Brevet FR2678854A1 — publié le 19930115

PROCEDE DE REALISATION D'UN DISQUE A AILETTES EN TITANE AVEC LIAISON PAR DIFFUSION ET DISQUE A AILETTES OBTENU PAR CE PROCEDE Cette invention concerne des perfectionnements de, ou concernant la liaison de composants au moyen d'un procédé de liaison par diffusion et un disque à ailettes obtenu par ce procédé. Dans l'industrie de fabrication de turbines à gaz, il est connu de réaliser des disques à ailettes en titane à partir de pièces forgées en titane massif, destinés à être utilisés dans un avion. Bien qu'il n'existe pas de gros problèmes techniques dans le forgeage de disques à ailettes d'un seul tenant, pour des moteurs de turbine à gaz relativement petits, il devient de plus en plus difficile, non seulement de réali- ser des forgeages d'un seul tenant de pièces monoblocs plus grandes en titane, mais également de les tester pour savoir si elles présentent des défauts Ces forgeages de pièces monoblocs plus grandes vont typiquement être uti- lisés pour des disques à ailettes sur des moteurs destinés à un avion plus grand à usage commercial Un défaut de forgeage va entraîner la nécessité de mettre le disque à ailettes entier au rebut, et si le disque à ailettes est grand, ceci va représenter un coût de production signifi- catif indésiré Un petit disque permet en outre, une com- mande améliorée de l'écoulement de granulation. Dans son aspect le plus général, la présente inven- tion enseigne un procédé de réalisation d'un disque à ailettes pour un moteur à turbine à gaz, en soudant en- semble un certain nombre de pièces forgées en titane plus petites Il est plus économique de réaliser un grand disque à ailettes à l'aide de ce procédé, car de grandes pièces forgées sont plus susceptibles de présenter des défauts que les pièces forgées plus petites, les grandes pièces forgées vont nécessiter un équipement de forgeage grand et coûteux, l'usinage et la manipulation d'une petite pièce forgée étant plus facile, le contrôle d'une petite pièce forgée pour savoir si elle présente des dé- fauts étant plus facile, et la mise au rebut d'une petite pièce forgée défectueuse étant moins coûteuse que celle d'une grande pièce. Dans le contexte de l'invention, le terme "titane" inclut, non seulement le métal à base de titane pratique- ment pur, mais également des alliages dans lesquels le titane est le constituant principal ou l'un des consti- tuants principaux. Dans le procédé de l'invention, un nombre déterminé de diaphragmes en titane, et des bras d'entraînement, peuvent être liés ensemble par inertie pour former un ensemble de disque à ailettes monobloc Ceci va permettre à des diaphragmes individuels d'être fabriqués à partir de simples cylindres forgés rectilignes dotés d'un alé- sage central, qui vont permettre une inspection par ultrasons devant être effectuée facilement avant la jonc- tion des diaphragmes Cependant, la liaison de grands diaphragmes par inertie nécessite l'utilisation d'un grand équipement de liaison par inertie coûteux Une alternative moins coûteuse à une liaison par inertie dans ce contexte est une liaison par diffusion HIP ("com- pression isostatique à chaud"). Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de réalisation d'un disque à ailettes en titane pour un moteur à turbine à gaz, le procédé comprenant les étapes d'agencement d'au moins un premier et un second cylindres forgés en titane, pré- sentant chacun une face d'extrémité plane, perpendicu- laire à l'axe central du cylindre, la préparation de cette face d'extrémité plane de chaque cylindre pour obtenir une qualité de surface élevée, la mise en butée des faces préparées des cylindres l'une contre l'autre, en alignement axial, l'élimination de l'air existant entre ces faces, et la liaison bout-à-bout par diffusion des cylindres, par compression isostatique à chaud, pour for- mer le disque. Chaque cylindre est de préférence pourvu d'un alé- sage axial. De préférence, le procédé comprend le soudage des cylindres ensemble, d'abord au niveau de leurs alésages centraux par un soudage au gaz inerte, puis au niveau de leurs périphéries par un soudage au faisceau d'électrons. De préférence, le procédé comprend: a) l'agencement, sur chaque cylindre adjacent à sa dite face-d'extrémité -pane, d'une bride circonférentielle s'étendant radialement depuis le cylindre, une face de la bride étant coplanaire avec la face d'extrémité plane, b) l'agencement sur cette face de la bride d'une gorge s'étendant