Brevet FR2868467A1 — publié le 20051007

L'invention concerne un carter de stator de turbine et son procédé de fabrication. Plus particulièrement, l'invention concerne un carter de stator d'une turbine de turboréacteur d'avion. Un tel carter comprend une enveloppe de forme générale tronconique et des crochets de fixation solidaires de cette enveloppe et faisant saillie sur sa face interne. Ces crochets de fixation servent à soutenir des anneaux ou des segments d'anneau porteurs d'aubes fixes, formant un ensemble communément appelé distributeur de turbine. Un stator comprend généralement plusieurs séries de crochets qui soutiennent plusieurs distributeurs répartis sur la face interne de l'enveloppe. Entre ces anneaux, on trouve des roues mobiles porteuses d'aubes mobiles du rotor de la turbine. Le couple formé par un distributeur et une roue mobile constitue un étage de turbine. La turbine d'un turboréacteur d'avion est traversée par des gaz de combustion très chauds et fonctionne donc dans des conditions thermiques particulièrement difficiles. Aussi, les crochets de fixation en contact avec la veine des gaz de combustion, sont soumis à des échauffements beaucoup plus importants que l'enveloppe qui, par ailleurs, est refroidie sur sa face externe par un système de refroidissement, généralement un système de tuyaux perforés, communément appelés colliers à douche, soufflant de l'air frais sur ladite enveloppe. Comme l'illustre la demande de brevet européen EP 1 288 444, il est connu de réaliser des crochets de fixation dans un alliage résistant bien à l'échauffement et éventuellement différent selon l'emplacement desdits crochets à l'intérieur de l'enveloppe; et de réaliser l'enveloppe dans un alliage plus ordinaire, moins réfractaire que celui des crochets, et donc plus facile et moins coûteux à façonner. Dans ce mode de réalisation connu, les crochets sont fixés à l'enveloppe par frettage, par soudage conventionnel ou par boulonnage. Ces divers moyens d'assemblage présentent néanmoins des inconvénients. Par exemple, le soudage conventionnel par fusion favorise la fissuration à chaud dans la zone fondue et l'apparition de criques au niveau de la zone affectée thermiquement lors du soudage. Le boulonnage, quant à lui, complique la structure du carter en augmentant le nombre de pièces qui le constitue. Et, tous ces moyens d'assemblage ne présentent pas généralement une résistance suffisante à la fatigue. L'invention est relative à un carter de stator de turbine amélioré, dont l'enveloppe est réalisée selon un procédé de fabrication particulier, des crochets de fixation étant solidarisés à cette enveloppe par des moyens d'assemblage de structure simple, présentant une bonne résistance mécanique, et résistant parfaitement à l'échauffement. Sous sa forme la plus générale, l'invention concerne un carter de stator de turbine comprenant une enveloppe et des crochets de fixation d'aubes fixes, faisant saillie sur la face interne de cette enveloppe, caractérisé en ce que ladite enveloppe est réalisée dans un premier alliage par compression isostatique à chaud, à partir de poudres métalliques, lesdits crochets de fixation étant réalisés dans un deuxième alliage, plus réfractaire que le premier, et solidarisés à ladite enveloppe par soudagediffusion au cours de la compression isostatique à chaud. On notera tout d'abord que le fait de réaliser l'enveloppe du carter par compression isostatique à chaud (notée ci-après C.I.C) permet de bénéficier des avantages de cette technique de fabrication connue et détaillée plus loin. Un autre intérêt de l'invention réside dans le fait qu'on profite du cycle de mise en oeuvre de la C.I.0 pour procéder à la solidarisation par soudage-diffusion des crochets de fixation sur l'enveloppe, ce qui permet de gagner du temps lors de la fabrication du carter. La technique de soudage-diffusion est une technique connue qui permet d'assembler entre elles deux pièces réalisées dans des alliages de compositions différentes mais néanmoins compatibles du point de vue de la diffusion. Ainsi, selon l'invention, les crochets sont réalisés dans un deuxième alliage plus réfractaire que le premier, de sorte que ces crochets résistent par exemple à des températures au moins supérieures à 900 C tandis que l'enveloppe ne résiste qu'à des températures de l'ordre de 750 C. Bien évidemment, il est possible d'utiliser différents types de deuxième alliage, plus ou moins réfractaires, en fonction de la position des crochets à l'intérieur de l'enveloppe et des températures auxquelles ils sont soumis. En effet, on sait que pour certains types de turboréacteurs, la