Brevet FR2588613A1 — publié le 19870417

1. La présente invention concerne un disque compor- tant des ailettes d'une seule pièce avec lui. Le rendement et la consommation de carburant d'un moteur à turbine à gaz dépendent de la température des gaz de combustion à l'entrée de la turbine. La tempé- rature est généralement maximalisée en fonction de l'inté- grité de la structure de la turbine et des ajutages. La température maximum à l'entrée du rotor de la turbine que permet l'état courant de l'art pour les rotors métalliques de turbine non refroidis est d'environ 1100 C. Pour porter cette température au-delà de 11000C, il faut utiliser dans la fabrication des ailettes des matériaux de pointe en superalliage qui ne sont généralement pas compatibles avec les propriétés mécaniques du moyeu du rotor. Une solution à ce problème d'incompatibilité consiste à adopter une approche faisant appel à une double propriété pour la fabrication du rotor de la turbine. Dans les grosses turbines à gaz, o les contraintes de dimen- sions et de complexité ne sont pas aiguës, cela est obte- nu en utilisant des ailettes discrètes en matériau présentant 2. une résistance élevée à la rupture qui sont fixées mécani- quement à un disque ayant une haute résistance à l'éclate- ment. Cependant, les dimensions physiques, le coût et la complexité associés à ce concept de rotor à double proprié- té ont jusqu'ici empêché son emploi dans les petits moteurs légers à turbine à gaz. La roue de turbine de la présente invention est un rotor relativement simple, de faible coût, à propriété multiples et en une seule pièce destiné à être utilisée dans les petits moteurs à turbine à gaz. Le rotor comporte des ailettes discrètes, ayant une résistance élevée à la rupture, qui sont liées en permanence à un moyeu en allia- ge à résistance élevée à l'éclatement. Plus spécifiquement, on fabrique des ailettes individuelles de turbine, par exemple, à partir d'un allia- ge monocristallin, d'un alliage à solidification direction- nelle comportant des eutectiques de solidification direction- nelle, d'un alliage renforcé à dispersion d'oxyde, d'un allia- ge à vitesse de solidification rapide, de matériaux alliés mécaniquement etc. Ensuite, la racine et la queue d'aronde de chaque ailette sont revêtues d'un matériau de liaison à diffusion classique, après quoi, on place les ailettes dans un montage pour assemblage. Le montage pour assemblage com- porte des bagues intérieure et extérieure, l'anneau les séparant étant rempli de sable à base de résine ou de boue de céramique, comme le décrit le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique n 4 494 287. Apres durcissement, le noyau annulaire est détaché du montage, laissant un noyau en sable ou en céramique accessible de tous les côtés, avec les queues d'aronde des ailettes mises à nu. En variante, on peut as- -semblezr lesailetteswnon-revêtues pour former un anneau de noyau en céramique ou en sable, et revêtir les racines mises à nu pour former un ensemble. On place le noyau et les ailettes dans un moule de moyeu de rotor et coule le moyeu autour des queues d'aronde des ailettes. L'ensemble 3. est lié par diffusion à la suite du coulage du moyeu et soumis à un cycle chaud de compression isostatique pour com- pléter la liaison. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en plan d'une roue de tur- bine achevée; La figure 2 est une vue d'une ailette revêtue pour roue de turbine après son coulage; La figure 3 est une vue d'un moule pour le coula- ge des ailettes d'une turbine sur le moyeu de la roue de turbine; La figure 4 est une vue en perspective d'un anneau de noyau avec les ailettes de la turbine placées en son intérieur; La figure 5 est une vue prise dans le sens de la flèche 5 de la figure 4; La figure 6 est une vue prise à l'intérieur du cercle 6 de la figure 3; La figure 7 est une vue semblable à la figure 6 après soudage. Comme on peut le voir en figure 1 des dessins, une roue 10 de turbine comprend une multitude d'ailettes 12 qui sont fabriquées en matériau résistant aux hautes tem- pératures en faisant appel à des procédés connus. Des exemples de matériaux de cette nature sont les monocris- taux dits CMSX 2, MarM 247 ou NASAIR 100 sous la forme d'eutectiques solidifiés directionnellement, de pièces 3 coulées solidifiées directionnellemoent, ou d'alliages renfor- cés mécaniquement. Comme on peut le voir en figure 2, la partie 14 à queue d'aronde de chaque ailette 12 de la figure 1 est préparée par grenaillage, puis revêtement d'un alliage 16 de liaison par diffusion activée pulvérisé par plasma (LDA). 