Brevet FR2871397A1 — publié le 20051216

L'invention se rapporte à une installation de conformation d'une aube creuse. Elle concerne plus particulièrement un perfectionnement de la technique de conformation par gonflage superplastique d'une ébauche composée de "tôles" soudées entre elles. On connaît un système de formage d'une aube de soufflante creuse mettant en oeuvre une technique de gonflage superplastique (à chaud) d'une ébauche formée de plusieurs "tôles" soudées entre elles de façon à permettre leur déploiement à l'intérieur d'une matrice, par gonflage à haute température, typiquement de l'ordre de 900 C pour le titane. A cette température, le métal peut se déformer plastiquement et épouser la forme de la paroi intérieure de la matrice, lorsque ladite ébauche est placée dans cette matrice et gonflée par un gaz sous pression. L'aube ainsi obtenue est particulièrement légère et robuste. Un tel procédé est notamment mise en oeuvre pour la fabrication des aubes de soufflante à large corde d'un turboréacteur. Plus précisément, le processus connu indiqué ci-dessus comprend notamment les opérations consistant: - à fabriquer les pièces constitutives de l'aube, à savoir deux tôles externes et une tôle centrale, - à déposer une barrière de diffusion suivant un motif prédéfini entre chaque tôle externe et la tôle centrale, - à assembler les trois tôles et à procéder au soudage-diffusion de celles-ci ayant pour conséquence de les solidariser sur toutes les surfaces de contact où la barrière de diffusion n'a pas été déposée, - à procéder à une mise au profil aérodynamique de l'ébauche ainsi constituée, - à gonfler l'ébauche par application d'une pression de gaz à l'intérieur de celle-ci et à une température permettant une déformation superplastique et - à procéder à un usinage final notamment un détourage de l'ébauche gonflée pour obtenir une aube creuse. L'opération de gonflage superplastique est une étape particulièrement délicate et coûteuse du processus résumé ci-dessus. Actuellement, chaque aube est formée en plaçant l'ébauche dans une matrice creuse très épaisse pour supporter la pression, jusqu'à ce que les deux tôles externes viennent épouser la surface intérieure de la matrice 2871397 2 creuse. Pendant ce formage superplastique, la tôle centrale se déploie de façon à constituer une armature interne de rigidification. La matrice, portée à une température élevée doit pouvoir résister à la forte pression qui lui est appliquée pendant une période de temps assez longue. Il faut en effet en moyenne 2 h pour conformer une telle aube. La masse et le coût des outillages sont donc élevés puisqu'ils doivent être dimensionnés pour reprendre les efforts de gonflage ainsi que les efforts de torsion résultant de la forme particulière de l'ébauche préalablement mise au profil aérodynamique. De plus, l'inertie thermique associée à ce type de matrice aux parois épaisses est importante et contribue à augmenter les durées de cycle indiquées ci-dessus. Les gradients thermiques sont aussi plus importants et entraînent une diminution de la durée de vie des outillages. Dans un autre domaine, le brevet américain 4 951 491 décrit une technique de formage superplastique d'une simple tôle placée dans un outillage luimême installé à l'intérieur d'un autoclave. Les deux parties de l'outillage sont appliquées de part et d'autre du pourtour de la tôle à déformer. Selon un mode de réalisation possible, une différence de pression est créée dans la matrice, de part et d'autre de la tôle à déformer. Ceci nécessite d'exercer sur l'outillage une pression supérieure à la pression de gonflage, pour assurer la fermeture de l'outillage. Les contraintes mécaniques restent donc importantes bien que la pression de fermeture soit isostatique. En fait, l'établissement de cette différence de pression est difficile à réaliser. C'est pourquoi, dans un second mode de réalisation, la fermeture de l'outillage est assurée par un système mécanique boulonné. Cette seconde solution présente deux inconvénients. Le boulonnage se fait à température ambiante, avant mise en oeuvre de l'autoclave. A cette température, il est pratiquement impossible de déformer l'ébauche pour réaliser une étanchéité parfaite entre celle-ci et les deux éléments de la matrice. L'étanchéité de la matrice est donc très difficile à obtenir. Il est douteux que le système boulonné soit réutilisable après un cycle de gonflage à haute température. Il faut donc prévoir un système de