FR3090427A1

FR3090427A1 - Procede de fabrication d’un noyau

Info

Publication number: FR3090427A1
Application number: FR1873958A
Authority: FR
Inventors: Denis Fleche; Jean-Michel Patrick Maurice FRANCHET
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: EP3899081A1; WO2020128391A1; CN113260731A; CN113260731B; EP3899081B1; FR3090427B1; US20220064776A1

Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un noyau (1) pour la production d’un bord d’attaque d’une aube de soufflante. Le procédé comprend les étapes de : (a) fourniture d’un noyau initial (11) en alliage base nickel,(b) projection thermique sur le noyau initial d’une couche (12) d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Titre de l’invention : PROCEDE DE FABRICATION D’UN NOYAU

Domaine technique

[0001] L'invention se rapporte au domaine de la fabrication du bord d’attaque pour les aubes de soufflantes en Composite à Matrice Organique (CMO).

Technique antérieure

[0002] Il est rappelé qu’une aube présente conventionnellement, un bord d’attaque et un bord de fuite. Le bord d’attaque correspond à la partie antérieure du profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados, et un bord de fuite qui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique. Dans l’environnement d’une turbomachine, d’un aéronef, il est possible que des débris solides soient pris dans un flux d’air circulant dans la turbomachine. Ces débris vont alors frapper le bord d’attaque d’une aube et risquent l’endommager. En conséquence, il est usuel de renforcer le bord d’attaque des aubes. Cette disposition technique est d’autant plus importante dans le cas d’une aube en CMO. En effet, le matériau composite peut mal résister à la perforation.

[0003] Il est par exemple connu de l’art antérieur d’avoir une aube de soufflante en CMO présentant un bord d’attaque en titane.

[0004] Le document FR 1051992 décrit une méthode de fabrication connue, d’une telle aube. Cette méthode se déroule comme suit : deux tôles, intrados et extrados, formées, sont conformées, via une opération de compaction isostatique à chaud, autour d’un noyau en alliage réfractaire dont la géométrie correspond à la géométrie interne du bord d’attaque recherchée. Après conformage, le noyau, qui est un outillage ré-utilisable, est retiré et le bord d’attaque est usiné uniquement sur ses surfaces extérieures pour obtenir la géométrie finale de la pièce.

[0005] Cette méthode permet de maîtriser la forme intérieure de la cavité du bord d’attaque, qui est une réplique de l’aube sur laquelle sera placé le bord d’attaque, permettant ainsi de ne faire aucune reprise d’usinage de la cavité interne du bord d’attaque. En outre cette technique permet de maîtriser et faciliter des opérations d’usinage final grâce à la présence du noyau interne qui permet à la fois de rigidifier l’ensemble et d’avoir des référentiels dimensionnels intégrés ce qui permet d’éviter d’avoir recours, comme pour les autres techniques, à des outillages d’usinage complexes. Ainsi, ces différentes dispositions induisent une réduction de coût important de la gamme de fabrication en raison de la réutilisation des noyaux, considérés alors comme des outillages.

[0006] Pour cette technique dite de conformage sur noyau, ce dernier doit présenter trois ca ractéristiques principales en relation avec le fait que l’étape de conformage s’effectue via un cycle thermomécanique à haute température, de l’ordre de 800 - 1000°C, durant lequel, le noyau est en contact avec les éléments du bord d’attaque en titane pendant plusieurs heures :

[0007] - Le noyau doit être indéformable dans la gamme thermomécanique de fabrication du bord d’attaque afin d’assurer la forme de la cavité interne du bord d’attaque

[0008] - Le noyau ne doit permettre aucune réaction chimique entre son matériau et le matériau du bord d’attaque

[0009] - Le noyau ne doit permettre aucune adhérence ou collage entre son matériau et le matériau du bord d’attaque

[0010] La première caractéristique, liée au choix du matériau de noyau, permet de ne pas avoir à usiner la cavité interne du bord d’attaque.

