Brevet FR2906172A1 — publié le 20080328

La présente invention concerne un procédé pour la réparation de pièces de turbomachines. Différentes pièces de turbomachines utilisées dans l'aéronautique, en particulier les réacteurs d'avion, sont susceptibles de subir des dommages occasionnés par des impacts. Il peut s'agir de dommages en service lorsque des objets étrangers (cailloux, oiseaux) viennent percuter des parties internes du turboréacteur telles que les distributeurs basse pression ou distributeurs haute pression. Il peut s'agir également de dommages au sol durant la maintenance du turboréacteur, lorsque par exemple des outils tombent sur des pièces de ce dernier. Les dommages sur une pièce peuvent de plus résulter d'un vieillissement dû aux contraintes mécaniques et thermiques qu'elle subit en service de par son exposition à des gaz à haute température, ou résulter d'un défaut de fabrication. Les dommages sur la pièce sont de deux types : les dommages non visibles, qui ne peuvent être détectés à l'oeil nu car ils ne débouchent pas en surface de la pièce, et les dommages surfaciques. La présente invention concerne les dommages surfaciques. Ceux-ci prennent la forme de criques et/ou de dépressions sur la surface de la pièce. La restauration des propriétés mécaniques initiales de la pièce nécessite alors un ajout de matière qui vient combler les criques et/ou les dépressions. Les technologies les plus utilisées actuellement dans l'aéronautique pour la réparation de pièces de turboréacteurs sont le soudage, et le brasage sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Le soudage consiste à faire fondre localement la zone endommagée de la pièce (substrat) tout en y ajoutant un matériau également en fusion de telle sorte que le substrat et le matériau d'ajout se mélangent, avec pour résultat un comblement des défauts. De par son principe, le soudage induit des contraintes thermiques importantes dans la zone de la pièce où se situent les défauts. Un traitement thermique ultérieur de détente, visant à supprimer ces contraintes résiduelles, est alors nécessaire, ce qui alourdit le procédé de réparation de la pièce. Par ailleurs, certains alliages utilisés dans les turboréacteurs sont tellement sensibles à la fissuration qu'il n'est pas possible de les réparer par soudage 2906172 2 à cause des contraintes mécaniques générées par les contraintes thermiques. Le brasage ordinaire sous vide ou sous atmosphère contrôlée consiste à ajouter sur la zone endommagée de la pièce un matériau sous 5 forme de poudre ou de fritté (poudre agglomérée par compression et chauffage simultané en dessous de la température de fusion), et à soumettre l'ensemble (pièce et matériau ajouté) à un cycle thermique pour amener le substrat (pièce) à une température de traitement qui se situe en dessous de sa température de fusion mais suffisante pour que la 10 poudre ou le fritté fonde et vienne combler les défauts de la pièce. L'inertie thermique de la pièce implique que la pièce entière doit être amenée à la température de traitement pour que la matière ajoutée fonde. Le cycle thermique est donc nécessairement long (typiquement une dizaine d'heures). Durant ce laps de temps, il peut se produire une 15 oxydation de la pièce, et le traitement doit donc nécessairement s'effectuer dans une enceinte sous vide ou contenant un gaz inerte chimiquement. De plus, ce traitement long accélère le vieillissement du matériau constituant le substrat (notamment par diffusion indésirable dans des zones déjà réparées), et risque d'ouvrir de nouveaux défauts dans le 20 substrat ou d'en rouvrir d'anciens. Une retouche de la pièce est alors souvent nécessaire, ce qui entraîne un vieillissement supplémentaire du matériau. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, ou tout au moins à les atténuer. L'invention vise à proposer un procédé qui 25 permette, de façon économique, de réparer par ajout de matière les dommages visibles sur une pièce de turboréacteur, et dans lequel le traitement thermique subi par la pièce n'entraîne pas d'endommagement supplémentaire de celle-ci. Ce but est atteint grâce au fait que le procédé comprend l'ajout 30 de matière sur une zone d'endommagement constituée d'un défaut et du voisinage immédiat de ce défaut, et le chauffage de la zone d'endommagement par génération, dans cette zone, de courants induits aptes à faire passer la matière ajoutée au moins partiellement à l'état liquide. 