FR3037831B1 - Fabrication d'un secteur courbe d'anneau de turbine par moulage et frittage - Google Patents

Abstract

Le secteur d'anneau de turbine fabrique par un procédé MIM. Après le moulage, l'ébauche (14) de la pièce est posée sur un support (16) qui modèle sa courbure finale et lui impose d'être dans les tolérances dimensionnelles requises pendant l'étape de frittage et de rétraction de l'ébauche.

Description

FABRICATION D'UN SECTEUR COURBE D'ANNEAU DE TURBINE PAR MOULAGE ET

FRITTAGE

DESCRIPTION

Le sujet de l'invention présente est la fabrication d'un secteur courbe d'anneau de turbine par moulage et frittage.

Les secteurs d'anneau de turbine servent, une fois assemblés, à former une veine d'écoulement du flux gazeux à travers la turbine autour d'une roue mobile de celle-ci. Ils sont souvent munis d'un élément d'étanchéité abradable à leur face intérieure, qui entoure le sommet des aubes de la roue mobile de manière à ne laisser subsister qu'un jeu réduit. Des conditions exceptionnelles redevables à des transitoires différentiels de températures ou à la force centrifuge appliquée aux aubes peuvent amener les sommets au contact de l'abradable, mais cela n'entraîne pas de dommages graves puisque l'abradable, étant en une structure peu résistante comme un nid d'abeille, est entamé facilement par les sommets des aubes, et l'étanchéité est seulement un peu diminuée par la suite.

Les secteurs sont soumis à diverses contraintes de construction, notamment pour les assembler. Ils ont une forme assez compliquée qui rend leur fabrication coûteuse, que ce soit en recourant à un forgeage, un taillage dans la masse, ou un brasage ou un soudage de constituants de forme plus simple, puisque des opérations d'usinage assez nombreuses sont toujours nécessaires au moins pour assurer la finition des détails les plus irréguliers, et que le pointage des constituants à une position correcte prend aussi du temps quand un brasage est pratiqué.

Des procédés plus simples et plus économiques ont été recherchés, et l'un d'eux est le sujet de l'invention présente. Il consiste à adapter le procédé MIM de moulage par injection de métal à cette catégorie de pièces en secteur d'anneau.

Le procédé MIM consiste à injecter une poudre métallique dans un moule avec un liant polymère. Après le démoulage, une étape de déliantage est accomplie par des procédés chimiques (solvant ou réaction chimique) ou thermiques qui éliminent le polymère et donnent une ébauche composée seulement de la poudre métallique agglomérée. Un frittage est ensuite mené à une température élevée et permet d'obtenir la pièce finale en rendant l'ébauche compacte par une diffusion métallurgique et une coalescence des grains de la poudre. Les pores de l'ébauche se comblent peu à peu, et un retrait homogène de la matière de l'ébauche est observé dans toutes les directions et peut être estimé avec précision, ce qui garantit en principe les dimensions finales du produit, un bon état de surface et la satisfaction des tolérances. Ce procédé MIM offre donc la perspective de produire directement une pièce complexe en monobloc et sans usinage de finition important.

Un point faible du procédé est que l'ébauche est plastique au démoulage, très fragile après le déliantage, et sensible au fluage pendant le frittage à haute température. Dans le cas d'un secteur d'anneau de turbine, qui comporte de nombreux éléments fins et élancés et qui est nécessairement courbe, l'ébauche ne peut pas reposer directement sur la sole du four et est susceptible de se briser ou de se déformer. Il devient difficile d'assurer que la pièce finie sera à la bonne forme, et notamment à la bonne courbure. L'invention a pour but de permettre l'application du procédé MIM aux secteurs courbes d'anneaux de turbine. Le procédé MIM ordinaire est complété, selon l'invention, en ce qu'on dispose un support spécial sous l'ébauche avant le frittage, ce qui permet à l'ébauche de se modeler sur une courbe de la surface supérieure du support pendant le frittage, qui lui impose sa forme, et garantit donc que le secteur sera à la bonne courbure à l'état fini.

Le support peut être intégré à l'ébauche, moulé en même temps qu'elle, et enlevé par usinage après le frittage ; il peut aussi être distinct de l'ébauche mais fabriqué dans le même matériau qu'elle ; dans ces deux cas importants, le support subit le retrait pendant le frittage dans les mêmes conditions que l'ébauche et la soutient pendant tout le processus sous toute la surface inférieure de l'ébauche, puisque le sommet du support a une même valeur de courbure, variable, que la surface inférieure de l'ébauche à tout moment.