[0011] La deuxième permet d’éviter ou de réduire au maximum la décontamination chimique des surfaces de la cavité interne du bord d’attaque.

[0012] La troisième conditionne complètement la réutilisation des noyaux et donc la viabilité économique de cette technique.

[0013] Les deux dernières caractéristiques sont liées et nécessitent un traitement particulier du noyau. En effet, les alliages métalliques retenus pour le noyau sont des alliages base nickel ou base cobalt afin d’être suffisamment rigides pour ne pas se déformer lors des cycles de conformage à haute température. Or ce type d’alliages mis en contact à haute température avec les alliages de titane de la pièce sont réactifs entre eux et forment des solutions solides ou des composés intermétalliques, ce qui conduit au mieux à une contamination de l’alliage de titane, au pire un collage rédhibitoire entre le nickel / cobalt et le titane.

[0014] Il est donc indispensable de faire un traitement adapté au noyau pour éviter la contamination et le collage.

[0015] Une solution technique consiste à intercaler une barrière de anti-diffusion entre les deux alliages métalliques en contact que sont l’alliage base nickel ou cobalt du noyau et l’alliage titane du bord d’attaque qui vont subir un traitement thermomécanique à haute température pendant plusieurs heures.

[0016] Pour ce faire, une méthode décrite par le document FR 1653221 est la réalisation d’une nitruration ou nitro-carburation du noyau en base nickel ou cobalt. Ce traitement génère une couche superficielle riche en azote et carbone de quelques dizaines de microns en surface du noyau assurant le rôle de barrière anti-diffusion.

[0017] Cependant, des essais réalisés à échelle un suivant cette technique ont mis en évidence des carences au niveau de l’efficacité de la barrière anti-diffusion générée par la nitruration ou carbo-nitruration du noyau base nickel ou cobalt. Des traces de contamination sont observées sur les zones internes du bord d’attaque en titane et des dé gradations de couche nitrurée du noyau sont observables dès le premier cycle de compaction, hypothéquant très fortement la capacité à réutiliser de nombreuses fois le noyau et donc le modèle économique de la technique.

Exposé de l’invention

[0018] Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif de fournir un procédé de fabrication d’un noyau pour la production d‘un bord d’attaque d’une aube de soufflante, qui réponde aux trois critères énoncés précédemment : indéformabilité thermomécanique, neutralité chimique vis-à-vis du bord d’attaque et absence d’adhérence au bord d’attaque.

[0019] Selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un noyau pour la production d’un bord d’attaque d’une aube de soufflante caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de :

[0020] - (a) fourniture d’un noyau initial en alliage base nickel,

[0021] - (b) projection thermique sur le noyau initial d’une couche d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.

[0022] D’une manière particulièrement avantageuse la projection thermique de ce type d’alliage, résistant aux frottements à chaud, apporte une inertie chimique qui permet de réaliser une barrière anti-diffusion entre le noyau en alliage base nickel et des tôles en titane utilisées pour la fabrication de l’aube de soufflante. Ainsi, ce procédé permet de recouvrir le noyau d’une couche garantissant une stabilité thermomécanique, préservant d’une contamination chimique et évitant une éventuelle adhérence des pièces d’aube sur le noyau.

[0023] L’alliage base cobalt peut comprendre du carbone.

[0024] L’alliage base cobalt peut comprendre entre 26% et 32% de molybdène, entre 7% et 20% de chrome entre 1% et 5% de silicium et moins de 1% de carbone.

[0025] L’alliage base cobalt peut comprendre entre 25% et 35% de chrome, entre 0% et 10% de tungstène, entre 0% et 7% de molybdène, entre 0% et 4% de nickel, entre 1% et 3% de silicium et moins de 2% de carbone.

[0026] L’alliage base cobalt peut comprendre entre 28% et 30% de chrome, entre 7% et 9% de tungstène, entre 1,2% et 1,6% de carbone et, entre 1,2% et 1,8% de silicium.

[0027] La couche peut présenter une dureté comprise entre 40 et 65 HRC.

