Brevet FR2536119A1 — publié le 19840518

L'invention est relative à un assemblage d'un élément rotatif en céramique avec un élément rotatif métallique pour turbo- machines, notamment pour propulseur à turbine à gaz, l'élément rotatif en céramique, par exemple une roue de turbine étant, avant réalisation de cet assemblage avec l'élément métallique, par exemple un arbre, déjà réalisé complètement par frittage et usiné. Pour la mise en oeuvre dans des turbo-machines, notamment dans des propulseurs à turbine à gaz, il a été récemment proposé par exemple des roues de turbine dans lesquelles le disque de roue est réalisé en un matériau céramique, tandis que l'arbre de turbine qui lui est associé doit être réalisé à partir d'un matériau métallique. Il se présente alors après comme avant, des diffi- cultés relativement importantes pour assembler la roue de turbine en céramique avec l'arbre métallique, de sorte que cet assemblage soit en mesure de résister aux sollicitations thermiques élevées qui inter- viennent, ainsi qu'aux sollicitations périphériques locales se produisant sous l'influence de la force il, t.%_ céramique, c'est-à-dire avec le disque de roue 1 en céramique, par adhérence et interpénétration de Dansunterforedetréaiation d cd-=_Zr 1 _, _ t, 7 = 2 ou bien-proche de celui du disque de roue I en céeramique. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la poudre métallique 253611 9 supporter des températures élevées, dans leur résistance à la corrosion ainsi qu'entre-autres dans leur conductibilité thermique relativement ré- duite Comme déjà mentionné au début, ces matériaux céramiques présentent des coefficients de dilatation thermique relativement réduits et ceci notamment par rapport aux éléments constitutifs en acier fortement allié Ces coefficients de dilatation thermique relativement réduits pour les matériaux céramiques d'une part, ainsi que les coefficients de dilatation thermique relativement élevés pour les éléments rotatifs en acier considérés d'autre part, peuvent alors éventuellement, dans le cadre de variations brusques extrêmement élevées de la température de fonctionnement, aboutir dans certains cas à un forcement au moins de la partie voisine du moyeu de la roue mobile en céramique par l'élément rotatif métallique, c'est-à-dire par l'arbre. Par le document DE-OS 28 51 507, on connait un élément d'assemblage entre des éléments en céramique et des éléments métalliques, qui est réalisé sous la forme d'une structure élastique isolan- te en céramique, et qui doit assembler de façon appro * priée, les éléments considérés avec leurs propriétés thermique et élastique différentes Il faut ainsi dans ce cas connu, conserver dans toutes les conditions de fonctionnement un assemblage élastique entre les éléments précités Ce type de construc- tion connu vise à ce que, d'une part l'élément 3 j de liaison soit un isolateur thermique en céramique et qui empêchera le rayonnement thermique, par exemple à partir de la partie en céramique soumise à des températures élevées sur le constituant métal- lique, grâce à quoi on obtient que malgré des coef- ficients de dilatation thermique très différents entre la céramique et l'acier, l'élément en acier est protégé de telle façon contre le rayonnement -thermique en provenance de l'élément en céramique, que la dilatation thermique effective de cet élément métallique est identique ou comparable en fonctionne- ment à celle de l'élément en céramique. Par ailleurs dans ce cas connu, l'élément d'assemblage ne doit pas être déformable plastiquement Au contraire, il revêt la forme d'un élément élastique qui est conformé de façon élastique pour compenser les dilatations thermiques différentes intervenant encore au cours du fonctionnement dans l'appariement céramique- acier ainsi que pour compenser les déformations des matériaux conditionnés par la force centrifuge- que l'on peut notamment attendre de l'élément en acier Egalement, avec cet élément d'assemblage connu, on ne pourrait garantir entre l'élément céramique et l'élément métallique une liaison intime souhaitée, qui notamment pour des températures changeant fréquemment et présentant en conséquence de fortes différences, pourrait en même temps apporter dans toutes conditions de fonctionnement l'élasticité souhaitée On pourrait considérer comme un autre inconvénient de ce type de construction connu, qu'en tous cas, un élément d'assemblage supplémentaire est nécessaire entre l'élément en céramique et l'élé- ment en acier pour pouvoir porter remède aux incon- vénients précédemment mentionnés Dans ce cas connu, il n'est également pas