Brevet FR2130661A1 — publié le 19721103

t, 72 10400 1 2130661 La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une aube de turbine à gaz, comportant plusieurs canaux de refroidissement internes, à l'aide d'une capsule de frittage en une matière qui, au moins aux températures élevées, 5 peut subir une déformation plastique, la capsule ayant sensiblement la même forme que l'aube mais étant plus grande que celle-ci. Le terme turbine à gaz du présent mémoire englobe également certaines turbines à vapeur qui fonctionnent 10 à des températures extrêmement élevées et le terme "aube" englobe à la fois les aubes de guidage et les aubes mobiles. Jusqu'à présent il n'a pas été possible, en pratique, de couler des aubes du type indiqué ci-dessus. Du fait que les points de fusion des matières résistantes à la chaleur 15 pouvant être envisagées et utilisées pour les aubes sont très élevéest il a été impossible en pratique de trouver une matière pour le moule qui permette la réalisation d'un nombre assez grand de canaux de refroidissement minces dans une aube de turbine à gaz coulée. 20 Si, par exemple, plusieurs tubes métalliques devaient être placés dans le moule de coulée afin de former des canaux de refroidissement, ils fondraient ou tout au moins seraient déformés dans une mesure telle que leur position finale et l'aire de leur section droite pourraient difficilement être 25 prévues à l'avance. Dans le brevet suédois 110 160.130 on décrit la formation d'une aube de turbine à gaz à partir d'une billette tubulaire de section droite circulaire. Un traitement plastique de la billette donne au tube une forme en section droite telle 30 qu'il peut être utilisé comme aube de turbine dans laquelle la cavité entourée par les parois du tube est utilisée comme canal de refroidissement. Dans le brevet suédois n° 167.979 on décrit un procédé qui consiste à souder ensemble deux aubes de profil 35 courbe, de manière qu'une surface de la première aube qui comporte des nervures, forme avec une surface apparente de la seconde une ••uue présentant des canaux de refroidissement internes, orientés longitudinalement et comportant des éléments de sortie disposés transversalement. *4-0 On sait également fabriquer des aubes de tur 72 10400 2 2130661 bine à gaz par compression isostatique, c'est-à-dire un procédé dit de compression ou de tassement à chaud, dans lequel une matière de résistance thermique élevée est versée dans une capsule de frittage en forme d'aube qui est ensuite chauffée à une tem-5 pérature élevée, par exemple supérieure à 1.100° C, mise sous vide et soumise à la pression extérieure élevée d'un gaz, La compression à chaud est décrite dans les demandes de brevet suédois n° 1^.367/68 10 n° 1^.368 et n° 2.856 à 69 Le procédé de tassement ou de compression à 15 chaud donne la possibilité de fabriquer des aubes de turbines à gaz en des matières extrêmement dures, par exemple en "Astroloy", qui conserve sa résistance élevée et sa résistance à la corrosion à une température de l'aube très supérieure à celle que peuvent supporter des aubes fabriquées de n'importe quelle autre 20 façon. Cependant, même lorsque de telles aubes sont frittées à une pression et à une température élevées, il vaut beaucoup mieux qu'un refroidissement interne, par exemple à l'aide d'air comprimé donne à l'aube une température très infé-25 rieure à celle du gaz qui s'écoule à travers la turbine. Il est alors possible de prévoir des températures considérablement plus élevées pour le gaz, par exemple un accroissement de 200° C qui améliore considérablement le rendement de la turbine. Du fait de la dureté extrême de la matière, 30 les canaux de refroidissement ne peuvent être réalisés par forage et bien que d'autres procédés soient théoriquement possibles, par exemple des procédés d'usinage par étincelage ou par traitement électrochimique, ils prennent trop de temps et sont trop coûteux pour qu'ils puissent être envisagés pour des canaux qui 35 doivent avoir approximativement la même longueur que l'aube de la turbine. De plus, le choix.des positions des canaux serait extrêmement limité avec de tels procédés. Par exemple, les canaux devraient être disposés exactement en ligne droite dans le sens longitudinal de l'aube, tandis que des canaux de refroidissement ^0 dans des aubes de construction différente sont souvent courbes 