisé à une pression supérieure ou égale à 100 MPa, de préférence supérieure ou égale à 200 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 300 MPa.
  • La couche d'abradable peut avoir une porosité ouverte inférieure ou égale à 20%, de préférence inférieure ou égale à 15%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 10%.
  • Grâce au procédé de frittage SPS, on peut, en faisant varier les paramètres de frittage tels que la pression, la température de frittage et/ou le temps de frittage et ainsi faire varier la porosité de la couche d'abradable obtenue. Ce procédé de fabrication d'un anneau de turbine pour turbomachine permet donc une grande flexibilité.
  • La couche d'abradable peut avoir une épaisseur supérieure ou égale à 0.5 mm, de préférence supérieure ou égale à 4 mm et inférieur ou égale à 15 mm, de préférence inférieure ou égale à 10 mm, encore plus de préférence inférieure ou égale à 5 mm.
  • L'anneau de turbine peut comporter un nombre de secteurs d'anneau de turbine supérieur ou égal à 20, de préférence supérieur ou égal à 30, encore plus de préférence supérieur ou égal à 40.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une turbomachine ;
    • la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un secteur d'anneau de turbine comportant une couche d'abradable ;
    • la figure 3 est vue en coupe d'un secteur d'anneau de turbine dans un moule pour frittage SPS, selon un plan de coupe similaire au plan de coupe III-III de la figure 2 ;
    • les figures 4A et 4B sont des vues schématiques latérales de plusieurs secteurs d'anneau de turbine recouverts d'une couche d'abradable, respectivement avant et après usinage d'une surface libre de la couche d'abradable ;
    • la figure 5 est une image réalisée au microscope électronique à balayage d'une interface entre un secteur d'anneau et une couche d'abradable ;
    • la figure 6 représente l'évolution de la concentration de certains éléments chimiques de la couche d'abradable au secteur d'anneau ;
    • les figures 7A-7D sont des images réalisées au microscope électronique à balayage de la microstructure de différentes couches d'abradable.
    Description détaillée de l'invention
  • La figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 10. Le turboréacteur à double flux 10 comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, et une turbine basse pression 22.
  • La turbine haute pression 20 comprend une pluralité d'aubes mobiles 20A tournant avec le rotor et de redresseurs 20B montés sur le stator. Le stator de la turbine 20 comprend une pluralité d'anneaux 24 de stator disposés en vis-à-vis des aubes mobiles 20A de la turbine 20.
  • Comme cela est visible sur la figure 2, chaque anneau 24 de stator est réalisé en plusieurs secteurs 26 d'anneau. Chaque secteur 26 d'anneau comporte une surface interne 28, une surface externe 30 et une couche d'abradable 32 sur laquelle peuvent venir frotter les aubes mobiles 20A du rotor.
  • Par exemple, le secteur 26 d'anneau est fabriqué en superalliage à base de cobalt ou de nickel, tel que le superalliage AM1 ou le superalliage N5 et la couche d'abradable 32 est obtenue à partir d'une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel.
  • Le procédé de fabrication de l'anneau 24 de turbine comporte une première étape de fabrication d'au moins un secteur 26 d'anneau de turbine, par exemple par un procédé de fonderie.
  • La figure 3 représente une vue en coupe du secteur 26 d'anneau de turbine dans un moule pour frittage SPS. Le moule comporte un moule inférieur 34 de forme complémentaire de la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau.
  • Le secteur 26 d'anneau est positionné dans un moule inférieur 34 de sorte que la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau soit en contact au moins partiellement avec le moule inférieur 34. Le moule inférieur 34 n'est donc pas en contact avec le secteur 26 d'anneau sur toute la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau. Les espaces visibles entre le secteur 26 d'anneau et le moule inférieur 34 permettent d'accommoder les variations de dimensions dues au procédé de fabrication des différents secteurs 26 d'anneau. Cependant, la forme du moule inférieur 34 étant complémentaire de la surface externe 30 du secteur 26 d'anneau, la pression exercée par le moule inférieur 34 sur le secteur 26 d'anneau est relativement uniforme.
  • On vient ensuite déposer une couche de poudre 36 sur la surface interne 28 du secteur 26 d'anneau et on positionne le moule supérieur 38 sur la couche de poudre 36.
  • On réalise ensuite l'étape de frittage SPS qui permet d'obtenir une couche d'abradable 32 réalisée directement sur le secteur 26 d'anneau. Par exemple, le moule supérieur 38 et le moule inférieur 34 peuvent être en graphite. Ils peuvent également être en carbure de tungstène.
  • Avant de positionner le secteur 26 d'anneau dans le moule inférieur 34, on peut déposer une couche de matériau chimiquement inerte dans le moule inférieur 34 et sur le moule supérieur 38. Par exemple, le matériau chimique inerte peut être du nitrure de bore appliqué à l'aide d'un spray. On peut également ajouter de la poudre de nitrure de bore de sorte à combler les espaces présents entre le secteur 26 d'anneau et le moule inférieur 34.
  • Le matériau chimiquement inerte peut également être du corindon.
  • Le secteur 26 d'anneau revêtu de la couche d'abradable 32 est ensuite retiré du moule.