indiqué de moyens appropriés pour réaliser simultanément l'élément rotatif métallique, par exemple, l'arbre, et pour obtenir simultanément au cours de cette réalisa- tion l'assemblage jointif souhaité entre l'élément en céramique et l'élément métallique. Par le document DE-OS 27 37 267 on connait par exemple le procédé pour le pressage isostatique à chaud (HIP) d'éléments en céramique. Ce procédé connu consiste, en ce que les structures de formes à réaliser, sont comprimées avec appli- cation simultanée d'une pression élevée agissant de tous côtés et d'une température élevée Les pressions utilisées dans le cas du processus HIP se situent dans l'ordre de grandeur de 3 000 bars, ou 300 M Pa, les températures utilisées à cet effet peuvent se situer à peu près dans l'ordre de grandeur de 1 1400 à 17500 C Dans le cas du HI'P on utilise comme mi- lieu transmettant la pression un gaz, auquel cas dans la pratique, l'azote ou l'argon se sont avérés utilisables Mais par ailleurs, l'utilisation de gra- phite comme milieu de ransmission de la pression a étéégalement proposée En outre, il manque toute- fois à la solution connue précitée, toute indication en ce qui concerne un assemblage approprié entre les éléments rotatifs en céramique et en métal dans le cadre des critères précédemment mentionnés. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients précédemment indiqués et de créer un assemblage entre un élément rotatif en cérami- que et un élément rotatif métallique, à savoir par exemple une roue de turbine en céramique et un arbre métallique, assemblage qui garantisse une liaison intime par interpénétration de formes notamment en tenant compte des sollicitations thermiques fortement fluctuantes dans des états de fonctionnement instables L'assemblage doit alors être prévu aussi élastique que possible au voisinage des parties de jonction, mais toutefois sans déformation plastique En outre, cet assemblage, en tenant compte des sollicitations dues à la force centrifuge 2536 11 9 auxquelles on peut s'attendre également à cet emplacement de jonction précité, doit être en mesure de faire face à toutes les conditions de fonction- nement pouvant survenir et doit en outre être adapté à la transmission d'un couple d'arbres relativement élevé. La solution du problème ainsi posé résulte principalement des particularités conformes à linvention, caractérisée en ce que: a) L'élément rotatif en céra- inique est réalisé à partir de nitrure de silicium combiné par réaction (RBSN) ou bien de carbure de silicium fritté sans pression (SSIC); b) l'élément rotatif métallique est formé par pressage isostatique à chaud (HIP) à partir d'une quantité prédéterminée de poudre métallique, et est assemblé avec l'élément rotatif en céramique par adhérence et interpénétration de forme; c) on prend pour la poudre métallique ou bien pour la substance pulvérulente comme base un coefficient de dilatation thermique égal ou très proche de celui de l'élément rotatif en céramique. Un avantage important de l'assemblage conforme à Iiinvention, réside en ce que, en une opération unique, on peut-simultanément réaliser l'arbre en métal, c'est-à-dire l'élément rotatif métallique, et l'assembler intimement et par interpénétration de forme de la façon souhaitée avec l'élément rotatif en céramique Cet assemblage conforme à l'invention remplit en même temps les conditions qui lui sont imposées, de supporter une forte température ainsi qu'aux sollicitations thermiques variant fréquemment et de façon intense (thermo-chocs), l'assemblage conforme à l'invention étant en même temps élastique, sans être exposé à des déformations plastiques notables, tandis qu'en même temps, une transmission de couples rela- tivement élevée est garantie entre l'élément rotatif en céramique et l'élément rotatif métallique. L'acier-nickel-cobalt pris de préférence comme base pour la poudre métallique, présente un coefficient de dilatation thermique identique ou très proche de celui de l'élément rota- tif en céramique, grâce à quoi lors de la mise en fonctionnement, il est a priori garanti qu'entre le métal et la céramique iln'intervient pas de diffé- rence de dilatation thermique notable susceptible d'altérer lassemblage souhaité Dans-le cas présent, il n'est également en principe pas fait mention de l'utilisation d'un élément d'assemblage supplémen- taire au sens de la solution connue d'après le document DE-OS 28 51 507 précédemment évoqué. L'invention va être décrite à titre d'exemple en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une coupe axiale d'un assemblage d'un arbre et d'un disque de roue de