Brevet FR2602179A1 — publié le 19880205

Article composite renforcé contre la fatigue. La présente invention concerne des articles composites et, plus particulièrement, des articles composites métallisés ayant une plus grande résistance 5 à la fatigue et une plus grande résistance à l'érosion. On a utilisé de plus en plus des matériaux composites dans la fabrication d'éléments pour turbines à gaz d'aéronefs. Des articles fabriqués à partir de matériaux composites offrent de sensibles 10 avantages en termes de réduction de poids et de réduction du nombre de pièces, permettant ainsi de réaliser d'importantes économies dans les frais d'assemblage, de fonctionnement et d'entretien des moteurs. Un article entrant couramment en considéra15 tion pour une transformation en une construction composite est une aube directrice de sortie de ventilateur pour une turbine à gaz. Des -aubes directrices composites de sortie de ventilateurs ont été fabriquées et éprouvées vis20 à-vis d'aubes courantes réalisées en aluminium et l'on a constaté que les articles composites étaient déficients tant en ce qui concerne la résistance à la fatigue que la résistance à l'érosion. Un procédé en vue d'améliorer la résistance à l'érosion d'articles 25 composites consiste à appliquer un dépôt métalli- 26 0 2 1 7 9 que sur la surface de l'article composite. Dans les brevets des EtatsUnis d'Amérique n 3.762.835 aux noms de Carlson et al., 4.108.572 et 3. 572.971 au nom de Seiwert, on décrit différents blindages, placages et revêtements métalliques destinés à être ajoutés à des articles composites en vue d'améliorer la résistance aux chocs et la résistance à l'érosion. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3.572.971, un placage de titane est lié à une aube mobile composite de compresseur, ce placage assurant une protection contre l'érosion, ainsi qu'une plus forte résistance au cisaillement et à la torsion. Toutefois, on ne donne aucune description des effets relatifs à la fatigue intervenant avec ces placages ou revête15 ments. D'après l'expérience acquise dans le revêtement d'articles métalliques, on sait généralement que l'addition d'un revêtement dur tel que le chrome peut avoir un effet préjudiciable sur la durée de 20 vie à la fatigue. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2.732.020 au nom de Scholl, on décrit un procédé en vue d'accroître la résistance à la fatigue d'articles métalliques. Bien que ce brevet n'aborde pas les problèmes posés par la fatigue-dans le cas 25 d'articles composites, on y décrit les problèmes posés par la fatigue à propos des revêtements. En règle générale, une surface portante en aluminium sur laquelle est déposé un revêtement électrolytique de nickel, manifeste une défaillance à la fatigue 30 après plusieurs heures d'essai de détermination de la résistance à la fatigue. En plaçant une couche élastomère entre le substrat en aluminium et le dépôt électrolytique de nickel, la durée de vie à la fatigue est prolongée jusqu'à cinquante heures. Toutefois, une couche élastomère intermédiaire serait 2602 1 79 inopportune dans bon nombre d'applications, en particulier, pour une mise en service à des températures élevées, sans compter qu'elle peut compromettre d'autres propriétés telles que la résistance statique. Afin d'utiliser des articles composites comme produits de remplacement d'articles métalliques dans des turbines à gaz, il est nécessaire de recourir à un article composite dont la résistance à l'érosion est égale ou supérieure à celle du métal et qui a 10 une plus longue durée de vie à la fatigue. Un objet de la présente invention est de fournir un article composite ayant une plus forte résistance à l'érosion, ainsi qu'une plus longue durée de vie à la fatigue. Un autre objet de la présente invention est de fournir une aube directrice composite de sortie de ventilateur assurant une plus forte résistance à l'érosion et une plus longue durée de vie à la fatigue sans qu'il en résulte d'importantes pertes 20 de poids. On réalise ces différents objets de la présente invention, ainsi que d'autres en