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FR3071867A1 - Aube composite a matrice ceramique et procede de fabrication d'une telle aube - Google Patents

Aube composite a matrice ceramique et procede de fabrication d'une telle aube Download PDF

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FR3071867A1
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Henri Jacques Quennehen Lucien
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

L'invention concerne une aube (14), notamment pour une turbomachine, comportant un corps (21) profilé en matériau composite à matrice céramique, comprenant une zone interne creuse (25) s'étendant selon l'axe (Y) de l'aube (14), la surface interne du corps (21) comportant un revêtement (26) apte à former une barrière thermique, ainsi qu'un procédé de réalisation d'une telle aube

Description

AUBE COMPOSITE A MATRICE CERAMIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D’UNE TELLE AUBE
La présente invention concerne une aube, notamment pour une turbomachine, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une telle aube.
L’aube selon l’invention est notamment destinée à équiper un stator de turbine, en particulier d’une turbine basse pression d’une turbomachine.
Une turbine comporte classiquement plusieurs étages successifs, chaque étage comportant une roue à aubes mobiles appartenant à un rotor et un distributeur comprenant des aubes fixes appartenant à un stator. Les aubes fixes sont maintenues par un anneau intérieur et un anneau extérieur de manière à former le distributeur.
Les aubes fixes sont généralement creuses et métalliques. Chaque aube comporte des perçages débouchant dans la zone interne creuse et sur la surface externe de l’aube, c’est-à-dire au niveau de la surface d’intrados, de la surface d’extrados, du bord d’attaque et/ou du bord de fuite.
De l’air frais provenant du compresseur basse pression de la turbomachine est amené dans la zone creuse de chaque aube avant d’être évacué dans la veine de la turbine, au travers des perçages.
Cet air permet notamment de refroidir les aubes fixes.
En effet, en fonctionnement, les aubes fixes sont soumises à des températures de l’ordre de 1200°C par exemple, c’est-à-dire à des températures supérieures à la température de fusion du matériau utilisé pour leur réalisation.
Le débit nécessaire pour refroidir les aubes fixes est relativement important, ce qui pénalise les performances de la turbomachine.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
A cet effet, elle propose une aube, notamment pour une turbomachine, comportant un corps profilé en matériau composite à matrice céramique, comprenant une zone interne creuse s’étendant selon l’axe de l’aube, la surface interne du corps comportant un revêtement apte à former une barrière thermique.
L’utilisation d’un matériau composite à matrice céramique (ou CMC) permet de résister à des températures de fonctionnement élevées.
Un tel matériau présente cependant un allongement à la rupture relativement faible (de l’ordre de 0,05%). Il convient donc d’éviter les phénomènes de dilatations différentielle, dus notamment à des gradients de température élevés.
Le revêtement formant une barrière thermique permet de limiter de tels gradients au sein du matériau composite à matrice céramique et donc d’éviter toute dégradation ou rupture de l’aube.
Le revêtement peut comporter au moins une première couche d’un premier matériau appliquée sur la surface interne du corps, apte à former une sous-couche, et une seconde couche d’un second matériau appliquée sur la première couche.
L’utilisation d’une sous-couche permet de faciliter l’adhésion de la seconde couche sur le corps.
La première couche peut être une sous-couche à base de silicium, par exemple en silicium pur.
La première couche peut être déposée par projection thermique (plasma, par projection par Flamme Supersonique ou HVOF (« High Velocity Oxy-Fuel ») ou à l’arc), par voie liquide (siliciuration liquide) ou par électrodéposition.
La première couche peut avoir une épaisseur comprise entre 20 et 300 pm, de préférence de l’ordre de 50 pm.
La présence de la sous-couche permet d’éviter tout phénomène de délaminage aux températures de fonctionnement au sein de la veine primaire, pouvant atteindre 1200°C par exemple au niveau de la turbine basse pression.
La seconde couche peut être réalisée à base de disilicate d’yttrium ou de silicate d’ytterbium.
La seconde couche peut avoir une épaisseur comprise entre 500 et 800 pm.
