Brevet FR2467980A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne des éléments fonctionnant à hautes températures de faible ductilité et, plus particu- lièrement les éléments en céramique destinés à fonctionner à hautes températures, par exemple dans des moteurs à turbine à gaz. Les températures élevées et les conditions d'oxydation sévères existant dans la chambre de combustion, des parties turbine et d'éjection d'un moteur à turbine à gaz dans cer- taines conditions, ont pour résultat un endommagement ou une durée de vie réduite du composant. Par exemple, la fissuration par fatigue thermique et autres dommages thermiques condui- saient à l'enlèvement et au remplacement ou à la réparation extensive des composants métalliques. A cause de leur aptitude à résister aux hautes tempéra- tures, les matériaux céramiques se sont avérés intéressants comme élément dans les parties fonctionnant à hautes tempéra- tures des moteurs à turbine à gaz. Cependant, une caractéris- tique de ces éléments en céramique, aussi bien que des éléments fabriqués à partir de certains matériaux métalliques et com- posites céramique-métal, capables de supporter de très hautes températures, est leur faible ductilité, ce qui les classe parmi les matériaux fragiles et ayant généralement une faible résistance aux chocs. Il existe dans de tels éléments une ten- dance élevée à l'amorçage et à la propagation des fissures qui peuvent résulter des contraintes mécaniques imposées par l'élé- ment de support ou de maintien métallique du fait d'une mau- vaise adaptation de dilatation thermique. Afin d'utiliser un élément fait d'une céramique ou d'un matériau de caractéris- tique similaire dans les moteurs à turbine à gaz ou autres appareils fonctionnant à hautes températures, des moyens sont nécessaires pour retenir un tel élément et pour amortir ou absorber les contraintes qui pourraient résulter de la mauvaise adaptation thermique avec un élément de support. Afin de diminuer ou réduire la mauvaise adaptation dans les coefficients de dilatation thermique entre des supports métalliques et des éléments en céramique, l'art antérieur a utilisé des couches étagées entre le métal et l'élément en céramique, la distribution des métaux dans la structure en cé- ramique pour former un composite, ou l'utilisation de feutre de métal fibreux en tant qu'une couche de liaison entre le métal et l'élément en céramique. Toutes ces approches s'avèrent non satisfaisantes en ce qui concerne la résistance à la fati- gue thermique, comme le montre l'écaillage ou la séparation de la céramique du support métallique lors d'essais de choc thermique. L'autre approche a été d'utiliser une feuille mé- tallique ductile, telle que du platine ou un alliage à base de cobalt commercialement disponible sous la désignation alliage L605. De telles feuilles se déforment, s'extrudent et s'oxydent, et par conséquent, ne s'avèrent pas adéquat pour une longue période de temps. Selon une forme de la présente invention, on réalise un coussin résistant à haute température pour une pièce de faible ductilité, telle qu'une pièce en céramique.-Le coussin se com- pose d'une ame réfractaire résiliente, fibreuse, flexible, couverte avec une feuille de métal résistant à haute tempéra- ture ayant une ductilité suffisante pour être formée autour de l'âme. L'âme et la feuille sont caractérisées par leur aptitude à supporter une température d'aumoins 540'C environ. On peut réaliser un tel coussin sous diverses formes, comme un manchon annulaire, ou comme une couverture essentiellement plane ou façonnée, etc. , ces coussins étant utilisés seuls ou attachés à des éléments de support. La présente invention concerne également une pièce fonc- tionnant à haute température utilisant un tel coussin en com- binaison entre des parties de support ou de retenue métalliques. Par exemple, une paire de bandes ou supports espacés maintien- nent un élément de faible ductilité, tel qu'un élément en cé- ramique, protégé par le coussin décrit ci-dessus entre le métal et l'élément. L'élément de faible ductilité peut être maintenu entre ces parties métalliques munies de coussins suivant un grand nombre de façons, par exemple, par goupillage à travers l'élément. Ainsi, la présente invention fournit un moyen de protection ou d'amortissement entre l'élément de maintien ou de support et un élément ayant une faible ductilité, tout en même temps compensant toute mauvaise adaptation des coefficients de dilatation thermique qui peuvent amorcer et propager des fissures dans l'élément ayant une faible ductilité. