Brevet FR2597508A1 — publié le 19871023

PROTECTION ANTI-EROSION POUR SURFACES A PROFIL D'AILE La présente invention se rapporte à des protections contre l'érosion pour des surfaces aérodynamiques dites à profil d'aile et concerne plus particulièrement des protections anti-érosion fabriquées en alliage de ti5 tane d'une part, et un procédé de fabrication de telles protections anti-érosion, d'autre part. Il est connu de protéger les surfaces du bord d'attaque d'éléments à profil d'aile, tels que des ailes ou des pales de rotor d'hélicoptère, contre l'érosion, par fixation sur les surfaces du bord d'attaque de tôles ou boucliers de protection contre l'érosion en métal approprié tel que l'acier inoxydable ou le titane. GB-A1 585 130 décrit une pale de rotor d'hélicoptère fabriquée en matière plastique renforcée par des fibres et munie 15 d'une telle protection anti-érosion. Pour des pales de rotor composites, la Demanderesse a utilisé en pratique du titane de pureté commerciale ayant une résistance à la traction finale moyenne de l'ordre de 570 mégapascals (MPa) pour former la protection anti-érosion de la partie 20 extérieure ou de bout de la pale, o il suffit d'une faible contribution à la résistance structurelle de la pale, tandis que, le long du bord d'attaque dans la partie intérieure ou de racine de la pale, o la protection antiérosion apporte une contribution significative à la ré25 sistance structurelle de la pale, la Demanderesse a utilisé une protection anti-érosion qui est formée à chaud à partir d'un alliage de titane contenant 6% d'aluminium et 4% de vanadium (appelé dans ce qui suit alliage Ti-10) et ayant une résistance à la traction finale moyenne de 30 l'ordre de 900 MPa. L'alliage Ti-10 est à la fois cher et difficile à obtenir car actuellement la principale source d'approvisionnement est aux USA et il y a une forte demande inté- rieure aux USA pour cet alliage. De plus, il est important que la protection antiérosion ait une configuration en section transversale formnée avec précision, afin qu'elle puisse être liée à la sur5 face du bord d'attaque de la pale sans avoir à appliquer une pression excessive pour supprimer la présence de vides entre la protection anti-érosion et la surface à laquelle elle est liée. Pour obtenir la configuration de section transversale de la protection anti-érosion avec le degré de précision requis, l'alliage Ti- 10 doit être formé à chaud. En outre, l'alliage Ti-10 possède un module d'élasticité relativement élevé, comparativement à la matière composite d'une pale composite de rotor principal d'héli- 15 coptère ou d'un autre élément composite à profil d'aile auquel il est lié et, sous charge, cela entratne des contraintes élevées à l'endroit de la ligne de jonction entre laprotection anti-érosion et la surface à laquelle elle est liée. La présente invention a pour objet une protection anti-érosion fabriquée à partir d'un alliage de titane formable à froid qui est moins coûteux et plus facile à obtenir que l'alliage Ti-10 antérieurement connu tout en ayant un module d'élasticité plus proche de celui d'une * 25 surface à profil d'aile en matière composite renforcée par des fibres, à laquelle la protection anti-érosion doit être liée. t - 0 En conséquence, dans son aspect le plus large, la présente invention préconise, pour une surface à pro;30 fil-d'aile, une protection anti-érosion fabriquée à partir d'un alliage de titane fornmable à froid comprenant - - 00approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane. Les pourcentages utilisés ici sont tous exprimés en poids. Bien qu'une protection anti-érosion conforme à la présente invention puisse être fabriquée par formage à la presse en matrice, elle est de préférence fabriquée par un procédé qui comprend une ou plusieurs opé5 rations de formage par étirage. Suivant un autre aspect, la présente invention fournit un procédé de fabrication par formage à froid d'une protection anti-érosion pour une surface à profil d'aile, à partir d'une feuille d'alliage de titane compre10 nant approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane, ce procédé consistant à: a. couper à une longueur voulue une bande de ladite feuille en alliage de titane; b. former à la presse la bande pour obtenir un profil en U en section tranversale, le profil en U comprenant une partie de base d'o partent des ailes; c. plier davantage les ailes au-delà d'un angle de 90 par rapport à la partie de base, de manière à tenir 20 compte d'un retour élastique de la feuille et afin que les ailes soient dirigées sensiblement perpendiculairement à la partie de base; d. rabattre la partie de bord supérieur de chaque aile de sorte qu'elle se projette vers l'intérieur, vers 25 l'aile opposée, sensiblement parallèlement à la partie de base; e. former par étirage la partie de base à la section transersale désirée de la protection anti-érosion; et f. couper les ailes pour obtenir la