Brevet FR2642688A1 — publié le 19900810

Procédé pour réaliser la liaison entre des disques de rotor en alliage de titane et de nickel de turbomachines, notamment de rotors de compresseur ". La présente invention concerne un procédé pour réaliser la liaison entre des disques de rotor en alliage de titane et de nickel de turbomachines, notamment de rotors de compresseur Dans les turboréacteurs actuels, pour réduire le poids, on utilise des composants et des pièces réalisés en titane et en alliage de titane en particulier pour des compresseurs ou des machines soufflantes. Par exemple dans le cas de compresseurs haute pression du générateur de gaz faisant partie d'un moteur, les contraintes de température et d'effort du ou des derniers étages du compresseur sont situées à un niveau tellement haut que les pièces réalisées en titane ou en des alliages de titane, en particulier les disques de rotor, ne sont plus suffisantes. On peut ainsi prévoir des fissures de la matière et des risques de rupture de matière relativement précoces. En d'autres termes, la limite admissible des contraintes de charge et de température se situe à une température de l'ordre de 500 C par exemple dans le cas d'un alliage à base de titane; or des températures de sortie ou de compression beaucoup plus élevées (700'C et plus) doivent être dominées en particulier pour contrôler la limite de fluage autorisée du matériau et cela est la base de la recherche permanente dans le but d'augmenter toujours plus les pressions de sortie des compresseurs pour réduire la consommation en carburant. Pour les raisons rappelées ci-dessus, il est nécessaire, en pratique dans les compresseurs, de réaliser les disques de rotor soumis à des sollicitations relativement importantes au moins des derniers étages de compresseur ou du dernier étage, en des alliages métalliques appropriés, par exemple en nickel ou à base de nickel, et qui conviennent pour les exigences relativement élevées imposées aux matériaux pour de bonnes caractéristiques de fluage. Pour utiliser au maximum les applications du titane ou d'alliage de titane dans la plage autorisée des contraintes de température et d'efforts dans le sens d'une économie de poids, il faut que les disques de rotor ou de roue en titane et en nickel soient reliés entre eux de manière optimale sur le plan du fonctionnement, à l'emplacement approprié. Dans le cas de matériaux partenaires de même type, cela est possible sans difficulté en utilisant les procédés de soudage classiques et en reliant par exemple les disques de rotor par des anneaux intermédiaires soudés. En particulier, par exemple à l'aide du soudage par faisceau d'électrons, on peut relier les différents disques de roue de la manière la plus rationnelle pour former un tambour de rotor. Ce procédé de liaison rationnel ne peut toutefois pas s'utiliser lorsque les matériaux partenaires ne sont pas de même type (par exemple un anneau intermédiaire en nickel ou en alliage de nickel, des disques de roue en titane ou en un alliage de titane). Cela signifie que l'on n'a pas pu réaliser jusqu'à présent des liaisons intimes et fiables et on a constaté des cassures à hauteur du cordon de soudure; tandis que les phases de soudage relativement longues et les différences de dilatation thermique devenues perceptibles lors du soudage pour les deux types de matériaux, qui sont comparativement extrêmement différents, ne permettaient pas d'obtenir apparemment une liaison durable. Selon le brevet DE 25 10 286, on connaît certes un procédé de réalisation d'une liaison disque- aubes, selon lequel un disque de roue réalisé principalement en acier est soudé à des aubes réalisées principalement en titane par l'intermédiaire d'une pièce de liaison en forme de plaque (titane/acier); la pièce de liaison est réalisée par soudage à l'explosif. Cet exemple connu ne concerne toutefois pas une possibilité de fabrication optimale en série d'une liaison de disque de roue de rotor et d'un tambour de rotor tenant compte de contraintes extrêmement différentes des sollicitations du matériau et de la température et ainsi des matériaux de disque de roue extrêmement différents (titane et alliage de titane/nickel et alliage de nickel) en conservant au maximum les avantages de poids lié au titane ou à un alliage de titane pour un composant commun d'une turbomachine comme par exemple d'un compresseur. La présente invention a pour but de créer un procédé du type ci-dessus permettant de réaliser par une sélection et une mise en place de partenaires de disque de roue adaptés à des contraintes de fonctionnement différentes (température, effort) (titane et alliage de titane/nickel et alliage de nickel ou alliage à base de nickel), une liaison de disque de roue d'un fonctionnement fiable et réalisable de la manière la plus simple pour une fabrication en série. