Brevet FR2949366A1 — publié le 20110304

Le domaine de la présente invention est celui de la réparation de pièces de turbomachines et notamment de pièces des parties chaudes de ces turbomachines. Les parties chaudes des turbomachines, telles que les distributeurs ou les aubes mobiles de turbine sont soumises à des températures très élevées et à des contraintes thermomécaniques importantes. Elles subissent des endommagements, comme des criques, brûlures, fissurations, impacts, etc., qu'il convient de réparer pour conserver les pièces en service. Ces réparations sont indispensables pour pouvoir les utiliser plus longtemps et réduire ainsi le coût global de possession de ces turbomachines. Plusieurs procédés de réparation ont donc été imaginés, qui portent généralement sur la découpe de la partie endommagée et son remplacement, avec soudage ou brasage, par une partie neuve fabriquée spécialement qui est apte à prendre la place de la partie enlevée. Un tel processus est notamment décrit dans la demande de brevet américain US 2007/84047. Ce problème est particulièrement ardu lorsqu'il s'agit de remplacer la partie formant le bord d'attaque d'une aube de distributeur de turbine car ces pièces sont traversées par de multiples cavités destinées à faire circuler de l'air pour refroidir le métal de l'aube. Ces cavités présentent de plus des parois internes non lisses de façon à créer des écoulements turbulents qui améliorent les échanges de chaleur entre le métal et l'air de refroidissement. La présence, d'une part, de ces perturbateurs d'écoulement, pour lesquels un dimensionnement très précis est impératif et la taille réduite des pièces à produire, d'autre part, rendent très difficile, voire impossible, la fabrication des parties de remplacement par fonderie. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une méthode de réparation d'aubes de turbine qui soit relativement simple à mettre en oeuvre et qui soit économique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réparation d'une aube, fixe ou mobile, de turbine d'une turbomachine comprenant les étapes suivantes : a. définition d'un volume de l'aube englobant la totalité de la zone endommagée, 2 b. découpe du volume ainsi défini, c. réalisation d'une pièce de remplacement ayant les mêmes dimensions que le volume découpé, d. assemblage par soudage ou brasage de la pièce de remplacement sur l'aube en lieu et place du volume découpé, caractérisé en ce que la pièce de remplacement est réalisée par moulage par injection de poudre métallique (procédé MIM). L'utilisation du précédé MIM permet de réaliser des pièces de remplacement de petite taille avec des tolérances très précises, ne 10 nécessitant pas d'usinage complémentaire. Avantageusement la poudre métallique a la même composition que l'aube à réparer. Ceci est favorable à la tenue mécanique de la pièce après réparation, en évitant les dilatations différentielles entre les parties constituant la pièce réparée. 15 De façon préférentielle la pièce de remplacement est choisie parmi un jeu de pièces réalisées préalablement. On réduit ainsi le nombre de modèles de pièces de remplacement, que l'on peut réaliser en anticipation ; on réduit ainsi le temps nécessaire à la réparation, en évitant d'avoir à réaliser une pièce 20 sur mesure pour chaque nouvelle réparation. De façon encore plus préférentielle la découpe est définie par une sélection effectuée parmi les volumes des pièces du jeu réalisé préalablement. Dans un monde particulier de réalisation le procédé comprend 25 lors de l'étape c) la mise en place d'un noyau en matériau polymère, de façon à réaliser une cavité interne. Préférentiellement la composition du matériau polymère est identique à celle du liant utilisé pour le procédé MIM. L'invention porte également sur une aube de turbine d'une 30 turbomachine aéronautique, réparée à l'aide d'un procédé tel que décrit ci-dessus. Dans un mode particulier de réalisation le volume découpé comprend une cavité interne. Avantageusement la cavité comporte une surface interne munie 35 d'aspérités formant perturbateurs de l'écoulement de l'air de refroidissement circulant dans ladite cavité. L'invention concerne enfin un secteur d'aubes de distributeur de turbine comportant au moins une aube réparée à l'aide d'un procédé tel que décrit plus haut et une turbomachine aéronautique comportant au moins une aube, fixe ou mobile, telle que revendiquée ci-dessus. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue de face d'une aube de distributeur de turbine basse pression d'une turbomachine montrant la zone à réparer ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'une aube de turbine montrant la partie de son bord d'attaque à réparer ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un secteur de distributeur de turbine basse pression montrant le bord d'attaque de sa pale centrale découpé pour une réparation selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 montre une pièce de remplacement, selon un mode de réalisation de l'invention, pour le bord d'attaque de la pale centrale du secteur représenté sur la figure 3 ; - les figures 5, 6 et 7 montrent des zones de découpage préférentielles pour effectuer une réparation selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit une aube 1 de distributeur de turbine basse pression d'un turboréacteur aéronautique. Cette aube est située au centre d'un secteur de distributeur constitué de trois aubes coulées simultanément et est montrée à la suite d'une coupe de ce secteur entre deux aubes consécutives. Le secteur comporte deux plateformes qui réunissent les aubes, une plate-forme supérieure 2 et une plate-forme inférieure 3. Entre ces deux plates-formes l'aube 1 s'étend dans le lit des gaz, qui s'écoulent depuis un bord d'attaque 4 vers un bord de fuite 5. Le bord d'attaque 4 est supposé abîmé sur une partie importante de sa hauteur et une zone à retirer et à remplacer a été définie, qui est représentée par une ligne pointillée sur la figure 1. 4 Sur la figure 2 on voit cette même aube en coupe selon un plan sensiblement parallèle aux plans des plates-formes. Elle comporte trois cavités pour la circulation de l'air de refroidissement, une cavité 6 de bord d'attaque, une cavité 7 pour la partie centrale et une cavité 8 de bord de fuite. La partie à retirer et à remplacer pour la réparation de l'aube correspond à la cavité 6 de bord d'attaque et à la moitié en épaisseur de la cloison séparant la cavité de bord d'attaque 6 de celle de la partie centrale 7. La figure 3 montre un secteur de trois aubes de distributeurs de turbine basse pression, avec leurs plates-formes supérieure 2 et inférieure 3 communes. L'aube centrale 1 est découpée au niveau de son bord d'attaque 4 sur la plus grande partie de sa hauteur et est destinée à recevoir une pièce de remplacement de son bord d'attaque. Une telle pièce de remplacement 5 est présentée sur la figure 4. Elle a une forme complémentaire de celle de l'évidement pratiqué dans le bord d'attaque 4 de l'aube 1, c'est-à-dire celle d'un cylindre dont les lignes directrices sont parallèles à la plus grande dimension de l'aube et dont la génératrice a la forme de la section du bord d'attaque par un plan sensiblement parallèle aux plates-formes de l'aube. Elle est limitée vers l'arrière par un plan perpendiculaire à la surface médiane de l'aube. Cette pièce de remplacement 5 comporte une cavité 6 identique à celle du bord d'attaque de l'aube pour reprendre la fonction de circulation de l'air de refroidissement le long du bord d'attaque 4. A l'intérieur de cette cavité apparaissent des perturbateurs 9 qui ont la forme d'aspérités s'étendant à partir de la pointe avant de la cavité 6 et qui sont réparties régulièrement le long de la hauteur de l'aube. Ces perturbateurs ont pour fonction de générer un écoulement turbulent dans la cavité et ainsi d'augmenter les échanges thermiques entre le métal constituant le bord d'attaque et l'air de refroidissement. Il est donc extrêmement important pour la tenue de l'aube que ces perturbateurs soient reproduits de façon fidèle sur la pièce de remplacement. En se référant maintenant aux figures 5, 6 et 7 on voit diverses possibilités pour pratiquer une découpe de l'aube 1, en fonction de la gravité de l'endommagement constaté. La découpe peut être réalisée au milieu d'une cavité ou dans l'épaisseur d'une cloison inter-cavités. Elle peut même, comme on le voit sur la figure 7, être pratiquée sur une aube non refroidie et ne présentant pas de cavité interne. Il est préférable de limiter le nombre de possibilités pour la découpe des aubes à quelques plans de découpe prédéfinis et de retirer sur une aube abimée une zone correspondant, dans les découpes prédéfinies, à celle présentant un 5 volume immédiatement supérieur à celui nécessaire. De cette façon on limite le nombre de types de pièces de remplacement qu'il convient de réaliser ; il suffit ensuite de choisir la pièce de remplacement qui correspond au volume de métal retiré, sans avoir à effectuer une pièce personnalisée pour chaque réparation. Les plans de découpe sont définis de façon à pouvoir réparer soit un bord d'attaque 4, soit un bord de fuite 5, soit même des faces d'extrados ou d'intrados de l'aube 1. Le remplacement complet de l'aube peut également être réalisé. On va maintenant décrire le procédé de réparation d'un élément d'aube de turbine, selon un mode de réalisation de l'invention, en prenant pour exemple le remplacement de la