Brevet FR2258524A1 — publié le 19750818

La présente invention concerne les joints d'étanchéité pour turbines et plus spécialement, mais non exclusivement, ceux ayant pour but de réduire les fuites entre les pointes d'aubes profilées tournantes de turbines et l'enveloppe qui les entoure. Pour assurer le fonctionnement efficace des turbines comportant des aubes profilées tournantes entourées d'une enveloppe, le jeu entre les aubes et l'enveloppe est aussi faible que possible pour réduire les fuites entre ces deux parties. Malbeureu- sement, si la turbine est établie avec un jeu minimal entre les aubes tournantes et l'enveloppe, de légères variations des dimensions de la turbine dans les limites de tolérances d'usinage ou une légère excentricité du tambour portant les aubes pourront amener les pointes des aubes en contact avec l'enveloppe. Ce résultat peut entre désastreux quand il s'agit de turbines de moteurs à turbines à gaz montées sur aéronefs. On a proposé de déposer un enduit de matière érodable sur la surface radiale interne de l'enveloppe. Si les aubes tournantes viennent en contact avec l'enveloppe, elles ne feront donc qu'user une partie de cet enduit écartant le risque d'avarie grave tout en maintenant un jeu minimal entre les pièces. L'in- convénient de ces enduits érodables est qu'ils.ae sont pas bien supportés et peuvent, dans certains cas, s'écailler de la surface de l'enveloppe. On peut éviter cet inconvénient en recouvrant les parois radiales internes de ltenveloppe d'une structure ouverte en nid d'abeille dont les cellules ouvertes seront remplies de la matière érodable.Ces nids d'abeille ainsi remplis réalisent un joint efficace entre les aubes tournantes et l'en- veloppe mais posent divers problèmes au cours du fonctionnement, le plus grave étant que la matière érodable attaque quelquefois la matière constitutive du nid d'abeille et qu'elle n'est pas proprement coupée par les aubes et provoque des encrassements. La présente invention a pour objet de réaliser une matière érodable pour support en nid d'abeille éliminant les inconvé- nients ci-dessus. Selon un aspect de l'invention, le joint d'étanchéité pour turbine comprend une structure ouverte en nid -d'abeille dont les cellules sont remplies, au moins partiellement, -d'une matière érodable comprenant au moins un composé intermétallique d'aluminure et de nickel poreux et contenant de 13 à 20 > en poids d'aaluminium. Cette matière érodable pourra avoir une porosité comprise entre 40 et 55 et pourra également contenir jusqu'à 10 : en poids d'alumine. La structure en nid d'abeille pourra être faite d'yin alliage à base de nickel. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité pour turbines consistera à remplir au moins partiellement les cellules d'une structure ouverte en nid d'abeille avec un mélange intime de particules finement divisées de nickel et de particules finement divisées d'aluminium, ledit mélange contenant de 13 à 20 * en poids de particules d'aluminium, et à chauffer ladite structure en nid d'abeille partiellement remplie en atmosphère réductrice de façon à fritter lesdites particules de nickel et d'aluminium. De préférence, les dimensions de chacune de ces particules d'aluminium ou de nickel seront comprises entre 45 et 105 microns. Le mélange de particules finement divisées d'aluminium et de nickel pourra également contenir jusqu'à 10 * en poids de particules d'alumine finement divisées. Chacune desdites particules d'aluminium pourra être recouverte d'un enduit de nickel dont l'épaisseur donnera à chaque particule une composition de 80 * en poids de nickel et de 20 vm en poids d'aluminium et une dimension extérieure comprise entre 45 et 105 microns. Selon un troisième aspect de l'invention, un procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité pour turbines consistera à remplir au moins partiellement les cellules d'une structure ouverte en nid d'abeille avec des particules finement divisées d'aluminium, enduites chacune de nickel defaçon que la composition de la particule contienne de 13 à 20 % d'aluminium, et à chauffer ladite structure en nid d!abeille partiellement remplie en atmosphère réductrice de façon à fritter lesdites particules d'aluminium enduites. De préférence, les dimensions