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type ci-dessus caractérisé en ce qu'on forme un double tube par soudage à l'explosif d'un premier tube en titane ou en alliage de titane et d'un second tube, concentrique au premier en alliage de nickel, on crée un corps en double anneau en divisant ce tube double en segments, on soude le côté en titane de ce corps avec le disque de roue en titane ou en alliage de titane et on soude le côté en alliage de nickel avec le disque de roue en alliage de nickel. Ainsi, l'invention permet de réaliser des disques de roue pour des rotors de compresseur et/ou de turbine, en tenant compte d'une bonne limite de fluage présumée, à partir de titane ou d'un alliage de titane et de prévoir là o la limite de fluage du titane (ou de l'alliage de titane) est dépassée, un ou plusieurs disques de roue en nickel ou en un alliage de nickel. Pour la fabrication en série ainsi que pour tenir compte de la sécurité de fonctionnement élevée de la liaison entre les partenaires de types différents du disque de roue, il est particulièrement avantageux dans le cadre de la présente invention, de commencer par une "fabrication d'un double tube"; elle permet en partant du début, d'accorder les dimensions (épaisseur de paroi) suivant les conditions de montage et de liaison ultérieures; elle permet en outre un soudage des pièces longitudinal, homogène et avantageux au niveau des surfaces (soudage par explosif) des deux cylindres tubulaires; on peut ainsi partir du fait que les corps composites ou en double anneau, coupés dans le double tube sont réalisés de manière absolument solide et intime. Après un usinage correspondant, on dispose d'une pièce composite qui peut être assemblée du côté du titane avec un disque de roue réalisé dans le même matériau ou dans un matériau de même type et du côté du nickel avec un autre disque de roue, réalisé dans le même matériau ou dans un matériau de même type, en procédant selon un soudage usuel (soudage par diffusion, par fusion ou par friction) sans rencontrer une quelconque difficulté. Dans le cadre d'un usinage avec mise en forme, le cas échéant également pour les longueurs à découper des pièces composites ou de l'organe en double anneau, correspondant, on peut tenir compte d'une surcharge locale pour compenser ou tenir compte d'éventuelles variations du matériau ou variations de la forme résultant du procédé de soudage ultérieur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le soudage du corps en double anneau avec son partenaire constitué par le disque de rotor en un matériau identique ou de même type se fait suivant un soudage par fusion ou par friction. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps en double anneau est usiné aux dimensions de consigne, notamment par un usinage avec enlèvement de copeaux avant le soudage sur le disque de roue. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise des anneaux intermédiaires de rotor à partir des corps en double anneau respectif. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise un segment d'un corps en double anneau comme pièce de rotation d'un joint rotor/stator. Selon une autre caractéristique de l'invention, le double tube est réalisé à partir de deux tubes d'épaisseurs différentes, et dans le tube ayant l'épaisseur de paroi relative la plus grande, on réalise les parties de segment à contour de corps d'étanchéité d'un corps en double anneau. Selon une autre caractéristique de l'invention, on traite les corps en double anneau obtenus, de manière à disposer de surface, décalées dans l'espace de l'une et de l'autre parties-de segment, ces surfaces étant soudées aux surfaces des segments de rotor correspondants de l'un ou l'autre disque de roue, de manière à correspondre à des matériaux identiques ou de même type. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre, en coupe médiane, une liaison réalisée selon l'invention entre un disque de roue appartenant à l'avant-dernier étage de compresseur réalisé en un alliage de titane avec un disque de roue appartenant au dernier étage du compresseur et qui est réalisé en un alliage de nickel. - la figure 2 illustre les différentes étapes du procédé de fabrication à l'aide d'une coupe longitudinale montrant la moitié supérieure d'un double tube solidarisé par un soudage à l'explosif et les corps de double anneau qui peuvent être coupés dans ce double tube. - la figure 3 est une coupe en profil suivant la direction axiale d'un corps en double anneau coupé selon la figure 2 et usiné à la mesure de consigne d'un anneau intermédiaire de rotor avec un peigne d'étanchéité extérieur (joint d'étanchéité en labyrinthe). La figure 1 explicite l'invention dans le cadre de la liaison à réaliser entre un disque de rotor 1 faisant partie de l'avant-dernier étage du compresseur, disque réalisé en un alliage de titane et un disque de rotor 2 appartenant au dernier étage de compresseur, ce second disque étant réalisé en un alliage de nickel. Les aubes de rotor portées par les disques de rotor 1, 2 ont pour références 3 et 4. Les aubages directeurs appartenant au dernier étage de compresseur et qui sont fixés extérieurement au carter du compresseur, portent la référence 6. Selon la figure 2, la référence 7 désigne un élément en double couronne formé ici comme couronne intermédiaire et qui est constitué de deux pièces annulaires 8, 9. Pour réaliser une ou plusieurs telles cordes de double couronne, on réunit selon la figure 2, un double tube 10 qui est formé par deux tubes séparés 11, 12 qui sont emmanchés coaxialement l'un dans l'autre et sont reliés suivant les lignes S par une soudure à l'explosif; le tube simple 11 est en titane ou en un alliage de titane et l'autre tube simple 12 est en nickel ou en un alliage de nickel ou le cas échéant en un alliage à base de nickel. Après avoir réalisé ce double tube 10, on le coupe à la longueur demandée (mesure approximative), le long des lignes L1, L2 et L3, pour obtenir les corps en double anneau 7, 13 et 14 reliés l'un à l'autre de manière intime et sûre par le soudage à l'explosif. Puis, on peut usiner le corps de double anneau 7 selon la figure 3 qui peut également