35 Grâce à ces dispositions, les courants induits ne sont générés que dans la zone d'endommagement, donc seule cette zone subit un 2906172 3 chauffage direct. De plus, les courants induits n'étant pas générés dans les matériaux réfractaires supportant la pièce à traiter, le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de l'inertie thermique des réfractaires. Le procédé selon l'invention est dénommé "brasage par induction", puisque le 5 substrat (pièce) ne passe pas à l'état liquide, et que le chauffage de la matière ajoutée est effectué par induction. Au total, il est ainsi possible d'amener très rapidement à la température de traitement la zone d'endommagement et la matière ajoutée qui se trouve à sa surface. Les temps de traitement d'une pièce 10 par le procédé selon l'invention sont ainsi de l'ordre de quelques minutes, comparé à une dizaine d'heures pour le brasage ordinaire. Grâce à ce temps de traitement très court, les contraintes induites dans la pièce (qui peuvent être responsables de l'ouverture de nouvelles criques par exemple) sont très faibles comparé au brasage ordinaire ou au soudage, 15 comme l'ont confirmé les essais effectués. Ce procédé permet donc de traiter des zones d'endommagement plus étendues que par le procédé de soudage. Par ailleurs, la durée du traitement à haute température étant plus courte en utilisant le procédé selon l'invention, ce procédé nécessite 20 moins d'énergie que le brasage ordinaire. Le procédé selon l'invention est donc plus économique. En outre, grâce au fait que seule la zone d'endommagement est chauffée, l'énergie apportée à la pièce peut être facilement régulée. La diffusion de la matière ajoutée dans le substrat au-delà de la zone 25 d'endommagement peut donc être mieux contrôlée, et l'étendue de cette diffusion mieux limitée. Ainsi, le procédé selon l'invention permet de faire en sorte que la matière ajoutée diffuse suffisamment pour densifier le substrat dans la zone d'endommagement et réduire la porosité résiduelle, mais pas trop pour ne pas fragiliser des régions en dehors de la zone 30 d'endommagement. Avantageusement, les courants induits sont générés dans la zone d'endommagement par un inducteur dans lequel passe un courant électrique, qui recouvre partiellement la zone et sans être en contact avec celle-ci. 35 Par exemple, l'inducteur est un tube dans lequel circule un fluide apte à refroidir ce tube. 2906172 4 La forme de l'inducteur est dictée par la géométrie de la zone d'endommagement à traiter : le tube formant l'inducteur est courbé, si nécessaire plusieurs fois, au dessus de la zone d'endommagement de façon à en recouvrir une partie plus importante, et générer ainsi un champ 5 magnétique qui créé des courants induits dans la totalité de cette zone. L'inducteur ne doit pas entrer en contact avec la pièce. En effet, si l'inducteur est en contact avec la pièce, le courant circule dans toute la pièce, ce qui va perturber le champ magnétique créé par l'inducteur, ainsi que les courants induits. La maîtrise de l'étendue de la zone chauffée par 10 les courants induits n'est ainsi pas possible dans le cas d'un contact entre la pièce et l'inducteur. Avantageusement, le chauffage de la zone d'endommagement est effectué dans une enceinte sous vide. Dans certains cas, le chauffage de la zone d'endommagement 15 est effectué à atmosphère ambiante. La zone d'endommagement étant chauffée à haute température (typiquement au dessus de 1000 C), le chauffage de la zone d'endommagement est idéalement effectué dans une enceinte dans laquelle le vide est fait, ou dans laquelle une atmosphère non oxydante 20 est maintenue (par exemple par circulation d'argon...). Le chauffage très localisé, le temps très court à haute température et la faible quantité de matière ajoutée à faire fondre permet dans certains cas de s'affranchir de l'enceinte sans diminution notable de la qualité mécanique de la réparation, car la pièce n'a pas le temps de s'oxyder (contrairement au 25 brasage ordinaire où toute la pièce doit être amenée à la température de traitement). L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se 30 réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une pièce de turbomachine comportant des défauts, la figure 2A est une section d'un des défauts, la figure 2B représente le défaut de la figure 2A avec de la matière 35 ajoutée selon l'invention, 2906172 5 la figure 3A est un exemple d'inducteur utilisé dans le procédé selon l'invention, la figure 3B est un autre exemple d'inducteur utilisé dans le procédé selon l'invention, 5 la figure 4 est une vue en perspective de la pièce de turbomachine de la figure 1 réparée avec un procédé selon l'invention en utilisant l'inducteur de la figure 3A. la figure 5 est une vue en coupe de la pièce de turbomachine et de l'inducteur, prise selon la ligne V-V de la figure 4. 