protection anti30 érosion finie. De préférence, ledit formage par étirage comprend une première opération de formage par étirage, dans laquelle ladite partie de base est formée à une section trans- 4 2597508 versale intermédiaire, et une deuxième opération de formage par étirage dans laquelle ladite partie de base est formée à une section transversale finie. L'alliage de titane peut être formé à froid, S dans un état de recuit en solution, et les propriétés de la protection anti-érosion finie peuvent être améliorées par durcissement par vieillissement à une température comprise entre 400 et 600 C. De préférence, le durcissement par vieillissement est effectué par chauffage de 10 la protection antiérosion à une température d'environ 5400C (avantageusement comprise entre 533 et 543 C) et maintien à cette température pendant 8 heures, suivi d'un refroidissement à l'air. La protection anti-érosion peut être supportée dans une monture pendant le durcissement 15 par vieillissement, afin d'empêcher une déformation. Une protection anti-érosion fabriquée en alliage de titane conformément au procédé de la présente invention trouve une application particulière dans la protection du bord d'attaque d'une pale de rotor principal 20 d'hélicoptère ou d'une pale de rotor de queue. En conséquence, la présente invention préconise en outre une pale de rotor d'hélicoptère fabriquée en matière composite renforcée par fibres, comportant une protection anti-érosion liée à la pale de manière à s'étendre dans une direction longitudinale sur au moins une partie de la longueur du bord d'attaque de la pale, caractérisée en ce que la protection anti-érosion est! fabriquée à partir d'un alliage de titane formable à froid comprenant approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane. Pour la protection du bord d'attaque d'une pale de rotor d'hélicoptère fabriquée en matière composite renforcée par des fibres, une pluralité de protections anti35 érosion peuvent être liées à la pale, en relation bout à bout, essentiellement sur toute l'étendue longitudinale du bord d'attaque. La-ou les protections anti-érosion s'étendant longitudinalement le long d'une région intérieure du bord d'attaque peuvent être durcies par vieillissement après fabrication, de manière à augmenter leurs caractéristiques de traction, de sorte que la ou les protections antiérosion contribuent notablement à la résistance structurelle de la pale de rotor. La ou les protections anti-érosion qui s'étendent longitudinalement dans la région extérieure du bord d'attaque peuvent avoir des carastéristiques de traction inférieures à celles de la région intérieure et elles peuvent être fabriquées à partir dudit alliage de tita15 ne formable à froid dans un état traité en solution. On décrit maintenant l'invention, au moyen d'exemples et avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale à travers une bande d'alliage de titane, après une première opération de pressage_ suivant le procédé de fabrication d'une protection anti-érosion conforme à un mode de mise en oeuvre de la présente invention; - les figures 2 à 5 sont des coupes transver25 sales après les stades de formage qui suivent du procédé de fabrication de la protection anti-érosion; - la figure 6 est une coupe transversale de la protection anti+érosion finie; et - la figure 7 est une vue en perspective d'une 30 pale de rotor d'hélicoptère munie de protections antiérosion fabriquées en alliage de titane et liées au bord d'attaque de la pale. L'alliage de titane utilisé dans la fabrication des protections antiérosion suivant la présente inven35 tion a une composition chimique qui est sensiblement dans les limites indiquées dans le tableau 1. L'alliage, qui est appelé dans ce qui suit alliage Ti-15-3, peut être fourni sous forme de feuille ou de bande dans un état traité en solution. Dans un état traité en solution et vieilli, l'alliage Ti-15-3 possède des caractéristiques de traction dans les plages indiquées dans le tableau 2 ci-après. Le traitement thermique en solution est effectué par chauffage à une température dans la plage de 790 à 815 C, maintien à la température requise avec une tolérance de - 10 C pendant 3 à 30 minutes et refroidissement à une vitesse correspondant à un refroidissement à l'air. Le vieillissement est effectué par chauffage pendant 8 heures dans un four électrique à circulation d'air 15 ou dans un bain salin à une température d'environ 540 C et plus précisément à une température de 538 C 5 C, puis refroidissement dans l'air à la température ambiante. TABLEAU 1 ELEMENT POIDS: % Mini Maxi Vanadium 14,0 16,0 Chrome 2,5 3,5 Aluminium 2,5 3,5 Etain 2,5 3, 5 Fer - 0,25 Oxygène - 0,13 Carbone - 0,05 Azote - 0,05 Hydrogène - 0,015 Elèment résiduel (chacun)- 0,10 Elèments résiduels (Total)- 0,40 Titane Solde TABLEAU 2 Condition de Epaisseur caractéristiques de traction traitemnt nominale Ccntrainte à 0,2% Résistance à