72 10400 3 2130661 de façon que le réfrigérant puisse être introduit par la fixation de l'aube et qu'il en sorte par les éléments courbes et transversaux des canaux. Même si les canaux de refroidissement sont orientés principalement dans le sens longitudinal de chaque 5 aube, une certaine courbe peut être nécessaire pour leur jonction à un canal d'alimentation commun disposé dans la couronne de support si l'élément d'admission de chaque canal ne doit entraîner que la plus faible réduction possible de résistance de l'élément de fixation de l'aube. 10 Le procédé selon l'invention donne la possibi lité de fabriquer des aubes de turbines à gaz frittées comportant des canaux de refroidissement, et cela à un prix beaucoup moins élevé et à une beaucoup plus grande échelle que les procédés de fabrication connus. Il permet, de plus, de satisfaire 15 aux demandes habituelles d'un système de refroidissement pour chaque aube d'une turbine. Le procédé selon l'invention est spécialement destiné à la fabrication d'aubes de turbines à gaz en un alliage particulièrement approprié, c'est-à-dire un alliage de résistance thermique et de résistance à la corrosion élevée 20 aux températures élevées. Des alliages connus de ce type sont caractérisés par une dureté extrême, de sorte que des procédés de tournage ou de meulage destinés à la mise en forme des aubes ne peuvent être utilisés que dans une mesure très limitée si les frais de fabrication doivent être maintenus à des niveaux rai-25 spnnables. De tels alliages appartiennent à .un groupe qui est caractérisé par les compositions suivantes Cr 13 - 24 -£ Ni 45 - 65 c/° 30 Mo 5 - 10 °jo Co 3 - 16 $ ainsi que du titane et de l'aluminium en quantité relativement faible, par exemple 3 ou k fo. On peut citer comme exemple d'une t.elle matière 35 de frittage l'alliage qui est connu sous le nom commercial de "Astroloy". La présente invention est caractérisée par le fait que plusieurs tubes à paroi mince sont disposés dans la capsule, à peu près parallèlement h ses parois qui correspondent ko aux surfaces à haute et basse pression de l'aube, après quoi une 72 Î0400 h 2130661 matière en poudre est versée dans la capsule qui, lorsqu'elle est remplie, est mise sous vide et l'espace évacué d'air de la capsule est séparé d'une façon étanche au gaz des espaces entourés par les tubes, et que la capsule est scellée et elle est 5 chauffée avec son contenu à une température d'au moins 800° C, après quoi la capsule chauffée subit la pression extérieure d'un gaz, d'une valeur d'au moins 500 bars tandis que les tubes subissent simultanément une pression interne élevée d'un gaz, telle que la diminution linéaire de leur section droite est au plus 10 de 50 %. Le procédé selon l'invention convient parfaitement si l'on désire que l'aube contienne un nombre important de canaux de faible section droite, ce qui est avantageux à divers points de vue. Dans un tel système de refroidissement il est possible 15 d'éviter les différences de température qui se produisent en général entre les côtés haute pression et basse pression de l'aube aiusi que les efforts thermiques qui en résultent et qui sont considérés par les constructeurs de turbines comme susceptibles de provoquer des fissures. L'égalisation des températures peut 20 être obtenue par des canaux de refroidissement disposés à proximité les uns des autres sur les deux côtés des aubes, le rapport entre des aires des sections droites respectives des canaux des deux surfaces étant choisi en fonction de la différence de production de chaleur. 25 II est facile de comprendre que les résultats négatifs obtenus jusqu'à présent en ce qui concerne-la possibilité de disposer un ensemble de canaux constitué par des tubes minces à parois minces dans un moule de fonderie-qui doit être rempli de métal fondu, ont découragé les spécialistes et les 30 ont empêchés de mettre en oeuvre un ensemble préfabriqué de tels tubes, lorsque la forme de tels canaux de refroidissement doit être extrêmement précise et que le procédé de fabrication soumet de tels tubes sensibles aux efforts mécaniques et thermiques exercés par un composé de recuit qui les environne. 