fixation boulonné, pour chaque pièce ainsi formée. L'invention permet de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus. 2871397 3 Plus particulièrement, l'invention concerne une installation de conformation d'au moins une aube creuse, par exemple une aube de soufflante d'un turboréacteur, comprenant une matrice creuse pour le gonflage superplastique d'une ébauche comportant deux tôles externes soudées pour définir entre elles un espace laminaire, du type dans laquelle ladite matrice comporte deux formes susceptibles d'être assemblées de façon étanche en enserrant le pourtour de ladite ébauche, caractérisée en ce que ladite matrice est située à l'intérieur d'une enceinte formant autoclave, renfermant des moyens de chauffage, en ce qu'elle est connectée à des moyens pour appliquer une différence de pression de gaz entre ledit espace laminaire de l'ébauche et l'espace interne défini entre ladite ébauche et ladite matrice et en ce que lesdites deux formes sont assemblées par des étriers réalisés dans un matériau à plus faible coefficient de dilatation que celui du matériau qui constitue lesdites formes. De façon connue en soi, l'ébauche comporte au moins un conduit de gonflage ou analogue débouchant dans ledit espace laminaire. Cet espace communique avec l'enceinte formant autoclave en sorte que la pression à l'intérieur de l'autoclave est aussi celle qui s'établit à l'intérieur de l'ébauche dans le cas où ledit espace interne est laissé à la pression atmosphérique. L'enceinte formant autoclave est pressurisée sous gaz neutre, notamment de l'argon. Contrairement à ce qui est décrit dans le brevet américain indiqué cidessus, l'étanchéité de l'enceinte est réalisée par une dilatation différentielle entre les deux formes définissant l'espace interne de la matrice, d'une part, et les étriers, d'autre part. Ces derniers peuvent être avantageusement réalisés en alliage de molybdène, par exemple l'alliage répertorié sous la référence TZM qui comporte 99 % de molybdène environ. Le reste de l'outillage est en alliage nickel-fer. Les tôles de l'ébauche sont généralement en titane. Avec l'agencement indiqué ci-dessus, l'étanchéité de la matrice est obtenue à la montée en température, avant la montée en pression de l'autoclave. Tout le système de montage par boulonnage est éliminé ; il en résulte un gain de temps appréciable au cours du cycle. Le système mécanique d'étanchéité est en outre réutilisable et facilement démontable. 2871397 4 Pour réaliser l'aube, on met en oeuvre un cycle de pressurisation comprenant une montée en pression contrôlée suivie d'une période de maintien à pression constante et enfin d'une descente en pression contrôlée. Un tel cycle de gonflage peut aussi bien être contrôlé par le pilotage de la pression établie à l'intérieur de l'autoclave que par le pilotage de la pression dans l'espace interne défini entre ladite ébauche et ladite matrice, voire une combinaison des deux. Enfin, l'enceinte formant autoclave peut avantageusement renfermer plusieurs matrices permettant de conformer plusieurs aubes 10 pendant un même cycle de gonflage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre illustrant schématiquement la fabrication d'une aube creuse, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1 à 7 illustrent très schématiquement certaines étapes d'élaboration d'une aube creuse; - la figure 8 représente schématiquement une installation de conformation conforme à l'invention, utilisable pour la mise en oeuvre du gonflage superplastique proprement dit; et - la figure 9 est une coupe schématique de l'aube creuse obtenue. En considérant plus particulièrement les figures 1 à 7, on rappelle brièvement les étapes essentielles de la fabrication d'une aube creuse, typiquement une aube de soufflante de turboréacteur. Une telle aube est formée à partir de trois "tôles", deux tôles externes 11, 12 appelées à former ultérieurement l'intrados et l'extrados de l'aube et une tôle centrale 13 appelée à constituer une armature interne de rigidification, s'étendant entre l'intrados et l'extrados. Les tôles 11 et 12 comportent des parties plus épaisses 15, 16 dans les zones du pied d'aube et de l'extrémité de pale. Elles peuvent être ébauchées par forgeage et terminées par usinage de précision, comme représenté à la figure 1 en vue de la mise en oeuvre du procédé de gonflage superplastique. Lesdites tôles sont conformées pour définir des pions de centrage 20 faisant saillie des parties épaisses. Les