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en perspective fragmentaire d'un accroche-flamme retenue selon une forme de la présente in- vention; Figure 2, une vue en coupe du coussin de la présente in- vention sous la forme d'un machon annulaire; Figure 3, une vue en perspective fragmentaire d'un accroche-flamme retenue selon une autre forme de la présente invention; Figure 4, une vue en perspective et en coupe d'un élé- ment de support de la figure 3; Figure 5, une vue en perspective fragmentaire d'un accroche-flamme de moteur à turbine à gaz comprenant des élé- ments de céramique maintenus selon la présente invention; Figure 6, une vue en perspective et en coupe d'un sup- port de la figure 5; et Figure 7, une vue en coupe de chicane de la figure 5 retenue selon la présente invention. Dans la technique des turbines à gaz, en particulier lorsqu'elle concerne des moteurs à turbine à gaz d'avion, il est souhaitable, dans certaines applications, d'utiliser le principe de la réchauffe ou de postcombustion, dans lequel on injecte du carburant supplémentaire dans les gaz d'éjection en aval de la partie turbine. Cependant, comme les caractéris- tiques d'écoulement duflux de gaz d'éjection peut créer des problèmes de stabilité pour la combustion du carburant, il est devenu de pratique courante d'introduire un type d'obstruc- tion ou accroche-flamme dans la partie d'éjection des gaz d'un tel appareil à turbine à gaz, cette structure produit des mo- tifs d'écoulement appropriés améliorant les mélanges et la combustion du mélange carburant-air. Généralement, on a donné à ces accroche-flamme une confi- guration de section droite, en V ou en U, disposée avec l'ex- trémité fermée orientée vers l'amont. Du fait qu'un tel compo- sant est soumis à des conditions thermiques et d'oxydation sévères, les accroche-flamme réalisés en métal se sont avérés inadaptés par suite de brûlures, fissurations, ou autres en- dommagements thermiques. De même, des aubes métalliques, des éléments rapportés d'aube et divers types de chicane ont subi un endommagement thermique par suite du fonctionnement sévère similaire. Afin d'éviter de telle limitation de composants, on a suggéré d'utiliser dans ces applications des matériaux en céramique. Cependant, la différence entre certaines caractéristiques des matériaux de céramique et des matériaux métalliques ont engen- drés des problèmes. Par exemple, lesmatériaux de céramique ont généralement une faible ductilité, ils sont fragiles et ont un coefficient de dilatation thermique notablement inférieur comparé à ceux des métaux. Ces caractéristiques, comparées à celles d'un élément de support métallique, conduisent à une mauvaise adaptation notable, se traduisant par l'application par l'élément de support métallique d'une pression ou contrain- te mécanique relativement forte sur le composant de céramique lorsqu'ils sont chauffés à des températures relativement élé- vées. La présente invention fournit un moyen-pour éviter une telle contrainte mécanique et-pour compenser la mauvaise adap- tation de dilatation thermique se présentant sous la forme d'un nouveau coussin entre un élément de céramique et un moyen de support. Un tel coussin peut être appliqué à l'extérieur de l'élément de céramique ou en tant qu'un élément intermédiaire ou de transition entre un support métallique et le composant de céramique. En outre, il peut être appliqué dans un creux, à l'intérieur du composant de céramique par exemple, sous forme d'un manchon autour d'une goupille de maintien métallique. On a représenté une forme de la présente invention en perspective, partiellement en coupe et de façon fragmentaire à la figure 1, en vue de retenir un segment d'accroche-flamme en céramique, selon la présente invention. Sur la figure - 1, l'accroche-flamme représenté d'une manière générale en 10, en céramique de type carbure de silicium, est pourvu d'un élément annulaire, ou segment