Brevet FR2930184A1 — publié le 20091023

Procédé de grenaillage par ultrason de pièces de turbomachines La présente invention concerne un procédé de traitement et de mise en compression de surfaces comprenant des zones d'accès difficile telles que des crochets d'aubes de turbomachine comprenant une gorge entre le crochet et le pied de l'aube ou bien des jantes de disques de turbine comprenant une rainure. Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, les crochets de retenue axiale des aubes dans le logement de ces dernières sur un disque de turbine et les jantes des disques de turbine comprenant une rainure radiale de retenue axiale des aubes sont fortement sollicitées. Les crochets d'aubes subissent un fort niveau de contraintes statiques, quant aux rainures des disques, il existe des problèmes de contact et d'usure entre le disque et le flasque appliqué contre la face du disque. Actuellement, pour améliorer leurs performances mécaniques, ces pièces sont traitées en surface, par grenaillage classique, afin d'en améliorer leur résistance à la fatigue et à la corrosion. L'opération de grenaillage de précontrainte est un traitement mécanique destiné à améliorer les propriétés d'une pièce métallique par durcissement superficiel. Il est fondé sur la transformation structurelle des matériaux. Le procédé classique consiste à mettre les pièces mécaniques sous compression superficielle, par la projection de petites billes d'acier, de verre ou de céramique. Cette opération de microbillage crée une zone comprimée qui est le siège de contraintes internes de compression par lesquelles la résistance est augmentée. Selon un exemple de grenaillage classique, on martèle la surface par projection de billes d'acier BA 315 (bille d'acier de diamètre 0,315mm) avec une intensité F15A (suivant l'indice Almen). On utilise un flux gazeux, produit par détente au travers d'une buse, puis on déplace la buse, parallèlement à la surface de la pièce, ou bien la pièce par rapport à la buse, pour couvrir la surface à traiter. Compte tenu de la difficulté d'accessibilité de certaines zones, ce type de grenaillage ne peut se réaliser dans des conditions optimales. En effet, le jet de grenaillage ne peut être dirigé de façon directe sur la surface et le grenaillage se réalise par rebond, dans le meilleur des cas. Le grenaillage par rebond est beaucoup moins efficace car les billes arrivent à la surface avec une énergie cinétique plus faible. Aussi, dans certains cas, le niveau de compression n'est pas suffisant pour traiter la surface de la pièce. En outre, le grenaillage classique ne donne pas l"assurance d'un bon recouvrement des zones d'accès difficile telles que les gorges d'aubes ou bien les rainures des disques. L'utilisation du procédé de mise en compression par choc laser n'est pas non plus applicable à ces zones. En effet, ces zones étant masquées, elles ne sont pas accessibles au faisceau laser. Le traitement par choc laser, est un procédé qui vise à générer des ondes de choc plastifiantes dans un matériau, afin d'en améliorer également ses propriétés de surface. Les ondes de choc sont obtenues en focalisant sur la surface du matériau une impulsion laser très intense (GW/cm2) en présence d'un milieu de confinement sur des très courtes durées (quelques nanosecondes). Le traitement est susceptible d'induire des contraintes résiduelles de compression sur des épaisseurs atteignant plusieurs centaines de micromètres et ce, sur une grande variété de matériaux, en particulier pour les applications qui intéressent le domaine des aciers, des alliages d'aluminium ou du titane. Le traitement permet l'amélioration des propriétés de surface, comme la résistance à la fatigue, à l'usure ou encore à la corrosion. Un des intérêts de cette technique réside dans le fait que les états de surface des pièces sont peu modifiés. Le déposant s'est fixé comme objectif de traiter des surfaces présentant des zones d'accès difficile de pièces de moteur à turbine à gaz en utilisant le procédé de grenaillage par ultrason. Le procédé