turbine, y compris le dispositif associé pour la mise en oeuvre du processus HIP; la figure 2 montre l'extré- mité gauche de l'arbre appartenant à la figure 1 y compris la réalisation correspondante de l'extré- mité, comportant l'orifice pour l'introduction de la poudre métallique, de la gaine du dispositif; la figure 3 est une coupe axiale d'une autre forme de réalisation de l'assem- blage d'un arbre et d'un disque de roue de turbine, y compris le dispositif associé pour la mise en oeuvre du dispositif HIP; la figure 4 montre l'extré- mité de la-gaine du dispositif appartenant à la figure 3, y compris l'orifice d'introduction de la poudre métallique, représenté fermé, et partiel- lement en vue latérale ainsi qu'en coupe axiale; la figure 5 est une coupe de l'assemblage selon la ligne V-V de la figure 3; la figure 6 montre selon la 1 o même coupe V-V une forme de réalisation modifiée notamment en ce qui concerne le type de la liaison d'entrainement; la figure 7 montre une forme de réalisation modifiée par rapport à la figure 6 par l'utilisation additionnelle d'une isolation thermique. La figure 1 montre un disque de roue de turbine radiale en céramique prévu pour être assemblé par l'intermédiaire d prolon- gement d'arbre 1 ' qui lui est associé, avec un arbre métallique 2 Dans le cas de cet assemblage à réaliser d'une façon qui sera ultérieurement décrite plus en détail, l'extrémité en forme de gaine de l'arbre métallique 2 doit enserrer en réalisant une jonction par interpénétration de forme et par adhérence, le prolongement dvarbre 1 i prolongeant centralement le disque de roue 1 en direction axiale Le disque de roue 1 en céramique est réalisé entièrement par frittage et il est terminé d'usinage. avant la réalisation de cet assemblage Le disque de roue l en céramique comporte en outre, des aubes mobiles radiales 3 qui sont également réalisées en céramique en même temps que le disque Le disque de roue 1 en céramique sera avantageusement fabriqué à partir de nitrure de silicium combiné par réaction ou bien à partir de carbure de silicium fritté sans pression Au cours du pressage isostatique à chaud (HIP) qui sera ultérieurement exposé plus en détail, l'arbre en métal 2 sera formé à partir d'une quantité prédéterminée de poudre métallique et simultanément assemblé avec l'élément rotatif en céramique, c'est-à-dire avec le disque de roue i en céramique, par adhérence et interpénétration de our' binpoh eclid iqed oe 1 e E crmqe touin phrocheue trceluis du davisqedroe e pééred l'neto,85 la poudre métallique et 4,6 lo 6 ( 1/K) pour 400 K. ce disque de roue 1 complètement terminé ne soit en aucune façon altéré par le processus HIP ultérieur. La gaine 4 comprend en outre une unité constitutive cylindrique 6 susceptible d'être fermée de tous côtés de façon étanche à une pression élevée et adaptée au moins partiellement à la forme ultérieure de l"arbre métallique 2 Cette unité constitutive cylindrique 6 comporte, conformément, à la figure 2, sur son côté gauche, un orifice d'alimentation 7 pour la poudre métallique, cet orifice étant susceptible d'être complètement fermé de façon étanche à la pression pour le processus HIP gr Ace à ses bords terminaux ramenés l'un contre l'autre, indiqués en tirets sur le dessin L'unité constitutive 6 ménage par rapport à l'arbre métalli- que terminé 2, les volumes supplémentaires 5 ' nécessaires pour la compression de la poudre métal- lique Après le processus HIP, la gaine 4 y compris l'unité constitutive cylindrique 6 est enlevée. Les espaces intermédiaires délimités extérieurement par la gaine 4 conformément à la figure 1, entre les-aubes mobiles radiales 3, peuvent être remplis avant le début du processus HIP avec de la poudre de quartz qui peut être facilement enlevée sous forme de substance vitreuse en même temps que la gaine 4 du disque de roue 1 et des ailettes mobiles radiales 3 après le processus HIP. Dans le cas de l'exemple de réalisation selon les figures 3, 4 et 5, on a un disque de roue de turbine axiale 12 en céramique, avec des aubes mobiles axiales 13 ainsi qu'avec un prolongement d'arbre 12 ' en céramique, que l'extrémité en forme de douille d'un arbre creux l} à réaliser dans le cadre du processus HIP; 1 1 ' doit enserrer en réalisant un assemblage par adhé- rence et interpénétration de forme Pour la réa- lisation simultanée de l'arbre creux métallique 11, y compris l'assemblage (métal/céramique), le dispositif pour la mise en oeuvre du processus HIP, c'est-à-dire l'unité constitutive cylindrique 9 solidaire de la gaine 8, peut dans ce cas être réalisé sous la forme d'un arbre creux