température à certains étages de la turbine peut atteindre 1050 C voire 1100 C. Avantageusement, les crochets sont en alliage de fonderie contenant du nickel et/ou du cobalt et ils peuvent être réalisés par procédé de fonderie équiaxe, monocristalline ou de fonderie par solidification dirigée. En règle générale, on peut choisir de fabriquer les crochets dans des alliages analogues à ceux utilisés pour fabriquer les aubes de la turbine. L'enveloppe, quant à elle, est réalisée dans des alliages ou superalliages utilisés ordinairement dans l'aéronautique, comme l'alliage commercialisé sous la marque Waspaloy ou l'alliage connu sous la marque Inconel 718 . Ceci permet de réparer sans difficulté cette enveloppe, après qu'elle ait subi des dégradations, par des techniques de réparation classiques comme le soudage, l'assemblage ou le rechargement. Les dégradations de l'enveloppe peuvent par exemple résulter de chocs lors de sa fabrication ou de sa manutention. En résumé, il est intéressant d'utiliser des premier et deuxième alliages différents car les exigences d'utilisations de l'enveloppe et des crochets sont différentes. Les crochets doivent avant tout présenter une bonne résistance aux très hautes températures, tandis que l'enveloppe n'a pas besoin de présenter une telle résistance mais doit pouvoir être réparée facilement. Par ailleurs, les crochets résistant bien à la chaleur, il n'est pas nécessaire de les refroidir avec de l'air frais. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le carter comprend des inserts qui traversent les crochets de fixation et ladite enveloppe. Avantageusement, ces inserts sont également solidarisés à ladite enveloppe par soudage-diffusion, au cours de la compression isostatique à chaud. Même s'ils compliquent légèrement la structure du carter, ces inserts présentent plusieurs avantages. Avant tout, ils permettent lors de la fabrication du carter, de fixer les crochets à une partie du moule à l'intérieur duquel on forme l'enveloppe, de manière à garantir le bon positionnement de ces crochets durant le cycle de C.I.C. Ensuite, ces inserts peuvent faire saillie sur la face externe de l'enveloppe de manière à former des bossages. Ces bossages peuvent alors être utiles pour fixer un élément extérieur au carter, par exemple un élément du système de refroidissement. On peut même ménager dans chaque insert un alésage fileté qui débouche au niveau du bossage et dans lequel il est possible de visser une tige filetée solidaire d'un élément extérieur au carter. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un carter de stator de turbine du type de celui précédemment décrit et comprenant une enveloppe réalisée dans un premier alliage et des crochets de fixation d'aubes fixes, faisant saillie sur la face interne de cette enveloppe, caractérisé en ce qu'on réalise lesdits crochets dans un deuxième alliage, plus réfractaire que le premier, on dispose ces crochets à l'intérieur d'un moule, on remplit ce moule avec une poudre métallique du premier alliage, les crochets étant disposés de manière à être en contact avec ladite poudre, et on moule ladite enveloppe par compression isostatique à chaud de ladite poudre métallique, les crochets se solidarisant à l'enveloppe par soudage-diffusion au cours de la compression isostatique à chaud. Les avantages du carter de l'invention et du procédé de fabrication de ce carter, seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation particulier de l'invention. - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de carter de stator de turbine selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale d'une partie du moule servant au moulage de l'enveloppe du carter de la figure 1; - la figure 3 est une coupe axiale d'une partie du carter de la figure 1; et - la figure 4 est une coupe axiale de la partie de carter représentée figure 3, sur laquelle est monté un anneau porteur d'aubes fixes. En référence aux figures 1, 3 et 4, l'exemple de carter 1 représenté comprend une enveloppe 2 de forme générale tronconique sur laquelle sont rapportés des crochets de deux types: des crochets plats 3a et des crochets à talon 3b. Les crochets d'un même type se présentent sous la forme de segments incurvés et sont mis bout à bout de manière à former sur la face interne de l'enveloppe 2 des anneaux de crochets. Dans l'exemple représenté figure 1, le carter 1 comprend trois anneaux de crochets plats 3a et trois anneaux de crochets à talon 3b, ces anneaux de types différents étant intercalés. Comme représenté figure 4, les crochets 3a et 3b servent à soutenir un distributeur 6 de turbine formé d'anneaux ou de