Les matériaux précités de la première couche et de la seconde couche permettent d’obtenir des résultats satisfaisants en terme de protection thermique. Ils permettent par ailleurs d’éviter l’oxydation du corps, une telle oxydation engendrant une dégradation prématurée dudit corps.
Le corps peut être réalisé à base de fibres de carbure de silicium incorporées dans une matrice à base de carbure de silicium.
L’invention concerne également une turbine pour turbomachine comportant au moins une aube du type précité.
L’invention concerne par ailleurs un procédé de fabrication d’une aube du type précité, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
(a) réaliser un noyau, par exemple un noyau métallique ou en graphite, de préférence en graphite poreux, (b) recouvrir le noyau d’au moins une couche de revêtement destinée à former un revêtement de type barrière thermique, (c) recouvrir le noyau et le revêtement d’un matériau composite à matrice céramique formant le corps, et (d) retirer le noyau.
Le recouvrement du noyau peut être mis en oeuvre aisément puisqu’il consiste à recouvrir une surface externe du noyau. Par comparaison, il est moins aisé de recouvrir la surface interne d’une pièce creuse.
L’étape (b) peut comporter au moins les sous-étapes :
(b1) recouvrir le noyau d’une couche d’un matériau à base de disilicate d’yttrium ou silicate d’ytterbium destiné à former la seconde couche, (b2) recouvrir la couche précitée d’une autre couche d’un matériau à base de silicium, par exemple en silicium pur, destiné à former la première couche ou sous-couche.
Lors de la sous-étape (b1), la couche peut être déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous pression atmosphérique.
Le procédé de projection plasma sous vide est également connu sous l’acronyme APS pour Atmospheric Plasma Spraying en anglais.
Lors de la sous-étape (b2), la couche peut être déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous vide.
Le procédé de projection plasma sous vide est également connu sous l’acronyme VPS pourVaccum Plasma Spraying en anglais.
Lors de l’étape (d), le noyau peut être retiré par attaque chimique, par fusion ou par oxydation sous air.
L’étape (c), peut comporter au moins les sous-étapes :
(c1) draper le noyau et le revêtement d’une couche de fibres de renfort, par exemple des fibres à base de carbure de silicium, (c2) imprégner la couche de fibres d’une matrice céramique, par exemple d’une matrice à base de carbure de silicium.
L’étape (c2) peut être réalisée dans un moule, par exemple à une température comprise entre 700 et 1000°C et par exemple pendant une durée comprise entre 2 heures et 50 heures. La matrice peut présenter une forme gazeuse et/ou liquide.
L’étape (c1) peut être réalisée par application d’une nappe de chaque côté de l’ensemble formé par le noyau et le revêtement, les nappes se rejoignant au niveau d’un bord d’attaque et d’un bord de fuite.
Lors de l’étape (c), une partie du matériau composite est en excès, cette partie en excès étant ensuite retirée, par exemple par usinage.
Le noyau peut être retiré par fusion, par exemple à une température comprise entre 1000°C et 1400°C, par exemple pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs heures. L’utilisation d’un drain lors de cette étape peut permettre d’accélérer le retrait du matériau.
En variante, le revêtement peut être déposé par électrophorèse ou par enduction par trempage (dip coating, en anglais) sur la surface interne du corps de l’aube.
Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de prévoir la formation d’un 10 noyau, le corps étant directement plongé dans un bain par exemple.
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 une vue en coupe simplifiée d’une turbomachine,
- la figure 2 est une vue en coupe, d’une partie de la turbine basse pression de la turbomachine selon l’invention,
- la figure 3 est une vue en perspective du noyau,
- la figure 4 est une vue en perspective du noyau recouvert de 20 la seconde couche,
- la figure 5 est une vue en perspective du noyau recouvert de la seconde couche et de la première couche,
- la figure 6 est une vue en perspective du noyau recouvert de la seconde couche, de la première couche et d’un matériau composite à matrice céramique,
- la figure 7 est une vue en perspective du noyau, desdites seconde et première couche, et du corps,
- la figure 8 est une vue de détail de la figure 6,
- la figure 9 est une vue en perspective de l’aube.
