Brevet FR2536316A1 — publié le 19840525

Elimination des fissures dues à la fatigue en cycle lent pour les disques à aubes réalisés d'une seule pièce. La présente invention concerne des disques à aubes réalisés d'une seule pièce. Comme on le sait, les disques à aubes coulés d'une seule pièce pour les rotors de turbines, tels que ceux pouvant être utilisés dans les moteurs à turbine à gaz pour véhicules automobiles ou pour avions, subissent,à leur périphérieune fissuration due à la fatigue en cycle lent et provoquée par un gradient thermique partant de la périphérie, qui est exposée directement aux gaz chauds de la turbine, et se dirigeant vers le centre du disque, lequel est relativement froid Le problème ne se pose pas sur les disques à aubes classiques, étant donné que la périphérie est protégée contre les hautes températures par les pieds des aubes et qu'elle est discontinue en raison de la présence des fentes qui y sont formées et qui permettent un certain mouve- ment du métal du disque à la périphérie Afin de dé- tendre les contraintes qui s'exercent dans la péri- phérie d'un disque à aubes coulé d'une seule pièce, des cavités ou des fentes sont ménagées dans la péri- phérie entre les aubes Ces fentes permettent de dé- tendrecertaines des contraintes thermiques s'exer- çant dans la périphérie Un trou est foré à la base ou à la partie intérieure radiale extrême de chaque fente de façon à définir un rayon relativement grand qui fait office de moyen d'arrêt de fissuration en vue d'empêcher l'amorçage d'une fissure à la base de la fente et sa propagation plus avant dans le disque. Un rivet est ensuite introduit dans chaque trou foré afin d'empêcher les fuites de-gaz; toutefois, il se produit toujours des fuites à travers les fentes elles- mêmes Outre ces fuites inopportunes, les fentes de détente des contraintes et les rivets qui y sont as- sociés, interviennent pour une grande part dans le c&ut d'un rotor de turbine et, de ce point de vue, ils sont peu souhaitables. Des efforts sont actuellement consacrés à l'amélioration et à la mise au point de procédés pour le forgeage du moyeu ou du disque du rotor, ainsi qu'à l'usinage des aubes à partir d'une partie péri- phérique élargie de la pièce forgée, ou au forgeage intégral d'un disque à aubes, notamment par le pro- cédé de forgeage désigné par la marque commerciale déposée 'Gatorizing" et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 051 708 de la Demanderes- se Il est souhaitable d'empêcher la formation de fissures dues à des gradients thermiques dans la péri- phérie de ces disques de rotors forgés; toutefois, il est également souhaitable de réduire au minimum les fuites de gaz, ainsi que les dépenses associées au procédé de la technique antérieure pour prévenir ces fissures. Un objet de la présente invention est d'éli- miner les fissures dues à la fatigue en cycle lent dans la périphérie d'un disque à aubes réalisé d'une seule pièce. Un autre objet de la présente invention est d'assurer la détente des contraintes dans la périphé- rie d'un rotor à aubes d'une seule pièce sans créer un parcours de fuite à travers le disque. Suivant un aspect de la présente invention, un procédé de formation d'un disque de rotor à aubes d'une seule pièce comprend les étapes qui consistent à former plusieurs fentes de détente de contraintes espacées circonférentiellement dans la périphérie ex- térieure d'une ébauche de disque et forger les fentes fermées sans que les surfaces de ces dernières ne se 253631 6 lient l'une à l'autre, les fentes fermées étant loca- lisées de telle sorte qu'elles soient disposées entre les aubes qui sont également formées à partir de l'ébauche. Bien qu'elles soient forgées à l'état fermé, les fentes assurent toujours la détente des contrain- tes souhaitée à la périphérie du disque de rotor fini- moyennant l'élimination des contraintes circonf 6 ren- tielles Afin d'empêcher les surfaces des fentes de se lier l'une à l'autre lors de leur forgeage à létiat fermé, elles peuvent être revêtues d'un oxyde ouu elles peuvent être oxydées par un traitement thermique ap- proprié, à moins qu'elles soient déjà pourvues d'une couche d'oxyde superficielle. De-préférence, chaque fente de l'ébauche est formée avec unarrondi à sa base afin d'éviter une ac- centuation des contraintes La fente peut être forgée. à l'état