segments d'anneaux porteurs d'aubes fixes 9. Ces aubes fixes 9 sont liées par le pied à l'anneau extérieur 10 du distributeur 6. Cet anneau extérieur 10 est muni à l'avant et à l'arrière de crochets 11 et 12 aptes à coopérer respectivement avec les crochets de fixation 3a, 3b de l'enveloppe 2, de sorte que l'anneau extérieur 10 est maintenu par les crochets de fixation 3a, 3b. La structure du carter 1 étant bien comprise, on va maintenant décrire son procédé de fabrication en référence à la figure 2. Sur cette figure est représenté l'outillage utilisé pour former le moule à l'intérieur duquel on vient injecter une poudre métallique 5 d'un premier alliage pour la soumettre à une compression isostatique à chaud, c'est-à-dire à un cycle de chauffage particulier accompagné d'une mise sous pression. Pratiquement, on forme le moule à partir de différentes pièces d'outillage intérieures 01, 02, 03 et extérieures El et E2. La conception des pièces d'outillage est très rigoureuse et fait appel à l'utilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) avec en particulier la modélisation des retraits locaux lors de la C.I.0 de l'enveloppe 2 formée. Cette technique particulière, plus connue sous le nom de procédé ISOPREC (marque déposée), permet d'obtenir une enveloppe de carter directement aux cotes et donc de limiter son usinage ultérieur. Comme représenté sur la figure 2, on utilise un insert 20 sensiblement cylindrique pour maintenir en position les crochets 3a ou 3b durant la C. I.C. Un tel insert 20 qui a dans l'exemple une géométrie de révolution, comprend un corps cylindrique 24 destiné à traverser une ouverture circulaire 23 ménagée dans un crochet 3a ou 3b et, à une première extrémité, un épaulement circulaire 22 de diamètre supérieur à celui de l'ouverture 23, qui vient en butée contre le crochet 3a ou 3b. Dans l'exemple, le diamètre du corps 24 est très légèrement inférieur à celui de l'ouverture 23 de sorte que le jeu entre l'insert et le crochet 3a ou 3b est suffisamment faible pour que ce crochet ne se dégage pas et reste en position fixe sur l'insert 20. Il est également possible de prévoir que l'insert 20 soit monté par emmanchement forcé dans l'ouverture 23. La deuxième extrémité de l'insert 20, opposée à la première et donc tournée vers l'extérieur, est susceptible de venir dans un logement 29 prévu à cet effet sur l'outillage extérieur El. Un alésage traverse cet outillage El et débouche d'un coté sur sa surface extérieure, et de l'autre au fond du logement 29. Un autre alésage 27, fileté celui-ci, est ménagé dans l'insert 20 et débouche au niveau de sa deuxième extrémité. Ces alésages 27 et 29 permettent le passage d'une vis 28. Lorsque la vis 28 est serrée dans l'alésage fileté 27, la deuxième extrémité de l'insert 20 vient en butée au fond du logement 29 et le crochet 3a ou 3b est maintenu dans une position fixe. Cette position est telle que la face externe 30 du crochet soit dans le prolongement des surfaces extérieures S des outillages intérieurs 01, 02 et 03. Les surfaces S forment alors avec les surfaces intérieures S' des outillages extérieurs El et E2 et avec les faces externes 30 des crochets 3a et 3b les parois du moule à l'intérieur duquel la poudre métallique 5 est injectée. Ainsi, les faces externes 30 des crochets 3a et 3b sont au contact de la poudre 5 lorsque celle-ci est compressée par C.I.C. Pour réaliser pratiquement la C.I.C, on dispose l'ensemble formé par l'outillage, les crochets, les inserts, les vis et la poudre dans un autoclave sous une pression élevée à température élevée. Par exemple, à 1 000 bars et 1 200 C. Ledit ensemble va se comprimer sous l'effet de la température et de la pression et la poudre métallique se densifier pour former l'enveloppe 2. Par ailleurs, l'enveloppe 2 et les crochets 3a et 3b sont choisis dans des alliages de compositions compatibles pour pouvoir être soudés par soudage-diffusion. De manière connue en soi, le soudage-diffusion est un procédé qui consiste à maintenir des pièces en contact, ici l'enveloppe 2 et les crochets 3a et 3b sous une pression et une température données pendant un temps contrôlé. Ici, les bonnes conditions de température et de pression sont atteintes durant le cycle de C.I.C. Les déformations plastiques créées à la surface des pièces permettent un contact intime ainsi qu'une migration, ou diffusion, des éléments entre les pièces, pour autant que ces dernières soient réalisées dans des alliages compatibles. On notera que le procédé de soudage-diffusion nécessite une bonne préparation de la face externe 30 des crochets 3a et 3b. Avantageusement, les inserts 20 utilisés, sont