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DESCRIPTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication
d'une aube creuse de turbomachine.
Les avantages découlant de l'utilisation d'aubes à grande
corde pour les turbomachines sont apparus notamment dans le
cas des aubes de rotor de soufflante des turboréacteurs à
double flux. Ces aubes doivent répondre à des conditions
sévères d'utilisation et posséder notamment des
caractéristiques mécaniques suffisantes associées à des
propriétés antivibratoires et de résistance aux impacts de
corps étrangers. L'objectif de vitesses suffisantes en bout
d'aube a en outre amené à rechercher une réduction des
masses. Ce but est notamment atteint par l'utilisation
d'aubes creuses.
EP-A-0.500.458 décrit un procédé de fabrication d'une aube
creuse pour turbomachine, notamment une aube de rotor de
soufflante à grande corde. Les pièces primaires utilisées
dans cette fabrication comprennent deux tôles extérieures et
au moins une tôle centrale. Le procédé décrit comporte une
opération de formage à chaud par cambrage et vrillage des
pièces, une opération de soudage-diffusion dans des zones
localisées et une opération de gonflage sous pression de gaz
induisant un formage superplastique amenant les surfaces
extérieures de l'aube au profil recherché. Des outillages
appropriés, notamment des matrices de forme, sont utilisés
pour la réalisation de ces opérations.
Le but de l'invention est d'apporter aux nombreux procédés
connus de fabrication d'aubes creuses, illustrês notamment
par l'exemple cité ci-dessus, des améliorations
substantielles visant notamment à obtenir des aubes
présentant des caractéristiques mécaniques améliorées et
optimisées dans les conditions d'utilisation, en garantissant
une qualité répétitive tout en facilitant les conditions de
fabrication au moindre coût.
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v.... 2
Ces buts sont atteints par un procédé de fabrication d'une
aube creuse de turbomachine qui comporte les étapes
suivantes .
(a) à partir de la définition d'une aube à obtenir, étude en
utilisant des moyens de Conception et Fabrication Assistés
par Ordinateur / CFAO et réalisation d'une simulation
numérique de la mise à plat des pièces constitutives de
l'aube, correspondant à un dégonflage ;
(b) forgeage sur presse des pièces primaires par matriçage ;
(c) usinage des pièces primaires ;
(d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif
prédéfini ;
(e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage-
diffusion en pression isostatique ;
(f) gonflage sous pression de gaz et formage superplastique ;
(g) usinage final,
l'opération (b) de matriçage étant réalisée en matrice chaude
dans un intervalle de 0 , 7 à 0 , 8 Tf , Tf étant la température
de fusion de matière, la température des outillages étant
portée à 80 % de la température de la pièce, une ébauche de
forme trapézoïdale spécifique étant utilisée de manière à
obtenir un produit final de finesse équivalente à 0,02 fois
la largeur de l' aube et un corroyage du métal permettant de
garantir une taille de grain adéquate pour assurer les
caractéristiques mécaniques recherchées, notamment la tenue
en fatigue pour le produit final ainsi que les bonnes
conditions de soudure diffusion de l'opération (e), une étape
supplémentaire de cambrage/vrillage étant prévue, qui
comporte en outre une opération d'allongement des fibres
permettant la mise à longueur finale de la fibre neutre si
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l'épaisseur des pièces, associée au taux de déformation, est
inférieure à la limite de flambage.
Dans le cas d'un alliage de titane, du type TA6V, la taille
de grain obtenue est inférieure à 10 ~,m, pour une température
de matriçage de la pièce comprise entre 880°C et 950°C et une
température d'outillage comprise entre 600°C et 850°C.
De manière avantageuse, le cambrage / vrillage des aubes
placé après l'opération de soudage-diffusion permet une plus
grande facilité de l'application des barrières de diffusion
sur un motif préétabli sur pièce à plat.