en tant que cylindre annulaire creux pour les parois de l'arbre métallique 11 à réaliser par l'intermé- diaire de l'espace annualire 10 lors du processus HIP Un orifice de remplissage 13 (figure 4), par la poudre métallique, de l'unité constitutive cylindrique 9, est hermétiquement fermé pour le processus HIP en ramenant l'une contre l'autre les extrémités 14 et 15 d'une tubulure précédant l'orifice 13. L'assemblage conforme à l'invention doit être à son état terminé bloqué en direction périphérique ainsi qu'en direction axiale pour prendre en charge un couple de rotation Ce blocage de l'assemblage est prédé- terminé, sur l'élément rotatif en céramique, terminé avant le processus HIP, par la préformation appropriée de la structure de la paroi externe, à laquelle s'adapte en réalisant une liaison par adhérence et interpénétration de forme, au cours du processus HIP, la section métallique de liaison correspondante. Ce blocage axial ainsi que vis-àvis du couple peut être prédéterminé par une structure polygonale, ou bien comportant des saillies 16 uniformément réparties(figure 5) out bien une forme polygonale P (figures 6 et 7), de la paroi externe de l'élément rotatif en céramique 25361 1 9 terminé avant le processus HIP, c'est-à-dire dans ce cas, de son prolongement d'arbre 12 '. Dans le cas de l'assemblage selon la figure 7, une couche d'isolation thermique v 17, par exemple en titanate d'aluminium (Al IT O 5), se trouve dans la zone de jonction entre l'élément rotatif en céramique 12 ou bien son prolongement d'arbre 12 ' et l'élément rotatif métallique, à savoir l'arbre 11 Cette couche de titanate d'alu- minium sera avantageusement rapportée ou projetée avant le processus HIP sur l'emplacement de jonc- tion'ultérieur correspondant de l'élément rotatif en céramique L'utilisation de cette couche ther- miquement isolante est notamment indiquée lorsqu'au cours du fonctionnement des variations brusques extrêmement intenses de température peuvent être prévues sur le disque de roue en céramique d'une part, et sur l'arbre métallique d'autre part Une telle couche d'isolation thermique est également particulièrement indiquée pour la mise en oeuvre à haute température dans le cas de propulseurs à turbines à gaz, auquel cas on peut ainsi empocher qu'un flux de chaleur d'une importance non souhai- table s'établisse entre le coté céramique et le côté métallique, de sorte que même lorsque pour l'arbre métallique d'autres matériaux avec des coefficients de dilatation thermiques relativement plus élevés que dans le cas du disque de roue, en céramique doivent être envisagés, il n'y aurait pas lieu de se préoccuper qu'il se produise des dilatations du matériau métallique se situant notablement au-dessus des dilatations pouvant être admises pour le mode de construction du disque de roue 1 en céramique. Pour l'assemblage on peut en 2536 119 outre, prévoir un contour externe de structure grossière ou bien un contour externe rendu rugueux de l'élément rotatif en céramique réalisé avant le processus HIP ou bien du prolongement d'arbre en céramique qui lui est associé Dans ce cas, à la suite du processus HIP, l'élément rotatif métallique, c'est-à-dire l'extrémité en forme de douille de l'arbre métallique considéré, peut llsengrener" intimement et avec interpénétration de forme sur la surface grossièrement structurée de lélément rotatif en céramique ou bien de son prolongement d'arbre Ce processus pourrait égale- ment être décrit comme étant un co-frittage superficiel. 2536 1 19 REVENDICATIONS 1 Assemblage d'un élément rotatif en céramique avec un élément rotatif métal- lique pour turbo-machines, notamment pour pro- pulseui à turbine à gaz, l'élément rotatif en céramique, par exemple une roue de turbine, étant, avant réalisation de cet assemblage avec l'élément métallique, par exemple un arbre; déjà réalisé complètement par frittage et usiné, assemblage caractérisé en ce que: a) l'élément rotatif en céra- mique ( 1) est réalisé à partir de nitrure de sili- cium combiné par réaction (RBSN) ou bien de carbure de silicium fritté sans pression (SSIC); b) l'élément rotatif métallique ( 2) est formé par pressage isostatique à chaud (HIP) à partir dfune quantité prédéterminée de poudre métallique, et est assemblé avec l'élément rotatif en céramique ( 1) par adhérence et interpéné- tration de forme; c) on prend pour la poudre métallique ou bien pour la substance pulvérulente comme base un coefficient de dilatation thermique égal ou très proche de celui de l'élément rotatif en céramique. 