Dans d'autres réalisations de l'invention, le support pourra être un bloc fabriqué séparément de l'ébauche et sur lequel l'ébauche est posée pendant le frittage, ce bloc étant toutefois compact à l'origine et donc inerte pendant le frittage, ce qui rend le support plus délicat puisque l'ébauche a une courbure différente du support au départ, mais permet de réutiliser le bloc pour une série de secteurs successifs et garantit avec une grande certitude la bonne courbure finale du secteur.

Dans les procédés où le support consiste en un bloc séparé mais de même matériau que l'ébauche, une couche anti-diffusante peut être disposée entre eux afin d'éviter leur coalescence en un seul solide.

Le support peut être continu ou non, et comprendre alors des reliefs répartis sur son sommet, sur lesquels l'ébauche est posée par des facettes de contact discontinues, ce qui facilite ici encore leur séparation à la fin du procédé.

Les secteurs comprennent souvent, outre une tôle principale, un rail à un côté courbe, le rail ayant une section en U. Il est alors avantageux de disposer des blocs espaceurs entre les ailes du rail pendant le frittage pour leur imposer une valeur finale d'écartement, ces blocs espaceurs étant soit insérés entre les ailes après le moulage et avant le frittage, soit moulés en même temps que l'ébauche et enlevés par usinage après le frittage.

Ils comprennent aussi, en général, des fentes à leurs extrémités angulaires, qui reçoivent des plaquettes d'étanchéité couvrant les jeux qu'ils font entre eux quand ils sont assemblés. L'usinage de telles fentes est difficile sur les secteurs construits avec des procédés ordinaires, des procédés par électro-érosion, par exemple, étant nécessaires. Toutefois, l'invention permet de procéder par un simple fraisage sur la matière de l'ébauche avant le frittage, qui est alors à un état plastique. Il est possible alors de glisser un bloc espaceur dans la fente avant le frittage pour qu'il impose une largeur finale de la fente.

Dans ces situations où les blocs espaceurs sont exposés entre les ailes du rail, ou dans la fente, une étape d'usinage postérieure au frittage peut être menée, selon le cas, sur le rail ou sur l'extrémité angulaire de l'ébauche, de manière à retirer les blocs espaceurs susmentionnés. En acceptant cet usinage final, on n'a pas alors à se préoccuper d'empêcher l'adhérence entre la matière de l'ébauche et les blocs ; sinon on peut également utiliser un produit anti-diffusant. L'invention permet aussi un assemblage original des secteurs de l'anneau, où l'étanchéité n'est plus assurée par des languettes séparées, insérées dans des fentes en regard de secteurs voisins, mais par des imbrications de languettes saillant en direction angulaire à une extrémité angulaire des secteurs dans des fentes établies à l'extrémité angulaire opposée des secteurs voisins. Ces languettes intégrées aux secteurs peuvent être obtenues facilement avec le procédé de l'invention.

Dans le cas d'un secteur comprenant un rail à deux ailes superposées, le plan de joint du moule peut passer par une épaisseur de la tôle principale et une des ailes du rail. Le moule peut alors comprendre deux coquilles principales munies d'une fente latérale et un tiroir latéral pénétrant dans la fente latérale, la tôle principale étant moulée entre les coquilles, les ailes du rail étant moulées entre le tiroir et les coquilles respectives.

Dans toutes ces variantes du procédé, une étape finale de brasage d'une garniture d'étanchéité, notamment abradable, sous le secteur peut être pratiquée.

Ces différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits en liaison aux figures suivantes, qui en décrivant, à titre purement illustratif, certains modes de réalisation : -la figure 1 représente un secteur d'anneau ; -la figure 2 illustre l'étape de moulage ; -la figure 3 représente le raccordement possible des secteurs d'anneau fabriqués selon l'invention ; -les figures 4A et 4B, un mode de frittage ; -les figures 5A et 5B, un autre de mode de frittage ; -les figures 6 et 7, certaines variantes de constitution du support ; -les figures 8A et 8B, et 9A, 9B et 9C, l'utilisation de blocs espaceurs pour maintenir l'écartement d'ailes d'un rail ; -et la figure 10, l'utilisation de blocs espaceurs pour une fente latérale.