circonférentiellement par rapport à l'axe central du cylindre, pour allér dans la bride de manière parallèle audit axe, le plus petit raton de la gorge étant égal au rayon extérieur du cylindre, de sorte que, lorsque les cylindres sont en butée bout-à-bout, les gorges coopè- rent l'une avec l'autre pour produire une chambre circon- férentielle qui entoure la jonction des cylindres, c) l'agencement d'une bague massive, compatible avec le titane pour des réactions métallurgiques et adaptée pour s'insérer dans ladite chambre, et les étapes de: d) placement de la bague massive dans une dite gorge, e) placement des cylindres en butée bout-à-bout, de sorte que la gorge ménagée dans la bride d'un cylindre coopère avec la gorge ménagée dans la bride de l'autre cylindre, de manière à produire une chambre circonféren- tielle entourant la jonction des cylindres et enfermant en son sein la bague rigide, f) placement des cylindres en butée dans une chambre à vide, g) évacuation de la chambre à vide, de manière à éliminer l'air présent dans l'interface situé entre les cylindres, et à évacuer la chambre circonférentielle, h) soudage sous vide, au faisceau d'électrons, des cylindres, au niveau des périphéries de leurs brides en butée, de manière que la présence de la bague massive dans la chambre circonférentielle empêche le faisceau d'électrons de s'étendre pour aller dans les cylindres, et i) liaison par diffusion des cylindres ensemble, au niveau de leurs surfaces en butée, par compression isostatique à chaud. Le procédé peut comprendre une autre étape de sou- dage des cylindres, au niveau de leur alésage central, par un soudage au gaz inerte, avant que les cylindres ne soient placés dans la chambre à vide; de préférence, la compression isostatique à chaud est effectuée à une température d'à peu près 940 'C et une pression d'à peu près 103 M Pa. Le procédé comprend de préférence une étape finale d'élimination de la bride, conjointement avec la bague massive y étant contenue, après que les cylindres aient été liés par diffusion. Selon un second aspect de l'invention,, il est proposé un disque à ailettes en titane pour un moteur à turbine à gaz lorsqu'il est fabriqué suivant le pro- cédé selon le premier aspect. L'invention va maintenant être décrite à titre d'exemple uniquement, en faisant référence aux dessins schématiques non représentés à l'échelle, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un cylin- dre forgé en titane qui est un composant de base d'un disque à ailettes pour un moteur à turbine à gaz, les figures 2 à 4 sont des vues en coupe longitu- dinale de deux cylindres selon la figure 1 dans des étapes successives de jonction pour former un disque à ailettes. et Les figures 5 et 6 sont des microphotographies prises selon un grossissement x 200 de coupes comprenant l'inter- face existant entre deux cylindres en titane, après que l'invention ait été mise en oeuvre. En se référant aux figures 1 à 4 des dessins, il est représenté un cylindre forgé en titane 10 pourvu d'un alésage axial 12 Le cylindre 10 est pourvu d'une face d'extrémité 14 finie par lissage, perpendiculaire à l'axe du cylindre. Il va être évident que le terme "cylindre" dans cette description est utilisé dans le sens d'un élément massif délimité par une surface de révolution et deux plans per- pendiculaires à l'axe de cette surface Aucune implication n'est envisagée concernant le rapport entre la longueur du cylindre et son rayon Par exemple, si le cylindre est pourvu d'un alésage axial, il peut ressembler à une bague si le rayon est de manière significative supérieur à la longueur. En se référant à présent en particulier, aux figures 1 à 3, le cylindre 10 est représenté pourvu, à une extré- mité, d'unè bride circonférentielle 16 s'étendant radia- lement, l'agencement étant tel qu'une face d'extrémité 18 de la bride est dans le plan de la face d'extrémité 14 du cylindre. Dans la face d'extrémité 18 de la bride 16 est mé- nagée une gorge annulaire 20 usinée en direction paral- lèle à l'axe du cylindre 10 Le rayon de la paroi radia- lement interne 22 de la gorge 20 est égal au rayon du cylindre 10 La paroi interne 22 est par conséquent en réalité un prolongement cylindrique de la surface du cylindre 10 Les figures 2 et 3 représentent deux cylin- dres identiques 10 agencés de manière que les brides 16 se fassent face. En se référant à présent aux figures 2 et 3, il est, en outre, représenté, en coupe longitudinale, en association avec un couple