totalité de la cavité d'un bord d'attaque. Au préalable un jeu de pièces de remplacement 5 pour des parties endommagées d'une aube de distributeur de turbine a été défini, comme indiqué ci-dessus. Celui-ci se caractérise par une série de pièces ayant chacune une hauteur le long de la pale et/ou une longueur le long de la corde de l'aube 1 différente. Un exemple de jeu de pièces de remplacement est donné par les figures 5 à 7, sans que cette énumération soit limitative. En préparation d'opérations de réparation d'aubes 1 de telles pièces de remplacement sont produites par la technique du moulage par injection de poudre métallique, connue sous le sigle MIM, qui est utilisée communément pour la fabrication de pièces de relativement petites dimensions et de géométrie pouvant être complexe. Cette technique consiste à préparer un mélange homogène à partir de fines poudres d'alliage métallique et de liant thermoplastique. Le mélange est chauffé à une température suffisante pour faire fondre le liant et permettre l'enrobage des particules de métal par le liant. Après avoir été chauffé à une température convenable, le mélange est de consistance fluide à pâteuse. Il est maintenu à cette température et introduit par injection, à une pression déterminée, dans un moule dont l'empreinte correspond à la forme de la pièce à fabriquer. Il 6 est à noter que la forme de l'empreinte tient compte des déformations que subit la pièce pendant les étapes qui suivent du procédé, notamment le frittage. Les paramètres rhéologiques et de pression d'injection sont choisis de manière à ce que la cavité de moulage soit convenablement remplie par le matériau. On obtient une ébauche dite crue que l'on extrait du moule après refroidissement et solidification du liant thermoplastique. L'étape suivante consiste à délianter l'ébauche. Le but de cette opération est d'extraire dans un premier temps une partie des composants du liant de l'ébauche sans déformer cette dernière. L'élimination d'une partie du liant conduit à l'obtention d'une structure poreuse formée des particules de métal liées par du liant résiduel. La structure poreuse permet à la fois l'évacuation du liant et l'équilibrage des pressions internes garantissant la stabilité de la forme de l'ébauche de pièce. Le déliantage, selon les matériaux utilisés pour le liant, peut être chimique, avec emploi de solvants appropriés, ou thermique. Le reste du liant est éliminé dans un second temps, qui est généralement combiné à l'opération de frittage qui suit, pour éviter toute contrainte susceptible d'en affecter la cohésion. Pour cette raison ce second temps est généralement effectué par voie thermique. Pour l'opération de frittage, l'ébauche est chauffée dans un four jusqu'à une température proche mais inférieure à la température de fusion du matériau métallique. La température, la durée du traitement et l'atmosphère dans le four sont contrôlées de manière à ce que les particules métalliques se lient entre elles par diffusion. Les pores de la structure sont réduits progressivement et la pièce se densifie pendant cette étape. La densification conduit généralement à un rétreint de la pièce qui peut être de l'ordre de 10 à 20%. La valeur du rétreint dépend du taux de vide initial avant frittage et du rapport entre le volume de matériau métallique et celui de liant dans la pièce crue. Elle dépend aussi du taux de densification opéré. La technique MIM présente de nombreux avantages, en termes de propriétés mécaniques qui sont comparables à celles des produits issus du forgeage, en termes de coûts par la réalisation de séries de fabrication. Elle se caractérise également par un excellent état de surface et des tolérances fines, ce qui permet une utilisation directe comme pièce 7 de remplacement pour réparer une partie endommagée d'une aube de turbine. Cette technique est particulièrement adaptée à la fabrication de pièces en grande série, et plus particulièrement à celle de pièces de faible masse. Elle n'est, a priori, pas bien adaptée à la réalisation de pièces complexes, comme celles utilisées en aéronautique, et notamment celles qui comportent des cavités internes avec des perturbateurs. En effet les pièces à cavités sont généralement réalisées par des systèmes de moules très complexes, tels que des moules à tiroirs, qui ne peuvent être envisagés ici compte tenu de la géométrie des cavités et de la présence des perturbateurs. Un homme du métier ne sera donc pas incité à utiliser cette méthode pour produire des pièces de remplacement 5 pour des aubes de distributeurs de turbine 1 que l'on cherche à réparer. Selon l'invention, la fabrication de la pièce de remplacement 5 s'effectue par injection d'une poudre ayant la même composition que la pièce à