Brevet FR2956599A1 — publié le 20110826

La présente invention concerne un procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé monobloc. Dans plusieurs domaines dont le domaine de l'aéronautique ou du spatial, la réduction de masse est un des facteurs principaux d'amélioration de performance et de coût d'exploitation. Cette réduction est par exemple recherchée pour les disques de turboréacteur. Ce disque, ou anneau aubagé, se compose d'un anneau et de pales (également appelées aubes) qui s'étendent radialement depuis la périphérie de cet anneau. Une solution pour réduire la masse du disque consiste à renforcer l'anneau par un élément en matériau composite à matrice métallique. Ce matériau composite est constitué d'une matrice à base d'alliage métallique renforcée par des fibres, souvent des fibres céramiques. Un tel matériau composite possède, dans le sens des fibres, une grande rigidité et résistance mécanique, ce qui permet de réduire de manière très significative la masse du disque par rapport à un disque sans renforcement. La fabrication d'un anneau aubagé renforcé par un élément en matériau composite à matrice métallique comprend, de façon connue, une étape de compaction des fibres et de la matrice métallique dans un conteneur, ce conteneur étant destiné à constituer le reste de l'anneau. Par exemple, chaque fibre est au préalable enrobée d'un revêtement métallique, l'ensemble de ces revêtements métalliques étant destiné à former la matrice métallique. Cette compaction permet de réduire les espaces entre les fibres, et de réaliser un soudage par diffusion entre la matrice métallique et les fibres, et entre la matrice métallique et le conteneur. Le matériau du conteneur est en général métallique. La compaction est réalisée par un cycle thermomécanique en autoclave comprenant simultanément un cycle en température et un cycle en pression. Le cycle de température est constitué d'une montée, d'un maintien et d'un refroidissement. Lors du refroidissement, la vitesse de refroidissement ne doit pas être trop rapide (par exemple pas supérieure à 10°C/minute) car elle introduirait des contraintes résiduelles supplémentaires dans l'anneau aubagé déjà fortement contraint en raison du différentiel de coefficient de dilatation entre les fibres et la matrice métallique. Après la phase de compaction, il n'est plus possible de réaliser d'autres étapes thermomécaniques sur l'anneau aubagé. Ainsi, la structure de la matrice métallique et la structure du matériau de l'anneau aubagé hors l'élément en matériau composite à matrice métallique (il s'agit de sa structure métallurgique lorsque ce matériau est métallique) sont figées en fin de refroidissement de la phase de compaction. Les propriétés mécaniques de l'anneau aubagé sont donc figées également. On comprend que le cycle thermomécanique de la phase de compaction de l'anneau aubagé est défini pour répondre, en premier lieu, aux spécifications de consolidation de l'élément en matériau composite à matrice métallique. En revanche, ce cycle thermomécanique n'optimise pas les propriétés mécaniques de l'anneau aubagé, et en particulier celles des pales. En effet, les faibles vitesses de refroidissement lors de la phase de compaction sont pénalisantes vis à vis des propriétés de traction et de fatigue vibratoire de l'anneau aubagé. On connaît par le document EP 1,920,870 un procédé selon lequel un anneau renforcé par un élément en matériau composite à matrice métallique est fabriqué séparément d'un ensemble de pales. Ces pales sont ensuite fixées sur l'anneau par friction inertielle. Ainsi les propriétés mécaniques des pales et de l'anneau sont optimisées, puisque chacun peut être fabriqué séparément selon une gamme de fabrication optimale. Dans le procédé de soudage par friction inertielle, les pales sont positionnées radialement autour de l'anneau sans le toucher, et l'anneau est mis en rotation autour de son axe de révolution. Les pales sont ensuite rapprochées de l'anneau en direction du centre de l'anneau de telle sorte que la direction longitudinale de chacune des pales est parallèle à la direction radiale locale de l'anneau jusqu'à ce que le pied de chacune des pales entre en contact avec la surface de l'anneau. Le mécanisme d'entrainement en rotation de l'anneau est alors stoppé (ou dissocié de l'anneau) de telle sorte que l'anneau est en rotation libre. Les pales sont appuyées sur l'anneau de telle sorte que des efforts de friction des pales sur l'anneau sont générés. Ces efforts freinent l'anneau jusqu'à son arrêt, et génèrent suffisamment de chaleur pour souder le pied de chacune des pales sur l'anneau. Cependant, le procédé décrit dans le document EP 1,920,870 n'est pas utilisable avec des pales creuses, car, lors de la friction des pales sur l'anneau de la matière s'accumule sous forme de bourrelets à l'intérieur des pales. Ces bourrelets sont préjudiciables aux performances de l'anneau aubagé, et