Brevet FR2386384A1 — publié le 19781103

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'éléments de turbine à gaz refroidis par liquide. Les brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3.445.481 et NO 3.446.482 représentent des agencements structuraux pour le refroidissement par liquide en circuit ouvert d'aubes mobiles de turbine à gaz. Le premier de ces brevets décrit une aube mobile qui comporte des passages de refroidissement ouverts à leurs deux extrémités qui sont délimités par une série de nervures faisant partie du noyau ou âme de 11 aube et un revêtement formé par une feuille métallique recouvrant le noyau et soudé aux nervures. Le second brevet décrit un procédé consistant à injecter un liquide sous pression dans des aubes mobile-s creuses de turbine, forgées ou coulées.Un autre brevet, le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 619 076, décrit un dispositif de refroidissement en circuit ouvert dans lequel une construction d'aube de turbine est constituée par un longeron central en forme de pale qui est revêtu d'une feuille de métal ayant une conductivité thermique très élevée, tel que du cuivre. Des rainures sont formées dans la surface de la feuille de revêtement adjacente au longeron, ces rainures formant, en combinaison avec la surface lisse du longeron, des passages pour le fluide de refroidissement, répartis sur la surface de l'aube de turbine.La formation des passages pour le liquide de refroidissement, par soudage d'une feuille à un noyau central, suivant l'une ou ltautre des configurations représentées dans les brevets des Etats Unis d'Amerique NO 3.445.481 et NO 3.619.076, présente de nombreux inconvénients. Ainsi, lorsqu'on utilise le brasage pour souder le revêtement, certains des canaux des aubes mobiles de la turbine sont colmatés et obturés par la brasure. Les soudures entre le noyau et le revêtement doivent être excellentes pour contenir l'eau s 'écoulant à plein débit dans les passages sous les pressions hydrauliques extrêmement élevées qui résultent des forces centrifuges engendrées au cours du fonctionnement de la turbine.En outre, une fissure quelconque dans le revêtement peut provoquer une fuite de fluide de refroidissement et provoquer une défaillance de llau- be. L'invention décrite dans le brevet français NO 77 37537 évite un grand nombre des inconvénients de la technique antérieure. Ce brevet décrit des aubes mobiles de turbine dans lesquelles les ca naux de refroidissement par eau sont forés en utilisant des tubes préformés qui sont disposés au-dessous d'une couche extérieure protectrice composée d'un revêtement intérieur assurant une condwc- tibilité thermique élevée et d'un revêtement extérieur assurant a protection contre la corrosion à chaud. Les brevets des Etats Unis d'Amerique N0 3 923 901 et N 3 952 939 décrivent tous deux des procédés pour fixer un revê- tement en feuille sur un substrat convexo-concave, tel c'une pale ou une aube mobile de turbine en utilisant des techniques de cou- pression isostatique. Cependant, les procédés décrits dans es deux derniers brevets, lorsqu'ils sont appliqués à la fabrication d'aubes mobiles de turbine comportant des tubes prefcrmes, ont tendance à écraser les tubes.En outre, lorsqu'on utilise d verre fondu comme milieu de transmission de la pression, corr acre dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 952 939, le verre fondu peut pénétrer dans les tubes et il est alors difficile, voire presqutimpossible, de l'enlever sans endommager les tues. Conformément à la présente invention, on a mis au point un procédé de fabrication d'une aube mobile de turbine, fonctionnant à haute température, refroidie par eau, qui consiste à préparer une aube mobile de turbine coulée, dans laquelle est forme une série de canaux, en vue de son brasage sous vide.Ensuite, on pla- ce une série de tronçons de tube métallique préformés dans les canaux d'une manière telle que les deux extrémités de chaque tren- çon de tube sortent au-dessus de la partie de pale de l'aube. En- suite, on préforme un revêtement en feuille à la forme de la ale et on masque les joints formés entre le revêtement et la pale. E - suite, on place l'assemblage dans un bain de verre fondu tout e maintenant les extrémités des tronçons de tube au-dessus du verre fondu et on soumet l'assemblage à un cycle programmé de cession. isostatique à chaud, conformément à un programme pression-tempéra- ture-temps préétabli, au cours d'une étape de soudage par diffusion. Alternativement, une seule extrémité de chaque tronçon de tube saille à l'extérieur de la partie de pale de l'aube et audessus du niveau de verre fondu tandis