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WO 2009/127725 1 PCT/EP2009/054595
Procédé de grenaillage par ultrasons de pièces de turbomachines
La présente invention concerne un procédé de traitement et de mise en
compression de surfaces comprenant des zones d'accès difficile, plus
précisément les crochets de retenue axiale d'aubes de turbomachine
comprenant une gorge entre le crochet et le pied de l'aube.
Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, les crochets de retenue axiale
des aubes dans le logement de ces dernières sur un disque de turbine et les
jantes des disques de turbine comprenant une rainure radiale de retenue
axiale des aubes sont fortement sollicitées. Les crochets d'aubes subissent
un fort niveau de contraintes statiques, quant aux rainures des disques, il
existe des problèmes de contact et d'usure entre le disque et le flasque
appliqué contre la face du disque.
Actuellement, pour améliorer leurs performances mécaniques, ces pièces
sont traitées en surface, par grenaillage classique, afin d'en améliorer leur
résistance à la fatigue et à la corrosion.
L'opération de grenaillage de précontrainte est un traitement mécanique
destiné à améliorer les propriétés d'une pièce métallique par durcissement
superficiel. Il est fondé sur la transformation structurelle des matériaux. Le
procédé classique consiste à mettre les pièces mécaniques sous
compression superficielle, par la projection de petites billes d'acier, de
verre ou de céramique. Cette opération de microbillage crée une zone
comprimée qui est le siège de contraintes internes de compression par
lesquelles la résistance est augmentée.
Selon un exemple de grenaillage classique, on martèle la surface par
projection de billes d'acier BA 315 (bille d'acier de diamètre 0,315mm)
avec une intensité F15A (suivant l'indice Almen). On utilise un flux
gazeux, produit par détente au travers d'une buse, puis on déplace la buse,
parallèlement à la surface de la pièce, ou bien la pièce par rapport à la
buse,
pour couvrir la surface à traiter.
Compte tenu de la difficulté d'accessibilité de certaines zones, ce type de
grenaillage ne peut se réaliser dans des conditions optimales. En effet, le
jet
de grenaillage ne peut être dirigé de façon directe sur la surface et le
grenaillage se réalise par rebond, dans le meilleur des cas.
Le grenaillage par rebond est beaucoup moins efficace car les billes
arrivent à la surface avec une énergie cinétique plus faible. Aussi, dans
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certains cas, le niveau de compression n'est pas suffisant pour traiter la
surface de la pièce.
En outre, le grenaillage classique ne donne pas l'assurance d'un bon
recouvrement des zones d'accès difficile telles que les gorges d'aubes ou
bien les rainures des disques.
L'utilisation du procédé de mise en compression par choc laser n'est pas
non plus applicable à ces zones. En effet, ces zones étant masquées, elles
ne sont pas accessibles au faisceau laser.
Le traitement par choc laser, est un procédé qui vise à générer des ondes de
choc plastifiantes dans un matériau, afin d'en améliorer également ses
propriétés de surface. Les ondes de choc sont obtenues en focalisant sur la
surface du matériau une impulsion laser très intense (GW/cm2) en présence
d'un milieu de confinement sur des très courtes durées (quelques
nanosecondes). Le traitement est susceptible d'induire des contraintes
résiduelles de compression sur des épaisseurs atteignant plusieurs centaines
de micromètres et ce, sur une grande variété de matériaux, en particulier
pour les applications qui intéressent le domaine des aciers, des alliages
d'aluminium ou du titane. Le traitement permet l'amélioration des
propriétés de surface, comme la résistance à la fatigue, à l'usure ou encore à
la corrosion. Un des intérêts de cette technique réside dans le fait que les
états de surface des pièces sont peu modifiés.
Le déposant s'est fixé comme objectif de traiter des surfaces sur un crochet
de rétention axiale d'aube de turbomachine présentant des zones d'accès
difficile de pièces de moteur à turbine à gaz en utilisant le procédé de
grenaillage par ultrasons.