35 Cependant les essais, effectués pendant le travail de mise au point siir lequel est basé la présente invention, ont montré que les grains de poudre du métal se lient dans une certaine mesure pendant le chauffage qui précède la compression réelle et que cette liaison se traduit par un support suf-40 fisamment résistant pour l'ensemble des tubes disposés dans le 72 10400 5 2130661 moule pour que ses divers éléments conservent leur position les uns par rapport aux autres et par rapport à la capsule de moulage, en dépit des différences de température qui se produisent nécessairement entre leurs divers éléments pendant le processus 5 de chauffage mis en oeuvre dans le procédé. Lorsque la capsule complètement chauffée subit la pression élevée qui est nécessaire pour produire le degré voulu de tassement, c'est-à-dire d'au moins 90 cjo et normalement d'environ 95 5°» dans certains cas plus de 97 i» du poids spéci-10 fique du métal fritté, les tubes de refroidissement subissent également une pression extérieure considérable. Il n'est pas possible de réaliser ces tubes de manière qu'ils puissent supporter cette pression à l'aide d'une épaisseur de paroi suffisante car si des corps relativement 15 riches en matière devaient être noyés dans la matière de l'aube ils réduiraient la résistance de celle-ci. En conséquence dans la présente invention on utilise, à leur place, des tubes à paroi mince dont on évite qu'ils soient aplatis par la pression élevée d'un gaz qui s'exerce sur leur surface interne. 20 Dans la présente invention ce résultat est obtenu par le fait qu'une substance qui est gazeuse à la température envisagée est enfermée à l'intérieur de l'ensemble des tubes, avant le chauffage de la capsule. On peut utiliser, par exemple, un métal qui est vaporisé facilement et dont la tension de vapeur à la pres-25 sion maximale de la capsule équivaut à la pression interne voulue dans les tubes. Les ouvertures d'admission et d'évacuation de l'ensemble des tubes doivent être fermées pendant le processus de tassement et de préférence les extrémités fermées des tubes sont disposées à l'intérieur des limites de la capsule en forme 30 d'aube, de façon à supprimer les difficultés soulevées par des ouvertures étanches au gaz. De préférence la paroi de la capsule comporte des évidements qui entourent les extrémités des tubes, de sorte que l'ensemble de ces derniers qui sont prévus comme canaux de refruidissement, peut toujours être disposé à une posi-35 tion précise et bien définie par rapport aux parois de la capsule. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement avantageux lorsque l'ensemble des tubes et la capsule sont en des matériaux différents ijui ne s'unissent pas facilement, par exemple du verre et un métal. Le procédé implique un meulage 40 final de certains éléments de chaque aube, destiné à l'ouverture 72 10400 6 2130661 des orifices obturés d'entrée et de sortie. Dans un autre mode d'exécution du procédé suivant l'invention, la pression interne nécessaire est produite par le fait qu'une ou plusieurs extrémités de tubes de l'ensem-5 ble sortent de la capsule d'une façon étanche au gaz sans être fermés et permettent aux tubes noyés dans la poudre de frittage de subir une pression interne qui est .égale à la pression du gaz utilisé pour la compression de l'aube. Si le nombre d'entrée de tubes est inférieur au nombre d'ouvertures prévues, un meulage 10 final de l'aube terminé est nécessaire pour ouvrir les extrémités qui sont noyées. A titre d'exemple on a décrit ci-après et représenté aux dessins annexés plusieurs modes d'exécution du procédé conforme à l'invention. 15 Les figures 1, 2 et 3 représentent une capsule de frittage contenant des tubes et qui est destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 1 représente une surface concave de la capsule qui correspond au côté haute pression de l'aube, la figure 2 est une coupe suivant la ligne 20 II-II de la figure 1 et la figure 3 une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. Les figures 4 et 5 représentent une capsule de frittage destinée à la mise en forme de canaux de refroidissement de l'aube d'une turbine à gaz à l'aide de tubes complètement 25 fermés noyés dans la capsule. La figure 4 représente une coupe de la capsule et la figure 5 une partie de sa surface concave et en partie une coupe suivant la ligne V-V de la figure h. Les figures 6, 7 et 8 représentent des aubes de turbine fabriquées conformément à l'invention» 30 Sur les figures 1, 2 et 3 la capsule de frit tage est désignée par