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FR3118095A1 - Talon d'aube mobile en materiau composite a matrice ceramique en fibres courtes - Google Patents

Talon d'aube mobile en materiau composite a matrice ceramique en fibres courtes Download PDF

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FR3118095A1 FR2013609A FR2013609A FR3118095A1 FR 3118095 A1 FR3118095 A1 FR 3118095A1 FR 2013609 A FR2013609 A FR 2013609A FR 2013609 A FR2013609 A FR 2013609A FR 3118095 A1 FR3118095 A1 FR 3118095A1
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Abstract

Talon d’aube mobile en matériau composite à matrice céramique en fibres courtes Aube mobile (100) de turbomachine comprenant : - un aubage (110) en matériau composite comprenant un renfort fibreux à base de fibres continues densifié par une matrice céramique ; et - un talon (120) présent à une extrémité de l’aubage et solidaire de l’aubage, caractérisée en ce que le talon est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Talon d’aube mobile en matériau composite à matrice céramique en fibres courtes
La présente invention se rapporte au domaine général des aubes mobiles, en particulier aux talons d’aubes mobiles, et plus particulièrement aux talons fabriqués en matériau composite à renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.
Le talon d’une aube mobile est la partie délimitant la veine supérieure de l’aube. Quand le talon comprend des léchettes, il permet également de maîtriser le jeu au sommet de l’aube entre le rotor et le stator en vis-à-vis. En effet, la partie abradable sur le stator et les léchettes abrasives sur le rotor, c’est-à-dire sur le talon de l’aube mobile, garantissent une certaine pénétration de l’aube mobile dans le stator selon les phases de vol. La gestion de cette pénétration permet d’optimiser les pertes aérodynamiques.
Les talons des aubes mobiles sont habituellement métalliques ou réalisés en un matériau composite à matrice céramique (CMC) à fibres longues, c’est-à-dire que le matériau composite comprend un renfort fibreux à base de fibres longues continues densifié par une matrice céramique. Afin de réduire la masse de l’aube et le besoin en refroidissement au niveau du talon, on privilégie les talons en matériau composite CMC. Néanmoins, les fibres longues continues utilisées dans ces matériaux composites CMC sont peu adaptées aux géométries complexes, notamment à cause de la mise en forme de la texture fibreuse de fibres longues.
Il est donc souhaitable de disposer d’un talon d’aube mobile de turbomachine ayant une masse relativement faible et pouvant s’adapter plus facilement aux géométries complexes.
L’invention concerne une aube mobile de turbomachine comprenant :
  • un aubage en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres continues densifié par une matrice céramique ; et
  • un talon présent à une extrémité de l’aubage et solidaire de l’aubage,
caractérisée en ce que le talon est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.
L’avantage d’un talon en fibres courtes discontinues est de pouvoir réaliser des formes complexes et potentiellement plus abrasives, car ces formes complexes en fibres courtes discontinues ne sont pas soumises aux limitations liées à l’utilisation de fibres longues. Par ailleurs, l’utilisation des fibres courtes discontinues permet d’envisager la fabrication du talon par un procédé de fabrication additive, ce qui permet de s’adapter plus facilement aux géométries complexes.
Par ailleurs, grâce aux matériaux composite CMC utilisés pour l’aubage et le talon, l’aube mobile nécessite un refroidissement moindre au niveau du talon rapport à une aube ayant un talon métallique. Cela permet d’augmenter les performances de l’aube.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’aube comprend également des léchettes placées sur le talon.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les léchettes ont une épaisseur inférieure ou égale à 0,2 mm.
Grâce aux fibres courtes discontinues du talon, on peut réaliser des léchettes de faible épaisseur pouvant conduire à un gain de masse. Ce gain de masse en tête d’aubage se traduit directement sur l’effort centrifuge transmis au reste de l’aube et présente donc un intérêt majeur sur une pièce de rotor.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le taux volumique de fibres courtes discontinues dans le talon est compris entre 10 % et 25 % du volume du talon.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une aube mobile de turbomachine selon l’invention comprenant :
  • l’obtention d’un assemblage comprenant une première préforme du talon montée sur une deuxième préforme de l’aubage ou sur l’aubage, la première préforme comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues et la deuxième préforme ou l’aubage comprenant un renfort fibreux de fibres continues, et
  • la densification de la première préforme de l’assemblage par infiltration par une composition fondue comprenant du silicium.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, la première préforme est montée sur la deuxième préforme et il y a une co-densification des première et deuxième préformes par la composition fondue.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la première préforme est montée sur l’aubage et la composition fondue permet de souder le talon à l’aubage.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’obtention de l’assemblage comprend une compaction de la première préforme de sorte à obtenir la première préforme, la première ébauche comprenant le renfort fibreux de fibres courtes discontinues présent dans un liant.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’obtention de l’assemblage comprend une obtention de la première préforme, par fabrication additive ou par moulage par injection de poudre, à partir d’un mélange présent dans un liant et comprenant une poudre matricielle et des fibres courtes discontinues.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
La représente, de manière schématique et partielle, une aube mobile selon un mode de réalisation de l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une aube mobile selon un mode de réalisation de l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, le procédé de fabrication d’une aube mobile selon un mode de réalisation de l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une aube mobile 100 de turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention.