fermé autour d'une tige à section transver'- sale circulaire disposée à la base de la fente afin de garantir que la base de la fente fermée conserve une forme arrondie, encore que cette précaution puis- se ne pas être requise - Suivant une forme de réalisation pjré,frée de la présente invention, des fentes radiales sont u si- nées dans la périphérie d'une ébauche de forgeage en forme de plaque comportant, à sa-périphérie, une matiè- re qui doit être façonnée sous forme dlaubes L'éau- che à fentes est soumise à un traitement thermique dans un four à vent afin d'oxyder les surfaces des fentes L'ébauche est placée dans-une presse à forger comportant des matrices appropriées; le disque est en- suite forgé et les fentes sont forgées à l'état fermé, tandis que les aubes sont formées simultanément dans la périphérie du disque entre les fentes fermées, par exemple, par le procédé de forgeage "Gatorizing" décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3 519 503 et 4 051 708 de la Demanderesse, mentionnés ici à titre de référence. La présente invention fournit un moyen peu coûteux pour assurer la détente des contraintes dans la périphérie d'un disque de rotor de turbine forgé à aubes d'une seule pièce sans créer aucun parcours de fuite à travers le disque. Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription détaillée ci-après de certaines de ses for- mes de réalisation préférées telles qu'elles sont il- lustrées dans les dessins annexés dans lesquels la figure 1 illustre une ébauche de forgeage dans laquelle des fentes sont formées conformément aux enseignements de la présente invention; la figure 2 est une vue de l'ébauche de for- geage de la figure 1, prise généralement suivant la ZG ligne 2-2; la figure 3 illustre un disque de rotor à aubes réalisé d'une seule pièce à partir de l'ébauche de la figure 1 conformément aux enseignements de la présente invention; et la figure 4 illustre une partie d'un disque de rotor à aubes d'une seule pièce suivant une autre forme de réalisation de la présente invention. Bien que l'on connaisse de nombreuses techni- ques permettant de former des disques de rotors à au-. bes d'une seule pièce, la présente invention est con- çue pour être utilisée conjointement avec des rotors à aubes d'une seule pièce dans lesquels au moins la partie constituant le disque est forgée. Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression "ébauche de forgeage" ou "ébauche" désigne soit une $ billette, soit un autre article qui doit subir au moins une étape de forgeage supplémentaire pour for- mer le produit fini Une ébauche "en forme de plaque" est une ébauche à section transversale généralement circulaire ou annulaire ayant un diamètre extérieur supérieur à son épaisseur L'épaisseur ne doit pas nécessairement être constante. Suivant la présente invention et comme le - montrent les figures 1 et 2, une ébauche de forgeage en forme de plaque 10 comporte plusieurs fentes 12 qui s'étendent à partir du bord ou de la périphérie 14 en direction du centre de l'ébauche Ces fentes sont disposées circonférentiellement autour de la pé- riphérie 14 de l'ébauche 10 et elles s'étendent à 1 S travers toute l'épaisseur de cette dernière Elles sont localisées de telle sorte qu'elles s'étendent chacune entre deux aubes adjacentes dans le rotor fi- ni. Les fentes peuvent être formées par n'importe quelle technique connue, par exemple, par usinage à l'aide d'une meule Si l'ébauche elle-même est une pièce forgée, les fentes pourraient être formées au cours du forgeage de l'ébauche en utilisant des matri- ces appropriées Afin d'éviter une accentuation des contraintes, la base 16 de chaque fente 12 est, de préférence, chantournée comme illustré en figure 1 l Les fentes 12 sont complètement fermées au cours d'une opération de forgeage ultérieure Etant donné que-les objets de la présente invention pour- raient ne pas être réalisés si les surfaces 18 des fentes 12 venaient à se lier ou à se souder l'une à l'autre à la suite de cette étape de forgeage u Ité- rieure, il est nécessaire de prendre des me- sures destinées à garantir que cette liaison ou ce soudage ne se produise pas De préférence, on appli- 6516 que ou forme, sur les surfaces 18 des fentes 12, une couche d'oxyde semblables aux couches d'arrêt utili- sées dans le brasage (voir "Metal Handbook", 8 ème