trois tôles sont appliquées les unes contres les autres (figure 2) la tôle centrale 13 étant intercalée entre les tôles externes 11 et 12, et serrées dans cette position. On perce alors un ou plusieurs conduits 2871397 5 de gonflage 18 (figure 3), parallèlement aux tôles, au voisinage de la tôle centrale 13. Lesdites tôles sont ensuite séparées pour passer à l'étape de la figure 4 consistant à déposer sur les faces internes des tôles externes 11, 12 un produit anti-diffusion 25, suivant une configuration prédéfinie, par sérigraphie. Ce produit est destiné à former une barrière antidiffusion, après cuisson. Cette configuration peut comporter par exemple une pluralité de bandes parallèles décalées en quinconce d'une tôle à l'autre. La tôle centrale peut comporter des trous pour établir des communications de part et d'autre de celle-ci, entre les parties recouvertes par la barrière de diffusion. Les pièces sont réassemblées (figure 5) et on procède à leur soudage en périphérie. Le soudage peut être d'un type classique connu sous l'abréviation TIG ou encore par faisceau d'électrons. Cette opération est suivie d'une phase de dégradation/présoudage, à une température comprise entre 200 C à 400 C, permettant d'éliminer les produits de dégradation du produit anti-diffusion qui seraient néfastes à une opération de soudagediffusion ultérieure. L'étape suivante (figure 6) consiste à mettre en oeuvre une opération de soudage-diffusion des trois tôles, à haute température et sous pression isostatique élevée. Cette opération a pour effet d'assembler les trois tôles entre elles sur toutes leurs surfaces en contact, exceptées celles préservées par la barrière de diffusion. A partir de ce moment, on peut donc considérer qu'on a défini une ébauche 26 comprenant un espace laminaire entre les tôles extérieures et de part et d'autre de la tôle centrale, cette espace laminaire résultant de la barrière de diffusion. Bien entendu, la configuration de la barrière de diffusion est telle que cet espace laminaire communique avec le ou les conduits de gonflage 18 préalablement percés. Ledit espace laminaire n'est pas visible sur les figures 6 et 7 qui précèdent le gonflage. Il apparaît sous la référence 27 sur la figure 8 lorsqu'il est déjà en cours d'expansion. On passe ensuite à des opérations connues de cambrage (figure 7A), mise à longueur (figure 7B) et vrillage (figure 7C), aboutissant à une mise au profil aérodynamique de l'ébauche 26, avant le gonflage superplastique proprement dit. 2871397 6 Après le gonflage superplastique, l'aube subit encore un usinage final (notamment un détourage) et un traitement de surface approprié. Des procédés de fabrication d'une aube creuse selon la technique rappelée ci-dessus sont par exemple décrits plus en détail dans le document FR 2 724 127. L'invention vise plus particulièrement l'opération de gonflage superplastique, c'est-à-dire ici l'étape du procédé qui fait suite à la mise au profil aérodynamique de l'ébauche. L'installation de conformation comporte une matrice creuse 30 conformée pour accueillir l'ébauche 26 telle que représentée à la figure 7c. La matrice comporte deux formes 31, 32, creuses, susceptibles d'être assemblées l'une contre l'autre de façon étanche, en enserrant le pourtour de l'ébauche elle-même. Chaque forme comporte une nervure périphérique 34 venant s'appliquer à la périphérie de l'ébauche 26. Les surfaces interne des formes, à l'intérieur des nervures 34 respectives, sont conformées pour donner à l'aube sa forme finale, les tôles externes 11, 12 venant se plaquer contre elles par application d'une différence de pression entre l'espace laminaire 27 de l'ébauche et l'espace interne 35 défini entre l'ébauche et la matrice, c'est-à-dire dans la creusure de chaque forme. De plus, la matrice 30 est située à l'intérieur d'une enceinte 39 formant autoclave, renfermant des moyens de chauffage 41. Un générateur de gaz sous pression 45 est connecté à l'enceinte 39. Cette dernière est pressurisée sous gaz neutre, par exemple de l'argon. Selon une caractéristique importante de l'invention, les deux formes 31, 32 de la matrice sont assemblées par des étriers 47 réalisés dans un matériau à plus faible coefficient de dilatation que celui du matériau qui constitue lesdites formes. C'est donc l'augmentation de température (et non l'augmentation de pression) qui va assurer la fermeture étanche de la matrice 30. Pour le gonflage, la matrice est connectée à des moyens pour appliquer