Brevet FR2485659A1 — publié le 19811231

La présente invention se rapporte à un arbre métallique composite et à un procédé pour sa fabrication; elle vise, plus particulièrement, un arbre de ce type pour turbine à gaz. Il y a une tendance constante, dans la techno- logie des turbines gAaz, à la fabrication de moteurs plus petits et de meilleur rendement, avec une puissance spêci- fique accrue. Ces changements conduisent inévitablement à des vitesses et à des niveaux de fatigue plus élevés pour les principaux éléments du moteur. Un arbre de sortie de puissance du moteur est un exemple important de cette si- tuation, puisque la combinaison d'une vitesse plus grande du rotor et d'un diamètre d'arbre plus petit engendre des difficultés de vitesse critique. Une solution consiste à diminuer la longueur effective d'arbre, par adjonction de paliers supplémentaires. Il en résulte des complexités mé- caniques accrues, pour réaliser et assembler un moteur plus petit. Une solution plus simple et plus pratique à cette difficulté consiste à fabriquer des arbres ayant un rapport plus élevé du module au poids spécifique, cequi permet d'obtenir une rigidité spécifique et une vitesse critique plus élevées. L'invention a pour objet un arbre composite mé- tallique qui est capable de résister aux contraintes de torsion et de flexion qui se produisent dans un arbre d' entraînement de petit diamètre, pour moteur à turbine a gaz. L'arbre composite, suivant l'invention, de mo-. dule spécifique élevé, est caractérisé en ce qu'il com-- prend une gaine tubulaire en matière usinable, à haute-ré- sistance à la torsion, dans laquelle est insérée axialement une matrice métallique contenant des filaments, alignés a- xialement, d'une matière-à module élevé. La feuille est complètement intégrée et liée à la surface intérieure de la gaine tubulaire. Le procédé, suivant l'invention, pour la fabri- cation d'un tel arbre composite consiste à fabriquer une gaine-tubulaire extérieure, en matière usinable à haute résistance à la torsion, comportant un passage intérieur axial; fabriquer une matrice en bande métallique dans la- quelle sont noyés des filaments de matière a haut module disposés longitudinalement; rouler cette matrice sur un mandrin, les filaments à haut module étant orientés dans la direction axiale; insérer la matrice et le mandrin dans le passage axial, en contact étroit avec la surface intérieure de la gaine tubulaire; et soumettre cet ensem- ble à une température et à une pression suffisantes pour obtenir la consolidation et la liaison par diffusion de la bande métallique, renforcée par les filaments, dans la gaine tubulaire extérieure. Dans une forme d'exécution préférée, mais non limitative, on fabrique d'abord un arbre tubulaire exté- rieur en acier. Puis des filaments de bore sont soigneu- sement disposés entre deux films minces d'aluminium pour former une feuille d'aluminium contenant intérieurement des filaments de bore orientés longitudinalement. La feuil- le bore-aluminium est roulée sur un mandrin en acier doux et insérée dans l'arbre tubulaire en acier, les filaments étant alignés axialement. L'ensemble est placé dans un au- toclave qui est d'abord porté à une pression de 0,5 à 0,7 kg/cm 2, chauffé à 515 C puis soumis à une pression plus élevée, de 14 kg/cm2, pendant 30 minutes.Ce procédé permet d'obtenir un arbre composite parfaitement consolidé comprenant une enveloppe extérieure en acier et un manchon intérieur en aluminium renforcé par des filaments de bore axialement alignés de façon à améliorer la rigidité à la flexion. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés. Fig. 1 est une vue en perspective d'une extrêmi- té d'un arbre conforme à l'invention, et Fig. 2 est une coupe suivant un plan longitudi- nal passant par l'axe de l'arbre. Un arbre terminé 1, fabriqué conformément à la présente invention, est représenté sur les figures 1 et 20 Il comprend une enveloppe tubulaire extérieure 2 en acier durci présentant des canelures traitées 6, à laquelle est liée, sur sa périphérie intérieure, une couche 3 à haut - module spécifique. La couche 3, comme on le voit, sur la figure 2, est constituée d'une matrice en aluminium, com- plètement consolidée, dans laquelle sont noyés des fila- ments multiples 4 de bore, sensiblement alignés avec l'axe 5. La couche 3 est formée d'une matrice en ruban dl aluminium de 0,18 mm d'épaisseur à l'intérieur de laquelle sont interposés des filaments de bore de 0,16 mm. On peut également utiliser un ruban de titane mais, dans ce cas, il faut utiliser des filaments de bore revêtus de carbure de silicium ou de carbure de bore pour éviter l'interac- tion entre le titane et le bore. La couche 3 est roulée sur un mandrin en