Edi- tion, volume 6, "Welding and Brazing", pages 602-603, "American Society for Metals", Ohio ( 1971)) Cette opération peut être effectuée par un traitement ther- mique approprié ou en revêtant simplement les faces latérales de la fente d'une couche d'arrêt appropriée (par exemple, du nitrure de bore) Si, par exemple, l'ébauche est réalisée en un superalliage à base de nickel tel que l'alliage de corroyage "IN 100 " ou ana- logues: l'oxyde pourrait être formé en chauffant l'banuche dans un four à vent à une température supé- rieure à 538 C pendant au moins 30 minutes Si les fentes sont forgées dans l'ébauche au moment de la formation de cette dernière, une couche d'oxyde pour- rait être formée sur les surfaces 18 au cours du for- geage et un traitement d'oxydation séparé de l'ébau- che pourrait être superflu. L'ébauche à fentes est ensuite placée dans une presse a forger en vue de la façonner davantage à la configuration d'un disque de rotor 19 et de fer- mer complètemernt les fentes 12, formant ainsi des cordons de forgeage 20 (voir figure 3) à l'empla- cement de chaque fente En réalité, ces cordons de forgeage peuvent être difficiles à discerner à l'oeil nu Les aubes 22 peuvent ou non être forgées simultanément avec la fermeture des fentes Par exem- ple, une étape de forgeage supplémentaire pourrait être utilisée pour façonner davantage le disque et former les aubes; en variante, après la fermeture des fentes, les aubes pourraient être usinées (usinage électrochimique ou à décharge électrique) à partir de la matière située à la périphérie du disque forgé. La cause principale d'une fissuration due à 2 253631 6 la fatigue en cycle lent réside dans le fort gradient de température radial créé en travers du disque et qui donne lieu à des contraintes circonférentiel Ies importantes Les fentes (cordons de forgeage) détendent ces contraintes, étant donné, qu'elles rom- pent le cercle Ce dernier est reformé aux bases 24 des cordons de forgeage; toutefois, les con- traintes circonférentielles sont nettement plus fai- bles en raison du gradient de température réduit al- lant des bases 24 au centre du disque La longueur des fentes 18 formées dans l'ébauche 10 est sélection- née pour garantir que, dans le rotor fini, les con- traintes seront à ce point faibles qu'il n'y aura au- cun risque de formation de fissures dues à la fatigue en cycle lent aux bases 24 des -cordons de forgea- ge 20 La longueur minimum des fentes peut-être dé- terminée initialement par analyse théorique; toutefois, une méthode d'expérimentation systématique peut fina- lemen t être requise La longueur des cordons de forgeage 20 sera évidemment toujours inférieure à l'épaisseur radiale T du disque 19. Au cas o les fissures dues à la fatigue en cycle lent posent toujours un problème aux bases 24 des cordons de forgeage 20 en raison de la for- mation de points d'accentuation des contraintes, les fentes peuvent être forgées à l'état fermé autour d'une tige à section transversale circulaire disposée le long de la base de la fente afin de garantir le maintien d'un important-arrondi approprié à la hase de la fente après la fermeture de celle-ci Lyexpression "tige" englobe, dans sa significations aussi bien les fils que les rivets ou analogues Les tiges peuvent être constituées de la même-matière que l'ébauche ou être réalisées à partir de n'importe quel métal ayant un coefficient de dilatation semblable à celui de la- matière de l'ébauche. La figure 4 illustre une partie d'un disque à aubes d'une seule pièce 25 suivant la présente in- vention, dans lequel les fentes de détente des con- traintes ont été forgées à l'état fermé autour d'une tige 26 (illustrée en coupe transversale) disposée le - long de la base des fentes Comme on peut le consta- ter, bien qu'elle soit comprimée en une forme quelque peu elliptique, la tige 26 maintient un arrondi à la base de la fente fermée. Il est particulièrement préférable d'adopter le procédé de la présente invention conjointement avec le procédé de forgeage précité "Gatorizing" Comme ébauche de forgeage, on peut utiliser soit une billet- te cylindrique d'une dimension appropriée, soit une billette qui a été refoulée entre des plaques plates ou entre des matrices (en vue de son préformage). Ainsi-qu'il est expliqué d'une manière abondamment dé- taillée dans le brevet précité des