Le procédé de grenaillage par ultrasons permet de mettre en compression
et, ainsi, de durcir les couches superficielles de matériaux métalliques, le
but de cette technique étant d'améliorer la durée de vie des pièces. Le
procédé consiste à mettre en vibration une sonotrode, à des fréquences
proches de la fréquence ultra sonore, par l'intermédiaire d'éléments
acoustiques, reliés à un générateur. Des billes de différentes natures sont
propulsées vers le matériau devant être grenaillé, par l'intermédiaire de la
sonotrode.
Afin de palier les inconvénients des procédés classiques de traitement de
surface sur les zones d'accès difficile, l'invention consiste à appliquer le
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procédé de grenaillage par ultrasons sur lesdites zones, de type gorges
d'aubes, pour lesquelles des procédés tels que le grenaillage classique ou
bien le choc laser ne permettent pas un recouvrement complet de la surface.
Conformément à l'invention, le procédé de grenaillage par ultrasons, au
moyen d'un brouillard de billes mises en mouvement au contact d'une
sonotrode, d'une surface métallique comprenant une zone d'accès difficile
est caractérisé par le fait que la surface étant celle d'un crochet de retenue
axiale d'une aube de turbomachine comprenant une gorge ménagée entre le
crochet et le pied de l'aube et une portion de surface extérieure à ladite
gorge, le brouillard de billes est contenu dans une enceinte englobant ladite
surface.
Avantageusement, l'application du procédé donne la possibilité d'une mise
en compression plus profonde dans les zones d'accès difficile et, par
conséquence, permet l'amélioration de la tolérance aux dommages (fatigue,
fretting,..).
Le procédé de grenaillage vise des pièces réalisées avec un matériau du
groupe acier, alliage de titane ou superalliage à base de nickel ou des
aluminiums
L'avantage de l'application du procédé est la possibilité d'obtenir un
recouvrement complet, ainsi qu'un meilleur état de surface, avec l'absence
de replis de matière dans les angles. Un autre avantage réside dans le fait
que ce procédé est très répétitif
L'invention présente un intérêt quand ladite gorge du crochet a une largeur
comprise entre 1,5 mm et 10 mm et une profondeur comprise entre 1,5 mm
et 20 mm.
On utilise plus particulièrement des billes présentant les caractéristiques
suivantes :
Elles ont un diamètre inférieur ou égal à 2,5 mm et une masse
supérieure ou égale à 0,5 g, et un diamètre compris entre 300 m et 2,5
mm.
Ce sont des billes de roulement en acier avec un faible teneur
carbone, et l'amplitude de vibration de la sonotrode est supérieure ou égale
à 20 m.
De préférence le temps de traitement est compris entre 5 et 200 secondes.
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La sonotrode forme une portion de la paroi de l'enceinte.
On connaît le brevet FR2816538 qui décrit un procédé pour augmenter la
durée de vie des attaches d'aubes sur un rotor de turbine mettant en oeuvre
un grenaillage par ultrasons des rainures et des pieds d'aubes. Le
grenaillage est effectué avec une flèche Almen au moins égal à F8A afin
d'augmenter la précontrainte de compression des surfaces en contact sans
augmenter la rugosité. Les billes sont projetées par la percussion d'une
sontrode mise en vibration et contenues dans une enceinte formée par la
rainure annulaire ou axiale, la sonotrode étant introduite dans l'embouchure
de celle-ci et deux oreilles recouvrant les ouvertures latérales.
L'accessibilité des zones à traiter n'est pas en question dans l'enseignement
de ce brevet puisque les rainures de logement des aubes permettent la
formation d'enceintes avec leur paroi.
Le brevet FR 2873609 porte sur le grenaillage par ultrasons et l'utilisation
de projectiles permettant d'obtenir une intensité de traitement suffisante sur
des surfaces concaves présentant un rayon de courbure plus faible que celui
des projectiles. Les projectiles ont une dureté et une densité toutes deux
élevées tout en étant de faible dimension et leur utilisation permet de
traiter
des zones difficilement accessibles avec les projectiles conventionnels
ayant de faibles rayons de courbure. Ces projectiles sont capables
d'acquérir une énergie cinétique suffisamment grande pour générer le
niveau de contraintes souhaité dans la pièce. Ce brevet décrit plusieurs
réalisations d'enceintes adaptées à la configuration des surfaces à traiter.