d'un élément annulaire, de sec- tion droite en "V". L'accroche-flamme comporte un ensemble de pattes de support 12, dont une est représentée en coupe, saillant du sommet de l'accroche-flamme et disposée à la péri- phérie de l'accroche-flamme. L'accroche-flamme 10 est maintenu entre une paire de parties métalliques juxtaposées 14, au moyen d'un élément de fixation, tel qu'une tige, tube ou broche métallique 16. Afin de compenser la mauvaise adaptation ther- mique ou différence des coefficients de dilatation entre l'élé- ment de fixation 16 et la patte de céramique 12, on prévoit un coussin 18, représenté avec plus de détails sur la figure 2, sous la forme d'un manchon annulaire autour de l'élément de retenue 16. En se référant à la figure 2, le manchon 18 comporte une âme, de forme annulairesouple, résiliente, fibreuse, résis- tante à haute température 20. Une telle âme peut être sous la forme d'une couverture fibreuse en céramique ou laine, dont une forme est disponible dans le commerce en tant que couver- ture ou laine de zircone, tissu ou laine de verre; etc.; l'âme étant aussi recouverte ou enfermée dans une feuille mé- tallique résistant aux hautes températures. Dans la réalisa- tion représentée à la figure 2, la feuille métallique se compose d'une partie annulaire intérieure 22 et d'une partie annulaire extérieure 24, d'un alliage, tel qu'un alliage à base de cobalt, désigné dans le commerce par alliage L605, réunis par exemple par soudage, sertissage, etc., à leurs bords extérieurs 25 comme représenté sur la figure 2, pour définir les manchons annulaires 18. Le coussin résistant à haute température de la présente invention est représenté dans une autre réalisation à la figure 3. Un accroche-flamme 10, comme dans la figure 1, en céramique du type carbure de silicium, est maintenu entre une paire de coussins résistant à haute température représentés d'une manière générale en 26 et 28. Chaque coussin est porté par un élément de support ou de maintien métallique, 30 et 32, respectivement, par exemple, en super-alliage à base de nickel résistant à haute température, disponible dans le commerce sous la désigna- tion alliage Hastelloy X. Le premier coussin 26 se compose d'une âme flexible 34 en matériau céramique fibreux sous forme de couverture, dont une forme est disponible dans le commerce sous la désignation Fiberfrax, recouvert avec une feuille d'alliage NiCr 36. Le premier élément de support ou support extérieur 30, représenté avec plus de détails à la figure 4, comporte une face de réception de pièce 38, se conformant d'une manière générale à la forme de la partie de la pièce 10, que les éléments de support auront à porter. L'élément 30 comporte des moyens tels que des trous 40 pour le position- nement de l'élément 30 dans un appareil tel qu'une turbine à gaz. Le premier coussin 26 est porté par la face 38 de l'élé- ment 30 en fixant une feuille 36 à l'élément 30 par soudage, recouvrant ainsi l'âme 34 et la retenant entre la feuille 36 et le support extérieur 30. Un second support ou support intérieur résistant aux hautes températures 32 coopère avec le premier élément de support résistant à haute température ou élément de support extérieur 30 et de configuration analogue à celle de l'élément afin de se conformer d'une manière générale à la forme de cette partie de la pièce 10 que le second support 32 aura à porter L'élèment 32 comporte un coussin résistant à haute température 28, construit et fixé à l'élément 32, comme le coussin 26 est construit et fixé au premier élément de support 30. Ainsi, on a défini une forme d'un dispositif de support et de retenue résistant à haute température pour une pièce de faible résistance aux chocs, telle qu'une céramique, par exem- ple un accroche-flamme 10 comportant un premier et un second éléments de support ayant chacun une forme adaptée pour rece- voir une partie de la pièce à maintenir sur le cOté opposé de la pièce. Chacun des éléments de support comporte un coussin résistant à haute température comprenant une âme souple du type décrit et une feuille métallique résistant à haute tempé- rature recouvrant l'âme et fixant l'âme à l'élément de support tel que 30 et 32 sur la figure 3. On a représenté d'autres formes de la présente