que l'autre extrémité est obturée. La suite de la description se réfère aux fivures annexées qui représentent respectivement Fig. 1, une vue en perspective, avec arrachement partiel, d'une aube mobile de turbine comportant des tubes de refroidissement soudés par diffusion à une pale conformément au procédé de la présente invention Fig. 2, une vue en coupe tr-ansversale partielle , à plus grande échelle, de la pale de la Fig. 1, montrant la disposition d'un tube de refroidissement, Fig. 3, une représentation schématique en coupe d'une aube mobile de turbine placée dans un appareil de compression isostatique à chaud, illustrant les principes de la présente invention Fig. 4, une autre représentation scheratique en coupe, d'une variante du mode de réalisation de la Fig. 3 Fig. 5, -encore une autre représentation schématique, en coupe, d'une variante du mode de réalisation de la Fig. 3 Fig. 6, un graphique représentant les courbes types pression température-temps utilisées pour l'étape de soudage par diffusion. Comme représenté sur la Fig. 1 à laquelle on se référera, l'aube mobile 10 de turbine est constituée par un pied 12 et une pale 14 refrodie par eau construite au moyen d'un noyau ou âme 16 comportant une multiplicité de rainures radiales 18 moulées ou usinées dans sa surface. Le nombre de ces rainures 18 dépend des dimensions et des besoins de refroidissement de l'aube 10. Dans ces rainures 18 sont adaptés des tubes de refroidissement 20 qui sont soudés au noyau 16par exemple par brasage et qui ont, de préférence, une partie exposée à un revêtement composite 22 et en contact avec ce revêtement qui recouvre et envéloppe la surface extérieure du noyau 16. Le revêtement composite 22 est formé d'une couche ou revêtement intérieur 23 qui est un très bon conducteur de la chaleur de façon à maintenir une température approximativement uniforme sur toute la surface de l'aube au cours du fonctionnment de la turbine, cette température résultant d'une exposition aux gaz chauds de l'extérieur de l'aube et d'un refroidissement interne par eau. La matière utilisée, de préférence, pour fabriquer le revêtement intérieur est le cuivre ou une matière contenant du cuivre, mais une telle matière ne résiste pas à l'atmosphère corrosive des gaz chaudes présents au cours du fonctionnement de la turbine à gaz.Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser un revêtement -extérieur 24- rBsistant à la corrosion pour couvrir et protéger le revêtement intérieur 23. Les tubes de refroidissement 20 communiquent, dans l'exemple représenté, avec des chambres 26 et 26a du pied et avec une chambre 30 formée dans un carénage 28 de bout de pale. Certains des tubes de refroidissement 20 forment un serpentin s'étendant d'avant en arrière sur le coté radialement intérieur du carénage de bout de pale avant de déboucher dans la chambre 30 du carénage de bout de pale. Cette disposition refroidit le carénage et facilite le procédé de fabrication étant donné qu'ainsi le canal de refroidissement du carénage de bout de pale constitue un prolongement des tubes de refroidissement 20 de la pale. Le noyau 16 est coulé en une seule pièce avec le carénage 30 du bout de pale et la rainure 12 et porte la charge centrifuge des tubes 20, du revêtement composite 22 et du carénage 30 de bout de pale. La Fig. 2 est une vue en coupe à plus grande échelle de la structure de la pale 14, à proximité du tube de refroidissement 20. Comme représenté, le tube de refroidissement 20 est adapté dans la rainure 18 du noyau 16 de la pale 14 et soudé dans cette rainure au moyen d'une brasure 32. Le revêtement composite 22, qui est constitué par un revêtement intérieur 23 et un revêtement ex térieur 24, recouvre le tube 20 et le noyau 16. Le procédé de la présente invention utilise l'application d'une pression isostatique à chaud, en combinaison avec l'emploi du verre fondu comme milieu de transmission de la pression, pour fabriquer l'élément voulu. Initialement, on prépare la surface de l'aube coulée, par exemple par décapage au jet de perles de verre, décapage chimique et éventuellement nickelage, cette opération étant suivie d'un traitement thermique de diffusion sous vide approprié. On brase alors sous vide des tubes préformés de dimensions et composition appropriées dans les canaux formés par moulage d'une manière telle que les deux extrémités des tubes saillent sur une longueur importante à l'extérieur de la partie de pale de l'aube. Ensuite, on met la feuille métallique de revêtement à la forme du substrat sur un mandrin ou forme maitresse, par exemple en utilisant le procédé décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 