de grenaillage par ultrason permet de mettre en compression et, ainsi, de durcir les couches superficielles de matériaux métalliques, le but de cette technique étant d'améliorer la durée de vie des pièces. Le procédé consiste à mettre en vibration une sonotrode, à des fréquences proches de la fréquence ultra sonore, par l'intermédiaire d'éléments acoustiques, reliés à un générateur. Des billes de différentes natures sont propulsées vers le matériau devant être grenaillé, par l'intermédiaire de la sonotrode. Afin de palier les inconvénients des procédés classiques de traitement de surface sur les zones d'accès difficile, l'invention consiste à appliquer le procédé de grenaillage par ultrasons sur lesdites zones, de type gorges d'aubes ou gorges, pour lesquelles des procédés tels que le grenaillage classique ou bien le choc laser ne permettent pas un recouvrement complet de la surface. Conformément à l'invention, le procédé de grenaillage par ultrasons, au moyen d'un brouillard de billes mises en mouvement au contact d'une sonotrode, d'une surface métallique comprenant une zone d'accès difficile est caractérisé par le fait que la surface comprenant une gorge et une portion de surface extérieure à ladite gorge, le brouillard de billes est contenu dans une enceinte englobant ladite surface. Avantageusement, l'application du procédé donne la possibilité d'une mise en compression plus profonde dans les zones d'accès difficile et, par conséquence, permet l'amélioration de la tolérance aux dommages (fatigue, fretting,..). Le procédé de grenaillage vise des pièces réalisées avec un matériau du groupe acier, alliage de titane ou superalliage à base de nickel ou des aluminiums 20 L'avantage de l'application du procédé est la possibilité d'obtenir un recouvrement complet, ainsi qu'un meilleur état de surface, avec l'absence de replis de matière dans les angles. Un autre avantage réside dans le fait que ce procédé est très répétitif. 25 L'invention présente un intérêt quand ladite gorge a une largeur comprise entre 1,5 mm et 10 mm et une profondeur comprise entre 1,5 mm et 20 min. On utilise plus particulièrement des billes présentant les caractéristiques 30 suivantes : Elles ont un diamètre inférieur ou égal à 2,5 mm et une masse supérieure ou égale à 0,5 g, et un diamètre compris entre 300 p.m et 2,5 mrn Ce sont des billes de roulement en acier avec un faible teneur 35 carbone, et l'amplitude de vibration de la sonotrode est supérieure ou égale à 20 �m. De préférence le temps de traitement est compris entre 5 et 200 secondes. 40 La sonotrode forme une portion de la paroi de l'enceinte.15 L'invention présente un intérêt particulier quand il est appliqué au traitement de surface d'un crochet de retenue axiale d'une aube de turbomachine, ladite surface étant celle du crochet et de la gorge ménagée entre le crochet et le pied de l'aube ou encore appliqué au traitement de surface d'une partie de jante de disque de turbomachine comprenant une gorge circonférentielle et une portion de surface extérieure à la gorge. On connaît le brevet FR2816538 qui décrit un procédé pour augmenter la durée de vie des attaches d'aubes sur un rotor de turbine mettant en oeuvre un grenaillage par ultrasons des rainures et des pieds d'aubes. Le grenaillage est effectué avec une flèche Almen au moins égal à F8A afin d'augmenter la précontrainte de compression des surfaces en contact sans augmenter la rugosité. Les billes sont projetées par la percussion d'une sontrode mise en vibration et contenues dans une enceinte formée par la rainure annulaire ou axiale, la sonotrode étant introduite dans l'embouchure de celle-ci et deux oreilles recouvrant les ouvertures latérales. L'accessibilité des zones à traiter n'est pas en question dans l'enseignement de ce brevet puisque les rainures de logement des aubes permettent la formation d'enceintes avec leur paroi. Le brevet FR 2873609 porte sur le grenaillage par ultrasons et l'utilisation de projectiles permettant d'obtenir une intensité de traitement suffisante sur des surfaces concaves