De maniëre avantageuse, la rëalisation d'aube de soufflante à
très fort taux de compression, suppose une très forte
cambrure de la base pale et un vrillage accentué et non
continu. Ceci nécessite une opération spécifique
d'allongement des fibres précédant l'opération de vrillage.
De manière avantageuse, l'opération de vrillage dans ce cas
peut être intégrée à l'opération de gonflage sous pression
gazeuse et formage superplastique.
De manière avantageuse, l'opération de cambrage/vrillage des
aubes peut être placée après l'opération de forgeage dans le
cas de développement exploratoire nécessitant de faibles
séries de pièces, ou après l'opération d'usinage des pièces
primaires dans le cas de formes aérodynamiques simples.
De manière avantageuse, l'opération de cambrage/vrillage
s'effectue sur une presse, de manière isotherme. Dans le cas
d'alliage de titane type TA6V, cette température sera
comprise entre 700 et 940°C.
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Cette opération nécessite un blocage des extrémités afin de
garantir un allongement effectif des fibres dans les zones
choisies, ceci sans déchirure. La longueur de la fibre
centrale reste inchangée et le taux d'allongement des fibres
varie suivant leur distance à cette fibre centrale.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description qui va suivre
des modes de rêalisation de l'invention, en référence aux
l0 dessins annexés sur lesquels .
- la f figure 1 représente une vue schématique de la première
étape de simulation de la mise à plat d'une aube creuse dans
le procédé de fabrication conforme à l'invention ;
- la f figure 2 représente une vue en perspective d' une pièce
brute de départ dans le procédé de fabrication d'une aube
creuse conforme à l'invention ;
- la figure 3 représente la pièce de la figure 2 à un premier
stade de mise en forme ;
- la figure 4 représente la pièce des figures 2 et 3 au stade
suivant de mise en forme ;
- la figure 5 représente selon une vue en perspective un
exemple de pièce obtenue à l'issue des étapes de forgeage et
usinage du procédé de fabrication d'une aube creuse selon
l'invention ;
- la figure 6 représente selon une vue en coupe par un plan
passant par l'axe longitudinal de la pièce suivant la ligne
VI VI de la figure 5 la pièce obtenue à ce stade de
fabrication selon la figure 5 ;
- la ffigure 7 représente un graphique reproduisant un cycle
d'évolution des températures de pièce lors du forgeage par
matriçage sous presse des pièces primaires constitutives de
l'aube ;
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''..-- 5
- la figure 8 représente une vue en perspective d' une pièce
primaire constitutive de l'aube creuse obtenue par le procédé
conforme à l'invention après la réalisation de l'étape de
préparation par dépôt de barrières anti-diffusion ;
- les figures 9 et 10 représentent une vue en perspective des
pièces primaires de l'aube creuse lors de l'étape
d'assemblage suivi du soudage-diffusion du procédé conforme à
l'invention ;
- les figures 11 et 12 représentent schématiquement les
résultats d'une simulation numérique d'une opération de mise
à longueur des fibres à effectuer sur les pièces
constitutives de l'aube creuse assemblée obtenue par le
procédé conforme à l'invention ;
- la figure 13 représente une vue en perspective de l'aube
obtenue par ledit procédé après une opération de mise en
forme conduisant à un allongement des fibres ;
- la figure 14 représente une vue schématique en perspective
d'un exemple d'outil de presse utilisé pour obtenir la pièce
de la figure 13 ;
- la figure 15 représente une vue en bout de l'aube de la
figure 13 montrant le résultat de l'opération de cambrage du
pied d'aube ;
- la figure 16 représente une vue schématique de la
réalisation de l'opération de vrillage de l'aube des figures
13 et 15 ;
- la figure 17 représente selon une vue en coupe par un plan
passant par l'axe longitudinal de pièce suivant une ligne
XVII-XVII de la figure 16 la réalisation de l'opération de
vrillage de la figure 16 ;
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'"..-- 6
- la figure 18 représente selon une vue schématique en
perspective une variante de réalisation de l'opération de
vrillage de l'aube des figures 13 et 15 ;
- la figure 19 représente une vue en perspective de l'aube
obtenue après l'opération de vrillage dudit procédé ;
- la figure 20 représente selon une vue schématique en
perspective un exemple d'une partie de l'outillage utilisé
lors de l'étape de formage superplastique de l'aube de la
figure 19 ;
- la figure 21 représente selon une vue schématique en coupe
par un plan transversal un exemple de profil d'aube avant
gonflage et en tiretés, après gonflage.