Etats-Unis d'Améri- que 3 519 503, l'ébauche ou la billette à partir de laquelle cette ébauche est réalisée, doit avoir été soumise à un travail de compression, par exemple, par extrusion ou par d'autres moyens, dans des conditions qui font apparaître son comportement superplastique à la température et à la vitesse de déformation de l'opéra- tion de forgeage isothermique qui doit suivre, sans que l'alliage subisse une importante croissance des grains au cours du forgeage Après le forgeage, l'alliage peut être ramené à un état normal de dureté et de haute résistance moyennant un traitement thermi- que classique Le procédé "Gatorizing" est utile avec n'importe lequel des alliages àhaute résistance soumis à un durcissement par précipitation, tels que, sans aucune limitation, les alliages de titane, de nickel, de cobalt et de fer. En vue de l'utilisation du procédé "Gatori- zing" conjointement avec la présente invention, un nombre approprié de fentes de la longueur radiale adéquate espacées circonférentiellement sont usinées (par exemple, à l'aide d'une meule au carbure) à tra- vers l'épaisseur d'une ébauche d'une configuration appropriée qui a été traitée conformément aux exigen- ces du procédé "Gatorizing" Ces fentes sont locali-s sées de telle sorte qu'elles seront finalement cen- trées entre les aubes du rotor fini -Si par exemple, l'ébauche est réalisée à partir de l'alliage "IN 100 "' (superalliage à base de nickel), les surfaces inté- rieures des fentes pourraient alors être revêtues de nitrure de bore L'ébauche ainsi revêtue est placée dans une presse à forger "Gatorizing" pouvant être du type illustré dans le brevet des Etats-Unis d'Améri- que 4 074 559 de la Demanderesse, qui est mentionné ici à titre de référence et dans lequel on peut trou- ver des détails concernant l'appareil de forgeage. La matière superplastique située à proximité de la périphérie de l'ébauche est introduite à force dans plusieurs matrices de formation d'aubes disposées cir- conférentiellement et, simultanément, les fentes sont forgées à l'état fermé à mesure que le disque est fa- çonné pratiquement à sa configuration finale Ensui- te, le-disque à aubes d'une seule pièce est retiré-de la matrice, et l'alliage dont il est constitué, est ramené à son état normal de dureté et de haute résis- tance moyennant un traitement thermique classique. Dans un essai, une ébauche en forme de pla- que avait un diamètre extérieur d'environ 120,9 mm et une épaisseur d'environ 11,68 mm Bien que cette ca- ractéristique n'ait aucune importance en ce qui con- cerne la présente invention, l'ébauche ne comportait. pas de trou central, mais plutôt un axe-solidaire d'une longueur d'environ 31,75 mm et d'un diamètre de 22,22 mm s'étendant vers l'extérieur à partir d'un de ses c 6 tés Cette ébauche a été forgée à partir d'une billette cylindrique en un alliage de corroyage à base de nickel durcissable par précipi- tation (AF 2-l DA) par le procédé de forgeage "Gatori- zing" à une température de 1121-1135 'C, ainsi qu'à une vitesse de déformation initiale de 0,5 cm/cm/mi- nute et une vitesse de déformation finale de 0,1 cm/ cm/minute Dix fentes espacées circonférentiellement _ ont ensuite été usinées à travers l'épaisseur de l'ébauche, chacune de ces fentes ayant une longueur de 13, 20 mm et une largeur de 17,78 mm, avecun arrondi à sa base -On a chauffé l'ébauche R fentes à l'air à 982 C pendant une heure pour former un revêtement d'oxyde sur toutes les surfaces exposées On a placé, au fond de chaque fente, une tige en une matière sem- blable à celle de l'ébauche (mais d'une capacité ther- mique inférieure) ayant un diamètre à peu près égal à la largeur des fentes En utilisant le procédé "Gatorizing", on a ensuite forgé à nouveau l'ébauche à fentes à sa configuration-finale comprenant 30 aubes d'une longueur d'environ 10,16 mmo La température du procédé "Gatorizing" était la même que précédem- ment, mais la vitesse de déformation a été maintenue à 0,l cm/cm/minute tout au long de l'étape de forgea- ge Les fentes ont été forgées à l'état complètement fermé au cours de cette étape de formation d'aubes; en outre, l'épaisseur et le diamètre finals du rotor (à l'exclusion des aubes) sont restés à peu près les mêmes que ceux de l'ébauche à fentes La pièce finie avait un aspect semblable à celui du rotor à aubes de la