928 901. Sommairement, le procédé comporte les étapes qui consistent à a mettre grossièrement la feuille de revêtement à la forme de la forme maîtresse de telle sorte que la feuille de revêtement soit étroitement en appui contre la surface convexe de la forme maîtresse tandis que la partie de la feuille de revêtement qui est disposée en face de la surface concave de la forme maîtresse est espacée de la surface concave de la forme maîtresse à placer la feuille de revêtement et la forme maîtresse dans un moule fermé en caoutchouc ; et à appliquer au moule une pression isostatique pour déformer la feuille de revêtement en contact avec la surface concave de la forme maîtresse. Après assemblage de la feuille de revêtement mise en forme et du substrat muni de tubes brasés en place, on finit la préparation de l'assemblage en masquant tous les joints qui sont formés entre la feuille de revêtement et le substrat pour empêcher la pénétration du milieu de transmission de la pression dans l'interface entre le revêtement et le substrat On peut effectuer ltetape de masquage en obturant les joints avec des rubans ou en soudant par points la feuille de revêtement au substrat le long des joints. Le brasage est un autre procédé qui pourrait être utilisé au cours de l'étape de masquage. La seule condition nécessaire est que l'on doit prendre des mesures pour empêcher que le milieu de transmission de la pression, qu'il soit à l'état solide, gazeux ou fondu, pénétre dans l'interface substrat-revêtement. On introduit alors l'ensemble masqué dans un récipient métal- lique que l'on remplit de perles ou de fragments de verre de telle sorte qu'après chauffage à une température supérieure à la tempé- rature de fusion du verre; l'assemblage soit immergé dans le verre fondu et que la partie supérieure des tubes dépasse de 5 à 8 cm audessus du niveau du verre. On préfère le verre en tant que milieu de transmission de la pression du fait que le verre se tasse et fond aux températures de soudage par diffusion pour fournir un milieu de transmission de la pression hydrostatique optimal. En outre, le verre est relativement inerte et on peut facilement l'enlever de la surface de l'assemblage à la suite de sa solidification après l'étape de soudage par diffusion. On place alors le récipient chargé dans un four à cornue sous vide auquel on applique un vide dynamique d'environ Spm de mercure (0,66 Pua). Pendant que la cornue est maintenue sous vide, on élève sa température, par exemple, à environ 3150C pour dégazer le verre et la pièce. Après un temps de maintien approprié dans ces conditions, on remplit la cornue avec de l'argon ou de l'azote et on élève la température à la température de soudage voulue. Au cours de cette séquence, les fragments de verre fondent, coulent et revêtent la totalité de la pièce à l'exception des sommets des tubes qui s'élèvent de 5 à 8 cm au-dessus de l'extrémité de la pièce. On retire le récipient chaud de Xa cornue et on le place dans une presse isostatique à chaud (autoclave) qui est réglée à la température de soudage voulue.On ferme l'autoclave et on applique la pression. Au cours de l'étape de soudage, le verre fondu ne peut pas pénétrer dans les régions d'interface du fait de la présence de la matière de masquage et les tubes ne sont pas écrasés sous la pession appliquée du fait qu'ils sont ouverts à l'atmosphère de l'autoclave. La température et les pressions utilisées au cours de l'étape de soudage par diffusion dépendent des matières qui sont soudées. La Fig. 6 représente une courbe type temps-température- pression pour un cycle de soudage par diffusion. Ensuite, on retire l'ensemble soudé du récipient et on enlève le verre qui a adhéré aux surfaces de l'assemblage par sablage ou par chauffage sous vide et trempe à l'eau ultérieurs de l'assemblage. A ce stade, on peut, si nécessaire, soumettre l'assemblage substrat-revêtement à un traitement thermique final. La présente invention est plus complètement illustrée par l'exemple ci-après Exemple La Fig. 3 est une représentation schématique de l'aube de turbine disposée dans l'appareil utilisé dans le procédé de la présente invention. On s'est procuré une aube mobile 42 de turbine de premier étage en alliage IN 73au, MS 5001, à l'état brut de fonderie, cette aube comportant une pale 42 complètement pleine. On a usiné par étincelage un canal ayant une largeur d'environ 3,8 mm et une profondeur d'environ 3,8 mm sur toute la longueur de la pale dans l'intrados (face concave) de la pale. Après usinage, on a nettoyé la totalité de la pale par projection de perles de verre puis on l'a dégraissée. Après nettoyage on a placé un tronçon 