La première étape (a) du procédé de fabrication d'une aube
creuse de soufflante de turbomachine conforme à l'invention
comporte une opération dite de mise à plat, à partir de la
définition de la pièce finie.
L'opération de mise à plat est constituée du dégonflage
suivie du dévrillage/décambrage.
Comme représenté sur la figure 1, les principes de
construction et de contrôle d'une aube de soufflante sont
basés sur l'utilisation de sections de définition réparties
le long de l'axe moteur. Chaque section est travaillée afin
que l'ensemble des autres pièces constitutives de l'aube
telles que 11, 12 soient plaquées sur la peau d'intrados 13
inchangée. L'épaisseur de la peau extrados il est ajustée en
fonction de son allongement ultérieur lors de l'opération de
formage .
A ce stade, on réalise une simulation numérique du gonflage
confirmant le résultat intermédiaire.
Comme représentée sur la figure 1, la géométrie finale
vrillée est transformée en celle à plat. Le
dévrillage/décambrage est une opération délicate pour
laquelle le procédé de fabrication conforme à l'invention
prévoit une méthode remarquable, automatisée, respectant la
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conservation du volume par la répartition de matière en
fonction du taux de déformation lié à la position de chaque
section.
A ce stade, on réalise une nouvelle simulation numérique du
vrillage confirmant le résultat final.
De façon avantageuse, il est possible de réaliser la mise à
plat en une seule opération, sans l'étape de dégonflage.
La seconde étape (b) consiste à forger sur presse les pièces
primaires constitutives de l'aube telles que 11, 12, 13
visibles sur la figure 9, par matriçage. Selon les techniques
connues antérieures, ce type de pièce est fabriqué à partir
de tôles laminées car on considère que la dimension et la
taille ne permettent pas d'assurer par forgeage une ébauche
suffisamment précise et fine.
Selon l'invention et comme il est connu en soi dans le
procédé de forgeage de précision, la pièce brute de départ
est constituée, comme représenté sur la figure 2, d'une barre
3, d'un alliage de titane par exemple TA6V, de dimension
adéquate (diamètre compris entre 80 et 120mm) pour réaliser
l'ébauche des pièces primaires. Comme représenté sur la
figure 3 une ou plusieurs opérations de refoulage permettent
la mise en place de la matière dans les zones de fort volume
de type pied 4 ou bout de pale. A ce stade, les barres sont
chauffées à une température comprise entre 880°C et 950°C,
alors que l'outillage est chauffé à une température comprise
entre 200 et 250°C.
L'une des difficultés et donc une étape remarquable du
procédé selon l'invention réside dans la capacité à produire
des ébauches forgées 5 telles que représentées sur la figure
5 de dimension et surtout d'épaisseur capables de produire
économiquement des aubes à grande corde. Les inventeurs ont
mis au point une méthode de forgeage des ébauches permettant
de garantir sur une presse de grande puissance des ébauches
précises et calibrées.
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,. 8
En effet la réalisation d'aubes de soufflante de
turboréacteur à grande corde nécessite des ébauches de grande
taille. A titre d'exemple un turboréacteur de la classe 270KN
de poussée nécessite des aubes d'une largeur de 500 mm
environ. Cette largeur est encore augmentée par d'éventuelles
sur largeurs pouvant atteindre 50 mm environ sur chaque bord
pour assurer des fonctions de types assemblage, maintien,
etc... du produit.