utilisant un dépôt métallique soumis à une contrainte de compression et appliqué sur la surface d'un article composite, ce dépôt produisant un état de contrainte de compression résiduelle, de préférence, un état de contrainte de compression résiduelle de -352 à -1.050 kg/cm2. En particulier, on a observé une plus forte résistance statique allant d'une limite de 30 charge de 86,07 kg (non métallisé) à 328 kg, soit un accroissement de 380%, dans une aube directrice composite de sortie de ventilateur comportant un dépôt conducteur et un dépôt de nickel soumis à une contrainte de compression, les dépôts combinés attei35 gnant une épaisseur d'environ 0,1397 mm sur la face convexe (aspiration) et 0,1143 mm sur la face concave (pression) avec une épaisseur d'environ 0,2032-0, 2286 mm sur les bords d'attaque et de fuite. Une aube non métallisée manifeste une défaillance en subissant 5 la sollicitation requise de fatigue, tandis que l'aube métallisée a une durée de vie à la fatigue oligocyclique de plus de 1 million de cycles. Un tel accroissement important de la résistance statique et de la durée de vie à la fatigue est surprenant compte tenu de l'expérience acquise avec les dépôts métalliques dans lesquels la durée de vie à la fatigue subit une influence préjudiciable par l'addition d'un dépôt. L'utilisation d'un dépôt résiduel soumis à une contrainte de compression permet d'employer l'ar1'5 ticle métallisé dans des applications antérieurement restreintes par suite du comportement limité à la fatigue d'articles composites non métallisés. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une vue en perspective d'une aube directrice composite de sortie de ventilateur comportant un dépôt ayant un état de contrainte de compression résiduelle; la figure 1A est une vue partielle en élévation latérale prise suivant la ligne lA-lA de 25 la figure 1; la figure 2 est un graphique démontrant la charge statique atteinte par l'aube selon l'invention par opposition à une aube composite non métallisée; la figure 3 est un graphique démontrant la relation entre la durée de vie à la fatigue- et l'épaisseur du dépôt; la figure 4 est un graphique démontrant la relation linéaire entre l'épaisseur du dépôt et 35 la résistance statique. 2602 1 79 En se référant à la figure 1, une aube directrice de sortie de ventilateur I constituée d'un matériau composite comprend une surface portante 2 ayant une surface convexe (aspiration) 3 et une surface concave (pression) 4. Les surfaces 2 et 3 de l'aube 1 se rejoignent à un bord d'attaque 5 et à un bord de fuite 6. Bien que l'on ait représenté une aube directrice de sortie de ventilateur pour illustrer la présente invention, l'homme de métier 10 comprendra que l'inventfon pourrait être bénéfique à n'importe quel article composite devant avoir une plus grande résistance à la fatigue. A titre d'illustration, l'aube 1 est constituée d'une résine de polyétherimide "Ultem" (marque 15 déposée) avec 40% en poids d'un renforcement par des fibres au carbone. La résine "Ultem" est fabriquée par "General Electric Corp., Plastics Division". Bien qu'un tel matériau composite soit exemplatif, l'homme de métier comprendra que le dép8t métallique 20 de l'invention pourrait être également profitable à d'autres matériaux composites. Par exemple, des résines époxy, des résines de polyamide-imides ou des résines de polyimides pourraient être substituées à la résine "Ultem" dans le matériau composite. De 25 même, d'autres matières fibreuses constituées, par exemple, de verre ou de polyamide, peuvent être substituées aux fibres au carbone dans le matériau composite. L'aube 1 est métallisée de manière générale30 ment conventionnelle, ce qui peut impliquer, mais sans aucune limitation, les étapes consistant à préchauffer l'article pour expulser l'humidité, parachever mécaniquement la surface, laver liarticle dans une solution appropriée, mettre l'article en contact 35 avec un promoteur de dépôt, mettre l'article en contact avec un activateur, mettre l'article en contact avec un accélérateur, effectuer le dépôt avec un agent conducteur tel que le cuivre (chimique, puis cuivre électrolytique), amener la surface con5 ductrice à la qualité finie, puis revêtir l'article d'une matière de métallisation assurant un renforcement à la fatigue et donnant une contrainte de compression résiduelle se situant entre -352 et -1.