4. Le matériau choisi pour le revêtement LDA 16, généralement un alliage de Ni-Cr-B ou de Ni-Cr-B-Sil'épaisseur du revête- ment, et le procédé de coulage sont bien connus dans l'art. Le revêtement LDA 16 est utilisé pour effectuer une liai- son métallurgique entre les composants de la roue de turbi- ne, comme on le décrira. Comme on peut le voir en figure 3, un anneau en céramique 18 pour ailettes maintient les ailettes 12 dans la configuration désirée, et en combinaison avec un moule 20, définit une cavité 22 permettant l'emploi d'un procédé de bi-coulage, se traduisant par l'obtention de la roue coulée de turbine. Un alliage super-chauffé est déversé sous vide dans le moule 20 pré-chauffé, provoquant la fusion du revê- tement 16 en alliage LDA sur les queues d'aronde 15, d'o la formation d'un lien métallurgique entre-les ailettes 12 et un moyeu coulé 24 lorsque la totalité du moule se refroi- dit lentement, formant une roue de turbine 10 monobloc en alliage multiple. Plus spécifiquement, les éléments structurels qui agissent ensemble dans le processus de liaison sont les ai- lettes 12, le moyeu 14 en super-alliage, dont les points de fusion sont d'environ 1400 C, et l'activateur de liaison agissant sur les queues d'aronde 14 des ailettes 12. L'acti- vateur de liaison a un point de fusion d'environ 1100 C. Lorsque la combinaison précédente est chauffée au-dessus de 1100 C dans le moule 20 lors du coulage du moyeu 24, l'activateur de liaison, par exemple, fond, car le bore a un point de fusion relativement bas. Au fur et à mesure que le temps s'écoule et que l'ensemble se refroidit, le bore migre dans le moyeu 24, et les ailettes 12 à l'état solide. Comme le bore confère un point de fusion relativement bas au revêtement 16 en activateur de liaison, sa migration provoque l'élévation du point de fusion de l'activateur et l'abaissement du point de fusion du moyeu 24 et des 5. ailettes 12 jusqu'à atteinte du point d'équilibre de 1200 C.' Lorsque la totalité de l'ensemble se solidifie, la roue complète 10 de la turbine est finie par usinage et prépa- rée pour assemblage avec les composants correspondants du moteur à turbine. Comme on peut le voir en figure 6, des vides 30 se produisent parfois à la suite d'une fusion incomplète entre la masse fondue et les ailettes 12 au cours de la solidification. Ce problème est résolu typiquement en fai- sant appel à une compression isostatique à chaud pendant le cycle du procédé. Cependant, selon une caractéristique de la présente invention, une autre solution consiste à utiliser un procédé de soudage comportant un faisceau électronique qui traverse la base de la queue d'aronde 14 de l'ailette pour produire une zone de soudure 29. La soudu- re par faisceau électronique élimine les vides 30 aux fron- tières critiques radialement intérieures se trouvant entre les queues d'aronde 14 et le moyeu 24, ce qui se traduit par des grains 32 en colonne qui s'étendent dans le sens axial de la roue 10. Les vides sont entraînés jusqu'à un emplace- ment non critique, situé radialement à l'extérieur des queues d'aronde 14 des ailettes 12, point auquel ils peuvent même provoquer un amortissement souhaitable des vibrations de l'ailette. 3 DLa présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 6. REVENDICATIONS 1 - Rotor de turbine, caractérisé en ce qu'il comprend: - une multitude d'ailettes (12) comportant des queues d'aronde (14) à leurs extrémités radialement intérieures, - un moyeu métallique (24) coulé autour des queues d'aronde des ailettes, - un matériau de liaison par diffusion en Ni-Cr-B interposé entre les queues d'aronde des ailettes et le moyeu, et - une zone (29) de soudure par faisceau électroni- que, comprenant des grains en colonne (32) qui s'étendent dans le sens axial du rotor de la turbine et sont limités radialement de manière à n'inclure que les parties extrêmes radialement intérieures des queues d'aronde des ailettes et les parties contiguës du moyeu.