présentant un rayon de courbure plus faible que celui des projectiles. Les projectiles ont une dureté et une densité toutes deux élevées tout en étant de faible dimension et leur utilisation permet de traiter des zones difficilement accessibles avec les projectiles conventionnels ayant de faibles rayons de courbure. Ces projectiles sont capables d'acquérir une énergie cinétique suffisamment grande pour générer le niveau de contraintes souhaité dans la pièce. Ce brevet décrit plusieurs réalisations d'enceintes adaptées à la configuration des surfaces à traiter. Cependant son enseignement ne comprend pas le traitement de pièces présentant une partie avec une gorge de faible ouverture. On comprendra mieux les buts, aspects, et avantages de la présente invention, à la lecture de la description donnée, ci-après, des différents modes de réalisation. Ceux ci sont présentés à titre d'exemples, non limitatifs. Les dessins annexés sont décrits ci-dessous : La figure 1 représente schématiquement un crochet d'aube de turbomachine. La figure 2 représente la schématisation des zones d'analyse de contraintes par diffraction X. La figure 3 montre le profil des contraintes obtenu par grenaillage classique, sur la zone A d'analyse de la figure 2, avec en abscisse la profondeur en microns et en ordonnée la valeur de la contrainte résiduelle en MPa. La figure 4 montre l'outillage permettant le grenaillage par ultrasons de crochets d'aubes. La figure 5 montre le profil des contraintes obtenu par le grenaillage ultrasons, sur la zone d'analyse A de la figure 2. La figure 6 montre une application du procédé à une gorge de disque. Les figures 7 et 8 montrent une enceinte de traitement de l'intérieur de la gorge du disque de la figure 6, vue respectivement de profil et de face. Dans un turboréacteur, les disques de rotors comprennent une jante, à la périphérie de laquelle est montée une pluralité d'aubes amovibles. Les aubes sont montées dans une rainure axiale en queue d'aronde, usinée dans la jante, et un pied, également en queue d'aronde, usiné à la base de l'aube, l'assemblage s'effectuant par l'emboitement du pied clans la rainure. Les pieds d'aubes sont emboités dans les rainures par coulissement, avec un jeu limité. Les pieds sont immobilisés par l'intermédiaire des crochets coopérant avec un jonc transversal disposé entre le pied de l'aube et le crochet. Ainsi, les gorges contiennent le mouvement axial des pieds d''aube. Une plateforme, surmontant le pied de l'aube, délimite la veine de gaz. La figure 1 présente la géométrie concernée par application du procédé de l'invention. La surface à traiter comprend l'intérieur de la gorge 5 formée entre le crochet 20 et le pied 13 de l'aube ainsi que la portion de surface 7 extérieure adjacente. Elle est constituée d'une zone 5 en forme de U renversé. La largeur de cette zone varie entre 1,5 mm et 10 mm, et la profondeur varie entre 1,5 mm et 20 mm. La surface à traiter comprend également la portion de surface 7 extérieure à la gorge 5. Les crochets sont fortement sollicités; le fort niveau de contraintes statiques sur lesdits crochets peut entraîner des problèmes de casse et d'usure. La figure 4 montre l'outillage développé pour permettre le grenaillage par ultrason des crochets. L'aube 10 comprend, schématiquement une pale 11, un pied 13, à section par exemple en queue d'aronde, et éventuellement une échasse. Une plateforme est interposée entre le pied 13 et la pale 11. L'outillage 30 comporte une plaque de support avec une surface vibrante 32 et une sonotrode, excitée par des moyens de production ultrasonores, non montrés sur les dessins. Ladite surface vibrante constitue la paroi active d'une enceinte 25. Dans ce volume définie par les parois 31, sur un côté de la surface vibrante 32 de l'enceinte, on aménage une ouverture 26, par laquelle on a introduit le crochet 20 de l'aube 10. L'ouverture 26 est obturée par la face du pied de l'aube avec le crochet. Le crochet 20 est ainsi inclus dans l'enceinte. La gorge 5 et la portion de surface 7 adjacente et