Module theamique (mB d'allcngement la traction Mini Maxi Mini Maxi Mini Maxi Mini Maxi Mini maxi Mini Maxi Trait5 en solution 3,2 690 800 720 850 93 Traité en solution et vieilli 3, 2 970 1100 1050 1200 93 On décrit maintenant, avec référence aux dessins annexés, un procédé de fabrication conforme à 15 un mode de réalisation de l'invention d'une protection anti-érosion pour fixation par liaison au bord d'attaque d'un élément à profil d'aile, par exemple une pale de rotor d'hélicoptère ayant un profil d'aile asymétrique en section transversale. Dans une première opération du procédé de fabrication, une bande d'alliage Ti-15-3, dans l'état traité en solution et coupée à une largeur et une longueur voulues, est placée dans un outil approprié et elle est formée par une opération de pressage à course montante, 25 de manière à prendre une section transversale voisine de celle représentée à la figure 1 qui comprend un profil en U comportant une partie de base 10 et des ailes 11 et 12 perpendiculaires à la partie de base 10. Toutefois, du fait du retour élastique présenté par l'alliage Ti-15-3, 30 les ailes tendent à s'éloigner élastiquement l'une de 8 2597508 l'autre vers l'extérieur, de sorte que, dans une deuxième étape du procédé, elles sont davantage pliées au-delà d'un angle de 90" par rapport à la partie de base, comme représenté en pointillé à la figure 2, dans 5 une opération de pressage freinée, de manière à obtenir le profil en U représenté à la figure 1. Dans une troisième étape du procédé, on rabat les parties de bord supérieur 13 et 14 des ailes respectives 11 et 12, par une opération de pliage à la presse, de manière à ce qu'elles se projettent vers l'intérieur, l'une vers l'autre, et soient sensiblement parallèles à la partie de base 10, comme représenté à la figure 3. Ensuite, la bande formée au profil représenté 15 à la figure 3 est placée dans un outil de maintien (non représenté) qui saisit le profil par les ailes 11 et 12 et par les parties rabattues vers l'intérieur 13 et 14. On charge l'outil de maintien sur le plateau inférieur d'une presse hydraulique de formage par étirage (non re20 présentée) et on amène un outil 15, fixé au plateau supérieur de la presse, en contact avec la surface 16 de la partie de base 10 du profil. On applique une charge et l'outil 15 forme par étirage la partie de base 10, vers le bas, dans l'outil de maintien, jusqu'au profil inter25 médiaire représenté à la figure 4, l'outil de maintien étant conçu de manière à ce que les ailes 11 et 12 ainsi que leurs parties rabattues 13 et 14 puissent pivoter d'un angle de 90 pendant cette opération de formage par étirage. A l'aide d'un outil 17 ayant un contour périphérique correspondant à la forme intérieure de la protection anti-érosion finie, on forme par étirage la bande ayant le profil représenté sur la figure 4, jusqu'à sa configuration transversale finale représentée à la figure 5. Cette opération est effectuée à l'aide du même outil de maintien qui est utilisé par la première opération de formage par étirage, mais à.une vitesse de déformation plus lente que celle qui est appliquée dans la première opération de formage par étirage. On coupe ensuite les ailes 11 et 12 pour obtenir la protection anti-érosion finie 18 représentée à la figure 6. Si on le désire, la protection anti-érosion 10 peut ensuite être durcie par vieillissement, comme décrit plus haut, afin d'augmenter les caractéristiques de traction de l'alliage Ti-15-3. Afin d'empêcher une déformation pendant le vieillissement, la protection anti-érosion doit être supportée dans un outil approprié. Un pale 19 de rotor principal d'hélicoptère, représentée à la figure 7, est fabriquée en matière composites renforcées par fibres et elle a une longueur dans le sens de l'envergure de l'ordre de 9,15 m. Des protections anti-érosion 20, 21, 22 et 23 sont liées à la par20 tie de bord d'attaque de la pale, de manière à s'étendre longitudinalement en relation bout-à-bout sur une majeure partie de la longueur de la pale. Les protections antiérosion sont formées en alliage Ti-15-3 conformément à la présente invention. Les protections 20 et 21 qui sont fixées sur la partie intérieure de la longueur de la pale ont des longueurs de l'ordre de 1,0 m et 2,15 m respectivement, et elles sont en alliage Ti-15-3 à l'état traité en solution et durci par vieillissement. Les deux protections 22 et 23 qui sont fixées sur la longueur extérieure de la pale 30 ont des longueurs de l'ordre de 2,6 m et 2,65 m, respectivement, et elles sont en alliage Ti-15-3 à l'état traité en solution. On a trouvé que des protections anti-érosion fabriquées en alliage Ti-153 procurent une protection adéquate contre l'érosion du bord d'attaque de la pale et, dans différentes conditions de traitement, elles ont les caractéristiques voulues de résistances à la traction pour permettre une utilisation sur toute l'envergure de la pale. En outre, l'alliage Ti-15-3 peut-être formé à froid et il a un module d'élasticité proche de celui de la matière de la pale composite renforcée par fibres à laquelle les protections anti-érosion sont liées, ce qui minimise les contraintes à l'endroit de la ligne de jonction entre la pale et les protections antiérosion. 