Un secteur d'anneau est représenté à la figure 1. Il comprend une pièce principale, ou tôle principale 1 courbée en arc de cercle, pouvant être ajourée en son centre et approximativement plate par ailleurs ; un rail 2 à section en U établi à un des côtés courbes de la tôle principale 1 et comprenant deux ailes 3 et 4, s'étendant à des rayons respectivement supérieur et inférieur à celui de la pièce principale 1 et concentriques entre eux ; une cale 5 installée sous une des ailes 4 et dirigée radialement vers l'intérieur ; et une garniture abradable 6, brasée sous la pièce principale 1 après le procédé caractéristique de l'invention et qui n'intervient donc pas dans celle-ci.

Le procédé de fabrication est conforme à la technique MIM et comporte l'emploi initial d'un moule dans lequel la poudre métallique devant former le secteur est injectée avec un liant polymère. Le moule peut prendre l'aspect de la figure 2, avec une coquille supérieure 7, une coquille inférieure 8, et un tiroir intermédiaire 9. Quand la matière a été injectée par un point d'injection et que le liant a polymérisé, les coquilles 7 et 8 sont écartées l'une de l'autre et le tiroir 9 est écarté latéralement. La tôle principale 1 est moulée dans une empreinte entre les coquilles 7 et 8 et le rail 2 est moulé contre le tiroir 9, chacune des ailes 3 et 4 étant logée entre lui et l'une des coquilles 7 et 8, l'ensemble formant une pièce d'un seul tenant. Un plan de joint 10 de l'outillage passe donc par l'épaisseur de la tôle principale 1 et avantageusement, ici, par les ailes 3 et 4. Les reliefs en direction radiale du secteur d'anneau sont moulés dans des anfractuosités des coquilles 7 et 8, et présentent des dépouilles pour permettre leur démoulage : une de ces dépouilles, portant la référence 11, apparaît nettement sur la cale 5, qui s'élargit ainsi vers l'aile 4 à laquelle elle est attachée. Hormis ces détails de réalisation facilitant le démoulage, le secteur d'anneau ne présente pas de caractéristique particulière de construction. L'étape de déliantage de la pièce moulée, généralement entrepris immédiatement après le démoulage, sauf si l'on usine les fentes à l'état plastique, est également classique et aboutit à la formation d'une ébauche du secteur d'anneau, composé de la poudre de métal agglomérée.

Un usinage préliminaire à une extrémité angulaire peut être entrepris avant le déliantage pour y créer une fente, portant la référence 12 sur les figures 1 et 3, et qui s'étend parallèlement au milieu de la pièce principale 1. L'ébauche étant à un état plastique, un usinage par fraisage simple peut être entrepris. La face angulaire opposée du secteur porte une languette 13, venue de matière, saillante en direction angulaire, au même endroit que la fente 12 dans la direction axiale et radiale, et de section plus petite, ce qui permet d'insérer la languette 13 dans la fente 12 d'un secteur d'anneau voisin, lorsque l'anneau est assemblé comme le représente la figure 3. On pourrait en variante, comme dans des procédés plus classiques, usiner la fente 12 dans chacune des extrémités angulaires opposées du secteur d'anneau, et y insérer des languettes amovibles d'étanchéité avant l'assemblage, ce qui aurait le même effet mais avec un nombre de pièces plus important et avec une qualité moindre, puisque l'étanchéité est complète entre la languette 13 et le secteur d'anneau qui la porte, alors que de légers jeux subsistent à travers une rainure 12, donc le nombre est donc avantageusement réduit.