invention dans la vue en perspective fragmentaire de la figure 5 montrant un dispositif à élément de céramique rapporté pour vanne de séparation d'accroche-flamme de moteur à turbine à gaz repré- senté d'une manière générale en 42 et une chicane 44. Le dis- positif à élément rapporté, comprend un élément rapporté en céramique 46 et un ensemble de supports, tels que les supports coopérant 48 et 50, aussi bien qu'un support 52 avec un sup- port juxtaposé coopérant (non représenté) en-dessous de l'élé- ment rapporté en céramique 46 sur la figure 5. Ces supports peuvent être fixés à des éléments structuraux du dispositif tel que la paroi 54 par divers moyens tels que des rivets 56, en soudant le support 52 à l'élément 58, à la jonction 60, etc. Chacun des supports, fonctionnent comme un élément d'a- mortissement aussi bien que comme un élément de support, et se compose d'une ame en matériau réfractaire fibreuxsouple, recouverte,et enfermée avec une feuille de métal résistant à haute température, suffisamment ductile pour être formée au- tour de l'âme et réunie pour former une enveloppe autour de l'âme. Un support 50 représenté dans la vue en perspective et en coupe de la figure 6 est représentatif de tels éléments de support et constitue un coussin résistant à haute température pour retenir une pièce de faible ductilité telle qu'un élément rapporté en céramique 46. Le coussin ou support 50 est constitué d'une âme souple 24 en matériau de céramique fibreux sous forme de couverture comme décrit en liaison avec la figure 3. L'âme 34 est enfermée dans une feuille métallique ductile résistant aux hautes températures 36 en alliage NiCr soudée autour de ses bords extérieurs tels qu'en 62 et 64 pour enfermer l'âme 34. Du fait que l'âme souple 34 est en matériau céramique fibreux résistant aux hautes températures disponible dans le commerce sous la désignation Fiberfrax et du fait que la feuille est un alliage NiCr résis- tant aux hautes températures, le coussin 50 et ses éléments, l'âme et la feuille peuvent supporter une température d'au moins 5400C et généralement peuvent supporter une température d'environ 10930C sans que le coussin perde son aptitude à rem- plir sa fonction en tant qu'élément de retenu résistant à haute température. Une autre forme de la présente invention est appliquée en liaison avec la chicane -4 représentée à la figure 5. La figure 7 est une vue en coupe de la chicane 44 en matériau céramique résistant à haute température, par exemple, une céramique du type nitrure de silicium. La chicane 44 comprend une paire d'évidements 66 opposés dans chacun desquels se trouve disposé un manchon d'amortis- sement résistant à haute température 18 décrit avec plus de détails en liaison avec la figure 2. Chaque manchon 18 a une dimension lui permettant de s'emboîter dans l'évidement 66, son diamètre interne étant choisi afin qu'il reçoive un élé- ment de fixation ou broche 68. Chaque broche 68 saille de son évidement respective 66 par des ouvertures 70 et 72 de parties de parois métalliques juxtaposées 74 et 76 respectivement. Les broches 68 peuvent être fixées à leurs parties de parois respectives par un grand nombre de moyens tels que par soudage à des rondelles 78 qui à leur tour sont soudées aux éléments de parois coopérant ou par utilisation de moyens de fixation ou-de blocage aisément enlevables. Ainsi, la présente invention sous l'une de ses formes fournit un coussin résistant à haute température destiné à être utilisé pour retenir une pièce de faible ductilité, par exemple, en un matériau céramique. Un tel coussin comprend une âme réfrac- taire,fibreuse souple,recouverte par une feuille métallique suffisamment ductile résistant à haute température qui, en- semble, peuvent être mises en forme sous une grande variété de configurations dépendant de la forme et de l'application de la pièce à retenir. Comme le noteront les spécialistes, on peut choisir un grand nombre de matériaux réfractaires fibreux résilients pour l'ame et une grande variété de feuilles métal- liques pour recouvrir les coussins, dépendant de la tempéra- ture et des conditions d'application. REVENDICATIONS 1. Coussin résistant à haute température pour une pièce de faible ductilité, caractérisé en ce qu'il