Brevet FR2464123A1 — publié le 19810306

L'invention concerne, d'une manière générale, un procé- dé pour fabriquer une pale d'aube de turbine à gaz refroidie par eau, et plus particulièrement un procédé pour fabriquer des pales du type comprenant une âme centrale entourée de tu- bes de refroidissement de la pale, distants les uns des au- tres et répartis sur toute la périphérie de l'âme, et une enveloppe extérieure composite enfermant à la fois l'âme et les tubes de refroidissement. Dans des procédés typiques de fabrication de la techni- que antérieure, l'âme centrale est préformée de façon à épou- ser la forme voulue de la pale. On réalise ensuite tout au- tour de la périphérie extérieure de la pale une série de rai- nures qui reçoivent les tubes de refroidissement de la pale. Ces tubes de refroidissement sont fabriqués à part, contrô- lés, puis mis en place dans les rainures. Enfin, une envelop- pe extérieure est soudée, ou liée autrement, à l'âme centrale pour former la pale finale. Dans un procédé connu on décrit une aube de turbine à gaz refroidie par liquide, cette aube étant constituée d'une âme dans laquelle sont creusées des rainures de section rec- tangulaire orientées radialement; on loge dans ces rainures des tubes que l'on maintient en place au moyen d'un matériau de brasage remplissant l'espace entre les tubes et les côtés et le fond des rainures. On lie ensuite une enveloppe de protection à la surface extérieure de l'âme pour protéger la pale contre la corrosion. L'enveloppe décrite est un composi- te constitué d'une enveloppe intérieure lui conférant une conductivité thermique élevée et d'une enveloppe extérieure la protégeant contre la corrosion à chaud. Le procédé général consistant à introduire dans une en- veloppe flexible un ensemble à braser pour établir dans l'en- veloppe une atmosphère sensiblement non oxydante et à exercer un effort sur l'enveloppe en cours de brasage est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.091.846. On connaît également un procédé de fabrication d'une pa- le avec lequel le transfert d'énergie thermique de l'inté- rieur de la surface de l'enveloppe de la pale en contact avec les gaz chauds vers la surface extérieure des tubes de refroi- dissement logés dans l'âme de l'aube est plus efficace. Sui- vant ce procédé, on forme l'aube à partir d'une série de composants solides préformés que l'on assemble, comprime, puis transforme en une structure unifiée. Dans chacune des différentes réalisations mentionnées précédemment, un des composants solides préformés est une tôle bi-métallique com- prenant une couche résistant à la corrosion et à l'érosion et une couche à conductivité thermique élevée, ces couches étant réunies par une liaison métallurgique optimisée. Suivant la présente invention, on perce des trous dans une ébauche surdimensionnée d'âme de pale en des endroits distants les uns des autres correspondant aux emplacements o l'on souhaite que les tubes de refroidissement soient dans la pale. Les tubes de refroidissement sont fabriqués à part sous forme d'éléments préassemblés de tube composite et sont introduits dans les trous percés dans l'ébauche de pale. Les tubes composites ainsi introduits sont maintenus en place par liaison par diffusion sous pression isostatique à chaud ou par brasage. Une fois les tubes de refroidissement fixés à l'ébauche de pale, l'ébauche est usinée à la forme voulue en mettant à découvert la couche extérieure de cuivre du tube composite. Une enveloppe fabriquée à part est ensuite liée par diffu- sion sous pression isostatique à chaud à l'ébauche de pale usinée pour produire la pale voulue. Comme l'enveloppe et les tubes composites sont fabriqués à part, il est possible de les contrôler avant leur mise en place dans la structure de pale. De plus, comme la forme fi- nale de la pale s'obtient par usinage après introduction des tubes de refroidissement dans l'ébauche de plae, la face ex- terne de l'ensemble ébauche-tubes composites présente une sur- face continue et régulière pour le revêtement qu'est l'enve- loppe. La description qui va suivre se réfère aux figures anne- xées, qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue en coupe partielle d'une ébauche de pale utilisée dans le procédé de la présente invention; Fig. 2, une vue en perspective, partielle, d'un tube composite utilisé dans le procédé de la présente invention; Fig. 3, un second tube composite possible utilisé dans le procédé de la présente invention; Fig. 4, une vue en coupe partielle de l'ébauche de pale de la figure 1 après qu'y aient été introduits les tubes com- posites de la figure 3, Fig. 5, une vue en coupe partielle de l'ébauche de pale de la figure 4 après son usinage à la forme voulue, et Fig. 6, une vue en coupe partielle d'une pale terminée que l'on a construite suivant le procédé de