Cependant son enseignement ne comprend pas le traitement de pièces
présentant une partie avec une gorge de faible ouverture.
On comprendra mieux les buts, aspects, et avantages de la présente
invention, à la lecture de la description donnée, ci-après, des différents
modes de réalisation. Ceux ci sont présentés à titre d'exemples, non
limitatifs. Les dessins annexés sont décrits ci-dessous :
La figure 1 représente schématiquement un crochet d'aube de
turbomachine.
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La figure 2 représente la schématisation des zones d'analyse de
contraintes par diffraction X.
La figure 3 montre le profil des contraintes obtenu par grenaillage
classique, sur la zone A d'analyse de la figure 2, avec en abscisse la
profondeur en microns et en ordonnée la valeur de la contrainte résiduelle
en MPa.
La figure 4 montre l'outillage permettant le grenaillage par ultrasons
de crochets d'aubes.
La figure 5 montre le profil des contraintes obtenu par le grenaillage
ultrasons, sur la zone d'analyse A de la figure 2.
Dans un turboréacteur, les disques de rotors comprennent une jante, à la
périphérie de laquelle est montée une pluralité d'aubes amovibles. Les
aubes sont montées dans des rainures axiales, en queue d'aronde par
exemple, usinées dans la jante, et comprennent un pied, également en
queue d'aronde, usiné à la base de l'aube, l'assemblage s'effectuant par
l'emboitement du pied dans la rainure. Les pieds d'aubes sont emboités
dans les rainures par coulissement, avec un jeu limité. Les pieds sont
immobilisés axialement par l'intermédiaire de crochets de retenue axiale
solidaires du pied des aubes. Les crochets coopèrent avec un jonc
transversal disposé entre le pied de l'aube et le crochet. Ainsi, les gorges
contiennent le mouvement axial des pieds d'aube. Une plateforme,
surmontant le pied de l'aube, délimite la veine de gaz. Le matériau est
compris dans le groupe acier, alliage de titane, superalliage à base de nickel
ou des aluminiums.
La figure 1 présente la géométrie concernée par application du procédé de
l'invention. La surface à traiter comprend l'intérieur de la gorge 5 formée
entre le crochet 20 et le pied 13 de l'aube ainsi que la portion de surface 7
extérieure adjacente. Elle est constituée d'une zone 5 en forme de U
renversé. La largeur de cette zone varie entre 1,5 mm et 10 mm, et la
profondeur varie entre 1,5 mm et 20 mm. La surface à traiter comprend
également la portion de surface 7 du crochet extérieure à la gorge 5.
Les crochets sont fortement sollicités; le fort niveau de contraintes
statiques
sur lesdits crochets peut entraîner des problèmes de casse et d'usure.
La figure 4 montre l'outillage développé pour permettre le grenaillage par
ultrasons des crochets. L'aube 10 comprend, schématiquement une pale 11,
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un pied 13, à section par exemple en queue d'aronde, et éventuellement une
échasse. Une plateforme est interposée entre le pied 13 et la pale 11.
L'outillage 30 comporte une plaque de support avec une surface vibrante
32 et une sonotrode, excitée par des moyens de production de vibrations à
une fréquence ultrasonore, non montrés sur les dessins. Ladite surface
vibrante constitue la paroi active d'une enceinte 25. Dans ce volume défini
par les parois 31, sur un côté de la surface vibrante 32 de l'enceinte, on
aménage une ouverture 26, par laquelle on a introduit le crochet 20 de
l'aube 10. L'ouverture 26 est obturée par la face du pied de l'aube avec le
crochet.
Le crochet 20 est ainsi inclus dans l'enceinte. La gorge 5 et la portion de
surface 7 du crochet, adjacente et extérieure à la gorge, sont comprises dans
l'enceinte. La gorge a ici une largeur de 3,2 mm et une profondeur de 7,26
mm.
La surface vibrante 32 est située à faible distance du crochet 20. Elle est
plus large que la gorge 5 et voit au moins en partie la portion de surface du
crochet extérieure à la gorge 5.