comprend: - une âme souple (20) se composant d'un matériau réfrac- ta-ire fibreux, résilient; et - une feuille métallique (22,24) résistant à haute température recouvrant l'âme, la feuille ayant une ductilité suffisante pour être mise en forme autour de l'âme; - l'âme et la feuille étant en outre caractérisés par leur aptitude à supporter une température d'au moins 540'C. 2. Coussin selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se trouve sous la forme d'un manchon annulaire dans lequel l'âme est annulaire et la feuille enferme l'rme. 3. Manchon selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille est constituée d'une partie de feuille annulaire intérieure (22) et d'une partie de feuille annulaire extérieure (24); les parties de feuille annulaire intérieure et extérieure ayant chacune des première et seconde parties de bords qui coopérent avec les première et seconde parties de bords de l'autre partie annulaire; - les premières parties de bords et les secondes parties de bords étant réunies de façon à enfermer l'âme entre les parties de feuille annulaire intérieure et extérieure. 4. Pièce fonctionnant à haute température caractérisée en ce qu'elle comprend: - une paire de parties de support de pièce (14) juxtaposées, espacées, au moins une partie de support étant traversée par une ouverture; - un élément de faible ductilité (10) ayant une partie (12) dis- posée entre ces parties de support et ayant au moins un évide- ment en lui aligné avec l'ouverture dans la partie de support; - un manchon annulaire (18) résistant à haute température tel que défini à la revendication 2, disposé dans l'évidement; et, - un élément de fixation (16) disposé dans l'ouverture dans la partie de support jusque dans l'évidement dans l'élément de faible ductilité et à l'intérieur du manchon annulaire. 5. Pièce selon la revendication 4, caractérisé en ce que 2467D80- l'élément de faible ductilité est en céramique. 6. Pièce selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'âme du manchon annulaire est en matériau céramique fibreux. 7. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacune des parties de support de la paire de parties de support (74,76) comporte une ouverture qui la traverse; l'élément de faible ductilité (lu) comprend deux évidements opposés (66), alignés chacun avec une ouverture respective de la partie de support et coopérant avec celle-ci, chaque évidement ayant disposé à l'intérieur le manchon annulaire (15) résistant à haute temérature; et un élément de fixation (68) disposé dans chaque ouverture dans les parties de support, jusque dans l'évidement et à l'intérieur du manchon annulaire. 8. Support résistant à haute température pour une pièce de faible ductilité, caractérisé en ce qu'il comprend: - un élément métallique (30) ayant une face (38) de réception de pièce se conformant d'une manière générale à la forme d'une partie de la pièce; - un coussin (26) résistant à haute température comprenant une âme flexible se composant d'un matériau réfractaire fi- breux résilient (34) et d'une feuille (36) résistant à haute température maintenant l'âme flexible au niveau de la face (38) de réception cie pièce; la feuille ayant une ductilité suffisante pour être mise en forme autour de l'âme et étant fixée à l'élément métal- lique pour renfermer l'âme entre la feuille et la face de réception de pièce, de sorte que l'âme et la feuille se confor- me d'une manière générale avec la forme de la face de récep- tion de pièce de l'élément métallique; l'élément métallique, l'âme et la feuille étant en outre caractérisés par leur aptitude à supporter une température d'au moins 540'C. 9. Dispositif de retenue résistant aux températures éle- vées pour une pièce de faible ductilité qui comporte une pre- mière et une seconde partie sur es côtés opposés de la pièce, caractérisé en ce qu'il comprend; - des premier et second supports (30,32) résistant à haute tem- il pérature, chacun défini comme dans la revendication 8; - le premier support (30) étant mis en forme pour recevoir la première partie de la pièce; - le second support étant mis en forme pour recevoir la seconde partie de la pièce; le premier et le second supports étant disposés pour re- tenir la pièce sur des côtés opposés.