là présente in- vention. Si l'on se réfère maintenant aux dessins, dans lesquels les mêmes numéros représentent toujours les mêmes éléments, on voit sur la figure 1 une ébauche 10 de pale qui constitue l'âme de la pale refroidie par liquide de la présente inven- tion. L'ébauche 10 est l'élément de structure fondamental de la pale; il est en un matériau choisi pour sa résistance mécanique. L'ébauche 10 est plus grande que la taille finale de la pale car elle est usinée par la suite. On réalise des trous 12 dans l'ébauche 10, de préféren- ce par perçage. Ces trous occupent toute la hauteur de l'é- bauche 10 et sont agencés pour recevoir des tubes composites 14 qui transportent le liquide de refroidissement à travers la pale. La figure 2 représente un tube composite 14. Comme on le voit, le tube composite 14 comporte un élément inté- rieur 16, qui est en un matériau choisi pour résister à l'é- rosion et à la corrosion du fluide de refroidissement chaud (habituellement eau et vapeur) qui le traverse, et un élé- ment extérieur 18, qui entoure l'élément intérieur 16 et est en un matériau présentant une conductivité thermique élevée. On souhaite avoir un transfert de chaleur optimal pour que le fluide de refroidissement passant dans l'intérieur des tubes composites 14 enlève de la chaleur à l'enveloppe compo- site 26 (décrite plus loin) de la pale terminée et donc re- froidisse efficacement la pale. Dans la construction composi- te de la présente invention, on obtient ce transfert de cha- leur optimal en réalisant une bonne liaison métallurgique entre les éléments 16 et 18. Dans la réalisation recommandée, l'élément intérieur 16 est en un métal résistant à la corro- sion, tel que par exemple l'acier inoxydable 347 ou le IN-718 et l'élément extérieur 18 est un tube en un matériau à con- ductivité thermique élevée, tel qu'un alliage de cuivre. La surface extérieure de l'élément intérieur 16 peut recevoir une couche électrolytique mince (12,7 microns environ) de nickel brillant sur laquelle on applique une couche mince (12,7 microns environ) d'argent. Les deux éléments 16, 18 sont assemblés puis étirés à travers une série de filières jusqu'à obtention d'un ajustement serré entre les deux mé- taux, après quoi le tube composite 14 est cuit à environ 8000C pour former l'alliage eutectique argent-cuivre réunis- sant les éléments 16, 18. Ensuite, le tube composite peut recevoir par électrolyse une couche semblable d'argent pour obtenir un agent de brasage destiné à la fixation permanente du tube composite 14 dans son trou 12 correspondant. En va- riante, on pourrait, si on le souhaite, employer la liaison par diffusion sous pression isostatique à chaud. Le tube composite représenté sur la figure 2 est concen- trique. Si l'on souhaite avoir un tube excentrique, on peut le réaliser comme sur la figure 3. Comme l'indique le dessin en trait interrompu, on commence par faire un tube concentri- que, comme dans le cas du tube composite de la figure 2. Puis on usine le tube pour en retirer la partie 20 (en trait inter- rompu) de l'élément extérieur 18, ce qui donne le tube excen- trique 14 voulu. Après réalisation et, si on le souhaite, contrôle des tubes 14, on en met un dans chacun des trous 12 de l'ébauche 10. Les tubes 14 sont alors maintenus en place par liaison par diffusion sous pression isostatique à chaud ou par brasa- ge. La structure obtenue se voit sur la figure 4. Dans cette réalisation, on a supposé que les tubes utilisés étaient ex- centriques. Une fois les tubes 14 liés à l'ébauche 10 de pa- le, cette dernière est usinée pour obtenir une pale de forme voulue. Comme on le voit sur la figure 5, sur laquelle la par- tie 22 en trait interrompu représente le matériau enlevé par usinage, on choisit l'emplacement des trous 12 pour être sûr que l'élément extérieur 18 de chaque tube 14 soit de même hauteur et de même orientation que la face externe 24 de l'é- bauche 10. Après usinage de l'ébauche 10 de pale, une enveloppe ex- terne 26 est fixée à la face externe de l'ébauche de pale par liaison par diffusion sous pression isostatique à chaud ou par brasage (figure 6). L'enveloppe 26 est en un matériau ré- sistant à l'oxydation et à la corrosion dues au passage des gaz chauds sur la pale quand la turbine fonctionne aux tempé- ratures nominales. Un matériau possible est l'Inconel 617. Dans la réalisation recommandée, l'enveloppe 26 est formée de deux couches métalliques conçues non seulement pour résis- ter à l'érosion et à la corrosion dues aux gaz à haute tempé- rature passant sur la pale, mais aussi à conduire jusqu'au liquide de refroidissement passant dans les tubes composites 14 l'énergie thermique frappant la surface extérieure de l'enveloppe 26. Pour satisfaire à ces deux exigences, l'en- veloppe 26 est de préférence formée d'une couche intérieure 28 en un matériau