10 La figure 1 représente une partie d'un distributeur basse pression 10 d'une turbomachine (moteur d'avion). La partie 10 comporte trois aubes 11, 12, 13, l'aube 12 comportant des défauts, à savoir une crique 14, et un creux 16. Le défaut et son voisinage immédiat constituent la zone d'endommagement de ce défaut. Un défaut nécessite, pour être 15 réparé, un ajout de matière. Les défauts tels que la crique 14 ou le creux 16 résultent par exemple d'impact sur l'aube 12 en service (avion en vol, au décollage ou à l'atterrissage) d'objets étrangers tels que des cailloux. La figure 2A est une section du creux 16, qui montre le manque de matière à cet endroit. La figure 2B illustre comment la matière est 20 disposée sur le creux 16 après son ajout : cette matière peut être sous forme de poudre, ou de fritté (poudre agglomérée dont les grains ont partiellement fusionnés suite à une exposition à haute pression et température). Sur la figure 2B, la matière ajoutée est une poudre 20. La pièce 10 est typiquement un métal comprenant au moins un 25 des matériaux suivant : Al, Ni, Co, Fe, un alliage de deux au moins de ces matériaux. La matière ajoutée (20) comprend au moins un des matériaux suivant : Al, Ni, Co, Fe, un fondant. Le fondant est typiquement choisi dans un groupe comprenant NiCoSiB, NiCrB, Si, B. Ainsi, la matière ajoutée et le substrat peuvent le cas échéant 30 être de même composition (brasage par induction autogène). Le procédé selon l'invention fonctionne également dans ce cas. En effet, de par sa structure en grains très fin, la poudre 20 ou le fritté se liquéfient avant que le substrat n'ait eu le temps de passer à l'état liquide. Pour combler les défauts dans le procédé de réparation selon 35 l'invention, la poudre 20 doit être amenée à l'état liquide afin de pouvoir facilement mouiller la surface du défaut, et le remplir entièrement. Le 2906172 6 volume de poudre 20 (ou du fritté) doit être supérieur au volume à combler, car il faut tenir compte des espaces entre les grains de poudre. Ainsi, la poudre 20 déborde hors du creux 16 à la périphérie 17 du creux, et, à une position donnée du creux 16, la hauteur de poudre est 5 supérieure à la profondeur du creux à cette position, de telle sorte que une partie de la poudre se situe au dessus du plan P (en pointillés sur la figure 2B) tangent à la périphérie 17 du creux. De même, la poudre 20 est disposée dans et autour de la crique 14. Dans certains cas, la poudre 20 peut être un mélange de deux 10 poudres (sous forme frittée ou non), dont une seule passe à l'état liquide lors de l'opération de brasage. La poudre 20 est amenée à l'état liquide par génération, dans cette zone, de courants induits, selon une technique connue, dont seuls les grands principes seront rappelés ci-dessous. Les figures 3A et 3B 15 montrent différents types d'inducteurs qui sont utilisés dans le procédé de réparation selon l'invention. L'inducteur est typiquement un tube, dont la première extrémité 31 et la seconde extrémité 32 sont connectées à un générateur d'induction 40. La figure 3A montre un inducteur en forme de tube 30 recourbé. Le tube 30 sort du générateur 40 par sa première 20 extrémité 31 et forme un premier "J" 301 dont l'extrémité supérieure de la grande branche est la première extrémité 31. L'autre extrémité du premier "J" 301 se recourbe sur elle-même dans un plan perpendiculaire au premier "J" 301 en décrivant un "U", puis décrit un second "J" 302 identique au premier "J" 301 et situé dans un plan parallèle au premier "J" 25 301, de telle sorte que l'extrémité supérieure de la grande branche du second "J" 302 est la seconde extrémité 32 par laquelle le tube 30 est connecté au générateur. La figure 3B montre un inducteur enroulé sur lui-même pour former des spires 35. Le générateur d'induction fait circuler dans le tube 30 ou les spires 35 un fort courant qui, de par la géométrie 30 recourbée du tube et des spires, génère un champ magnétique dans tout objet situé dans l'espace 60 entouré par le tube 30, ou dans l'espace 65 entouré par les spires 35 ou situé immédiatement sous les spires 35 le long de l'axe qu'elles entourent. Le champ magnétique génère dans cet objet des courants induits (courants de Foucault). Ces courants échauffent 35 l'objet jusqu'à une température d'autant plus élevée que le courant est plus fort. Le champ magnétique créé est proportionnel, entre autres, au 2906172 7 nombre de spires de l'inducteur. L'inducteur ne doit pas entrer en contact avec l'objet. Typiquement la distance entre l'inducteur et l'objet doit être de quelques centimètres. Dans certains cas, la géométrie de la pièce ne permet pas d'utiliser un inducteur possédant plusieurs spires, car celles-ci 5 entreraient en contact avec la pièce : par exemple lorsque les défauts se situent sur le bord de fuite d'une aube (figure 4), les spires pourraient toucher les aubes adjacentes. L'inducteur ne possède alors que deux spires, une destinée à être au-dessus de l'aube et une destinée à être en dessous de l'aube (figure 3A). 