-050 kg/cm, par exemple, du sulfamate de nickel soumis à une contrainte de compression. Il est à noter que l'utilisation d'un agent conducteur peut être superflue avec des matériaux composites conducteurs et que les détails particuliers de l'opération de métallisation peuvent varier selon l'article à métalliser, le choix 15 du matériau composite et l'équipement utilisé. - L'opération critique réside dans la métallisation de l'article avec une matière ajoutant, à la surface de l'article, un état de contrainte de compression résiduelle. Bien que l'on décrive un dépôt 20 de nickel, on peut utiliser n'importe quelle matière de métallisation assurant une contrainte de compression résiduelle. Outre le dépôt de nickel, on peut également utiliser un dépôt de cobalt ou d'alliage nickel/cobalt. En règle générale, un dépôt d'une 25 épaisseur de 0,0508 à 0,508 mm est efficace pour conférer une résistance à la fatigue à des articles composites, l'épaisseur du dépôt étant déterminée par la durée de vie à la fatigue désirée. L'homme de métier comprendra que la répartition du dépôt est 30 fonction des phénomènes se produisant dans le bain et que l'on peut obtenir des répartitions d'épaisseur non uniformes. EXEMPLE Conformément au procédé décrit ci-après, on métallise une aube directrice de sortie de ventila- 2602 1 79. teur renforcée d'"Ultem" (marque déposée)/40% en poids de fibres au carbone, ayant une surface convexe, une surface concave, un bord d'attaque et un bord de fuite. On chauffe tout d'abord l'aube à 148,890C pendant 2 heures pour expulser l'humidité, puis on la soumet à un parachèvement mécanique et à un nettoyage alcalin, par exemple, par traitement avec une solution d'hydroxyde de sodium à 65,56 C pendant 5 minutes. Ensuite, on rince l'aube nettoyée et on la neutralise dans une solution acide, par exemple, une solution contenant % en volume d'acide chlorhydrique et 4% d'"Enplate 492" (marque déposée). "Enplate 492" (marque déposée) est une solution acide combinée avec un agent mouillant, tandis que les produits chimiques de dépôt "Enplate" 15 sont fabriqués par "Enthone, Inc.", West Haven, Connecticut. Après un autre rinçage, on traite l'aube avec un promoteur tel que le promoteur 9598 "Enplate" à 0,5% pendant 30 secondes, on la rince à nouveau, on l'active avec un mélange de chlorure 20 de palladium et d'acide chlorhydrique, par exemple, 1,5% d'activateur 444 "Enplate" et 25% de HC1, pendant minutes. On rince l'aube et on la soumet à une accélération dans une solution acide contenant 2,5% d'acide sulfurique et 4% d"Enplate 492" pendant 3 25 minutes. Après un autre rinçage, on revêt l'aube avec un cuivre chimique tel que "Cu-750", qui est également fabriqué par "Enthone, Inc.". Le cuivre chimique est appliqué par immersion dans une solution 30 de bain, le cuivre précipitant sur les surfaces de l'article. Ensuite, on rince l'aube revêtue de cuivre et on la soumet à une cuisson à l'air à 104,44 C pendant une demi-heure, on la soumet à un nettoyage alcalin, on la rince et on l'active dans une solution 35 d'acide sulfurique à 10%. Ensuite, on soumet l'aube 2602 1 79 à un dépôt électrolytique dans du cuivre acide brillant à des courants de métallisation allant jusqu'à 6,8 ampères par aube, à une métallisation pendant 25 minutes à la température ambiante, puis à un rinçage et à un traitement l'amenant à une qualité finie dans un bac vibrant. Le dépôt de cuivre atteint une épaisseur se situant entre 0,01524 et 0,02032 mm et il fait office d'agent conducteur pour permettre l'addition d'autres dépôts. 