en un troisième alliage identique au deuxième alliage ou analogue à celui-ci en ce sens qu'il est plus réfractaire que le premier alliage et compatible avec ce dernier du point de vue de la diffusion. Ainsi, à l'image des crochets 3a et 3b, les inserts 20 vont se solidariser à l'enveloppe 2 par soudage diffusion lors du cycle de C.I.C. Dans l'exemple représenté, le corps 24 des inserts 20 présente, en outre, une rainure périphérique 26. Cette rainure 26 est annulaire et ménagée dans la zone de contact du corps 24 avec la poudre métallique 5. Ainsi, la poudre 5 pénètre à l'intérieur de la rainure 26 qui se retrouve noyée dans la masse de l'enveloppe 2 lors de sa fabrication. La rainure 26, optionnelle, permet d'améliorer la fixation des inserts 20 sur l'enveloppe 2. Une fois le moulage de l'enveloppe 2 terminé, on peut détruire le moule réalisé par exemple en acier doux, en le dissolvant dans de l'acide, par exemple de l'acide nitrique, puis on dévisse les vis 28. Par la suite, on montera le carter à l'intérieur d'un turboréacteur d'avion. Les alésages filetés 27, laissés libres, pourront alors permettre de fixer des tuyaux perforés équipés de tiges filetées correspondantes, qui permettent de souffler de l'air frais sur le carter 1 pour le refroidir. REVENDICATIONS 1. Carter de stator de turbine comprenant une enveloppe (2) et des crochets de fixation (3a, 3b) de distributeur de turbine, faisant saillie sur la face interne de cette enveloppe (2), caractérisé en ce que ladite enveloppe (2) est réalisée dans un premier alliage par compression isostatique à chaud, à partir de poudres métalliques (5), lesdits crochets de fixation (3a, 3b) étant réalisés dans un deuxième alliage, plus réfractaire que le premier, et solidarisés à ladite enveloppe (2) par soudage-diffusion au cours de la compression isostatique à chaud. 2. Carter de stator de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des inserts (20) qui traversent les crochets de fixation (3a, 3b) et ladite enveloppe (2). 3. Carter de stator de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits inserts (20) sont solidarisés à ladite enveloppe (2) par soudage-diffusion au cours de la compression isostatique à chaud. 4. Carter de stator de turbine selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque insert présente une première extrémité sur laquelle est formé un épaulement (22) venant en butée contre un des crochets de fixation (3a, 3b). 5. Carter de stator de turbine selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque insert (20) présente une deuxième extrémité qui fait saillie sur la face externe de l'enveloppe (2) de manière à former un bossage. 6. Carter de stator de turbine selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un alésage fileté (27) est ménagé dans ledit insert (20) et débouche au niveau de sa deuxième extrémité. 7. Carter de stator de turbine selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que chaque insert présente une rainure périphérique (26) noyée dans la masse de ladite enveloppe (2). 8. Carter de stator de turbine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit deuxième alliage contient du nickel et/ou du cobalt. 9. Procédé de fabrication d'un carter de stator de turbine comprenant une enveloppe (2) réalisée dans un premier alliage et des crochets de fixation (3a, 3b) de distributeur de turbine, faisant saillie sur la face interne de cette enveloppe (2), caractérisé en ce qu'on réalise lesdits crochets (3a, 3b) dans un deuxième alliage, plus réfractaire que le premier, on dispose ces crochets (3a, 3b) à l'intérieur d'un moule, on remplit ce moule avec une poudre métallique (5) du premier alliage, les crochets (3a, 3b) étant disposés de manière à être en contact avec ladite poudre (5), et on moule ladite enveloppe (2) par compression isostatique à chaud de ladite poudre métallique (5), les crochets (3a, 3b) se solidarisant à l'enveloppe (2) par soudage-diffusion au cours de la compression isostatique à chaud. 10. Procédé de fabrication d'un carter de stator de turbine selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits crochets (3a, 3b) sont réalisés par fonderie. 11. Procédé de fabrication d'un carter de stator de turbine selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on fixe les crochets (3a, 3b) audit moule par l'intermédiaire d'inserts (20) pour garantir le bon positionnement de ces crochets (3a, 3b) durant la compression isostatique à chaud. 12. Procédé de fabrication d'un carter de stator de turbine selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on détruit ledit moule après moulage de ladite enveloppe (2).