une différence de pression gazeuse entre ledit espace laminaire 27 et ledit espace interne 35. Dans l'exemple décrit, ces moyens sont réalisés par le fait que le ou les conduits de gonflage, pratiqués dans l'ébauche, communiquent avec l'enceinte 39 formant autoclave et que ledit espace interne de la matrice, de part et d'autre de l'ébauche, 2871397 7 communique avec l'extérieur par des conduits 51. Les étriers 47 sont conformés et disposés sur le pourtour de la matrice 30 enserrant la pièce de façon à ne pas obturer les conduits de gonflage 18. Dans l'exemple décrit, ledit espace interne 35 est donc laissé à la pression atmosphérique. En variante, on pourrait parfaitement connecter ces conduits (et par conséquent l'espace interne de la matrice) à des moyens de tirage au vide (non représentés). L'installation peut aussi comporter des moyens de pilotage de la pression de gaz dans l'enceinte formant autoclave, pour commander le cycle de gonflage comprenant une phase de montée en pression suivie d'une période de maintien de la pression et d'une période de descente en pression. Le cycle de gonflage peut aussi être au moins en partie contrôlé par des moyens de pilotage de la pression de gaz dans ledit espace interne 35. C'est notamment le cas si ledit espace est connecté à des moyens de tirage au vide. Le vide peut être contrôlé pour maîtriser le cycle de gonflage. Les étriers 47 peuvent être réalisés dans un alliage de molybdène. En outre, l'enceinte formant autoclave peut être dimensionnée pour renfermer plusieurs matrices 30 semblables, ce qui permet de conformer plusieurs aubes pendant un même cycle de gonflage. On notera que le fait de placer la matrice dans l'autoclave permet une compensation isostatique sur la matrice, de la pression interne. Les parois de la matrice peuvent être d'épaisseur moindre. De plus, les contraintes sur cette matrice deviennent nulles lors de la phase de calibrage. Le fonctionnement sous argon élimine toute oxydation, ce qui permet de ralentir le vieillissement des équipements. Le système mécanique de fermeture étanche (c'est-à-dire les étriers 47) est particulièrement simple. Il est facilement démontable (ce qui permet de "défourner" la pièce rapidement). Il est réutilisable. 8 REVENDICATIONS 1. Installation de conformation d'au moins une aube creuse, par exemple une aube de soufflante d'un turboréacteur, comprenant une matrice creuse (30) pour le gonflage superplastique d'une ébauche (26) comportant deux tôles externes soudées pour définir entre elles un espace laminaire (27) du type dans laquelle ladite matrice (30) comporte deux formes creuses (31, 32) susceptibles d'être assemblées de façon étanche en enserrant le pourtour de ladite ébauche, caractérisée en ce que ladite matrice (30) est située à l'intérieur d'une enceinte (39) formant autoclave, renfermant des moyens de chauffage (41), en ce qu'elle est connectée à des moyens pour appliquer une différence de pression de gaz entre ledit espace laminaire (27) de l'ébauche et l'espace interne (35) défini entre ladite ébauche et ladite matrice et en ce que lesdites deux formes creuses sont assemblées par des étriers (47) réalisés dans un matériau à plus faible coefficient de dilatation que celui du matériau qui constitue lesdites formes. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ébauche comportant un conduit de gonflage (18) ou analogue débouchant dans ledit espace laminaire, celui-ci communique avec ladite enceinte (39) formant autoclave. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite enceinte (39) formant autoclave est pressurisée sous gaz 25 neutre. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit espace interne (35) est connecté à des moyens de tirage au vide. 5. Installation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de pilotage de la pression de gaz dans ladite enceinte formant autoclave, pour commander le cycle de gonflage. 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de pilotage de la pression de gaz dans ledit espace interne, pour commander le cycle de gonflage. 7. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit espace interne (35) est laissé à la pression atmosphérique. 2871397 9 8 Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits étriers (47) sont réalisés dans un alliage de molybdène. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite enceinte formant autoclave renferme plusieurs matrices pour conformer plusieurs aubes pendant un même cycle de gonflage.