la référence 1. La partie de la capsule qui est destinée à la formation de la base de l'aube est désignée par 2. La capsule 1 est en une matière qui est utilisée normalement pour un procédé de tassement ou de compression à 35 chaud et elle comporte plusieurs tubes métalliques 3 72 10400 7 2130661 de frittage qui doit être utilisée. Les tubes sont très rapprochés les uns des autres le long de la paroi concave extérieure h de la capsule et ils sont inoins rapprochés les uns des autres le long de sa paroi extérieure convexe 5- Les extrémités des tubes 5 sont ouvertes et sortent de la capsule, bien qu'elles soient soudées aux parois de celle-ci, d'une façon étanche au gaz. Lorsque les tubes de refroidissement ont été plaiés dand la capsule, on y verse la matière de frittage, de préférence tassée dans une certaine mesure, puis on scelle la 10 capsule à l'exception de l'ouverture destinée à sa mise sous vide. La mise sous vide de la capsule peut être effectuée à la température ambiante ou après un certain préchauffage, par exemple jusqu'à une température un peu supérieure à 3(0° C. Lorsque le vide est suffisant dans la capsule, 15 l'ouverture de pompage est scellée et la capsule est chauffée avec son contenu a une température élevée, par exemple supérieure à 1000° C, ou au moins égale à"800° C et à cette température elle subit une pression élevée, de préférence de 1000 à 2000 bars ou au moins de 500 bars, en utilisant cornme agent de compression 20 un gaz, tel que de l'argon. On a constaté que plus la matière choisie est dure et plus elle résiste aux températures élevées, plus la température de frittage doit être élevée et dans certains cas elle doit être supérieure à 1200° C. La capsule 6 représentée sur les figures 4 et 25 5 peut être réalisée avec un verre d'un type particulier qui devient plastique lorsqu'il est chauffé à la température de tassement nécessaire. On utilise des tubes 7 en verre ou en métal. Les extrémités des tubes sont scellées après l'introduction de corps massifs 8 d'une matière dont la tension de vapeur à la 30 température du tassement est suffisamment élevée pour éviter tout aplatissement appréciable des tubes 7 lorsque la capsule subit la pression de tassement, après avoir été remplie de poudre, mise sous vide et chauffée. Les parois d'extrémité 9 et 10 comportent plusieurs évidements dont chacun est destiné à 11ex-35 trémité d'un tube. L'une des parois d'extrémité peut, d'une façon appropriée, être en forme de couvercle qui est soudé par fusion avec la capsule lorsque les tubes 7 ont été mis aux positions voulues. Il est également possible de prévoir sur l'une des parois d'extrémité ou sur les deux parois des ouvertures de traver-40 sée destinées aux tubes, ces ouvertures étant ensuite fermées par 72 10400 8 2130661 fuàion lorsque les tubes sont en positiorii -A la place d'un corps massif 8, chaque tube peut contenir une certaine quantité de liquide qui produit une pression élevée par vaporisation. Si les tubes à paroi mince sont relativement résistants et peuvent su-5 bir une réduction considérable en section droite sous l'effet de la pression de tassement, par exemple une réduction linéaire de 50 c;o ( c1 es t-à-dire une réduction de l'aire de la section droite de 25 '4 de sa valeur initiale) on peut s'attendre à ce que les parois des tubes elles-mêmes puissent abosrber une pro-10 portion considérable de la pression extérieure et dans certains cas il peut suffire d'enfermer dans le tube un gaz à la température ambiante et à la pression atmosphérique et, de préférence, un gaz inerte tel que de l'argon, à la place du corps massif 8. Il est également possible d'enfermer un gaz comprimé à la tempé-15 rature ambiante ou d'introduire le gaz et de fermer le tube à une température suffisamment faible pour que le gaz soit liquide et dans ce cas une quantité particulière de gaz doit être introduite dans chaque tube. D'habitude, il convient de choisir la pression interne du gaz produite à la température maximale des 20 tubes, de telle sorte que la réduction linéaire de la section droite des tubes pendan/t le tassement s'effectue à la même échelle que pour la capsule. Si les dimensions linéaires de la capsule sont réduites à k c/o de leur valeur initiale pendant le tassement, les tubes peuvent subir une réduction correspondante 25 comprise entre (k + ko %) et (k + 30 °/o) . Les figures 6, 7 représentent un exemple d'aube de turbine fabriquée à l'aide du procédé selon l'invention. La figure 6 est une vue du côté concave de l'aube et la figure 7 une coupe suivant VII-VII de la figure 6. Le système de refroi-30 dissement représenté est constitué par un ensemble de tubes préfabriqués disposés dans la capsule de frittage. L'ensemble des tubes utilisé comprend un tube 12 de section droite relativement importante qui co inunique avec plusieurs tubes dérivés disposés transversalement 13 et 14, qui avec le tube principal forment un 35 ensemble pouvant être introduit très commodément dans la capsulc do frittage. Pendant la fabrioation,les extrémité les tube? peuvent être fermées ou au moins l'une d'elles, de jréférence l'extrémité 15f P'^ut être ouverte et traverser.la paroi de la capsule d'une manière étanche au gaz suivant l'une des deux ma-40 nières représentées, c'est- i-dire que le tube se termine par une 72 10400 9 2130661 ouverture d'entrée soit suivant la flèche 16, soit suivant la flèche 17» Ce dernier cas qui est représenté sur la figure 8 est utilisé lorsque plusieurs aubes disposées radialement au bord d'une couronne de support doivent être alimentées en réfrigérant sous la forme d'un courant d'air dirigé axialement vers la couronne de support. Les extrémités fermées des tubes sont ouvertes par meulage» 72 10400 10 2130661 REVENDIC ATION S 1. Procédé de fabrication d'une aube de turbine à gaz comportant plusieurs canaux de refroidissement 5 internes par une compression isostatique à l'aide d'une capsule de frittage en une matière qui peut être déformée plastiquement au moins aux températures élevées, la capsule ayant sensiblement la même forme que l'aube mais étant plus grande, caractérisé en ce que plusieurs tubes à paroi mince sont disposés dans la capsu-10 le, à peu près parallèlement à ses parois qui correspondent aux surfaces à haute et basse pression de l'aube, une matière en poudre étant versée ensuite dans la capsule et la capsule remplie étant mise sous vide, que l'espace mis sous vide de la capsule est séparé d'une manière étanche au gaz de l'espace 15 entouré par les tubes, la capsule étant scellée ensuite et étant chauffée avec son contenu jusqu'à une température d'au moins 800°C, la capsule chauffée subissant ensuite la pression extérieure d'un gaz, d'une valeur d'au moins 500 bars, pendant que les tubes subissent simultanément une pression interne élevée 20 d'un gaz, telle que la diminution linéaire de la section droite de chaque tube est au plus de 505b. 2, Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes sont disposés dans deux rangées, au moins, dont la première est disposée le plus près d'une pre- 25 mière paroi de la capsule, parallèlement à celle—ci, et dont la seconde rangée est la plus rapprochée d'une seconde paroi de la capsule à laquelle elle est parallèle, la première paroi correspondant au côté haute pression et la seconde paroi au côté basse pression de l'aube à fabriquer, 30 3» Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la section droite totale des tubes de la première rangée est supérieure à celle de la seconde rangée, k. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes sont réalisés sous la forme de 35 dérivation d'un tube plus épais qui communique avec eux et qui est disposé de manière que l'une de ses extrémités au moins soit située sur une paroi de la capsule. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pression interne d'un gaz est produite 4-0 dans un tube par l'introduction d'une substance qui, au moins à 72 10400 2130661 la température de frittage, émet une vapeur, cette substance étant introduite à une température relativement basse et les extrémités des tube." étant scellées, après quoi le tube est chauffé pendant que la matière de frittage subit le chauffage nécessaire. 6. Procédé suivant la revendication 5» caractérisé en ce que ladite substance est une substance solide dont la tension de vapeur à la température de frittage est supérieure à 60$ de la pression de gaz maximale à l'extérieur de la capsule de frittage. 7. Procédé suivant la revendication 5» caractérisé en ce que ladite substance est gazeuse à 20°C et à une pression de 1 bar, 8. Procédé suivant la revendication 7» caractérisé en ce que ladite substance est liquide lorsqu'elle est introduite dans le tube»