doivent être enlevées. Cependant, leur localisation rend leur enlèvement difficile et coûteux, voir impossible. De plus, dans le procédé décrit dans le document EP 1,920,870, la chaleur et les contraintes mécaniques générées par la friction entre la totalité des pales et l'anneau est considérable. Afin de minimiser la déformation des pales lors du soudage par friction inertielle, il est nécessaire de rigidifier les pales en leur donnant une section plus importante que leur section finale. En outre, afin de minimiser la déformation de l'anneau, il est également nécessaire de donner à l'anneau une épaisseur plus importante que son épaisseur finale. Cette matière supplémentaire sur les pales et sur l'anneau doit ensuite être enlevée par usinage, ce qui conduit à une perte de matière et à des temps de fabrication plus longs. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé qui permette de fixer des pales sur un anneau renforcé par un élément en matériau composite à matrice métallique en minimisant la quantité de métal utilisé, et qui soit applicable également à des pales creuses. Ce but est atteint grâce au fait que le procédé comprend les étapes suivantes : (a) on réalise un anneau comprenant un élément en matériau composite à matrice métallique avec un renforcement, (b) on fabrique au moins une pale, (c) on fixe ladite au moins une pale sur la surface radialement externe dudit anneau par friction linéaire avec un mouvement de translation alternatif relatif de ladite au moins une pale par rapport audit anneau, de façon à souder le pied de ladite au moins une pale sur ledit anneau. Grâce à ces dispositions, outre le fait que chaque pale est fabriquée par un procédé pour lequel le cycle thermomécanique peut être optimisé vis à vis des propriétés mécaniques de cette pale, la quantité de matière supplémentaire à prévoir sur l'anneau et sur chaque pale pour pallier des déformations durant le soudage est minimisée, car la chaleur générée par la friction des pales sur l'anneau est moins importante. De plus, le procédé selon l'invention est applicable à des pales creuses, car, la chaleur générée étant moins importante, il ne se produit plus ou peu d'accumulation de matière à l'intérieur de la pale. 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 réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique de la fixation d'une pale sur un anneau selon le procédé de l'invention, la figure 2 est une vue en perspective et en coupe d'un anneau aubagé monobloc obtenu par le procédé selon l'invention, û la figure 3 est un grossissement de la région R de la figure 2. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un anneau 10 d'axe principal A. Cet anneau 10 est par exemple destiné à devenir un disque de turbomachine aéronautique. Cet anneau 10 est conique, c'est-à-dire que la surface radialement externe 11 de l'anneau 10 forme un tronc de cône. Le principe du soudage par friction linéaire est donné ci-après. Une pale 20 est approchée d'une partie 111 de la surface radialement externe 12 de l'anneau 10 de telle sorte que la face inférieure du pied 21 de la pale 20 vient en contact avec la partie 111. Simultanément, la face inférieure du pied 21 de la pale 20 est animée d'un mouvement de translation alternatif parallèlement à la partie 111. Ainsi, la face inférieure du pied 21 de la pale 20 frotte en un mouvement de va-et-vient contre la partie 111 de la surface radialement externe 12 de l'anneau 10 qui est immobile. La pression avec laquelle la face inférieure 21 est appuyée contre la surface radialement externe 12 de l'anneau 10, perpendiculairement à cette surface, et la vitesse relative des surfaces en contact est suffisante pour fusionner la face inférieure du pied 21 de la pale 20 et la surface radialement externe 12 de l'anneau 10 de telle sorte qu'après arrêt de ce mouvement relatif et refroidissement de la pale 20 et de l'anneau 10, la pale 20 et l'anneau 10 ne forment plus qu'un seul bloc. Avantageusement, comme représenté sur la figure 1, le mouvement de translation de la pale 20 par rapport à la surface radialement externe 11 de l'anneau 10 s'effectue sensiblement selon l'axe B de pale qui relie le bord d'attaque 22 au bord de fuite 23 de la pale 20 au niveau du pied 21 de l'aube. L'axe B de pale est orienté selon une direction circonférentielle de façon à former un angle avec la génératrice G du cône qui traverse la partie 111 de la surface radialement externe 12 de l'anneau 10. D'une manière générale, le mouvement de translation de la pale 20 par rapport à la surface radialement externe 11 de l'anneau 10 s'effectue parallèlement à un axe faisant un angle au moins égal à 45° par rapport à l'axe D qui est perpendiculaire au plan P défini par l'axe B de pale qui relie le bord d'attaque 22 au bord de fuite 23 de la pale 20 au niveau de son pied 21 et par l'axe longitudinal L de la pale 20. L'axe longitudinal L est l'axe qui relie le centre du