correspondre à titre d'exemple à la figure 1, en procédant par un usinage avec enlèvement de copeaux pour arriver à la grandeur de consigne nécessaire. Suivant les exigences et la nécessité du montage selon la figure 1, l'usinage avec enlèvement de copeaux selon la figure 3 suppose une réalisation avec décalage local dans l'espace des surfaces latérales d'extrémité El, E2 de l'une et de l'autre pièces annulaires 8, 9. L'usinage avec enlèvement de copeaux selon la figure 3 concerne en outre la réalisation d'un peigne d'étanchéité K en forme de labyrinthe dans le cas présent sur une pièce annulaire 8. Après usinage par enlèvement de copeaux, on soude, par exemple par une soudure par fusion ou friction ou tout autre procédé de soudage usuel de qualité comme par exemple le soudage par un faisceau d'électrons, le corps concerné en double anneau 7, (figure 3) le long des surfaces d'extrémité latérales extérieures El, E2 sur des segments de paroi 13', 14' appartenant aux disques de rotor 2, 1 (figure 1) segments qui sont en saillie latéralement et dont les surfaces ont été accordées. Ainsi l'extrémité, par exemple l'extrémité supérieure 8 qui est en un alliage de nickel, est soudée le long de El sur un partenaire identique ou de même type (disque de rotor 2 en alliage de nickel) tandis que l'autre extrémité ou pièce inférieure 9 par exemple en un alliage de titane est soudée le long de E2 avec le même partenaire ou un partenaire de même type (disque de rotor 1 en alliage de titane). Les aubes directrices 6 mentionnées ci- dessus, selon la figure 1, sont réunies avec la cage interne 15 pour former un aubage directeur qui porte un revêtement d'attaque coopérant avec le labyrinthe d'étanchéité K (figure 3); on réalise ainsi une étanchéité rotor/stator. En particulier, en vue de la mise en forme par enlèvement de copeaux de la pièce annulaire extérieure 8 (figure 3) pour constituer la partie tournante d'un joint en labyrinthe (peigne d'étanchéité K), on a prévu avantageusement, lors de la réalisation du double tube 10 (figure 2), une épaisseur de paroi Wl de tube 12 plus grande que celle de l'autre tube 11. Pour réaliser le soudage à l'explosif selon la figure 2, on peut prévoir pour le tube intérieur 11 par exemple un alliage en titane qui est également appelé dans le langage technique, un "alliage de corroyage de titane". La composition chimique (pourcentage en masse) de cet alliage peut être la suivante: Al = 6; Mo = 2; Sn = 2; Zr = 4 et le cas échéant des fractions extrêmement faibles de C, Fe, N2, 02 ainsi que Si et le complément en titane = 85. Le disque de rotor 1 peut être réalisé en un alliage très analogue ou de même type. Pour le tube extérieur 12 selon la figure 2, on peut utiliser un alliage au nickel, réfractaire, convenant pour une mise en forme ou un usinage par enlèvement de copeaux. La composition chimique de cet alliage peut être la suivante: Ni = 50; M = 3; Nb + Ta = 5; Al = 0,5; Co = 0,5; Cr = 18 ainsi que des fractions extrêmement faibles entre autres de C, Si, Mn, P, S et Ag, le complément étant Fe = 20 %. Le disque de rotor 2 (figure 1) peut être réalisé en un alliage de nickel correspondant ou très voisin ou de même type. Les indications de matériaux, ci-dessus ainsi que la description des exemples et les dessins font partie de la présente invention. REVENDICATIONS 1') Procédé pour réaliser la liaison d'un disque de roue en titane ou un alliage de titane et d'un disque de roue en alliage de nickel dans une turbomachine, notamment dans un rotor de compresseur, caractérisé en ce qu'on forme un double tube (10) par soudage à l'explosif d'un premier tube (11) en titane ou en alliage de titane et d'un second tube (12), concentrique au premier en alliage de nickel, on crée un corps en double anneau (7) en divisant ce tube double en segments, on soude le côté en titane de ce corps avec le disque de roue (1) en titane ou en alliage de titane et on soude le côté en alliage de nickel avec le disque de roue (2) en alliage de nickel. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage du corps en double anneau (7) avec son partenaire constitué par le disque de rotor en un matériau identique ou de même type se fait suivant un soudage par fusion ou par friction. ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps en double anneau (7) est usiné aux dimensions de consigne, notamment par un usinage avec enlèvement de copeaux avant le soudage sur le disque de roue. 4') Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on réalise des anneaux intermédiaires de rotor à partir des corps en double anneau respectif (7). 5) Procédé selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise un segment (8) d'un corps en double anneau (7) comme pièce de rotation d'un joint rotor/stator. 6') Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le double tube (10) est réalisé à partir de deux tubes (11, 12) d'épaisseurs différentes, et dans le tube (12) ayant l'épaisseur de paroi (Wl) relative la plus grande, on réalise les parties de segment (8) à contour de corps d'étanchéité d'un corps en double anneau (7). 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on traite les corps en double anneau (7) obtenus, de manière à disposer de surfaces (El, E2), décalées dans l'espace de l'une et de l'autre parties de segment (8, 9), ces surfaces étant soudées aux surfaces des segments de rotor correspondants (13', 14') de l'un ou l'autre disque de roue (2, 1), de manière à correspondre à des matériaux identiques ou de même type.