La figure 1 représente une turbomachine 1 à double flux et à double corps. L’axe de la turbomachine est référencé X. Dans ce qui suit, les termes axial et radial sont définis par rapport à l’axe X.
La turbomachine 1 comporte, de l’amont vers l’aval dans le sens d’écoulement des gaz au sein de la turbomachine 1, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.
L’air issu de la soufflante 2 est divisé en un flux primaire A s’écoulant dans une veine primaire 8, et un flux secondaire B s’écoulant dans une veine secondaire 9.
Le compresseur basse pression 3, le compresseur haute pression 4, la chambre de combustion 5, la turbine haute pression 6 et la turbine basse pression 7 sont ménagées dans la veine primaire 8.
La turbine haute pression 6 et le compresseur haute pression 4 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un premier arbre 10 de manière à former un corps haute pression.
La turbine basse pression 7, le compresseur basse pression 3 et la soufflante 2 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un second arbre (non représenté) de manière à former un corps basse pression.
La figure 2 représente une partie de la turbine basse pression 7 de la turbomachine 1. La turbine basse pression 7 comporte plusieurs étages 11 successifs, chaque étage 11 comportant une roue à aubes mobiles appartenant à un rotor 12 et un distributeur 13 comprenant des aubes fixes 14 appartenant à un stator. Les aubes fixes 14 sont maintenues par un anneau intérieur 15 et un anneau extérieur 16 de manière à former le distributeur 13.
Comme indiqué précédemment, le rotor 12 de la turbine basse pression 7 est couplé en rotation au compresseur basse pression 3. Le stator est fixé à un carter 17 (figure 1) de la turbomachine 1.
Dans la suite de la description, on s’intéressera plus particulièrement au procédé de fabrication des aubes fixes 14 du distributeur 13.
Les figures 3 à 9 illustrent différentes étapes successives d’une forme de réalisation d’un tel procédé.
On réalise tout d’abord un noyau 18 métallique, par exemple en silicium, ou en graphite, par exemple en graphite poreux. Le noyau 18 présente une forme profilée et s’étend selon un axe Y.
Le noyau 18 est ensuite recouvert d’une couche 19 en un matériau à base de disilicate d’yttrium ou de silicate d’ytterbium.
Cette couche 19 est par exemple déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous pression atmosphérique.
Le procédé de projection plasma sous pression atmosphérique est également connu sous l’acronyme APS pour Atmospheric Plasma Spraying en anglais.
Le dépôt par projection thermique atmosphérique est en général préféré au dépôt d'un ciment, car le ciment a tendance à se fissurer à hautes températures. En effet, les dépôts effectués par projection thermique atmosphérique sont plus cohésifs et tenaces. La projection thermique est un groupe de procédés de revêtement de surface dans lesquels de fines particules du matériau à déposer sont déposées dans un état fondu ou semi fondu sur un substrat.
La projection thermique au plasma consiste à introduire au sein d'un jet très énergétique (un jet de plasma) le matériau à déposer sous forme pulvérulente (c'est-à-dire sous forme de particules, ici de quelques dizaines de microns de diamètre moyen). Les particules sont alors fondues par le jet et simultanément accélérées en direction du noyau 18 à revêtir. Ainsi ces particules s'écrasent sur la surface du noyau 18 sous forme de gouttes, qui se solidifient très rapidement après leur impact par conduction de leur chaleur en formant des lamelles sur la surface du noyau 18. L'empilement de ces lamelles perpendiculairement à la surface du noyau conduit progressivement à la formation du dépôt. La projection est conduite à la pression atmosphérique sous air.
Par exemple, on peut utiliser de la poudre de disilicate d’yttrium de granulométrie comprise entre 5 et 25 microns, que l'on projette au moyen d'une torche à plasma avec un mélange plasmagène (gaz destiné à faciliter le dépôt plasma) argon et hydrogène à 15 à 20% en volume d'hydrogène et une puissance de 40 à 45 kW, sur la surface à revêtir préalablement préchauffée à 750°C. La sous-couche en disilicate d’yttrium peut avoir une épaisseur entre 500 et 800 microns.
La vitesse de croissance de la couche 19 est de l'ordre de 100 microns par minute, par exemple.