pied 21 de la pale 20 à la tête de la pale 20. Ainsi, le plan P est le plan moyen d'extension de la pale au voisinage de son pied 21. Alternativement, le mouvement de translation de la pale 20 par rapport à la surface radialement externe 11 de l'anneau 10 s'effectue sensiblement selon la génératrice G du cône qui traverse la partie 111. Le soudage par friction linéaire d'une pale 20 sur un anneau 10 peut être répété successivement pour plusieurs pales réparties autour de l'anneau 10 jusqu'à ce que le nombre de pales souhaité soit fixé sur l'anneau 10. Un avantage de cette méthode est que le positionnement relatif d'une pale 20 par rapport à l'anneau 10 est plus facile à réaliser de façon précise pale par pale que toutes les pales simultanément. Alternativement, plusieurs pales 20 peuvent être réparties autour de l'anneau 10 et positionnées radialement de telle sorte que la surface inférieure 21 de chacune des pales 20 touche la surface radialement externe 11 de l'anneau 10. Les pales 20 sont alors frottées simultanément contre cette surface radialement externe 11 en étant animées d'un mouvement de translation alternatif comme expliqué ci-dessus, jusqu'à ce qu'elles soient toutes fusionnées avec l'anneau 10. Ce procédé permet de gagner du temps par rapport à des fixations successives des pales 20 sur l'anneau 10. Dans le procédé selon l'invention, l'anneau 10 et les pales 20 ont un volume au début du procédé plus important que leur volume à l'issue du procédé. En effet, il est nécessaire de prévoir de la matière supplémentaire sur l'anneau 10 et sur les pales 20, spécialement au niveau des pieds des pales 20, d'une part pour pouvoir fusionner chaque pale 20 sur l'anneau 10, d'autre part pour donner à chaque pale 20 une rigidité suffisante pour qu'elle ne se déforme pas sous l'effet du frottement sur l'anneau 10. Cependant, même dans le cas d'une fusion simultanée de toutes les pales 20 sur l'anneau 10, cette quantité de matière supplémentaire nécessaire est moins importante que dans le cas d'un soudage par friction inertielle. En effet, la vitesse relative des pales 20 par rapport à l'anneau 10 est plus faible que dans le cas d'un soudage par friction inertielle. De plus les pales 20 se déplacent par rapport à l'anneau 10 parallèlement à un axe faisant un angle au moins égal à 45° par rapport à l'axe D qui est perpendiculaire au plan P qui est le plan moyen d'extension de la pale au voisinage de son pied 21 (voir ci-dessus et figure 1). Ainsi, les efforts de flexion auxquels la pale 20 est soumise agissent selon une direction qui n'est pas trop éloignée de l'axe B, et ces efforts déforment donc beaucoup moins la pale 20 que lorsqu'elle se déplace par rapport à l'anneau 10 sensiblement perpendiculairement à l'axe B comme dans le cas d'un soudage par friction inertielle. De plus, dans le cas où la pale 20 est creuse, l'accumulation de matière à l'intérieur de la pale 20 qui est générée par le frottement de la pale 20 sur l'anneau 10 est minimisée. Ainsi, le gain en coût générée par cette réduction de la quantité de matière supplémentaire est de l'ordre de 30 à 50%. Dans tous les cas, la matière supplémentaire est usinée de façon à donner à la surface externe 11 de l'anneau 10 et à la région du pied de chaque pale 20 sa forme aérodynamique finale. Cet usinage est effectué après soudage de toutes les pales 20 sur l'anneau 10. La figure 2 montre un anneau aubagé 1 monobloc réalisé selon le procédé de l'invention. Les pales 20 sont fixées sur l'anneau 10. L'anneau 10 est renforcé par un élément en matériau composite 30 à matrice métallique, le renfort du matériau composite étant noyé dans cette matrice métallique. La figure 3 est un grossissement d'une région quelconque R de l'élément en matériau composite 30. On distingue la matrice métallique 32 dans laquelle sont noyées des fibres de céramique 35 qui joue le rôle de renfort fibreux. Les fibres peuvent également être dans un matériau autre qu'une céramique. Alternativement, le renforcement peut être particulaire. Dans certains cas, le matériau de l'anneau 10 hors l'élément en matériau composite 30 est un métal identique au métal de la matrice métallique 32. Ainsi, lors de la fabrication, la matrice métallique 32 fusionne avec le reste de l'anneau 10 de telle sorte que l'adhésion entre l'élément en matériau composite 30 et le matériau de l'anneau 10 qui l'entoure est optimale. Dans certains cas, le matériau de l'anneau 10 hors l'élément en matériau composite 30 est identique au matériau de la pale 20 (ou des pales) sont identiques. Alternativement, le matériau pour les pales 20 peut être différent de celui de l'anneau 10. Par exemple, on peut utiliser pour les pales un premier matériau présentant de bonnes propriétés en fatigue vibratoire, et utiliser pour l'anneau un second matériau optimisé vis à vis des propriétés de traction et de fatigue oligocyclique. Le premier matériau et le second matériau sont