L’aube 100 comprend un aubage 110 et un talon 120. Le talon 120 est placé à une extrémité de l’aubage 110 et est solidaire de l’aubage 110. L’aube 100 est solidaire d’un rotor 150 et son talon 120 est en vis-à-vis d’un stator 140.
Conformément à l’invention, le talon 120 est réalisé en un matériau composite à matrice céramique (CMC) comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.
L’aubage 110 peut être métallique ou être réalisé en matériau CMC comprenant un renfort fibreux de fibres continues (ou fibres longues continues) densifié par une matrice céramique. Préférentiellement, l’aubage 110 est réalisé en matériau CMC à renfort fibreux de fibres continues de manière à faciliter l’assemblage du talon 120 sur l’aubage 110, notamment pour faciliter la gestion des dilatations différentielles dans cette zone d’assemblage.
Le talon 120 étant solidaire de l’aubage 110, il y a une continuité métallique entre ces deux parties de l’aube 100.
La représente, de manière schématique et partielle, le talon 220 d’une aube mobile de turbomachine selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Le talon 220 est toujours placé à une extrémité de l’aubage 210 en vis-à-vis du stator 240, et est solidaire de l’aubage 210. Le talon 220 comprend des léchettes 230 placées à son extrémité face à une portion abradable du stator 240. Ces léchettes 230 sont des léchettes abrasives qui permettent de gérer la pénétration de l’aube mobile dans le stator 240 selon les phases de vol. Elles permettent également de gérer l’étanchéité entre le rotor et le stator, et d’optimiser les pertes aérodynamiques.
Grâce à l’utilisation de fibres courtes discontinues dans le talon 220, les léchettes 230 peuvent avoir une épaisseur inférieure ou égale à 0,2 mm. Cela permet notamment de réduire la masse du talon 220, et donc la masse en tête de l’aubage 210.
Comme indiqué précédemment, l’aubage 210 peut être métallique ou en matériau composite CMC à renfort fibreux en fibres longues. Néanmoins, l’aubage 210 est préférentiellement en matériau composite.
Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, le taux volumique de fibres courtes discontinues dans le talon peut être plus faible que le taux de fibres longues continues dans l’aubage.
Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, le taux volumique de fibres courtes discontinues dans le talon est compris entre 10 % et 25 % du volume du talon. Il est par exemple de 15 %.
La représente, de manière schématique et partielle, un procédé de fabrication 300 d’une aube mobile selon un mode de réalisation de l’invention.
Le procédé 300 comprend d’abord l’obtention d’un assemblage 310. L’assemblage comprend une première préforme du talon montée soit sur une deuxième préforme de l’aubage, soit sur l’aubage.
La première préforme comprend un renfort fibreux de fibres courtes tandis que la deuxième préforme ou l’aubage comprend un renfort fibreux de fibres continues ou renfort fibreux tissé. Plus particulièrement, l’aubage comprend un renfort fibreux tissé de fibres continues densifié par une matrice céramique.
Par exemple, la préforme de l’aubage peut être une préforme fibreuse en fibres de diverses natures, en particulier en fibres de céramique (SiC) ou de carbone. La texture fibreuse peut être de diverses natures et formes telles que notamment : un tissu bidimensionnel, un tissu tridimensionnel obtenu par tissage tridimensionnel ou multicouches, une tresse, un tricot, un feutre, une nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelles obtenues par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et par liaison des nappes UD entre elles par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage.
Le procédé 300 comprend ensuite la densification 320 de la première préforme de l’assemblage. La densification 320 est faite par infiltration de la première préforme par une composition fondue comprenant du silicium. La densification 320 permet de former une matrice céramique dans la première préforme et de lier la première préforme à la deuxième préforme ou à l’aubage. En effet, durant la densification 320, la composition fondue va coloniser la porosité de la préforme du talon et lier cette préforme à l’aubage ou à la préforme d’aubage.