La figure 3 représente le noyau 18 revêtu de la couche 19.
Le noyau 18 est ensuite recouvert d’une autre couche 20, réalisée en un matériau à base de silicium, par exemple en silicium pur.
Cette couche 20 est par exemple déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous vide. Le procédé de projection plasma sous vide est également connu sous l’acronyme VPS pour Vaccum Plasma Spraying en anglais.
La technique de projection plasma sous vide est une technique de projection thermique à torche à plasma d'arc soufflé, qui se pratique dans une enceinte remplie d'argon à faible pression, c’est-à-dire à pression plus faible que la pression atmosphérique. Cette technique consiste, comme précédemment, à introduire au sein d'un jet de plasma énergétique le matériau à déposer sous forme pulvérulente. La vitesse de croissance du revêtement est de l'ordre de 100 microns par minute.
Par exemple, on peut utiliser de la poudre de silicium de granulométrie comprise entre 5 et 25 microns, que l'on projette dans une enceinte où règne une pression de 120 millibars, au moyen d'une torche à plasma avec un mélange plasmagène (gaz destiné à faciliter le dépôt plasma) argon et hydrogène à 15 à 20% en volume d'hydrogène et une puissance de 40 à 45 kW, sur la surface à revêtir préalablement préchauffée à 750 C. La sous-couche d'accroche en silicium peut avoir une épaisseur entre 50 et 70 microns.
La figure 5 représente le noyau 18 revêtu des couches 19 et 20.
Le noyau 18 ainsi revêtu est ensuite recouvert d’un matériau composite à matrice céramique (CMC) destiné à former le corps 21 d’une aube fixe 14.
Pour cela, le noyau 18 recouvert des deux couches 19, 20 précitées est drapé à l’aide de fibres sous la forme d’un mat ou d’une nappe, l’ensemble étant ensuite disposé dans un moule dans lequel une matrice céramique est ajouté à l’état gazeux et/ou liquide. L’ensemble est ensuite chauffé dans le moule à une température comprise entre 700°C et 1000°C, par exemple pendant une durée comprise entre 2 heures et 50 heures, de façon à procéder à la consolidation de l’ensemble et obtenir une préforme, comme illustré à la figure 5.
Les fibres sont par exemple réalisées à base de carbure de silicium (SiC), la matrice étant à base de carbure de silicium.
Lors de cette consolidation, les couches 19, 20 préalablement déposées sur le noyau viennent adhérer au matériau composite à matrice céramique.
Comme cela est illustré à la figure 6, la préforme obtenue comporte des parties en excès 22, ces parties 22 étant ensuite usinées au niveau d’un bord destiné à former le bord d’attaque 23 de l’aube fixe 14, et au niveau d’un bord destiné à former le bord de fuite 24 de l’aube fixe 14, comme illustré à la Figure 6.
Le noyau 18 est ensuite retiré, comme illustré à la figure 8. Ce retrait peut être obtenu par attaque chimique, par fusion ou par oxydation sous air.
Dans le cas de la fusion, l’ensemble peut être chauffé à une température comprise entre 1000°C et 1400°C, par exemple pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs heures, de manière à retirer le noyau 18.
Dans le cas d’un noyau en graphite, la température peut être plus basse et comprise entre 400 et 800°C, par exemple, le temps de chauffe pouvant être compris entre 1 heure et 100 heures par exemple.
A l’issue du retrait du noyau 18, on obtient une aube 14 5 comportant un corps 21 en matériau composite à matrice céramique, comprenant une zone interne creuse 25 s’étendant selon l’axe Y de l’aube 14, dont la surface interne est recouverte de la couche 20, formant une sous-couche, et de la couche 19, destinée à être en contact avec un flux de gaz.
En utilisation, de l’air froid issu du compresseur basse pression traverse la zone creuse 25, par exemple radialement de l’extérieur vers l’intérieur, pour refroidir le moyeu interne de la turbine basse pression 7 par exemple. Cet air de refroidissement a par exemple une température comprise entre 400°C et 600°C, par exemple de l’ordre de 500°C.