extérieure à la gorge sont comprises dans l'enceinte. La gorge a ici une largeur de 3,2 mm et d'une profondeur de 7,26 mm. La surface vibrante 32 est située à faible distance du crochet 20. Elle est plus large que la gorge 5 et voit au moins en partie la portion de surface du extérieure à la gorge 5. Des billes 2, d'un diamètre de 1,5 mm, sont introduites dans l'enceinte 25 à travers l'ouverture 12. Lorsque la surface vibrante 32 est soumise à des oscillations ultrasonores par la sonotrode, il se crée un brouillard de billes dans l'enceinte 25. Les billes sont propulsées vers le crochet 20, percutant la paroi de ladite gorge 5 et la portion de surface adjacente 7. La fréquence des ondes ultrasonores, les dimensions de la surface vibrante 32, ainsi que le diamètre, la matière et la masse des billes sont choisis de telle sorte que la zone de la gorge du crochet mais aussi la portion de surface extérieure à la gorge soit grenaillée de manière homogène pendant un temps très court. Dans l'exemple ci-dessus les paramètres retenus, après la mise au po:Lnt du 5 grenaillage par ultrasons, avec l'outillage sont repris dans le tableau suivant : Condition Type des Billes 1000601, 50 mm Masse des Billes 2,00 g Amplitude 120�m Temps de traitement 75 secondes Taux de recouvrement > 125 ° ~- Un avantage non négligeable du grenaillage par ultrasons est que sa mise 10 en oeuvre ne nécessite qu'une faible quantité de billes. On peut donc, dans le cas présent, utiliser des billes de haute qualité telles que des billes de roulement en acier avec. Ces billes ont une dureté plus élevée que les billes en carbure de tungstène. Les billes de roulement en acier ne se cassent pas, elles sont parfaitement sphériques, et par conséquent ne produisent pas 15 d'an-êtes vives susceptibles d'augmenter la rugosité de la surface de la pièce grenaillée. Le temps de grenaillage est déterminé en fonction du taux de recouvrement, le taux de recouvrement étant le rapport entre la surface 20 impactée et la surface totale exposée au grenaillage. Nous remarquons que pour un taux de recouvrement correspondant à 125 %, le temps de grenaillage est de 75 secondes. 25 La mise au point du grenaillage par ultrason a été réalisée sur un crochet 20, sur une zone d'une largeur de 3.2 mm et d'une profondeur de 7,26 mm. Les paramètres utilisés pour le procédé étaient les suivants: diamètre des billes entre 300�m et 2,5mm, avec une masse située entre 0,5 et 5 grammes, une amplitude comprise entre 20 et 5001_tm, et avec un temps de traitement variant entre 5 à 200 secondes. Tel qu'on le voit sur la figure 2, des mesures de contraintes ont été réalisées sur les zones A et B du pied de l'aube comprenant de la gorge 20. La zone A est formée d'un volume du pied 13 délimité par la surface latérale de la gorge 5 et la zone B est formée d'un volume du pied 13 délimité par le fond de la gorge 5. Ces mesures ont été réalisées pour déterminer les contraintes résiduelles en profondeur par diffraction X. Le résultat en terme de profil de contraintes obtenu par grenaillage classique BA 315 (bille en acier de diamètre 0,315 mm) et d'intensité F15A (suivant l'indice Almen) est montré sur la figure 3. La figure 5 montre le profil des contraintes obtenu par grenaillage ultrason, objet de l'invention, dans la zone 2 du crochet 20 représenté en figure 2. Si on compare les résultats obtenus par grenaillage classique (figure 3) avec ceux obtenus par grenaillage ultrason (figure 5), dans la zone A de la surface traitée, on observe des niveaux de contraintes similaires. Par contre, le grenaillage par ultrasons permet d'obtenir des contraintes sur une profondeur beaucoup plus importante (notamment dans un rapport de 100% par rapport au grenaillage classique). Sur les zones A et B de la figure 2, des analyses MEB ont été réalisées afin de vérifier le recouvrement obtenu par le grenaillage ultrasonore. L'analyse MEB permet d'obtenir une image réfléchie de l'échantillon (agrandie jusqu'à 100 000 fois ou plus), mettant en évidence des détails impossibles à déceler autrement. Les résultats de cette analyse montrent un recouvrement complet dans les zones A et B du crochet 20, l'absence de stries résiduelles, ainsi que l'absence de replis formés par les impacts. 