de chacune de ces particules d'aluminium enduites seront comprises entre 45 et 105 microns. De préférence, 'atmosphère réductrice comprendra de l'hy- drogène que l'on fera passer sur la structure en nid d'abeille partiellement remplie et chauffée à une vitesse d'écoulement comprise entre 0,7 et 1 litre par minute. Cette structure en nid d'abeille au moins partiellement remplie pourra être chauffée dans cette atmosphère contenant de l'hydrogène, pendant environ une heure, à une température comprise entre 1 020 et 1 070 C et, de prëférence, entre 1 040 et 1 055 G. De préférence, cette structure en nid d'abeille au moins partiellement remplie sera refroidie jusqu'à environ 5000C avant de quitter ladite atmosphère contenant de l'hydrogène. Le dessin annexé représente, en vue perspective schématique, une structure ouverte en nid d'abeille appropriée à la constitution de joints d'étanchéité selon l'invention. La structure en nid d'abeille 10 comprend une plaque de support Il en alliage à base de nickel sur laquelle est brasé un nid d'abeille ouvert 12 également en alliage à base de nickel. L'alliage constitutif de la plaque Il est connu dans le commerce sous la désignation "Nimonic 80A et contient les constituants ci-après, en poids Carbone 0,1 % Manganèse 1 s Silicium 1 % Chrome 20 * Cobalt 2 % Titane 2,25% Aluminium 1,25 Fer 5 * Nickel + Impuretés pour complément t'alliage constitutif du nid d'abeille 12 est connu dans le commerce sous la désignation "Nimonic 75"-et contient les constituants ci-après, en poids Carbone 0,12 * Manganèse 1 Silicium 1 Chrome 20 * Titane 0,4 % Fer 5 % Nickel + Impuretés pour complément Pour réaliser un joint=d'étanchéité conformément à la présente invention, la structure en nid d'abeille 10 est nettoyée sous vide avant d'en remplir chacune des cellules ouvertes 13 d'un mélange intime de particules de nickel et de particules d'aluminium.Le procédé de nettoyage sous vide consiste à chauf fer le nid d'abeille à une température comprise entre 1 030 et 1 0700C et à le refroidir jusqu'à la température ambiante dans un four à vide maintenu à une pression d'au moins 10 4 torr Les particules, dont le diamètre est compris entre 45 et 105 microns, sont présentes dans une proportion telle que la composition générale du mélange comprend de 13 à 20 % en poids d'aluminium. Les cellules 13 peuvent être remplies totalement ou partiellement de mélange nickel/aluminium selon l'usage prévu pour le joint. Les particules sont tassées à la main avant de placer la structure en nid d'abeille remplie 10 dans une cornue hermétiquement close, purgée à 1largos. Puis l'atmosphère d'argon de la cornue est purgée à l'hydrogène. tuand tout l'argon a été éliminé de la cornue, la vitesse d'écoulement de l'hydrogène dans la cornue est réglée à une valeur comprise entre 0,7 et 1 litre par minute. La cornue est chauffée, pendant une heure, à une température comprise entre 1 020 et 1 0700C, mais de préfé- rence entre 1 040 et 1 0550C puis cette température est réduite à 5000C environ. Quand cette dernière température est atteinte, l'atmosphère d'hydrogène est purgée à l'argon avant d'en extraire la structure en nid d'abeille remplie 10. Ce traitement thermique de la structure en nid d'abeille remplie 70 a pour résultat de produire le frittage des particules de nickel et des particules d'aluminium pour donner une structure poreuse principalement constituée du composé intermétallique Ni ex avec des quantités variables du composé intermétallique Nival. Bien que le composé intermétallique produit avec l; Srocé- dé ci-dessus soit suffisamment érodable pour être appliqué à des joints de turbines, l'expérience a révélé qu'en augmentant la porosité de la matière, on augmentait en conséquence l'effi cacité d'érosion du joint. Un procédé convenable pour augmenter la porosité du composé. intermétallique est d'utiliser, dans le procédé ci-dessus, des particules d'aluminium enduites de nickel de façon à donner une composition des particules de 80 * Ni pour 20 Àl en poids.Les dimensions de ces particules enduites sont semblables à celles des particules de nickel et des particules d'aluminium précédemment décrites, à savoir entre 45 et 105 microns de diamètre. Les particules enduites peuvent-être employées seules à la