Le corps 21 étant réalisé en CMC, celui-ci est apte à supporter des températures élevées, de sorte qu’il n’est pas nécessaire de prévoir des perçages dans le corps 21 en vue de le refroidir.
Les couches 19, 20 forment un revêtement 26 définissant une barrière thermique. Cette barrière thermique empêche un échauffement important de l’air de refroidissement lorsque celui-ci traverse la zone interne creuse 25 de l’aube 14. Par ailleurs, cette barrière thermique limite les gradients thermiques au sein du corps 21 de l’aube en CMC, de façon à limiter les phénomènes de dilatations différentielles et éviter toute dégradation prématurée de l’aube 14.
Le revêtement 26 forme également une barrière dite environnementale empêchant la corrosion et l’oxydation, et donc la dégradation prématurée, du corps 21 en CMC.
D’autres procédés de fabrication peuvent être utilisés pour réaliser l’aube 14.
Ainsi, en variante, les couches 19, 20 peuvent être déposées par électrophorèse ou par enduction par trempage (dip coating, en anglais) sur la surface interne du corps 21 de l’aube 14.
Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de prévoir la formation d’un 5 noyau 18, le corps 21 étant directement plongé dans un bain par exemple.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Aube (14), notamment pour une turbomachine (1), comportant un corps (21) profilé en matériau composite à matrice céramique, comprenant une zone interne creuse (25) s’étendant selon l’axe (Y) de l’aube (14), la surface interne du corps (21) comportant un revêtement (26) apte à former une barrière thermique.
  2. 2. Aube (14) selon la revendication 1, dans laquelle le revêtement (26) comporte au moins une première couche (20) d’un premier matériau appliquée sur la surface interne du corps (21), apte à former une sous-couche, et une seconde couche (19) d’un second matériau appliquée sur la première couche (20).
  3. 3. Aube (14) selon la revendication 2, dans laquelle la première couche (20) est une sous-couche à base de silicium, par exemple en silicium pur.
  4. 4. Aube (14) selon la revendication 2, dans laquelle la première couche (20) a une épaisseur comprise entre 20 et 300 pm, de préférence de l’ordre de 50 pm.
  5. 5. Aube (14) selon l’une des revendications 2 à 4, dans laquelle la seconde couche (19) est réalisée à base de disilicate d’yttrium ou de silicate d’ytterbium.
  6. 6. Aube (20) selon l’une des revendications 2 à 5, dans laquelle la seconde couche (19) a une épaisseur comprise entre 500 et 800 pm.
  7. 7. Aube (14) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le corps (21) est réalisé à base de fibres de carbure de silicium incorporées dans une matrice à base de carbure de silicium.
  8. 8. Turbine (6, 7) pour turbomachine (1) comportant au moins une aube (14) selon l’une des revendications 1 à 7.
  9. 9. Procédé de fabrication d’une aube (14) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
    (a) réaliser un noyau (18), par exemple un noyau métallique ou en graphite, de préférence en graphite poreux, (b) recouvrir le noyau (18) d’au moins une couche de revêtement (26) destinée à former un revêtement (26) de type barrière
    5 thermique, (c) recouvrir le noyau (20) et le revêtement (26) d’un matériau composite à matrice céramique formant le corps (21), et (d) retirer le noyau (18).
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’étape
    10 (b) comporte au moins les sous-étapes :
    (b1) recouvrir le noyau (18) d’une couche d’un matériau à base de disilicate d’yttrium ou de silicate d’ytterbium, destiné à former la seconde couche (19), (b2) recouvrir la couche (19) précitée d’une autre couche d’un 15 matériau à base de silicium, par exemple en silicium pur, destiné à former la première couche (20) ou sous-couche.
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel lors de la sous-étape (b1), la couche (19) est déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous pression atmosphérique.
    20
  12. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel lors de la sous-étape (b2), la couche (20) est déposée par projection plasma, par exemple par projection plasma sous vide.
  13. 13. Procédé selon l’une des revendications 9 à 12, dans lequel, lors de l’étape (d), le noyau (18) est retiré par attaque chimique, par fusion
    25 ou par oxydation sous air.
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