[0028] La couche déposée peut présenter une épaisseur comprise en 100 microns et 2 millimètres, de préférence 500 microns.

[0029] L’étape (b) peut être réalisée en utilisant une méthode choisie parmi : une projection par flamme supersonique, une projection par plasma d’arc soufflé ou un dépôt par torche à plasma.

[0030] Le procédé peut comprendre, en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (c) de traitement thermique de la couche, réalisée entre 800 et 1000°C.

[0031] Le procédé peut comprendre en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (d) d’usinage par rectification.

[0032] Le procédé peut comprendre en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (e) de traitement thermique à l’air, comprenant un premier palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 300°C et 400°C, un deuxième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 500°C et 700°C, un troisième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 800°C et 1000°C, et un refroidissement à l’air ambiant, pour oxyder la couche.

[0033] Selon un deuxième aspect, l’invention propose un noyau en alliage base nickel obtenu par un procédé selon l’invention, ledit noyau présentant une couche (12) composée d’un alliage base cobalt comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène et/ou du carbone et/ou de silice obtenue par projection thermique d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.

Brève description des dessins

[0034] D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

[0035] [fig.l]

La figure 1 est une vue en coupe, microscopique de la surface d’un noyau selon l’invention.

[0036] [fig.2]

La figure 2 est un schéma bloc d’un procédé selon l’invention.

[0037] Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

Description des modes de réalisation

[0038] Procédé de fabrication

[0039] Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un noyau 1 pour la production d’un bord d’attaque d’une aube de soufflante le procédé comprend essentiellement les étapes de :

[0040] - (a) fourniture d’un noyau initial 11 en alliage base nickel,

[0041] - (b) projection thermique sur le noyau initial 11 d’une couche 12 d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.

[0042] L’étape (a) de fourniture du noyau initial peut être réalisée en usinant un bloc en alliage base nickel pour obtenir le noyau initial 11.

[0043] Ensuite, le noyau initial 11 peut être sablé (étape (al)) pour augmenter la rugosité de sa surface extérieure. Cette disposition permet avantageusement de faciliter l’accrochage de la couche 12 projetée à l’étape (b).

[0044] Enfin, le noyau initial 11 peut être nettoyé et dégraissé (étape (a2)). Cette étape permet de garantir un état de surface, du noyau initial 11, optimal pour l’étape suivante (b) de projection.

[0045] Comme énoncé précédemment, l’étape - suivante - (b) consiste en la projection thermique sur le noyau initial 11 d’une couche 12 d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.

[0046] Il est précisé que le tungstène peut être présent sous forme de carbure.

[0047] De plus le molybdène peut être utilisé dans un mélange intermétallique. On rappelle qu’un mélange intermétallique est un mélange comprenant au moins un métalloïde. Les métalloïdes étant des éléments chimiques dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux, ou sont une combinaison de ces propriétés. Les métalloïdes sont les éléments suivants : Bore, Silicium, Germanium, Arsenic, Antimoine, Tellure et Astate. En l’espèce, le métalloïde préférentiellement utilisé en association avec du molybdène est le silicium.

[0048] Selon une disposition particulière l’alliage base cobalt peut présenter la composition suivante, en pourcentage massique : entre 26% et 32% de molybdène, entre 7% et 20% de chrome, entre 0% et 10% de tungstène, entre 1% et 5% de silicium et moins de 1% de carbone.

[0049] D’une manière préférée, selon cette disposition, l’alliage base cobalt peut comprendre 28% de chrome, 5,5% de molybdène, 2,5% de nickel, 2% de silicium et 0,25% de carbone.

[0050] D’une autre manière préférée, selon la même disposition technique, l’alliage base cobalt peut comprendre 29,5% de chrome, 8 % de tungstène, 1,5% de silicium et 1,4% de carbone.

[0051] Selon une autre disposition particulière, l’alliage base cobalt peut comprendre entre 26% et 32% de molybdène, entre 7% et 20% de chrome entre 1% et 5% de silicium et moins de 1% de carbone.