Des billes 2, d'un diamètre de 1,5 mm, sont introduites dans l'enceinte 25 à
travers l'ouverture 26. Lorsque la surface vibrante 32 est soumise à des
oscillations ultrasonores par la sonotrode, il se crée un brouillard de billes
dans l'enceinte 25. Les billes sont propulsées vers le crochet 20, percutant
la paroi de ladite gorge 5 et la portion de surface adjacente 7.
La fréquence des oscillations ultrasonores, les dimensions de la surface
vibrante 32, ainsi que le diamètre, la matière et la masse des billes sont
choisis de telle sorte que la zone de la gorge du crochet mais aussi la
portion de surface extérieure à la gorge soit grenaillée de manière
homogène pendant un temps très court.
Dans l'exemple ci-dessus les paramètres retenus, après la mise au point du
grenaillage par ultrasons, avec l'outillage sont repris dans le tableau
suivant :
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Condition
Type des Billes 1000601, 50 mm
Masse des Billes 2,00 g
Amplitude 120 m
Temps de traitement 75 secondes
Taux de recouvrement >125 %
Un avantage non négligeable du grenaillage par ultrasons est que sa mise
en oeuvre ne nécessite qu'une faible quantité de billes. On peut donc, dans
le cas présent, utiliser des billes de haute qualité telles que des billes de
roulement en acier. Ces billes ont une dureté plus élevée que les billes en
carbure de tungstène. Les billes de roulement en acier ne se cassent pas,
elles sont parfaitement sphériques, et par conséquent ne produisent pas
d'arrêtes vives susceptibles d'augmenter la rugosité de la surface de la
pièce grenaillée.
Le temps de grenaillage est déterminé en fonction du taux de
recouvrement, le taux de recouvrement étant le rapport entre la surface
impactée et la surface totale exposée au grenaillage.
Nous remarquons que pour un taux de recouvrement correspondant à 125
%, le temps de grenaillage est de 75 secondes.
La mise au point du grenaillage par ultrasons a été réalisée sur un crochet
20, sur une zone d'une largeur de 3.2 mm et d'une profondeur de 7,26 mm.
Les paramètres utilisés pour le procédé étaient les suivants: diamètre des
billes entre 300 m et 2,5 mm, avec une masse située entre 0,5 et 5
grammes, une amplitude comprise entre 20 et 500 m, et avec un temps de
traitement variant entre 5 et 200 secondes.
Tel qu'on le voit sur la figure 2, des mesures de contraintes ont été
réalisées
sur les zones A et B du pied de l'aube comprenant la gorge. La zone A est
formée d'un volume du pied 13 délimité par la surface latérale de la gorge 5
et la zone B est formée d'un volume du pied 13 délimité par le fond de la
gorge 5. Ces mesures ont été réalisées pour déterminer les contraintes
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résiduelles en profondeur par diffraction X. Le résultat en termes de profil
de contraintes obtenu par grenaillage classique BA 315 (bille en acier de
diamètre 0,315 mm) et d'intensité F15A (suivant l'indice Almen) est
montré sur la figure 3.
La figure 5 montre le profil des contraintes obtenu par grenaillage
ultrasons, objet de l'invention, dans la zone 2 du crochet 20 représenté en
figure 2.
Si on compare les résultats obtenus par grenaillage classique (figure 3) avec
ceux obtenus par grenaillage ultrasons (figure 5), dans la zone A de la
surface traitée, on observe des niveaux de contraintes similaires. Par contre,
le grenaillage par ultrasons permet d'obtenir des contraintes sur une
profondeur beaucoup plus importante (notamment dans un rapport de 100%
par rapport au grenaillage classique).
Sur les zones A et B de la figure 2, des analyses MEB ont été réalisées afin
de vérifier le recouvrement obtenu par le grenaillage ultrasonore.
L'analyse MEB permet d'obtenir une image réfléchie de l'échantillon
(agrandie jusqu'à 100 000 fois ou plus), mettant en évidence des détails
impossibles à déceler autrement.
Les résultats de cette analyse montrent un recouvrement complet dans les
zones A et B du crochet 20, l'absence de stries résiduelles, ainsi que
l'absence de replis formés par les impacts.