aptes à être soudé par friction linéaire entre eux. Le procédé selon l'invention permet d'ajouter une pale sur l'anneau dans le cas où une pale est endommagée et doit être remplacée, ce qui n'est pas possible avec les procédés selon l'art antérieur. Le procédé selon l'invention a été décrit dans le cas où l'anneau est de forme conique. Ce procédé s'applique également à des anneaux d'autres formes, par exemple de forme cylindrique. Ce procédé s'applique également au cas où la totalité de l'anneau 10 est en matériau composite à matrice métallique. Dans la description ci-dessus, le mouvement de translation alternatif de la pale 20 par rapport à l'anneau 10 pour réaliser le soudage de la pale 20 sur l'anneau 10 est réalisé en maintenant l'anneau 10 immobile et en déplaçant la pale 20. Dans le procédé selon l'invention, ce soudage peut également être réalisé en maintenant la pale 20 immobile et en déplaçant l'anneau 10. Avantageusement, entre les étapes (b) et (c), on préchauffe la pale 20 jusqu'à une température où le pied 21 de cette pale 20 prend une consistance pâteuse. On approche ensuite le pied 21 de la surface radialement externe 11 de l'anneau 10 pour la fixation de la pale 20 sur l'anneau 10 par friction linéaire comme décrit à l'étape (c). Ce préchauffage permet d'homogénéiser l'échauffement au niveau du pied 21 de la pale 20 destiné à venir en contact contre la partie 111 de la surface radialement externe 12 de l'anneau 10, de minimiser l'énergie nécessaire à la phase ultérieure de friction, et de minimiser l'effort de pression de la pale 20 sur l'anneau 10. En conséquence, ce préchauffage permet de limiter les gradients thermiques au niveau de l'interface entre la pale 20 et l'anneau 10 par rapport à la friction linéaire sans préchauffage, et donc de minimiser les défauts métallurgiques et géométriques de la liaison entre la pale 20 et l'anneau 10. Par exemple, ce préchauffage est réalisé par induction. On place la pale 20 en totalité, ou seulement son pied 21, dans un dispositif de chauffage tel qu'une enceinte, qui épouse sensiblement la forme de la partie à chauffer (la pale 20 ou le pied 21), et on fait, de façon connue, passer un courant au travers de ce dispositif de chauffage de façon à chauffer la partie placée dans ce dispositif de chauffage. REVENDICATIONS1. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) on réalise un anneau (10) comprenant un élément en matériau composite (30) à matrice métallique (32) avec un renforcement (35), (b) on fabrique au moins une pale (20), (c) on fixe ladite au moins une pale (20) sur la surface radialement externe (11) dudit anneau (10) par friction linéaire avec un mouvement de translation alternatif de ladite au moins une pale (20) par rapport audit anneau (10), de façon à souder le pied (21) de ladite au moins une pale (20) sur ledit anneau (20). 2. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement de translation de la dite au moins une pale (20) par rapport à la surface radialement externe (11) de l'anneau (10) s'effectue parallèlement à un axe faisant un angle au moins égal à 45° par rapport à l'axe D qui est perpendiculaire au plan (P) défini par l'axe (B) de pale qui relie le bord d'attaque (22) au bord de fuite (23) de ladite au moins une pale (20) au niveau de son pied (21) et par l'axe longitudinal (L) de ladite au moins une pale (20). 3. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon la revendication 2 caractérisé en ce que le mouvement de translation de la dite au moins une pale (20) par rapport à la surface radialement externe (11) de l'anneau (10) s'effectue sensiblement parallèlement à l'axe (B) de pale qui relie le bord d'attaque (22) au bord de fuite (23) de ladite au moins une pale (20) au niveau de son pied (21). 4. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite au moins une pale (20) est creuse. 5. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit renforcement (35) est fibreux. 6. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit renforcement (35) est particulaire. 7. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le matériau dudit renforcement (35) est une céramique. 8. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le matériau dudit anneau (10) hors ledit élément en matériau composite (30) est un métal identique au métal de ladite matrice métallique (32). 9. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le matériau dudit anneau (10) hors ledit élément en matériau composite (30) est identique au matériau de ladite au moins une pale (20). 10. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que, entre les étapes (b) et (c), on préchauffe ladite au moins une pale (20) jusqu'à une température où ledit pied (21) de cette pale (20) prend une consistance pâteuse. 11. Procédé pour la réalisation d'un anneau aubagé (1) monobloc selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit préchauffage est réalisé par induction.20