Afin d'obtenir un produit suffisamment fin et afin de limiter
les coûts de matière première et d'usinage, tout en limitant
la pression de forgeage, les inventeurs ont mis au point un
procédé comprenant une combinaison judicieuse d'une forme
trapézoïdale 6 de l'ébauche 5 telle que représentée sur la
figure 4, de la lubrification et du chauffage des outillages.
Notamment, l'opération de forgeage sur presse ou matriçage
permettant d'obtenir les pièces telles que 5 de la figure 4
est effectuée en chauffant la pièce à une température
comprise entre 880°C et 950°C et l'outillage à une
température comprise entre 700°C et 900°C.
I1 est alors possible de réaliser un produit avec un rapport
de finesse défini par le rapport épaisseur/largeur de l'aube
de l'ordre de 0,02. La figure 7 montre un graphique
d'évolution de température à chaque matriçage. La courbe a
correspond aux températures des surfaces de contact de
matrice, la courbe b la température interne de l'outillage et
la courbe c la température du porte-outil. On constate que
grâce à un cycle de matriçage parfaitement maîtrisé, le cycle
de température varie entre 720°C et 840°C.
La structure des barres de départs 3 est grossière par
rapport aux spécifications classiques appliquées à des barres
de plus petites dimensions (diamètre 50 mm) utilisées pour le
matriçage d'aubes classiques de turboréacteur . le forgeage
et matriçage permettent d'affiner la structure d'une manière
significative puisque la taille de grain est ramenée de 10 ~cm
en moyenne à 7 ~,m. Cette opération permet ainsi de gagner 30
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MPa en moyenne sur la tenue en fatigue du produit final et
ceci malgré les cycles thermiques du soudage-diffusion et du
gonflage qui suivent l'opération de forgeage.
Dans l'exemple représenté sur les figures 5 et 6, la
précision du forgeage permet de réaliser la surface 8 gauche
externe finie de forgeage . l'état de surface final étant
obtenu par un polissage sélectif, à commande numérique,
effectué sur une machine à polir 5 axes.
La finition de la surface interne 9 des pièces primaires est
réalisée par usinage par tout procédé d'usinage connu en soi,
ces usinages constituant l'étape (C) du procédé conforme à
l'invention.
Les opérations de préparation du sandwich jusqu'à l'obtention
d'un ensemble soudé-diffusé font appel à des procédés défia
connus comprenant les opérations de l'étape suivante (d) du
procédé .
- nettoyage parfait des surfaces, internes particulièrement ;
- application d'un produit anti-diffusant sur au moins deux
des faces internes avec des motifs prédéfinis 10, par exemple
par un procédé de sérigraphie classique, comme schématisé sur
la figure 8 ;
- cuisson du produit anti-diffusant entre 250°C et 280°C pour
dégrader tout ou partie du liant ;
puis de l'étape suivante (e) du procédé .
- assemblage des pièces primaires il, 12, 13 afin d'obtenir
l'ensemble 14 en utilisant au moins deux pions de centrage
15, 16, comme représenté sur les figures 9 et 10 ;
- soudage TIG ou par faisceau d'électrons de la périphérie
puis éventuellement de deux tubes 17, 18 de mise au vide ;
- tirage du vide dans une enceinte à vide et fermeture des
tubes 17, 18 dans le cas de leur utilisation ;
- soudure-diffusion à une température de 875°C à 940°C, et
sous une pression de 30 à 40 x 105 MPa pendant 1 H mini.
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Les étapes suivantes (f) de gonflage sous pression de gaz et
formage superplastique et (g) d'usinage final sont ensuite
effectuées dans des conditions de réalisation connues en soi,
les paramètres, notamment la température et les pressions
appliquées étant déterminées en fonction du matériau des
pièces. Par ailleurs et suivant les applications
particulières du procédé conforme à l'invention à l'obtention
d'aubes de soufflante, une mise en forme des pièces par
cambrage/vrillage peut être nécessaire. Dans ce cas le
cambrage/vrillage est une opération délicate qui nécessite un
certain nombre de précautions pour éviter l'apparition
d'ondulations dues aux allongements des différentes parties
de la pièce lors de cette opération.