On s'intéresse maintenant à une étape essentielle du procédé de fabrication. L'ébauche du secteur d'anneau, obtenue après le déliantage, porte la référence 14 sur la figure 4A. Elle se rétracte au cours du frittage qui est réalisé ensuite, et donne un secteur d'anneau 15, représenté à la figure 4B, auquel la garniture abradable 6 est brasée ensuite. Les tolérances à respecter sont restreintes et il est donc essentiel d'éviter des déformations intempestives de l'ébauche 14, dont la matière est plastique pendant le frittage. C'est pourquoi, conformément à l'invention, l'ébauche 14 est posée sur un support 16 avant le frittage, dont la surface supérieure 17 est à la courbure finale de la face correspondante du secteur d'anneau 15. L'ébauche 14 étant de plus grande dimension que le secteur d'anneau 15, elle a aussi un rayon de courbure plus important au début, et elle repose donc sur la surface supérieure 17 par une simple ligne centrale. A mesure que le frittage s'accomplit, le rayon de courbure de l'ébauche 14 se rapproche de celui de la surface supérieure 17, jusqu'à coïncider avec lui à l'état final, où le secteur d'anneau 15 repose par toute sa face inférieure sur la surface supérieure 17. Le secteur d'anneau 15 se modèle ainsi sur la surface supérieure 17, qui lui impose son rayon de courbure et garantit le respect des tolérances dimensionnelles. La représentation est schématique, la surface supérieure 17 étant représentée régulière, de même que l'ébauche 14 et le secteur d'anneau 15, mais la surface supérieure 17 sera en réalité munie de reliefs complémentaires de ceux de la face inférieure de la surface d'anneau 15, par exemple d'anfractuosités aux emplacements de l'aile 4 inférieure du rail 2 et de la cale 5.

La configuration des figures 4A et 4B correspond à un support 16 construit séparément de l'ébauche 14, en matière différente, compacte, qui ne subit pas de déformation au cours de l'étape de frittage et reste donc inerte. Il est possible, comme le montre les figures 5A et 5B, de remplacer le support 16 inerte par un support 18 construit de la même façon que l'ébauche 14, par le procédé MIM et dans le même matériau, et qui se rétracte donc en même temps qu'elle au cours du frittage. Dans ces circonstances, toute la face inférieure 19 de l'ébauche 14 repose sur la surface supérieure du support 18 pendant toute la durée du frittage, leurs rayons de courbure étant égaux et variant ensemble. Cette variante du procédé oblige à fabriquer un nouveau support 18 pour chacune des ébauches 14, mais présente l'avantage que le soutien de l'ébauche 14 est mieux assuré. Il est alors indiqué, puisque le support 18 est soumis au frittage, d'intercaler une couche anti-diffusante 20 à son interface avec l'ébauche 14, qui a pour effet de s'opposer à la coalescence de leurs grains métalliques. Une telle couche anti-diffusante peut être obtenue à partir d'un produit contenant des oxydes, tels que de l'alumine.

Une variante de réalisation de ces deux modes consisterait à réaliser une interface de support discontinue en aménageant des reliefs, par exemple des saillies 21 représentées à la figure 6, sur le support 16 ou 18, ce qui rendrait aussi l'adhérence plus difficile avec l'ébauche 14. La surface supérieure est alors une surface supérieure desdits reliefs 21. Des saillies pourraient aussi être établies sous l'ébauche 14 avec le même effet, mais cela serait moins avantageux puisqu'une opération d'usinage ultérieure pour les enlever serait alors nécessaire.

En alternative, l'ébauche est posée sur le support par des facettes de contact discontinues. Pour cela, une autre variante de procédé de frittage est exposée au moyen de la figure 7 et consiste à pourvoir l'ébauche 14 de nervures inférieures 22 parallèles et verticales, qui s'arrêtent toute à un même niveau inférieur et peuvent donc servir d'appui à l'ébauche 14 en étant posées sur une surface plane horizontale, comme la sole d'un four à traitement thermique utilisé pour le frittage. Les nervures inférieures 22 sont fabriquées en même temps que l'ébauche 14 et subissent donc une rétraction semblable.

Un autre détail de fabrication va maintenant être décrit. Il importe de garantir non seulement une courbure correcte du secteur d'anneau, mais encore l'écartement correct des ailes 3 et 4. Des blocs espaceurs 23 (figure 8A) peuvent être insérés entre elles avant le frittage puis retirés ensuite (figure 8B). Les blocs espaceurs 23 sont ici représentés dans le même matériau que l'ébauche 14 et subissent donc le même retrait que lui. Il est alors indiqué d'intercaler entre eux et les ailes 3 et 4 des couches anti-diffusantes 24 pour empêcher leur adhérence, de la même façon que la couche anti-diffusante 20 déjà rencontrée.

Les figures 9A à 9C représentent une variante où les blocs espaceurs 23 sont utilisés sans couche anti-diffusante 24. Il convient alors de prévoir des surlongueurs 25 sur les ailes 3 et 4, entre lesquelles les blocs espaceurs 23 sont retenus, et un usinage est entrepris après le frittage pour enlever les surlongueurs 25 et les blocs espaceurs 23 (figure 9B) et obtenir alors le segment d'anneau 15 (figure 9C). Un procédé exactement semblable à celui des figures 8 ou 9 pourrait être mené sur les fentes 12, en y insérant des blocs espaceurs 26 que représente la figure 10. S'il est nécessaire, un usinage 9A peut encore être mené sur une surlongueur en direction angulaire de l'ébauche 14 pour retirer les espaceurs 23.