Si lors de l’obtention de l’assemblage 310, on monte la première préforme sur la deuxième préforme, il est également possible de co-densifier les première et deuxième préformes par la composition fondue lors de l’étape de densification 320. Cela permet de former une matrice commune aux deux préformes et à lier le talon à l’aubage.
Si lors de l’obtention de l’assemblage 310, on monte la première préforme sur l’aubage, alors l’infiltration de la composition fondue dans la première préforme va permettre de souder ou braser le talon à l’aubage.
Cette soudure ou brasure ou cette matrice commune assurent le passage d’effort entre le talon et l’aubage de l’aube finale et permet d’assurer une continuité métallique.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, le procédé de fabrication 300 comprend également une étape d’usinage réalisée après la densification 320 pour usiner l’assemblage densifié à de nouvelles cotes, par exemple aux cotes aéronautiques.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la préforme du talon est obtenue à partir de la compaction d’une ébauche comprenant le renfort fibreux de fibres courtes discontinues présent dans un liant. La compaction peut être une compaction isostatique à chaud ou une compaction isostatique à froid ou encore un frittage flash (« Spark Plasma Sintering » en anglais).
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la préforme du talon est obtenue à partir d’un mélange présent dans un liant et comprenant une poudre matricielle et des fibres courtes discontinues mis en œuvre dans un procédé de fabrication additive ou dans un procédé de moulage par injection de poudre.
Les liants utilisables pour réaliser la préforme du talon peuvent comprendre au moins un polymère thermoplastique. Par exemple, le liant peut comprendre au moins un composé choisi parmi l’alcool polyvinylique (PVA), le polyéthylène glycol (PEG), le polypropylène (PP), le polyoxyméthylène (POM) ou le polytéréphtalate d’éthylène (PET).
Les liants peuvent également comprendre au moins un polymère thermodurcissable. Par exemple, ils peuvent comprendre au moins un composé choisi parmi les résines époxydes, les résines phénoliques ou les résines pré-céramiques.
Les fibres courtes discontinues du talon peuvent être obtenues de différentes manières : broyage, découpe, concassage de chutes textiles ou encore bobines de fil brut.
Les fibres courtes peuvent avoir une longueur comprise entre 50 µm et 5000 µm, par exemple entre 50 µm et 1000 µm, par exemple entre 100 µm et 500 µm, par exemple sensiblement de 250 µm. Leur diamètre peut être identique à celui des fibres de base dont elles sont issues, il est, par exemple, compris entre 8 µm et 12 µm. Les procédés d’obtention de fibres courtes discontinues sont connus de l’homme du métier, celui-ci saura donc déterminer les paramètres de fabrication permettant d’obtenir les longueurs de fibres courtes discontinues nécessaires à l’application visée.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les fibres courtes discontinues sont revêtues d’une interphase. L’interphase est, par exemple, constituée d’une couche de nitrure de bore. Celle-ci permet de dévier les fissures matricielles de la matrice qui sera formée lors de l’étape de densification 320.
Par exemple, l’interphase est constituée d’une couche de nitrure de bore BN elle-même revêtue d’une couche de carbure de silicium SiC. La couche inférieure d’interphase en BN assure le rôle de déviateur de fissure matricielle tandis que la couche supérieure d’interphase en SiC assure l’intégrité de la couche inférieure de l’interphase et de la fibre sous-jacente.
Les épaisseurs de l’interphase et des couches pouvant la constituer sont définies par l’homme du métier selon l’application visée. Par exemple, la couche inférieure de nitrure de bore a une épaisseur de 500 nm et la couche supérieure de carbure de silicium a une épaisseur de 1000 µm.
Dans un exemple de réalisation de l’invention, on obtient une préforme du talon en mélangeant des charges céramiques à des organiques pour obtenir un mélange (« feedstock »). Les charges céramiques sont les poudres matricielles et les fibres courtes discontinues. Le taux volumique d’organique correspond au taux volumique de silicium in fine dans le talon. Il en est de même pour les charges céramiques. Après homogénéisation de ce mélange, celui-ci est mis en œuvre par un procédé de fabrication additive ou de fabrication directe de type moulage par injection de poudre (« Powder Injection Molding » (PIM) en anglais). Le procédé de fabrication additive est, par exemple, un dépôt de fil fondu ou un « robot casting ». On obtient alors un corps cru (« greenbody ») qui peut éventuellement subir une étape d’usinage.