figure 4 Cette pièce était conçue pour fonction- ner à une température périphérique de 871 C et une température centrale de 316 C (c'est-à-dire avec une Il différence de température AT de 555 'C de la périphérie au centre) Au cours d'un essai cyclique de cette-piè- ce, conçu pour simuler approximativement les contrain- tes opératoires, la périphérie a été chauffée, tandis que le centre a été maintenu relativement froid On n'a-observé aucune fissuration du disque au cours de l'essai cyclique. Bien que l'invention ait été illustrée et dé- crite en se référant à une forme de réalisation préfé- rée, l'homme de métier comprendra que diverses autres modifications et omissions peuvent 8 tre envisagées tant dans sa forme que dans ses détails sans se dépar- tir de son esprit et de son cadre. 12- Revendications: 1 Procédé en vue de former un disque de rotor à aubes d'une seule pièce à partir d'une ébauche en forme de plaque comportant un bord, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: former, dans cette ébauche ( 10), plusieurs fentes ( 12) espacées circonférentiellement et comportant une base ( 16), chaque fente ( 12) s'étendant du bord ( 14) à la base et axialement à travers toute l'épaisseur de l'ébauche ( 10), et former les aubes ( 22) de rotor à partir de l'ébau- che ( 10) et forger le disque ( 19) à partir de cette dernière, cette opération comprenant le forgeage des fentes ( 12) à l'état fermé sans liaison entre les surfaces de ces fentes ( 12), ces fentes( 12) fermées étant localisées circonférentiellement entre des aubes adjacentes. 2 Procédé suivant la revendication 11 caractérisé en ce que, avant létape de forgeage des fentes ( 12) à l'état fermé, les surfaces de ces dernières sont oxy- dées pour empêcher qu'elles se lient l'une à l'autre. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de formation des aubes ( 22) de rotor et de forgeage du disque ( 19) comprend le forgeage des aubes ( 22) simultanément avec ou après l'étape de ferme- ture des fentes ( 12). 4 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'ébauche ( 10) est réalisée en un superalliage. 5 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape d'oxydation des surfaces des fentes ( 12) consiste à revêtir ces surfaces d'un oxyde. 6 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les fentes ( 12) sont formées avec un arrondi a leur base ( 16) tandis que, avant l'étape de forgeage de ces fentes ( 12) à l'état fermé, une tige métallique ( 26) est disposée le long de la base ( 16) de la fente ( 12), de telle sorte que cette dernière soit forgée à l'état fermé autour de cette tige ( 26), maintenant ainsi un arrondi à la base ( 16) de cette fente ( 12) fermée. 7 o Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, après l'étape de fermeture des fentes, ( 16) des aubes de rotor ( 22) sont usinées au départ de 1 " ébau- che ( 10) forgée. Rotor de turbine 2 caractérisé en ce qu'il comprend un disque forge ( 19) comportant une périphérie extérieure, ainsi que plusieurs aubes ( 22) espacées circonférentielle- ment et S étendant radialement vers l extérieur à partir de cette périphérie dont elles sont solidaires, ce disque ( 19) comprenant plusieurs cordons de forgeage ( 20) fermés espaces circonférentiellement et s'étendant chacun vers l'intérieur le long d'une ligne radiale partant de la périphérie du disque ( 19), sur une distance inférieure A l'épaisseur radiale de ce dernier, ainsi qu'axialement à travers toute l'épaisseur du disque ( 19), chaque cordon ( 20) étant disposé entre deux aubes ( 22) adjacentes, les surfaces des cordons ( 20) entrant mutuellement en contacts mais sans être liées l'une à l'autre. 9 Rotor de turbine suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chaque cordon ( 20) de forgeage comporte une extrémité intérieure radiale ( 24) et comprend une tige métallique ( 26) s'étendant axialement à travers l'épaisseur du disque ( 19) et qui est enfermée par ce cordon ( 20) de forgeage a l'extrémité intérieure radiale ( 24) de ce dernier. 10 Rotor de turbine suivant la revendication 85 caractérisé en ce que les aubes ( 22) sont forgées et solidaires du disque ( 19)- 11 Rotor de turbine suivant la revendication 1-s caractérisé en ce qu'il est réalisé en un superalliage, 12 Rotor a aubes d'une seule piece fabriqué par le procédé suivant les revendications 1 7.