[0052] D’une manière préférée, selon cette disposition, l’alliage base cobalt peut comprendre 29% de molybdène, 8,5% de chrome, 2,6% de silicium et moins de 0,08% de carbone.

[0053] D’une autre manière préférée, selon cette même disposition particulière, l’alliage base cobalt peut comprendre 28% de molybdène, 18% de chrome, 3,4% de silicium et moins de 0,08% de carbone.

[0054] Ainsi, d’une manière particulièrement avantageuse la projection thermique de ces types d’alliages, résistants aux frottements à chaud, apporte une inertie chimique qui permet de réaliser une barrière anti-diffusion entre le noyau initial 11 en alliage base nickel et des tôles en titane utilisées pour la fabrication de l’aube de soufflante.

[0055] Selon une première disposition technique préférée, la projection thermique peut être réalisée par flamme supersonique, selon une méthode dite « High Velocity Oxy-Fuel » (HVOF) ou selon une méthode dite « High Velocity Air-Fuel » (HVAF). Fa méthode HVOF est particulièrement préférée car, elle consiste à projeter l’alliage base cobalt à très haute vitesse avec une température modérée, ce qui engendre très peu de porosité dans la couche 12 déposée.

[0056] Selon une autre disposition technique, la couche peut être projetée par plasma d’arc soufflé. Cette méthode conduit à une couche poreuse mais présentant une bonne accroche mécanique sur la surface du noyau. Cette méthode peut optionnellement envisager un pompage sous vide au cours de la projection.

[0057] Selon une autre disposition technique, la couche peut être déposée par une torche à plasma selon la méthode dite « Plasma Transferred Arc » (PTA). Cette méthode permet d’obtenir une couche 12 plus épaisse, compacte et liée métallurgiquement au substrat qu’avec les méthodes précédemment décrites qui sera ensuite reprise en usinage.

[0058] Suite au dépôt de la couche 12 par projection thermique, le procédé peut comprendre une étape (c) de traitement thermique de la couche 12, réalisée entre 800°C et 1000°C. Préférentiellement, l’étape (c) est réalisée entre 850°C et 900°C. Ce traitement thermique permet de relaxer les contraintes internes induites par le dépôt de la couche 12, à l’étape précédente.

[0059] Ensuite, le procédé peut comprendre une étape (d) de rectification pour réduire une épaisseur de la couche 12. Suite à cette étape, la couche 12 peut présenter une épaisseur comprise en 100 et 500 microns. Cette étape peut également servir de vérification pratique de l’adhérence du dépôt.

[0060] Après l’étape de rectification, le procédé peut comprendre une étape (e) de traitement thermique à l’air, comprenant un premier palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 300°C et 400°C, un deuxième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 500°C et 700°C, un troisième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 800°C et 1000°C, et un refroidissement à l’air ambiant.

[0061] Préférentiellement, l’étape (e) peut comprendre un premier palier de trente minutes à 350°C, puis un deuxième palier de trente minutes à 650°C, puis un troisième palier de trente minutes 900°C, suivi d’un refroidissement à l’air ambiant.

[0062] E’étape (e), dite de passivation, permet d’oxyder la couche 12 en surface ce qui permet de réduire les risques d’interaction chimique entre la couche 12 et le matériau utilisé pour fabriquer l’aube (le plus souvent du titane).

[0063] A l’issu de ce procédé de fabrication, la couche 12 peut présenter une dureté comprise entre 35 et 65 HRC, de préférence entre 45 et 55 HRC. Il est précisé que la dureté est exprimée et mesurée selon le test dit de Rockwell, en utilisant un pénétrateur sur lequel est appliquée une charge initiale puis une charge supplémentaire. La dureté étant mesurée en comparant la profondeur d’enfoncement du pénétrateur lors de l’application de la charge initiale et lors de l’application de la charge supplémentaire. Pour l’échelle HRC, En l’espèce, le test est réalisé avec un pénétrateur constitué d’un cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 millimètres. De plus, la charge initiale appliquée est de 98N et la charge totale (correspondant à la charge initiale plus la charge supplémentaire) est de de 1471,5N. Une unité de dureté HRC correspond à une pénétration de 0,002 millimètres.