2 Assemblage selon la revendication t, caractérisé en ce que la poudre métallique correspond au matériau EPC 10, à savoir un acier nickel-cobalt selon MTN 12189. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du processus HIP dans le cadre de l'assemblage selon l'1 une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par une gaine ( 4) réalisée à partir d'une 2536 1 1 9 tôle en acier ou bien à partir d'un matériau céramique, qui entoure éventuellement en laissant des espaces intermédiaires ( 5), l'élément rotatif en céramique ( 1), et qui comporte en outre une unité constitutive cylindrique ( 6) adaptée dans l'ensemble à la forme future dé l'élément rotatif métallique (arbre 2),- susceptible d'être fermée de tous côtés en-étant étanche aux hautes pressions, dans laquelle la poudre métallique est susceptible d'être introduite et qui dispose du volume supplémentaire ( 5 '), néces- saire lors du HIP, pour la compression de la poudre métallique contre l'élément rotatif métallique terminé (arbre 2), et qui comporte un orifice d'a- limentation ( 7) pour cette poudre métallique-, orifice susceptible d'être complètement fermé de façon étanche-à la pression pour le processus HIP, tandis que lorsque ce processus HIP est terminé, la gaine ( 4) qui n'est plus nécessaire, y compris l'unité constitutive cylindrique ( 6) est suscep- tible d'être complètement enlevée. 4 Dispositif et procédé pour la mise en oeuvre du processus HIP pour l'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, l'élément rotatif en céramique étant un disque de roue équipé d'aubes mobiles, caractérisés en ce que les espaces intermédiaires ( 5) entre les aubes mobiles ( 3), délimitées extérieurement par la gaine ( 4) sont remplis avant le début du pro- cessus HIP avec de la poudre de quartz, laquelle sous la forme de substance vitreuse est suscep- tible d'être enlevée en même temps que la gaine ( 4) du disque de roue ( 1) et des aubes mobiles ( 3). Assemblage selon ltune quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en 2536 1 1 9 ce qu'il est réalisé de façon connue entre un pro- longement d'arbre ( 1 ') prolongeant centralement en direction axiale le disque de roue en céramique ( 1) et une extrémité entourant en-forme de douille ce prolongement, de l'arbre métallique à terminer dans le cadre du processus HIP. 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du processus HIP selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, l'arbre métallique devant lo O tre réalisé sous la forme d'un arbre creux (i 1), dispositif caractérisé en ce que l'unité constitu- tive cylindrique ( 9) assemblée avec la gaine ( 8) est réalisée sous forme d'arbre creux en tant que cylindre annulaire creux pour les parois d'arbre creux de l'arbre métallique ( 11), devant être réa- lisée lors du processus HIP par l'intermédiaire de l'espace annulaire ( 10) correspondant. 7 Assemblage selon une ou plusieurs des revendications 1, 2 et 5, caractérisé en ce que cet assemblage à l'état terminé est bloqué dans la direction périphérique ainsi qu'en direction axiale pour admettre un couple, ce blocage de l'assemblage étant prédéterminé par une allure préformée de façon appropriée de la structure de paroi externe sur l'élément rotatif en céramique terminé avant le processus HIP, qui s'adapte par adhérence et par interpénétration de forme à la section de liaison métallique correspondante au cours du processus HIP. 8 Assemblage selon revendication 7 caractérisé en ce que le blocage de l'assemblage est par exemple déterminé par une allure de la structure de paroi externe de l'élément rotatif terminé en céramique ( 12), ou bien de son prolonge- ment d'arbre ( 12 '), structure polygonale ou bien comportant des indentations uniformément réparties ( 16) ou bien comportant une forme polygonale (Pj. 9 Assemblage selon une ou plusieurs des revendications i à 8, caractérisé en, ce que dans la zone de jonction entre l'élément rotatif en céramique ( 12) ou bien son prolongement d'arbre ( 12 ') et l'élément rotatif métallique ( 11) il est prévu une couche thermiquement isolante ( 17 -) par exemple en titanate d'aluminium (A 12 Ti O 5). 10 Assemblage selon la reven- dication 9, caractérisé en ce que la couche de titanate d'aluminium est déjà reportée ou bien projetée sur l'emplacement de jonction ultérieure correspondant de l'élément rotatif en céramique déjà avant le processus HIP. 11 Assemblage selon une ou plusieurs des revendications 1 à 10, caractérisé par une allure grossière structurée ou bien rendue rugueuse de la paroi externe de l'élément rotatif en céramique terminé avant le processus HIP ou bien du prolongement d'arbre en céramique qui lui est associé.