acier doux et elle est insérée dans l'arbre tubulaire 2 en a- cier. Cet ensemble est ensuite placé dans un autoclave, dans lequel on porte ensuite la pression jusqu'à une va- leur intermédiaire de 5 à 7 kg/cm2. On élève alors la tem- pérature à 515 C, ce qui augmente la ductilité de la cou- che 3 et de son mandrin et facilite les phases initiales de la liaison. L'opération suivante consiste à porter la pression à 14 kg/cm et à maintenir cette valeur pendant une demi-heure environ, pour permettre la consolidation complète. Le mandrin est ensuite éliminé par un procédé d'enlèvement chimique. L'arbre de turbine 2 peut être construit en acier ou en titane, pour obtenir la résistance à la torsion de l'arbre composite. De façon caractéristique, l'arbre 1 peut comprendre une gaine extérieure en acier ou titane ayant un diamètre extérieur de 25,4 mm et un diamètre in- térieur de 15,9 mm, avec une couche 3 bore-aluminium de 1,8 mm d'épaisseur liée à la surface intérieure de la gaine en acier. On obtient de cette façon un arbre composite ayant un module spécifique élevé qui permet d'atteindre une vitesse critique plus grande. Puisque la surf-ace extérieu- re est en acier, elle peut être usinée ou soudée, suivant les besoins. Pour éviter l'emploi d'un autoclave, l'ensemble de l'arbre et du mandrin peut être obturé de façon étanche et mis sous vide. On peut ensuite exercer une pression par un passage axial interne à l'intérieur du mandrin. Par mise sous pression à haute température, on obtient la con- solidation et la liaison par diffusion du ruban de matrice lui-même, ainsi que du ruban à l'arbre. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Arbre composite pour moteur à turbine à gaz, ayant un module spécifique élevé, caractérisé en ce qu'il com- prend: une gaine tubulaire extérieure (2) en matière usie nable, à haute résistance à la torsion, comportant un pas- sage intérieur axial; et une feuille intérieure (3) cons- tituée d'une matrice métallique contenant des filaments (4), axialement alignés, d'une matière à module élevé, cette feuille étant complètement intégrée et liée à la sur- face intérieure de la gaine tubulaire. 2. Arbre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine tubulaire est en acier. 3. Arbre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine tubulaire est en titane. 4. Arbre suivant une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que la matrice métallique est en aluminium. 5. Arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé,en ce que la matrice métallique est en titane. 6. Arbre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière à module élevé est du bore. 7. Procédé de fabrication d'un arbre composite pour moteur à turbine à gaz, ayant un module spécifique élevé, caractérisé en ce qu'il consiste à: fabriquer une gaine tubulaire extérieure, en matière usinable à haute résis- tance à la torsion, comportant un passage intérieur axial; fabriquer une matrice en bande métallique dans laquelle sont noyés des filaments de matière à haut module disposés longitudinalement; rouler cette matrice sur un mandrin, les filaments à haute module étant orientés dans la direc- tion axiale; insérer la matrice et le mandrin dans le pas- sage axial, en contact étroit avec la surface intérieure de la gaine tubulaire; et soumettre cet ensemble à une température et à une pression suffisantes pour obtenir la consolidation et la liaison par diffusion de la bande mé- tallique, renforcée par les filaments, dans la gaine tu- bulaire extérieure. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la consolidation est obtenue par: introduction de l'ensemble dans un autoclave; élévation de la pression dans l'autoclave à une valeur intermédiaire; augmentation de la température dans l'autoclave à une valeur qui aug- mente la ductilité du mandrin et de la feuille et favori- se la liaison; et nouvelle élévation de la pression dans l'autoclave pour favoriser la liaison et la consolidation, cette pression étant maintenue jusqu'à ce que ces proces- sus soient terminés. 9. Procédé suivant la revendication 7 ou 8, caracté- risé en ce que la gaine tubulaire extérieure est en acier. 10. Procédé suivant la revendication 7 ou 8, carac- térisé en ce que la gaine tubulaire extérieure est en titane. 11. Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 7 à 10, caractérisé en ce que la bande métallique de la matrice est obtenue par interposition de filaments alignés longitudinalement entre deux films métalliques minces. 120 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 7 à 11, caractérisé en ce que la matrice métallique est enaluminium. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les filaments à haut module sont en bore. *30