[0064] Pour les épaisseurs inférieures à 400 microns, l’échelle HR15N est préférée car la charge initiale appliquée n’est que de 29N et la charge totale (correspondant à la charge initiale plus la charge supplémentaire) n’est que de 147,IN.

[0065] Il est possible d’utiliser également la méthode Vickers (HV). Le test est alors réalisé avec un pénétrateur constitué d’une pyramide en diamant à base carrée. La dureté étant déterminée en mesurant les deux diagonales de l’empreinte. La charge est adaptée à l’épaisseur de la couche : 5 à 10 kilogrammes pour les épaisseurs < 400 microns et 20 à 30 kilogrammes maximum pour les épaisseurs supérieures à 400 microns.

[0066] Dans ces deux derniers cas (HR15N et HV) la valeur HRC est déduite des tables de conversion exprimées dans les normes ISO et ASTM en vigueur.

[0067] Ainsi, ce procédé permet de recouvrir le noyau initial 11 d’une couche 12 garantissant une stabilité thermomécanique, préservant d’une contamination chimique et évitant une éventuelle adhérence des pièces d’aube sur le noyau.

[0068] Noyau

[0069] Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un noyau 1 en alliage base nickel obtenu par un procédé selon l’invention. Le noyau 1 présente une couche 12 composée d’un alliage base cobalt comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène obtenue par projection thermique d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.

Claims

Revendications [Revendication 1] Procédé de fabrication d’un noyau (1) pour la production d’un bord d’attaque d’une aube de soufflante caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de : (a) fourniture d’un noyau initial (11) en alliage base nickel, (b) projection thermique sur le noyau initial d’une couche (12) d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’alliage base cobalt comprend du carbone. [Revendication 3] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’alliage base cobalt comprend entre 26% et 32% de molybdène, entre 7% et 20% de chrome entre 1% et 5% de silicium et moins de 1% de carbone. [Revendication 4] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel, l’alliage base cobalt comprend entre 25% et 35% de chrome, entre 0% et 10% de tungstène, entre 0% et 7% de molybdène, entre 0% et 4% de nickel, entre 1% et 3% de silicium et moins de 2% de carbone. [Revendication 5] Procédé selon la revendication 4 dans lequel, l’alliage base cobalt comprend entre 28% et 30% de chrome, entre 7% et 9% de tungstène, entre 1,2% et 1,6% de carbone et, entre 1,2% et 1,8% de silicium. [Revendication 6] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche (12) présente une dureté comprise entre 40 et 65 HRC. [Revendication 7] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche (12) déposée présente une épaisseur comprise en 100 microns et 2 millimètres, de préférence 500 microns. [Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendication 1 à 7, dans lequel l’étape (b) est réalisée en utilisant une méthode choisie parmi : une projection par flamme supersonique, une projection par plasma d’arc soufflé ou un dépôt par torche à plasma. [Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (c) de traitement thermique de la couche (12), réalisée entre 800 et 1000°C. [Revendication 10] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 comprenant en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (d) d’usinage par rectification. [Revendication 11] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant

en outre, suite à l’étape (b) de projection thermique, une étape (e) de traitement thermique à l’air, comprenant un premier palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 300°C et 400°C, un deuxième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 500°C et 700°C, un troisième palier d’environ trente minutes à une température comprise entre 800°C et 1000°C, et un refroidissement à l’air ambiant, pour oxyder la couche (12).

[Revendication 12] Noyau en alliage base nickel obtenu par un procédé selon l’une des revendications 1 à 11, ledit noyau présentant une couche (12) composée d’un alliage base cobalt comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène et/ou du carbone et/ou de silice obtenue par projection thermique d’un alliage base cobalt, comprenant du chrome et au moins un élément parmi du tungstène et/ou du molybdène.