réalisation de la matière érodable, ou être mélangées avec des particules de nickel de même dimensions pour produire un composé intermétallique contenant de 13 à 20 > , d'aluminium. Les auteurs de l'invention pensent que, pendant le traitement thermique précité, les noyaux d'aluminium de ces particules enduites diffusent vers l'extérieur dans les couches de nickel et produisent des sphères creuses.L'expérience a révélé qu'en utilisant ces particules enduites dans le procédé de la présente invention, on pouvait réaliser des composés intermétalliques érodables dont la porosité était comprise entre 40 et 55 %. L'expérience a révélé l'importance--du fait que la matière érodable utilisée dans les joints selon lrinvention devait contenir de 13 à 20 % en poids d'aluminium. Les composés intermé talliques-çontenant moins de 13 i en poids dtaluminium sont trop ductiles et tendent à produire des encrassements lorsqu'ils sont érodés. Dans les composés intermétalliques contenant plùs de 20 9 en poids d'aluminium, ce dernier diffuse trop facilement dans la matière du nid d'abeille et la brasure au cours du traitement thermique et entraine une diminution de la résistance mécanique finale de la structure en nid d'abeille 10. Si on le désire, la friabilité du composé intermétallique érodable pourra être augmentée en ajoutant Jusqu'à 10 * en poids d'alumine au mélange de particules avant le traitement thermique. La structure en nid d'abeille remplie 10 est mondée sur la paroi interne fixe de l'enveloppe d'une turbine de façon que les aubes tournant à l'intérieur de cette enveloppe érodent les extrémités ouvertes des cellules remplies 13. L'invention est décrite en détail au moyen des trois exemples de réalisation ci-après jiiem íe 1 Une structure en nid d'abeille 10 en alliage à base de nickel, telle que décrite, est nettoyee sous vide pendant une heure à 1 0700C, de la façon indiquée, et ses cellules ouvertes 13 sont remplies d'un mélange intime de 25 % en poids de particules de nickel et de 75 % en poids de particules d'aluminium enduites de nickel, telles que mentionnées. La structure en nid d'abeille remplie est alors placée dans une cornue remplie d'hy hydrogène pendant une heure et maintenue à une température de 1 070 C. La vitesse d'écoulement de lthydrogène est maintenue à 0,8 litre par minute.La température de la cornue est alors réduite à 5000C et l'atmosphère d'hydrogène est purgée à l'argon avant d'en extraire la structure en nid d'abeille remplie 10. L'examen de cette structure après ce traitement révèle la bonne qualité du frittage et l'absence de réactions fâcheuses entre les parois de la structure et la fritte. Le niveau de porosité de la fritte est de 52 %. Exemple 2 Une structure en nid d'abeille 10 en alliage à base de nickel, telle que décrite, est nettoyée sous vide pendant une heure à 1 0700C, de la façon indiquée, et ses cellules ouvertes 13 sont remplies de particules d'aluminium enduites de nickel, telles que mentionnées. La structure en nid d'abeille remplie est alors placée dans une cornue remplie d'hydrogène pendant une heure et maintenue à une température de 1 0300C. La vitesse d'écoulement de l'hydrogène est maintenue à 0,8 litre par minute. La température de la cornue est alors réduite à 5000C et l'atmosphère d'hydrogène est purgée à l'argon avant d'en extraire ladite structure. L'examen de cette structure après ce traitement révèle la bonne qualité du frittage et l'absence de réactions fâcheuses entre les parois de la structure et la fritte. Le niveau de po rosité de la fritte est de 46 %. Iùcemple 7 Une structure en nid d'abeille 10 en alliage à base de nickel, telle que décrite, est aettoyéesous vide pendant une heure à 1 0700C, de la façon indiquée, et ses cellules ouvertes 13 sont remplies de 90 h en poids de particules d'aluminium enduites de nickel, telles que mentionnées, et de 10 * en poids de particules d'alumine finement divisées. La structure en nid d'abeille remplie est alors placée dans une cornue remplie d'hydrogène pendant une heure et maintenue à une température de 1 030 C. La vitesse d'écoulement de l'hydrogène est maintenue à 0,8 litre par minute. la température de la cornue est alors réduite à 500oc et l'atmosphère d'hydrogène est purgée à l'argon avant d'en