10 Bien qu'on ait décrit et illustré plusieurs modes de réalisation, il est entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention, telle que définie ci-dessus, d'une part, et dans les revendications, d'autre 15 part. il 2597508 REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S -1.- Protection anti-érosion pour une surface à profil d'aile, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée à partir d'un alliage de titane formable à froid comprenant approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane. 2.- Protection anti-érosion suivant la revendication 1, caractérisée en outre en ce qu'on utilise au moins une opération de formage par étirage, dans la fabrication de la protection anti-érosion. 3.- Procédé pour la fabrication par formage à froid d'une protection antiérosion pour une surface à profil d'aile à partir d'une feuille en alliage de titane contenant approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations de a) coupe à une longueur voulue d'une bande de ladite -feuille en alliage de titane, b) formage à la presse de la bande, pour obtenir un profil en U en section transversale, le profil en U comprenant une partie de base (10) d'o partent des ailes verticales (11,12), c) pliage plus poussé des ailes, audelà d'un angle de 900 par rapport à la partie de base, de manière à tenir compte d'un retour élastique et de manière à ce que les ailes soient sensiblement perpendidulaires à la partie de base, d) rabattement de la partie de bord supérieur (13,14) de chaque aile de façn à ce- qu'elle se projette vers l'intérieur, vers l'aile opposée et à ce au' elle soit sensiblement parallèle à la partie de base, e) formage par étirage de la partie de base, pour cbtenir la sectin transersale désirée de la protection anti-érosion, f) coupe des ailes pour obtenir la protection anti-érosion finie. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en outre en ce que ledit formage par étirage comprend une première opération de formage par étirage, dans 10 - laquelle ladite partie de base est formée à une configuration intermédiaire de section transversale, et une deuxième opération de formage par étirage dans laquelle ladite partie de base est formée à une configuration finie de section transversale. '15 5.- Procédé suivant la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en outre en ce que ladite feuille en alliage de titane est dans un état recuit en solution. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en outre en ce qu'il comprend l'opération additionnelle de durcissement par vieillissement de la protection anti-érosion, à une température 25 comprise entre 400 et 600 C. 7.- Procédé suivant la.revendication 6, caractérisé en outre en ce que le durcissement par vieillissement est effectué par chauffage à une température de 540 C pendant une durée de huit heures suivi d'un refroidissement à l'air. 8.- Pale de rotor d'hélicoptère fabriquée en matières composites renforcées par fibres, comportant une 35 protection anti-érosion liée à la pale de manière à s'é- 13 2597508 tendre dans une direction longitudinale sur au moins une partie de la longueur du bord d'attaque de la pale, caractérisée en ce que la protection anti-érosion est fabriquée en alliage de titane formable à froid contenant 5 approximativement 15% de vanadium, 3% de chrome, 3% d'étain et 3% d'aluminium, le reste étant essentiellement du titane. 9.- Pale de rotor suivant la revendication 8, 10 caractérisée en outre en ce que la protection anti-érosion comprend une pluralité d'éléments de protection antiérosion (20, 21, 22, 23) liés à la pale et disposés boutàbout sensiblement sur toute la longueur dudit bord d'attaque. 10.- Pale de rotor suivant la revendication 9, caractérisée en outre en ce que la ou les protections anti-érôsion (20, 21) situées dans une région intérieure dudit bord d'attaque sont durcies par vieillissement après 20 fabrication, de manière à augmenter les caractéristiques de traction, de sorte que la ou lesdites protection antiérosion contribuent à la résistance structurelle de la pale de rotor. 11.- Pale de rotor suivant la revendication , caractérisée en outre en ce que la ou les protections anti-érosion (22, 23) situées dans une région extérieure du bord d'attaque ont des caractéristiques de traction inférieures à celles des protections situées dans ladi30 te région intérieure. 12.- Pale de rotor suivant la revendication 11, caractérisée en outre en ce que la ou lesdites protections anti-érosion de la région extérieure sont fabriquées à partir dudit alliage de titane formable à froid, à l'état 35 traité en solution.