Préalablement on réalise une opération géométrique sur un
système CFAO de manière à conserver de part et d'autre de la
fibre neutre, les longueurs des fibres en fonction de leur
position par rapport à l'axe 20 de la pièce 19, comme
représenté sur les figures il et 12.
A ce stade, on réalise une simulation numérique du vrillage
confirmant le résultat final.
L'opération consiste en une mise en forme isotherme de la
pièce primaire ou de l'ensemble soudé, sous presse à une
température comprise entre 700 et 940°C permettant, avec un
outillage 21, d'obtenir les allongements des différentes
fibres de la pièce 19.
Cette opération s'effectue à pression contrôlée entre deux
outillages métalliques ou céramique à la méme température que
la pièce soit 700°C à 940°C. La définition géométrique de
l'outil 21 réalisée en CFAO intègre la forme de la partie
massive du pied 22 et latéralement les allongements évolutifs
des fibres notamment par une ou plusieurs ondes 23, 24, 25,
26 dont l'amplitude varie avec le taux d'allongement
nécessaire, comme schématisé sur les figures 13 et 14.
Ces allongements vont générer des contraintes de compression
longitudinales généralement situées sur l'axe 20 de la pièce.
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Celles-ci seront contenues par une immobilisation à chaque
extrémité, pied 22 et bout de pale 27.
Cette opération peut comprendre le cambrage du pied 22.
L'ajout de surépaisseurs 28, 29, 30 judicieusement placées
permet d'assurer un maintien dès le premier contact
pièce/outil, comme représenté sur la figure 15.
Pour l'opération de vrillage et comme schématisé sur les
figures 16 et 17, l'ensemble soudé 31 est maintenu à chaque
extrémité par deux mors 32, 33 dont l'un au moins est mobile
en rotation.
L'opération de vrillage est effectuée dans un four ou une
enceinte chauffante, à une température de fluage comprise
entre 880°C et 920°C en fonction de l'alliage de l'ensemble
soudé.
Des masselottes 34,35 imposent à la pièce un vrillage
parfaitement contrôlé par des butées de fin de course.
De manière avantageuse, une autre méthode est de fournir le
mouvement de rotation d' un au moins des mors par un système
mécanique agissant sur le bras de levier 37, ceci est alors
réalisé par deux doigts fixés sur la partie mobile d'une
presse à laquelle est ajouté une enceinte chauffante locale
38. Des empreintes locales ajoutées 36 permettent d'obtenir
la forme aérodynamique accentuée du bord de fuite.
Dans ces deux cas, l'un des mors peut être équipé d'un
accouplement hélicoïdal afin d'appliquer à la pièce une
contrainte de traction au cours du vrillage, permettant
d'éviter l'apparition d'un phénomène d'ondulation, de manière
remarquable, conforme à l'invention.
De manière avantageuse, il est possible de réaliser le
mouvement de rotation d'un au moins des mors par un moteur
électrique ou hydraulique, protégé thermiquement dans la zone
de travail.
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L'aube vrillée 39 ainsi obtenue et telle que représentée sur
la figure 19 est maintenue par ces tourillons 40, 41 durant
la fermeture du moule de formage super plastique 44. Ceux-ci
sont guidés verticalement par encoches 42, 43, comme
représenté sur la figure 20.
L'opération de formage super plastique est réalisée entre 850
et 940°C sous une pression de 20 à 40x105MPa d'argon.
De manière avantageuse, il est possible de former l'aube 31 à
partir de la géométrie obtenue après allongement des fibres
dans la même opération que le gonflage. La diminution du
nombre de chauffes favorise la conservation des
caractéristiques mécaniques élevées obtenues par forgeage des
pièces constitutives de l'aube.