extraire ladite structure. L'examen de cette structure après ce traitement révèle que la fritte est de bonne qualité et plus friable que celles obtetenues conformément aux exemples 1 et 2. Aucune réaction facheu- se n'apparaît entre la fritte et les parois de la structure. Le niveau de porosité de la fritte est de 2 . REVNI CÂTIONS 1. - Joint d'étanchéité pour turbines comprenant une structure ouverte en nid d'abeille dont les cellules sont au moins partiellement remplies d1une matière érodable, caractérisé en ce que ladite matière érodable comprend au moins un composé intermétallique dlaluminere et de nickel poreux et contient de 13 a 20% en poids d'aluminium. 2.- Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poros -.-é de ladite matière érodable est comprise entre 40 et 55 . 3.- Joint d'étanchéité selon une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite matière érodable Con- tient également jusqu'à 10 * en poids d'alumine. 4.- Joint d'étanchéité selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière constitutive de la structure en nid d'abeille est un alliage à base de nickel. 5.- Procédé de realisation d'un joint d'étanchéité pour turbines caractérisé en ce qu'il consiste à remplir au moins partiellement les cellules d'une structure ouverte en nid d'abeille avec un mélange intime de particules finement divisées de nickel et de particules finement divisées d'aluminium, ledit mélange contenant de 13 à 20 * en poids de particules d'aluminium, et à chauffer ladite structure en nid d'abeille partiellement remplie en atmosphère réductrice de façon à fritter lesdites particules de nickel et d'aluminium, 6.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que les dimensions de chacune de ces particules d'aluminium ou de nickel sont comprises entre 45 et 105 microns. 7.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le mélange de particules finement divisées d'aluminium et de particules finement divisées de nickel contient jusqu'à 0,10 ss en poids de particules finement divisées d'alumine. a.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon une quelconque des revendications 5,67, caractérisé en ce que chacune desdites particules d'aluminium est recouverte d-'un enduit de nickel dont 1 épaisseur donnera à chaque particule une composition de 80 * en poids de nickel et de 20 Wo en poids d'alu minium et une dimension extérieure comprise entre 45 et 105 microns. 9o- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité pour turbines caractérisé en ce qu'il consiste à remplir au moins partiellement les cellules d'une structure ouverte en nid d'abeille avec des particules finement divisées d'aluminium, enduites eha- aine de nickel de façon que la composition de la particule contienne de 13 à 20 ffi d'aluminium, et à chauffer ladite structure en nid d'abeille partiellement remplie en atmosphère réductrice de façon à fritter lesdites particules d'aluminium enduites. 10.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dimensions de chacune de ces particules d'aluminium enduites sont comprises entre 45 et 105 microns. 11.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon une quelconque-des revendications 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que l'atmosphère réductrice comporte de l'hydrogène. 12.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ceqie l'on fait passer l'hy drogène sur la structure en nid d'abeille, partiellement remplie et chauffée, à une vitesse d'écoulement comprise entre 0,7 et 1 litre par minute. 13.- Procédé de réalisation d'un joint d'étanchéité selon une quelconque des revendications Il ou 12, caractérisé en ce que la structure en nid d'abeille au moins partiellement remplie est chauffée dans l'atmosphère contenant de l'hydrogène, pendant environ une heure, à une température comprise entre 1 020 et 1 070 C. 14.- Procédé de réalisation d'un joint étanche selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite température est comprise entre 1 Q40 et 1 0550 C. 15.- Procédé de réalisation d'un joint étanche selon une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la structure en nid d'abeille au moins partiellement remplie est refroidie jusqu'à environ 5000C avant d'être extraite de l'atoosphère contenant de l'hydrogène.