à conductivité thermique élevée, tel que le cuivre, et d'une couche extérieure 30 en un matériau anti- corrosion, tel que l'Inconel 617. Quand on prépare l'enveloppe composite 26, il faut avoir présent à l'esprit que la qualité de liaison entre les cou- ches 28 et 30 joue un rôle essentiel. Le long de l'interface entre ces couches, partout o la liaison n'est pas parfaite, il apparaît des points chauds pendant la marche de la turbi- ne, ces points chauds entraînant la destruction de l'envelop- pe, puis la défaillance de l'aube. C'est la raison pour la- quelle les couches 28, 30 sont d'abord deux tôles planes que l'on lie entre elles, l'ensemble étant ensuite lié à l'ébau- che 10 de pale. Divers alliages de brasage à l'or marchent bien pour lier ensemble les couches 28, 30, mais ces allia- ges sont très coûteux. On a constaté que le brasage d'une couche d'Inconel 617 et d'une couche d'un alliage de cuivre peut se faire avec succès en utilisant comme brasure un al- liage de 97 % de cuivre et de 3 % de silicium. Cet alliage est bon marché, possède une température de fusion et un point d'écoulement élevés (970-10259C) et une température de refon- te encore plus élevée. Par ailleurs, l'alliage obtenu ne cou- 2 46 4123 le pas trop, ce qui réduit au maximum la possibilité de bou- cher les passages ouverts au cours du brasage final. Autre possibilité, on peut employer, si on le souhaite, la liaison par diffusion sous pression isostatique à chaud. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé de fabrication d'une pale refroidie par li- quide pour turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend a) la réalisation de trous (12) distants les uns des autres dans une ébauche surdimensionnée (10) de pale; b) dans chacun des trous, la liaison d'un tube composi- te préformé (14) pour liquide de refroidissement, ce tube composite comprenant un élément intérieur (16) en un maté- riau anti-corrosion et un élément extérieur (18) en un maté- riau possédant une conductivité thermique élevée; c) l'usinage de l'ébauche (10) de pale à la forme vou- lue, l'emplacement des trous (12) étant tel que, après usi- nage, une partie de l'élément extérieur (18) de chacun des tubes composites (14) est contigu à la face externe (24) de l'ébauche de pale usinée; et d) la liaison d'une enveloppe externe (26) à cette face externe (24) de l'ébauche de pale usinée et à cette partie de l'élément extérieur (18) de chacun des tubes composites. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (12) sont réalisés dans l'ébauche (10) de pale par perçage. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes composites (14) pour liquide de refroidis- sement sont liés à l'ébauche (10) de pale par pression isos- tatique à chaud. 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément intérieur (16) des tubes composites (14) est en acier inoxydable et en ce que l'élément extérieur (18) est en alliage de cuivre. 5 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes composites (14) sont obtenus de la façon suivante: a) réalisation d'un élément intérieur (16) en acier ino- xydable; b) dépôt d'une mince couche de nickel sur la surface ex- térieure de l'élément intérieur; c) dépôt d'une couche d'argent sur la couche de nickel d) introduction de l'élément intérieur (16) ainsi recou- vert dans l'élément extérieur (18); et e) liaison l'un à l'autre de l'élément intérieur (16) et de l'élément extérieur (18). 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'opération consistant à lier entre eux l'élément in- térieur (16) et l'élément extérieur (18) comprend: a) après introduction de l'élément intérieur (16) dans l'élément extérieur (18), l'étirage de l'ensemble formé de ces deux éléments à travers une série de filières jusqu'à obtention d'un ajustement serré entre les deux métaux; et b) la cuisson de l'ensemble formé de ces deux éléments jusqu'à formation d'un alliage eutectique qui réunisse l'élé- ment intérieur (16) et l'élément extérieur (18). 7 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau résistant à la corrosion est l'alliage IN-718. 8 - Procédé suivant les revendications 1 ou 4, caracté- risé en ce que l'enveloppe externe (26) est en Inconel 617. 9 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe (26) comprend une couche intérieu- re (28) présentant.une conductivité thermique élevée et une couche extérieure (30) présentant une résistance élevée à la corrosion. - Procédé suivant les revendications 1, 3, 4, 6 ou 9, caractérisé en ce que les tubes composites (14) réalisés com- portent une ouverture concentrique qui les traverse sur toute leur longueur, et en ce qu'ils sont ensuite usinés pour leur enlever une partie de l'élément extérieur (18) de façon à obtenir un tube composite comportant une ouverture excentri- que qui les traverse sur toute leur longueur.