44 de tube de cuivre OFHC 44 (diamètre extérieur 3,175 mm ; diamètre intérieur 2,286mm) de 30,5 cm de long plié en U dans le canal de la pale, comme repré senté, au-dessus de la plateforme 43, d'une manière telle que les deux extrémités du tube saillaient d'environ 8 cm au-dessus de l'extrémité de la pale. On a maintenu le tube 44 en place au moyen de bandes de tôle de Nichrome soudees par points à la pale. On a brasé le tube de cuivre à la place en utilisant un alliage de brasage 46 "Nichrobraze 10" à une température d'environ 9270C. Après l'opération de brasage, on a enlevé par meulage l'excès de brasure. On a placé une feuille de cuivre 48 de 5,08 x 7,62 cm et de 0,380 mm d'épaisseur sur une partie du tube brasé en place et on l'a formée à la main pour l'adapter à la courbure concave de la plae. Après mise en forme, on a nettoyé la tôle de cuivre par décapage dans de l'acide nitrique dilué. On a placé une feuille 50 d'Hastelloy X ayant approximativement les dimensions suivantes 63,5 x 88,9 x 0,178 mm, que l'on avait nettoyée par meulage et dégraissée, sur la tôle de cuivre 48 de telle sorte qu'elle dépassait de 6,35 mm sur tous les côtés. On a soudé par points la tôle 50 d'Hastelloy X directement sur la surface de la pale et on a recouvert les bords au moyen de masques 52. On a placé l'ensemble de l'assemblage dans un bac 40 en acier inoxydable que l'on a rempli de fragments de verre à la chaux età la soude jusqu'à un niveau approprié pour que la pale soit couverte mais non les sommets des tubes lorsqu'au cours de chauffage les fragments seraient transformés en verre fondu 54. On a placé le bac 40 avec son contenu dans une cornue et on l'a mis sous un vide dynamique d'environ 5 VmEg (0,665 Pa) pendant environ 3 heures. Au cours de cette période on a porté la température de la cornue à environ 3150C afin de faciliter le cycle de dégazage. Après cette période de maintien, on a rempl-i la cornue avec de l'azote gazeux 56 à la pression atmosphérique et on a porté la température à 8710C, température à laquelle on a maintenu l'assemblage contenu dans le bac pendant une heure. Après ce séjour supplémentaire d'une heure, on a retiré le bac 40 de la cornue et on l'a placé dans une presse isostatique à chaud (autoclave) qui avait été déjà porté à 87-10C et maintenue à cette température. On a fermé l'autoclave et on l'a mis sous une pression de 345 bars et maintenue à la température et sous la pres sion indiquées pendant une heure. Après le soudage, on a ramene l'autoclave à la pression normale et on a retiré la plèce à 371 C. Le soudage par diffusion a été effectué conformément à la courbe pression-température-temps représentée sur la Fig. 6. On a enlevé le verre en excès de la partie de pale 42 de l'aube par sablage. Une tranche de la pale a été itiontée et préparée pour un examen métallographique. On a observé que le tube de cuivre 44 était resté ouvert et n'avait pas été écrasé. Ceci peut s'expliquer par le fait que sa pression interne était en équilibre avec la pression appliquée dans l'autoclave. A une pression de 345 bars et à une température de 8710C, le tube de cuivre 44 avait, en fait, été extrudé dans l'espace vide dans la région remplie avec l'alliage de brasage 46. On a obtenu une excellente qualité de la liaison pour les interfaces Hastelloy X/Cu et Cu/IN 738 B. Il est évident que la configuration représentée sur la Fig. 3 et utilisée dans l'exemple, dans laquelle le tube en U sort de l'aube au-dessus de la plateforme de l'aube, ne produit pas une aube ayant des tubes disposés de -la manière représentée sur la Fig. 1. On comprendra, cependant, qu'on peut obtenir la configuration désirée simplement en perçant des trous du diamètre approprié, aux emplacements appropriés, dans la plateforme 43 et en enfilant le tube sous pression dans le trou et en le brasant en place. Ceci est représenté schématiquement sur la Fig. 4 dans laquelle les élé- ments semblables à ceux de la Fig. 3 ont été désignés par les mêmes références. Les parties inutiles du tube sont sectionnées après le cycle de soudage. De la même manière, la Fig. 5 dans laquelle les éléments semblables à ceux de la Fig. 3 ont été désignés par les mêmes références représente une autre variante. Ainsi, on peut placer le tube de pression dans un trou percé en un emplacement prealablement déterminé qui ne traverse pas complètement l'épaisseur de la plateforme 43 , on soude ensuite le revêtement. On peut alors effectuer le perçage final du trou à la dimension voulue à partir du côté en queue d'aronde de la plateforme. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une aube mobile de turbine à haute température refroidie par eau caractérisé en ce qu'il consiste a) à disposer plusieurs tronçons de tube métallique sur une partie d'interface préalablement choisie d'une aube mobile de turbine à gaz d'une manière telle qu'au moins une extrémité de chaque tronçon de tube saille à l'extérieur de la partie de pale de l'aube b) à placer un revêtement préformé à la fois sur la partie de pale et sur les tronçons de tube de telle sorte que les extrémités de tube saillantes fassent également saillie au-delà du revêtement et à fixer le revêtement à la partie de pale pour former un assemblage c) à masquer les parties exposées de l'interface entre le revêtement et la partie de pale d) à soumettre l'assemblage à une compression isostatique à chaud dans un liquide transmettant la pression à une température et à une pression suffisantes, tout en maintenant les tron çons de tube ouverts à cette pression de telle sorte que la même pression existe à l'intérieur et à l'extérieur de ces tronçons, empêchant ainsi l'écrasement des tronçons de tube et de telle sorte que les tronçons de tube et le revêtement soient soudés à l'aube mobile de turbine. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux extrémités de chaque tronçon de tube saillent à l'exté- rieur de la pale. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que les tronçons de tube traversent une plateforme de l'aube mobile de turbine. 4 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une seule extrémité de chaque tronçon de tube saille à l'extérieur de la pale, l'autre extrémité étant fermée. 5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'extrémité de tube fermée est encastrée dans une plateforme de l'aube mobile de turbine. 6 - Procédé de fabrication d'une aube mobile de turbine à haute température refroidie par eau caractérisé en ce qu'il consiste a) à préparer en vue d'une opération de brasage l'aube mobile de turbine à gaz dans laquelle sont formés plusieurs canaux b) à disposer plusieurs tronçons de tube métallique dans les canaux d'une manière telle que les deux extrémités de chaque tronçon de tube saillent à l'extérieur de la partie de pale de l'aube et à braser sous vide les tronçons dans les canaux ;; c) à placer un revêtement préformé sur la partie de pale comprenant les tronçons de tubes disposés dans les canaux formés dans cette partie de pale et de telle sorte que les extrémités des tronçons de tube saillent au-delà du revêtement et à fixer le revêtement à la parite de pale pour former un assemblage d) à masquer les parties exposées de l'interface entre le revêtement et la partie de pale de l'aube ; et e) à soumettre l'assemblage à une compression isostatique à chaud dans un liquide transmettant la pression à une température et à une pression suffisantes, tout en maintenant les extrémités des tronçons de tube au-dessus du liquide de telle sorte que la même pression existe à l'interieur et à l'extérieur des tron çons, empêchant ainsi l'écrasement des tronçons, et de telle sorte que les tronçons de tube et le revêtement soient soudés à l'aube de turbine. 7 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le liquide précité est du verre fondu. 8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le verre est du verre à la chaux et soude. 9 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape de soudage par diffusion est effectuée suivant un programme comportant une première période de 3 heures environ pendant laquelle l'assemblage est maintenu sous vide pendant que sa température est progressivement portée à environ 3150C, l'assemblage étant ensuite placé sous une atmosphère d'azote ou d'argon et sa température étant portée à environ 8710C, température à laquelle l'assemblage est maintenu pendans une période d'environ une heure, l'assemblage étant ensuite placé dans un autoclave maintenu approximativement à la même température et dans laquelle il est mis sous une pression d'environ 350 bars, l'assemblage étant maintenu dans ces conditlons pendant environ une heure après quoi l'autoclave est ramené à la pression atmosphérique et l'assemblage en est retiré. 10 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le revêtement est une couche composite constituée par un revêtement intérieur en contact avec le tube pour assurer une conducti bilité thermique élevée et un revêtement extérieur pour assurer la résistance à la corrosion à chaud. 11 - Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le tube est en cuivre, le revêtement intérieur est en une matière choisie dans le groupe constitué par le cuivre et le cuivre renforcé par une dispersion d'oxyde et le revêtement extérieur est en un alliage à base de nickel.