Le corps cru est ensuite débarrassé de ses organiques par des traitements thermochimiques. Cela consiste, par exemple, à former un premier réseau poral sans dilatation de la matière évitant ainsi toute fissuration prématurée, puis à retirer les organiques par action thermique. Lors du retrait, la matière peut se dilater dans le premier réseau poral formé. Le matériau obtenu n’est plus constitué que des charges céramiques et sa tenue mécanique est très limitée. Celui-ci est alors disposé sur l’aubage ou la préforme de l’aubage et forme ainsi la préforme du talon.
Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, les fibres courtes discontinues peuvent être des fibres de carbure de silicium SiC présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. Ces fibres correspondent à un type de fibre en SiC disponible en quantités industrielles par comparaison avec des filaments de carbure de silicium issus d’un dépôt chimique en phase vapeur (filaments de SiC CVD) à âme carbone habituellement utilisés dans la fabrication de pièces en matériau composite à matrice métallique. Ces fibres en SiC peuvent par exemple être des fibres fournies sous la dénomination « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise NGS.
Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, le talon peut comprendre une matrice céramique constituée de poudres de carbure de silicium et de silicium ainsi que d’un renfort fibreux de fibres courtes discontinues où :
  • les poudres de carbure de silicium ont un taux volumique compris entre 30 % et 50 % du volume du talon ;
  • les poudres de silicium ont un taux volumique compris entre 25 % et 45 % du volume du talon ; et
  • les fibres courtes discontinues avec un taux volumique compris entre 10 % et 25 % du volume du talon.
Préférentiellement, le taux volumique de poudres de carbure de silicium est de 40 %, celui des poudres de silicium est de 35 % et celui des fibres courtes discontinues de 15 %.
Dans un exemple de réalisation de l’invention, les poudres de carbure de silicium qui forment la matrice céramique du talon sont des poudres submicroniques ayant une taille moyenne d50 comprise entre 200 µm et 1000 µm. La taille moyenne d50 signifie que la moitié des particules ont une dimension caractéristique inférieure ou égale à d50 et que l’autre moitié des particules a une dimension caractéristique supérieure ou égale à d50.
Dans un autre exemple de réalisation de l’invention, les poudres de carbure de silicium qui forment la matrice céramique du talon comprennent des particules plus grosses ayant une taille moyenne d50comprise entre 1 µm et 50 µm, et plus précisément entre 15 µm et 25 µm.
La granulométrie des poudres permet de jouer sur le réseau poral au sein du matériau composite formant le talon.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (9)

  1. Aube mobile (100) de turbomachine comprenant :
    • un aubage (110, 210) en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres continues densifié par une matrice céramique ; et
    • un talon (120, 220) présent à une extrémité de l’aubage et solidaire de l’aubage,
    caractérisée en ce que le talon est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.
  2. Aube mobile selon la revendication 1, comprenant en outre des léchettes (230) placées sur le talon (220).
  3. Aube mobile selon la revendication 2, dans laquelle les léchettes ont une épaisseur inférieure ou égale à 0,2 mm.
  4. Aube mobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le taux volumique de fibres courtes discontinues dans le talon est compris entre 10 % et 25 % du volume du talon.
  5. Procédé de fabrication (300) d’une aube mobile (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant :
    • l’obtention d’un assemblage (310) comprenant une première préforme du talon montée sur une deuxième préforme de l’aubage ou sur l’aubage, la première préforme comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues et la deuxième préforme ou l’aubage comprenant un renfort fibreux de fibres continues, et
    • la densification (320) de la première préforme de l’assemblage par infiltration par une composition fondue comprenant du silicium.
  6. Procédé de fabrication d’une aube mobile selon la revendication 5, dans lequel la première préforme est montée sur la deuxième préforme et dans lequel, il y a une co-densification des première et deuxième préformes par la composition fondue.
  7. Procédé de fabrication d’une aube mobile selon la revendication 5, dans lequel la première préforme est montée sur l’aubage et dans lequel, la composition fondue permet de souder le talon à l’aubage.
  8. Procédé de fabrication d’une aube mobile selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l’obtention de l’assemblage comprend une compaction d’une première ébauche de sorte à obtenir la première préforme, la première ébauche comprenant le renfort fibreux de fibres courtes discontinues présent dans un liant.
  9. Procédé de fabrication d’une aube mobile selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l’obtention de l’assemblage comprend une obtention de la première préforme, par fabrication additive ou par moulage par injection de poudre, à partir d’un mélange présent dans un liant et comprenant une poudre matricielle et des fibres courtes discontinues.
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