10 On ajoute un dépôt de nickel à l'aube cuivrée en utilisant un bain de sulfamate contenant du sulfamate de nickel soumis à une contrainte de compression et ayant une contrainte se situant entre -352 et -1.050 kg/cm2. On soumet l'aube à un nettoyage 15 alcalin, à un rinçage et à une activation dans une solution d'acide sulfurique à 10%, puis on la dépose dans le bain de sulfamate de nickel à 1,5 volt, on métallise à 10 ampères pendant 30 minutes, on porte à 30 ampères et on métallise pendant 30 minutes, puis 20 on porte à 45 ampères et on métallise pendant 3 heurea. Ces tensions et courants peuvent varier selon le dispositif de serrage particulier utilisé et la géométrie de l'article. L'aube définitive a un dépôt de 0,1143 mm sur la face concave et un dépôt de 25 0,1397 mm sur la face convexe avec une épaisseur d'environ 0,2032-0,2286 mm sur les bords d'attaque et de fuite, ces épaisseurs englobant l'épaisseur du dépôt de cuivre. Une telle répartition des épaisseurs de dépôts confère une protection maximale aux 30 bords d'attaque et de fuite de l'aube, lesquels sont les plus susceptibles d'être détériorés. La figure 1A est une vue en coupe en élévation latérale illustrant l'aube directrice composite de sortie de ventilateur 1 métallisée conformément 35 au procédé décrit. L'aube 1 comporte un dépôt de cuivre conducteur 7 et un dépôt de nickel 8 soumis à une contrainte de compression. On a évalué cette aube métallisée et on a trouvé qu'elle avait une résistance sensiblement accrue aux charges statiques. La figure 2 donne un graphique reproduisant les résultats d'essais statiques en termes de poids et de charge de fatigue, les épaisseurs des dépôts étant mesurées au point central de la surface d'aspiration. D'après ce graphique, on peut cons10 tater qu'une aube composite non métallisée comporte une limite de charge de flexion en 3 points d'environ 86,07 kg. Si l'on considère son utilisation comme une aube directrice de sortie de ventilateur en remplacement d'une aube en aluminium, l'aube composite 15 doit au moins satisfaire à la charge de fatigue requise, soit 104,19 kg (en se basant sur l'aluminium à une contrainte de 1.054,5 kp/cm2). En conséquence, une aube composite non métallisée constituerait un composé de remplacement inadéquat pour l'aluminium 20 dans cette application. En ajoutant un dépôt de nickel soumis à une contrainte de compression à la surface de l'aube composite, la limite de charge a été portée à 328 kg, soit une amélioration de 380% vis-à-vis de l'aube composite non métallisée, per25 mettant ainsi d'utiliser une aube composite dans une turbine à gaz. La figure 3 illustre la durée de vie à la fatigue oligocyclique vis-à-vis de l'épaisseur du dépôt. Ces résultats sont basés sur une charge de 30 flexion en 3 points de 104,19 kg à 112,78 C et à cycles/seconde. La valeur requise pour l'aube directrice de sortie de ventilateur est d'environ 50.000 cycles. On a soumis une aube non métallisée à un essai et elle a subi une défaillance lorsqu'elle 35 a été sollicitée à la charge requise de 104,19 kg. D'après ce graphique, on constate qu'avec un dépôt de 0,1143 mm, la condition requise est aisément satisfaite et qu'il existe une relation linéaire entre la durée de vie à la fatigue et l'épaisseur du dépôt. En augmentant l'épaisseur du dépôt à environ 0,127 mm, la durée de vie à la fatigue est prolongée au-delà de 1MM cycles. Cette relation permet de mettre la durée de vie à la fatigue d'un article en concordance avec les conditions prévues 10 en faisant varier l'épaisseur du dépôt. Une considération importante intervenant dans l'utilisation d'articles composites métallisés est l'effet de la détérioration résultant de l'érosion ou des chocs sur la durée de vie à la 15 fatigue. En se référant à nouveau à la figure 3, on représente plusieurs points de mesure qui illustrent les effets de l'érosion et de la détérioration du bord-d'attaque sur la durée de vie à la fatigue d'une aube directrice de sortie de ventilateur. Les points de mesure pourvus d'une croix indiquent la détérioration due à l'érosion, tandis que les points de mesure barrés indiquent la détérioration des bords d'attaque. On a soumis une aube directrice de sortie de ventilateur comportant un dépôt 25 de 0,127 mm à un milieu ambiant abrasif constitué de grenaille d'alumine 150 propulsée à 91,44 m/ seconde