réparer (c'est-à-dire en général un superalliage à base nickel) qui est agglomérée par un liant classique. La forme de la cavité et des perturbateurs 9 qui y figurent est donnée par un noyau introduit préalablement dans le moule d'injection. Ce noyau est généralement réalisé en un polymère, dont la composition peut ou non être identique à celle du liant, mais qui doit s'éliminer naturellement au cours de l'opération de déliantage à venir. Cette étape préalable de réalisation d'un jeu de pièces d'endommagements étant réalisée, l'opérateur peut débuter l'opération de réparation de l'aube de distributeur 1 endommagée. Pour cela il analyse l'ampleur de la zone endommagée et choisit parmi le jeu de pièces de remplacement à sa disposition la plus petite parmi celles dont le volume englobe celui de la partie endommagée. Il découpe la partie endommagée, selon des techniques classiques, en donnant à la découpe la forme exacte de la pièce de remplacement 5 qui a été choisie dans le jeu à sa disposition. La pièce de remplacement choisie, ayant été réalisée par le procédé MIM, a des caractéristiques dimensionnelles qui font qu'elle s'ajuste exactement à la découpe effectuée. L'opérateur assemble alors la pièce de remplacement 5 à l'aube 1 par brasage ou soudage, avec un apport de poudre de brasage, éventuellement pré-densifiée par frittage, et réalise le brasage ou le soudage de façon connue. La pièce obtenue est alors prête pour une remise en service, après avoir éventuellement subi un léger usinage de surface. L'utilisation du procédé MIM présente l'avantage d'obtenir des pièces pratiquement aux cotes définitives, même pour des pièces de faible dimension comme sont les pièces de remplacement pour des aubes de distributeurs de turbine. A titre d'exemple une pièce de remplacement pour un bord d'attaque de distributeur de turbine présente des dimensions de l'ordre de 45 mm x 4 mm x 7 mm. Les tolérances correspondantes à respecter sont de +/- 0.1 mm pour la pièce et surtout +/- 0.05 mm pour les perturbateurs. Le procédé permet en outre une économie substantielle en termes de matière utilisée et supprime pratiquement les opérations d'usinage. L'invention a été décrite avec la mise en place dans le moule d'injection d'un noyau en polymère qui s'évacue lors de l'opération de déliantage. Il est bien évident qu'elle peut également être réalisée avec un noyau en tout autre matériau, pour autant que ce noyau puisse être détruit par un procédé, qu'il soit mécanique ou chimique, après l'opération d'injection et de solidification de l'ébauche. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de réparation d'une aube, fixe ou mobile, de turbine 5 d'une turbomachine comprenant les étapes suivantes : a. définition d'un volume de l'aube (1) englobant la totalité de la zone endommagée, b. découpe du volume ainsi défini, c. réalisation d'une pièce de remplacement (5) ayant les mêmes 10 dimensions que le volume découpé, d. assemblage par soudage ou brasage de la pièce de remplacement (5) sur l'aube (1) en lieu et place du volume découpé, caractérisé en ce que la pièce de remplacement (5) est réalisée par moulage par injection de poudre métallique (procédé MIM). 15 2. Procédé de réparation selon la revendication 1 dans lequel la poudre métallique a la même composition que l'aube (1) à réparer. 3. Procédé de réparation selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la pièce de remplacement (5) est choisie parmi un jeu de pièces réalisées préalablement. 20 4. Procédé de réparation selon la revendication 3 dans lequel la découpe est définie par une sélection effectuée parmi les volumes des pièces du jeu réalisé préalablement. 5. Procédé de réparation selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant lors de l'étape c) la mise en place d'un noyau en matériau 25 polymère, de façon à réaliser une cavité interne (6). 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la composition du matériau polymère est identique à celle du liant utilisé pour le procédé MIM. 7. Aube de turbine d'une turbomachine aéronautique, réparée à 30 l'aide d'un procédé selon l'une des revendications précédentes. 8. Aube de turbine selon la revendication 7 dans laquelle le volume découpé comprend une cavité interne (6). 9. Aube de turbine selon la revendication 8 dans laquelle la cavité (6) comporte une surface interne munie d'aspérités formant 35 perturbateurs (9) de l'écoulement de l'air de refroidissement circulant dans ladite cavité. 10. Secteur d'aubes de distributeur de turbine comportant au moins une aube (1) réparée à l'aide d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 11. Turbomachine aéronautique comportant au moins une 5 aube, fixe ou mobile, selon l'une des revendications 7 à 9.