de cylindres 10 se faisant face, une bagte en titane 24 qui, du fait qu'elle est réalisée en titane, est, par conséquent, compatible avec le maté- riau des cylindres pour des réactions métallurgiques Les dimensions radiales de la bague lui permettent de s'in- sérer dans la gorge 20 ménagée dans la bride 16, et l'é- paisseur de la bague est bien supérieure à la profondeur de la gorge, et inférieure à deux fois la profondeur de la gorge Ainsi, la bague 24, lorsqu'elle est placée dans la gorge 20, va faire saillie axialement au-delà de la face d'extrémité 14 du cylindre 10, et va être complète- ment enfermée dans une chambre annulaire 26 qui est for- mée par la conjonction des gorges 16 des deux cylindres , lorsque ces derniers sont placés en butée bout-à-bout 1 S comme représenté sur la figure 3 Il est à noter que la bague 24 n'est pas insérée de manière serrée dans la gorge , et qu'il doit exister un jeu appréciable entre les parois latérales de la bague et la bride 16. Un disque à ailettes en titane pour un moteur à turbine à gaz est fabriqué selon l'invention de la ma- nière suivante. Un couple de cylindres identiques 10 à bride et à gorge, comme représenté sur la figure 1, sont usinés à partir de titane, et la face d'extrémité 14 et la face d'extrémité de bride 18 de chacun d'entre eux, sont des surfaces finies et nettoyées de manière à présenter un état de surface ayant des défauts inférieurs à un micron. Une bague en titane 24, telle que décrite ci-dessus, est placée dans la gorge 20 d'un cylindre 10 et de l'autre cylindre placé en juxtaposition bout-à-bout, de manière à former la chambre annulaire 26 qui contient à présent la bague (figures 2 et 3). Les cylindres 10 sont soudés au niveau de la jonction intérieure, dans l'alésage 12 ménagé dans les cylindres, par un soudage au gaz inerte de tungstène pour fournir une jonction étanche interne, comme représenté sur la figure 3 Les cylindres 10 en butée sont placés dans une chambre à vide, qui est ensuite évacuée de manière à éliminer l'air existant dans l'interface située entre les cylin- dres, et à évacuer la chambre annulaire 26. Les cylindres sont ensuite soudés sous vide par faisceau d'électrons, au niveau de la jonction périphé- rique des brides 16, pour produire une jonction étanche périphérique externe 28 La bague en titane 24 empêche le faisceau d'électrons de s'étendre pour aller dans le corps des cylindres 10, et ainsi, de provoquer des dé- fauts métallurgiques nuisibles. Les deux cylindres 10 sont ensuite retirés de la chambre à vide, et sont liés par diffusion en atmosphère 156 ambiante, par des techniques à compression isostatique à chaud, à une température de 940 WC et une pression de 103 M Pa, durant un cycle de 2 heures. Si la jonction étanche sous vide est maintenue sur l'interface entre les cylindres 10 (et par conséquent un vide maintenu dans la chambre annulaire 26) durant le procédé de liaison par diffusion, la base 32 d'une bride ou des deux brides va présenter un intérieur affaissé en direction de la bague 24, à des intervalles situés autour de la bague, lorsque les cylindres sont retirés du vide, en raison de l'installation lâche de la bague à l'inté- rieur de la chambre annulaire 26 Ceci indique claire- ment que la liaison par diffusion a été réussie, une condition préalable pour obtenir une liaison réussie étant que les faces doivent avoir un vrai contact métal contre métal Si cet affaissement ne se présente pas, il peut alors être supposé que le soudage au gaz inerte de tungstène et le soudage au faisceau d'électrons, suivis par le procédé de liaison, n'ont pas été effectués entièrement de manière satisfaisante et que de l'air a fui pour aller dans la chambre annulaire 26. l'observation de l'affaissement de la base de bride 32 peut être améliorée en perçant des trous dans une face ou les deux faces de la bague massive 24, avant son in- sertion dans la gorge Ainsi, avec une liaison réussie, on peut voir la base de la bride 32 s'affaisser jusqu'à l'intérieur de ces trous. Enfin, si la liaison a été réussie, les brides et la bague 24 sont usinées de manière à être retirées des cylindres 10 liés ensemble, comme représenté sur la figure 4. Dans une étude métallurgique d'une pièce de test, qui a été soumise au procédé de l'invention, il a été trouvé, lorsque la pièce de test a été coupée, que les brides se sont affaissées entièrement sur la bague mas- sive 24, et qu'il n'est pas possible de distinguer vi- suellement les brides affaissées de la bague Il a en outre, été observé, sous un grossissement x 200, qu'une section de la pièce de test au niveau de la jonction entre les cylindres, près de l'alésage interne, présente une jonction de haute intégrité avec une absence de vide, et des démarcations planaires minimales au niveau de l'interface de jonction, comme représenté sur la figure Il a été trouvé qu'une autre section de la pièce de test au niveau de la jonction entre les cylindres, à proximité de la zone périphérique, présente une interface de bonne qualité, avec une absence de démarcations pla- naires, de vide et de fissures, comme représenté sur la figure 6. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'un disque à ailettes en titane pour un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce que ce procédé comprend les étapes de fourniture d'au moins un premier et un second cylindres forgés en titane, présentant chacun une face d'extrémité plane perpendicu- laire à l'axe central du cylindre, la préparation d'une face d'extrémité plane de chaque cylindre pour obtenir une qualité d'état de surface élevée, la mise en butée des faces préparées des cylindres l'une contre l'autre, en alignement axial, l'élimination de l'air existant entre ces faces, et la liaison bout-à-bout par diffusion des cylindres, par compression isostatique à chaud, pour for- mer le disque. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cylindre est pourvu d'un alésage axial. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend le soudage des cylindres ensemble, d'abord au niveau de leurs alésages centraux par un soudage au gaz inerte, puis au niveau de leurs périphéries par un sou- dage au faisceau d'électrons. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: a) l'agencement sur chaque cylindre adjacent à sa face d'extrémité plane, d'une bride circonférentielle s'étendant radialement depuis le cylindre, une face de la bride étant coplanaire avec la face d'extrémité plane, b) l'agencement, sur cette face de la bride, d'une gorge s'étendant circonférentiellement par rapport à l'axe central du cylindre, pour aller dans la bride de manière parallèle à cet axe, le plus petit rayon de la gorge étant égal au rayon extérieur du cylindre, de sorte que lorsque les cylindres sont en butée, bout-à-bout, les gorges coopèrent l'une avec l'autre pour former une cham- bre circonférentielle qui entoure la jonction des cylindres, c) l'agencement d'une bague massive compatible avec le titane sur des réactions métallurgiques et adaptée pour s'insérerdans ladite chambre, et les étapes de: d) mise en place de la bague massive dans une dite gorge, e) mise en place des cylindres en butée, bout-à-bout, de sorte que la gorge ménagée dans la bride d'un cylindre coopère avec la gorge ménagée dans la bride de l'autre cylindre, de manière à former une chambre circonférentielle entourant la jonction des cylindres et enfermant en son sein la bague rigide, f) mise en place des cylindres en butée dans une chambre à vide, g) évacuation de la chambre à vide, de manière à éliminer l'air présent dans l'interface située entre les cylindres, et à évacuer la chambre circonférentielle, h) soudage sous vide, au faisceau d'électrons, des cylindres, au niveau des périphéries de leurs brides en butée, de manière que la présence de la bague massive dans la chambre circonférentielle empêche-le faisceau d'électrons de s'étendre pour aller dans les cylindres, et i) liaison par diffusion des cylindres ensemble, au niveau de leurs surfaces en butée, par compression isostatique à chaud. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une autre étape de soudage des cy- lindres, au niveau de leur alésage central, par un sou- dage au gaz inerte, avant que la chambre circonféren- tielle ne soit évacuée, et avant un soudage au faisceau d'électrons de la jonction périphérique des cylindres. 6 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la compression isostatique à chaud est effec- tuée à une température d'à peu près 940 'C et une pression d'à peu près 103 M Pa. il 7 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape finale d'élimination de la bride, conjointement avec la bague massive y étant conte- nue, après que les cylindres aient été liés par diffusion. 8 Disque à ailettes en titane pour moteur à tur- bine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une liaison par diffusion obtenue par le procédé mis en évidence dans l'une quelconque des revendications 1 à 7.