pendant 8 heures. D'après ce graphique, on constate qu'il ne s'est produit aucune réduction importante de la durée de vie à la fatigue. De la 30 même manière, on a frappé le bord d'attaque de 3 aubes directrices de sortie de ventilateurs avec un marteau à panne en croix et on a éprouvé la résistance à la fatigue. Alors que la durée de vie à la fatigue était réduite, les aubes détériorées avaient toujours 35 la durée de vie requise de 50.000 cycles. En termes de réduction de poids, l'aube directrice de sortie de ventilateur en aluminium avait un poids de 95 g par opposition à l'aube métallisée pouvant avoir un poids de 55 à 95 g suivant la durée de vie à la fatigue et la résistance statique désirées (voir figure 2). Même en doublant la charge de fatigue requise (208 kg à 67,7 g), on réalise un gain de poids de 30% vis-à-vis de l'aube en aluminium. En se référant à la figure 4, on a trouvé qu'il y avait également une relation linéaire entre l'épaisseur de dépôt et la résistance statique, permettant ainsi de mettre l'épaisseur de dépôt en concordance avec la charge statique requise. Par exemple, un dépôt de 0,101 mm donne une charge jusqu'à défaillance de 215 kg, tandis qu'un dépôt de 0,127 mm porte la charge jusqu'à défaillance à 260 kg. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à une aube directrice composite 20 de sortie de ventilateur destinée à être utilisée dans une turbine à gaz, l'homme de métier comprendra que l'invention peut être utilisée avec n'importe quel article composite nécessitant une plus forte résistance à l'érosion, une meilleure résistance statique et une plus longue durée de vie à la fatigue. L'homme de métier comprendra également que diverses modifications peuvent être apportées au procédé de métallisation, à l'épaisseur du dépôt et au type de matériau composite sans se départir du cadre de 30 l'invention. REVENDICATIONS 1. Article composite renforcé contre la fatigue, caractérisé en ce qu'il comprend un dépôt métallique appliqué sur sa surface, ce dépôt ayant un état de contrainte de compression résiduelle. 2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dépôt a un état de contrainte de compression résiduelle se situant entre -352 et -1.050 kg/cm2. 3. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dépôt est appliqué en une épaisseur se situant entre 0,0508 et 0,508 mm. 4. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dépôt est un dépôtde nickel, 15 de cobalt ou d'alliage nickel-cobalt. 5. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un agent conducteur disposé entre sa surface et le dépôt métallique. 6. Aube directrice composite de sortie de ventilateur ayant une surface convexe, une surface concave, un talon, un bord d'attaque et un bord de fuite, caractérisée en ce qu'elle comporte un dépôt métallique appliqué sur ses surfaces et ses bords, ce dépôt ayant un état de contrainte de compression 25 résiduelle. 7. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que ce dépôt a un état de contrainte de compression résiduelle se situant entre -352 et -1.050 kg/cm2. 8. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que ce dépôt est appliqué en une épaisseur se situant entre 0,0508 et 0,508 mm. 9. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un agent conducteur 10 disposé entre ces surfaces et ce dépôt métallique. 10. Aube selon la revendication 9, caractérisée en ce que cet agent conducteur est constitué d'un dépôt de cuivre d'une épaisseur se situant entre 0,01524 et 0,02032 mm, disposé entre cette aube et 15 ce dépôt mis sous contrainte. 11. Aube selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur de dépôt combinée de '0,1143 mm sur la surface convexe, de 0, 1397 mm sur la surface concave et d'environ 0,2032 à 0,2286 20 mm sur les bords d'attaque et de fuite. 12. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que la structure composite est une résine d'un polyétherimide avec un renforcement de fibres de graphite. 13. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dépôt métallique est un dépôt de nickel, de cobalt ou d'alliage nickel-cobalt.