35 Selon une autre application du procédé de l'invention, on traite par grenaillage par ultrasons des surfaces en périphérie de disques de turbine sur la jante à proximité d'une face et comprenant une rainure, pour30 lesquelles les procédés de grenaillage classique, ou bien par choc laser, ne sont pas applicables. Un tel exemple est montré sur les figures 6, 7 et. 8. Un disque de turbomachine 40, réalisé avec un matériau du groupe acier, alliage de titane ou superalliage à base de nickel, comprend une jante 41. Des alvéoles 42 axiaux sont usinés dans la jante et reçoivent les pieds des aubes, non représentées. A la périphérie de la jante, sur les deux faces, le disque comprend deux gorges radiales 55 d'ouverture tournée vers l'axe du disque 40. Les gorges servent de logement à des plaques, non représentées, d'étanchéité et ou de fermeture des alvéoles après qu'elles ont été introduites dans leur logement. Dans la pratique, ce type de rainure présente une largeur de l'ordre de 2 mm : par exemple 1,85 et 2,1 mm, Leur profondeur étant alors de 2, 65 et 3,4 mm. On traite la surface comprenant la gorge 55 et la portion de surface 57 adjacente et en dehors de cette rainure de la même façon que la surface des crochets. Sur les figures 7 et 8 on a représenté de façon schématique la réalisation d'une enceinte 65 enfermant la surface 50 définie par la portion de surface 57 et la gorge 55 entre deux alvéoles par exemple. Des cloisons 61 et 62 délimitent une partie de l'enceinte et des cloisons radiales 67 transversale par rapport à la rainure sont rapportées pour terminer l'enceinte 65. Une sonotrode 63 est ménagée sur une paroi de l'enceinte à proximité de la gorge 55 et met en mouvement des billes quand elle activée.25 Revendications1. Procédé de grenaillage par ultrasons, au moyen d'un brouillard de billes mises en mouvement au contact d'une sonotrode, d'une surface métallique comprenant une zone d'accès difficile caractérisé par le fait que la surface (20, 50) comprenant une gorge (5, 55) et une portion de surface (7, 57) extérieure à ladite gorge, le brouillard de billes est contenu dans une enceinte (25, 65) englobant ladite surface. 2. Procédé de grenaillage selon la revendication 1 dont ladite gorge ( 5, 55) a une largeur comprise entre 1,5 mm et 10 mm et une profondeur comprise entre 1,5 mm et 20 mm. 3. Procédé de grenaillage selon la revendication 1 ou 2, selon lequel on utilise des billes ayant : a. un diamètre inférieur ou égal à 2,5 mm. b. une masse supérieure ou égale à 0,5 g. 4. Procédé selon la revendication précédente dont l'amplitude des déplacements des billes est supérieure ou égale à 20 �m. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le temps de 25 traitement est compris entre 5 et 200 secondes. 6. Procédé de grenaillage selon la revendication 1, dont les billes (13) ont un diamètre compris entre 300 �m et 2,5 mm. 30 7 . Procédé de grenaillage selon la revendication 1, dont les billes sont des billes de roulement en acier ou des bit les en carbure de tungstène. 8. Procédé selon la revendication précédente dont la sonotrode forme 35 une portion de la paroi de l'enceinte (25, 65). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes appliqué au traitement de surface d'un crochet (20) de retenue axiale d'une aube de turbomachine, ladite surface étant celle du crochet et de la gorge 40 ménagée entre le crochet et le pied de l'aube. 20 5 10.Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 appliqué au traitement de surface (50) d'une partie de jante de disque de turbomachine comprenant une gorge circonférentielle (55) et une portion de surface extérieure à la gorge (57). 11.Procédé de grenaillage selon l'une des revendications précédentes, dont les pièces à traiter sont réalisées avec un matériau du groupe acier, alliage de titane ou superalliage à base de nickel. ou des aluminiums 10