Après ces étapes de fabrication, la garniture abradable 6 peut être brasée sous la tôle principale 1, comme dans les techniques antérieures.

Un exemple de matériau pouvant subir ce procédé et donner ainsi des secteurs d'anneau est un alliage de nickel tel que l'Hastelloy X (marque déposée). Les pièces qui lui sont associées en restant inertes au frittage, dans les variantes du procédé qui en comportent, comme le support 16 ou des blocs espaceurs inertes, peuvent être en une céramique comme l'yttrine.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d’un secteur d’anneau de turbine s'étendant sur un secteur de cercle et comprenant, outre une tôle principale (1), un rail (2) à un côté courbe du secteur, le rail ayant une section en U comportant deux ailes (3, 4) concentriques, caractérisé en ce qu'il comporte un moulage par injection de poudre métallique dans un moule pour former une ébauche (14) du secteur, le moule comprenant un plan de joint (10) passant par une épaisseur de la tôle principale (1) et une des ailes (3, 4) du rail, deux coquilles (7, 8) principales munies d'une fente latérale et un tiroir latéral (9) pénétrant dans la fente latérale, ia tôle principale (1) étant moulée entre les coquilles, et les ailes du rail (2) étant moulées entre le tiroir et les coquilles respectives, puis un démoulage de l'ébauche en écartant les coquilles l’une de l’autre et en écartant le tiroir latéralement, puis un frittage de l’ébauche, et en ce qu’un support (16, 18, 22) à surface supérieure courbe, modelant une courbe finale du secteur, est disposé sous l'ébauche (14) et en contact avec une face courbe de l'ébauche pendant le frittage,
2. 2) Procédé de fabrication d'un secteur d’anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que des blocs espaceurs (23) sont disposés entre les ailes (3, 4) du rail (2) pendant le frittage et imposent une valeur finale d’écartement des ailes, les blocs espaceurs étant soit insérés entre les ailes entre le moulage et le frittage, soit moulés en même temps que l’ébauche et usinés après le frittage,
3. 3) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support est intégré à l'ébauche, moulé en même temps que l'ébauche et enlevé par usinage après le frittage, et consiste en des nervures (22).
4. 4) Procédé de fabrication d’un secteur d'anneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support est un bloc (16,18) fabriqué séparément de l'ébauche et sur lequel l'ébauche est posée durant le frittage.
5. 5) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon ia revendication 4, caractérisé en ce que le bloc (16) est inerte pendant le frittage, et utilisé de façon répétée pour le frittage de plusieurs desdites ébauches.
6. 6) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bloc (18) est fabriqué dans un même matériau que le segment, et sa surface supérieure a une même valeur de courbure, variable, qu'une surface inférieure de l'ébauche pendant tout Se frittage,
7. 7) Procédé de fabrication d'un scteur d'anneau selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu’une couche anti-diffusante (20) est présente entre le support et l'ébauche,
8. 8) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que des reliefs (21) sont disposés soit sur le support, ladite surface supérieure étant alors une surface supérieure desdits reliefs, soit sous l'ébauche, et l'ébauche est posée sur le support par des facettes de contact discontinues.
9. 9) Procédé de fabrication d'un secteur d’anneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un usinage par fraisage d'une fente (12) à une extrémité angulaire de l'ébauche (14), à un état plastique de l'ébauche obtenu après le moulage.
10. 10) Procédé de fabrication d’un secteur d'anneau selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un bloc espaceur (26) est glissé dans la fente (12) avant le frittage et impose une largeur finale de la fente,
11. 11) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le secteur comprend une languette (13) venue de matière, saillante en direction angulaire à une extrémité angulaire, et une fente (12) à une extrémité angulaire opposée mais à une même position radiale et axiale du segment, la fente étant de plus grandes dimensions que la languette, un contour d'une section de la fente enveloppant un contour d'une section de la languette,
12. 12) Procédé de fabrication d'un secteur d'anneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape finale de brasage d'une garniture d'étanchéité (6) sous le secteur.