  • Comme représenté sur la figure 4A, pour former un anneau 24 complet, on assemble plusieurs secteurs 26 d'anneau ensemble, chaque secteur 26 d'anneau étant recouvert d'une couche d'abradable 32. Une fois ces secteurs 26 d'anneau de turbine assemblés, la couche d'abradable 32 de chaque secteur d'anneau présente une surface libre 44 qui peut ne pas être dans le prolongement de la surface libre 44 du secteur 26 d'anneau adjacent. Aussi, les surfaces libres 44 des différents secteurs 26 d'anneau sont usinées de sorte à présenter une surface usinée 46 destinée à faire face à la roue de turbine. Cette surface usinée 46 présente le moins de discontinuité possible. En effet, si de telles discontinuités sont présentes, la roue d'aube pourrait venir butter contre ces discontinuités et ainsi provoquer des chocs dans la turbine, ce qui n'est pas désirable.
  • La figure 5 est une image réalisée au microscope électronique à balayage d'une interface entre un secteur 26 d'anneau et une couche d'abradable 32. Par exemple, cette couche d'abradable 32 est frittée sur le secteur 26 d'anneau à 950°C, sous une pression de 40 MPa pendant 30 minutes.
  • La pression peut être appliquée à froid, c'est-à-dire dès le début du cycle, ou à chaud, lors du palier de frittage.
  • Comme on peut le voir sur les figures 5 et 6, la composition chimique évolue de manière progressive, le long de la ligne 40 de la figure 5, en partant du secteur 26 d'anneau vers la couche d'abradable 32 en définissant, une zone de diffusion 42 à l'interface entre le secteur 26 d'anneau et la couche d'abradable 32.
  • Les figures 7A-7D représentent différentes microstructures de couches d'abradable 32 dont la porosité ouverte est respectivement d'environ 10%, d'environ 7%, d'environ 3% et quasi nulle.
  • On voit donc qu'en modifiant les paramètres de frittage SPS, tels que la température, la pression et le temps de palier, on peut obtenir des couches d'abradable 32 présentant une structure différente. Par exemple, la figure 7A représente une couche d'abradable 32 obtenue lors d'une étape de frittage SPS à 925°C pendant 10 minutes en appliquant une pression de 20 MPa. La figure 7D représente une couche d'abradable 32 obtenue lors d'une étape de frittage SPS à 950°C pendant 30 minutes en appliquant une pression de 40 MPa.
  • On comprend que l'épaisseur de la couche d'abradable 32 obtenue après frittage SPS dépend notamment de l'épaisseur de la couche de poudre 36 déposée sur la surface interne 28 du secteur 26 d'anneau ainsi que des paramètres de frittage SPS. L'épaisseur de la couche d'abradable 32 obtenue après frittage SPS peut également dépendre de la granulométrie et de la morphologie de la poudre utilisée. Notamment, la morphologie de la poudre peut dépendre de la méthode de fabrication de la poudre. Ainsi une poudre fabriquée par atomisation gazeuse ou électrode tournante aura des grains de forme sensiblement sphérique alors qu'une poudre fabriquée par atomisation liquide aura des grains de forme moins régulière.
  • Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (5)

  1. Procédé de fabrication d'un anneau (24) de turbine pour turbomachine, comprenant les étapes suivantes :
    - fabrication d'au moins un secteur (26) d'anneau de turbine ;
    - positionnement du secteur (26) d'anneau de turbine dans un moule inférieur (34) de sorte qu'une surface externe (30) du secteur (26) d'anneau de turbine soit en contact au moins partiel avec le moule inférieur (34) ;
    - dépôt d'une couche de poudre (36) sur une surface interne (28) du secteur (26) d'anneau de turbine, la poudre étant une poudre métallique à base de cobalt ou de nickel ;
    - positionnement d'un moule supérieur (38) sur la couche de poudre (36) ; et
    - réalisation d'une couche d'abradable (32) sur la surface interne (28) par un procédé de frittage SPS de la couche de poudre (36), la couche d'abradable (32) étant destinée à être disposée face à une roue de turbine ;
    dans lequel le moule supérieur (38) et le moule inférieur (34) sont en carbure de tungstène et dans lequel le frittage SPS est réalisé à une température supérieure ou égale à 500°C, de préférence supérieure ou égale à 600°C et dans lequel le frittage SPS est réalisé à une pression supérieure ou égale à 100 MPa, de préférence supérieure ou égale à 200 MPa, encore plus de préférence supérieure ou égale à 300 MPa..
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes suivantes :
    - assemblage d'une pluralité de secteurs (26) d'anneau de turbine, la surface interne (28) de chaque secteur (26) d'anneau de turbine étant recouverte d'une couche d'abradable (32) ; et
    - usinage d'une surface libre (44) de la couche d'abradable (32).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moule inférieur (34) a une forme complémentaire de la surface externe (30) du secteur (26) d'anneau de turbine.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, avant de positionner le secteur (26) d'anneau de turbine dans le moule inférieur (34) et le moule supérieur (38), on dépose une couche de matériau chimiquement inerte sur le moule inférieur (34) et sur le moule supérieur (38) de sorte que l'on réduit le collage de la couche d'abradable et/ou du secteur d'anneau avec les parties du moule.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le frittage SPS est réalisé pendant une durée inférieure ou égale à 60 minutes, de préférence inférieure ou égale à 30 minutes, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15 minutes.
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