10 Idéalement, un fluide, par exemple de l'eau, circule à l'intérieur du tube 30 afin d'éviter un chauffage excessif de ce dernier. Sur la figure 4, l'aube 12 est positionnée par rapport au tube 30 de telle sorte que la crique 14 et le creux 16, sur lesquels la poudre 20 a été préalablement disposée, se trouvent dans l'espace 60 situé entre les 15 deux parties en forme de "J" du tube 30. La figure 5 montre le positionnement du tube 30 par rapport à l'aube 12. Ainsi, les courants induits chauffent la partie de l'aube 12 où se situent la crique 14 et le creux 16, jusqu'à une température à laquelle la poudre est à l'état liquide, et vient combler la crique 14 et le creux 16. Cette température, par 20 exemple de 1200 C pour certains alliages considérés, est typiquement atteinte au bout de quelques minutes. La pièce 10 peut alors être écartée de l'inducteur pour permettre à celle-ci de refroidir. La pièce doit ensuite être usinée et polie pour enlever les surplus de matière et obtenir un état de surface lisse. 25 Les essais ont montré que les contraintes résiduelles induites dans la pièce étaient beaucoup plus faibles que celles crées dans une pièce réparée en utilisant les techniques de brasage ordinaire ou de soudage. Le procédé a été décrit tel qu'il peut être appliqué à une aube 30 d'un distributeur basse pression. Le procédé selon l'invention peut de façon similaire être appliqué à une aube d'un distributeur haute pression, ou à toute autre partie d'une turbomachine. La possibilité de mettre en forme l'inducteur permet de traiter toutes les parties d'une pièce (même celles difficiles d'accès), quelle que 35 soit sa géométrie. Pour chauffer une zone d'endommagement plus étendue (formée d'un seul défaut ou de plusieurs défauts), on peut 2906172 8 augmenter la taille des spires de l'inducteur. Ceci permet notamment de réparer simultanément plusieurs défauts, ce qui n'est pas réalisable par soudage, le chauffage étant alors trop localisé. Dans le cas où la pièce comprend plusieurs défauts éloignés les uns des autres, ou un défaut de 5 superficie étendue (on a alors une zone d'endommagement étendue), il est possible de déplacer manuellement ou automatiquement l'inducteur de façon à couvrir toute la zone et ainsi à faire fondre la matière ajoutée sur toute la zone. Par ailleurs, cette flexibilité du procédé selon l'invention permet 10 son intégration dans une ligne de maintenance et de réparation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réparation d'une pièce (10) de turbomachine caractérisé en ce qu'il comprend l'ajout de matière (20) sur une zone d'endommagement constituée d'un défaut (14, 16) et du voisinage immédiat de ce défaut, et le chauffage de ladite zone d'endommagement par génération, dans cette zone, de courants induits aptes à faire passer ladite matière ajoutée (20) au moins partiellement à l'état liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courants induits sont générés dans ladite zone d'endommagement par un inducteur dans lequel passe un courant électrique, qui recouvre partiellement ladite zone et sans être en contact avec celle-ci. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit inducteur est un tube (30, 35) dans lequel circule un fluide apte à refroidir 15 ledit tube. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un distributeur basse pression. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un distributeur haute pression. 20 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de la zone d'endommagement est effectué dans une enceinte sous vide. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de la zone d'endommagement est effectué à atmosphère 25 ambiante. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matière ajoutée est une poudre (20). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matière ajoutée est un fritté. 30 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la matière ajoutée (20) est apte, une fois chauffée, à combler le défaut (14, 16). 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite pièce (10) est un métal comprenant au moins un des matériaux 35 suivant : Al, Ni, Co, Fe, un alliage de deux au moins de ces matériaux, et 2906172 10 en ce que la matière ajoutée (20) comprend au moins un des matériaux suivant : Al, Ni, Co, Fe, un fondant. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit fondant est choisi dans un groupe comprenant NiCoSiB, NiCrB, Si, B. 5