Brevet FR2953225A1 — publié le 20110603

L'invention concerne un composant comportant des fils de renfort sous la forme de fils de chaîne et de fils de trame tissés en trois dimensions, la direction des fils de chaîne formant la direction longitudinale dudit composant. Un tel composant est en particulier utilisé pour une aube composite du type comprenant une préforme en fils ou fibres tissé(e)s en trois dimensions et un liant maintenant la disposition relative entre les fils de la préforme, ladite étant formée de fils de chaîne et de fils de trame, la direction des fils de chaîne formant la direction longitudinale de la préforme. En particulier, la présente invention se rapporte à une aube de soufflante pour une turbomachine, notamment un turbo-réacteur. Cependant, on envisage également dans le cadre de la présente invention de fabriquer une aube destinée à un compresseur basse pression où les températures atteintes en fonctionnement sont compatibles avec la résistance thermomécanique de ce type d'aube. De manière habituelle, les aubes de soufflantes réalisées en matériau composite, en particulier en fibres de carbone, sont réalisées à partir d'un empilement de plis unidirectionnels préimprégnés que l'on place dans un moule en orientant différemment les plis successifs, avant compactage et polymérisation à l'autoclave. Cette technique très délicate requiert d'effectuer les opérations d'empilage de plis de manière manuelle, ce qui est long et coûteux. Il a aussi été proposé de préparer des préformes tissées de fibres sèches qui sont ensuite assemblées par couture, avant une imprégnation par résine par injection dans un moule fermé. Une alternative a consisté à réaliser une seule préforme tissée qui est montée avec un ou plusieurs inserts pleins avant injection. Ces solutions (US 5 672 417 et US 5 013 216) présentent toutefois l'inconvénient de nécessiter l'assemblage de plusieurs pièces et de créer dans ces zones d'assemblage, des sites privilégiés de fragilité, par exemple de délaminage, ce qui est très néfaste en termes de résistance mécanique, notamment pour la tenue aux impacts. Pour surmonter ces inconvénients, le document FR2861143 a proposé de réaliser une préforme en fils ou fibres tissé(e)s en trois dimensions permettant de former à elle seule, après découpe éventuelle et injection, la pièce finale formant toute les parties de l'aube de turbomachine, sans recourir à l'utilisation d'inserts ou de toute autre portion rapportée. Dans ce cas, cependant, quelle que soit l'origine de la préforme polymérisée (un stratifié pré imprégné ou bien une préforme tissée en trois dimensions), après le démoulage de la pièce intermédiaire obtenue à l'issue de l'injection, il reste encore un certain nombre d'opérations à réaliser pour obtenir la pièce finale. Parmi ces différentes opérations, on réalise l'usinage précis notamment des contours du bord d'attaque, du bord de fuite et du pied. En effet, ces zones doivent répondre à des côtes de construction très précises. Ainsi, dans le cas du pied de l'aube, une attention particulière est requise pour ses portées, à savoir les surfaces soumises à d'importantes contraintes pendant la rotation du fait de leur contact avec le flanc de l'alvéole du disque qui reçoit ce pied. Également, parmi ces opérations ultérieures, on met en place différentes protections pour renforcer la résistance thermomécanique de l'aube composite. Ainsi, on fixe une protection métallique, ou clinquant, sur le bord d'attaque, en particulier sous la forme d'une plaque en titane repliée sur elle-même en forme de U, qui est collée sur toute la surface du bord d'attaque et sur une portion avant de la paroi d'extrados et de la paroi d'intrados. Également, on renforce la paroi d'intrados par montage d'un film de protection pouvant être réalisé en matériau synthétique (par exemple du polyuréthane) et directement collé sur la pièce intermédiaire. Ces éléments rapportés, en particulier la protection métallique du bord d'attaque, représentent, de part leur matière première, leur fabrication et les étapes de montage, un cout très significatif de la pièce finale. En outre, le collage n'est pas une solution permettant de conserver l'intégrité structurelle de la pièce, et l'interface de collage constitue une zone de faiblesse qui rend parfois difficile le fait pour ces pièces de remplir le cahier des charges dans le cadre d'une certification par les organismes habilités. Par ailleurs, quand il s'agit de réaliser toutes ces opérations pour chaque aube de la soufflante, et éventuellement pour toutes les aubes de plusieurs étages du compresseur basse pression, cela engendre un temps de réalisation relativement long et un aspect économique significatif. La présente invention a pour objectif de fournir une solution permettant de surmonter les inconvénients précités et en particulier d'améliorer la conservation de l'intégrité de la structure, en évitant le recours à la pose, en particulier par collage, d'éléments de protection métalliques, tout en assurant une tenue thermomécanique suffisante. A cet effet, selon la présente invention, le composant est caractérisé en ce que les fils de renfort comportent à la fois des fibres de carbone et des fibres métalliques. De cette manière, on comprend que par l'utilisation des fibres métalliques, il est possible de renforcer de façon importante et ciblée la résistance mécanique du composant. Cette solution a pour avantage d'être intégrée au procédé de tissage en trois dimensions entre les fils de chaîne et de fils de trame, et donc, en diminuant les étapes de fabrication, d'entraîner des économies significatives. De cette façon, on peut s'affranchir de l'ajout ultérieur d'une protection mécanique à l'intérieur (sous forme d'insert) ou à l'extérieur 20 (sous forme de panneau de revêtement) du composant. Par ailleurs, le choix de l'orientation (fils de trame et/ou fils de chaîne), de la localisation (au coeur du composant, à proximité de l'une ou de plusieurs des parois du composant) et de la proportion des fibres métalliques parmi les fils de renfort, permettent d'optimiser le niveau et le 25 type de renforcement mécanique accru aux emplacements souhaités. Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible à la fois de simplifier le procédé de fabrication du composant, notamment des aubes et pales ou de la préforme ou de toute pièce intermédiaire servant à la fabrication de la pièce finale, tout en améliorant 30 les propriétés de tenue et de résistance mécanique de la pièce finale issue d'un composant conforme à l'invention. L'une ou plusieurs des dispositions techniques suivantes sont de préférence adoptées : - les fils de chaîne comportent à la fois des fibres de carbone et 35 des fibres métalliques, - les fils de trame comportent à la fois des fibres de carbone et des fibres métalliques, - les fils de trame comportent uniquement des fibres de carbone ou des fibres métalliques, - les fibres métalliques comportent au moins un métal parmi le groupe comprenant le titane et ses alliages, et les aciers inoxydables. L'invention concerne par ailleurs un composant qui comporte en outre une matrice synthétique reliant entre eux les fils de renfort de façon à constituer un composant en matériau composite. De façon avantageuse, le composant selon la présente invention constitue une préforme tissée, une pièce intermédiaire ou une pièce finale destinée à constituer une aube ou une pale qui définit un pied, un sommet, un bord d'attaque, un bord de fuite, une paroi d'intrados et une paroi d'extrados. Ainsi, dans ce cas, il est prévu selon la présente invention de privilégier la localisation des fibres métalliques dans les emplacements d'une telle aube ou pale soumis aux plus fortes sollicitations, en particulier au niveau du bord d'attaque et/ou du bord de fuite et/ou de la paroi d'intrados et/ou de la paroi d'extrados. Selon une disposition préférentielle, ledit composant conforme à l'invention est destiné à former une aube de soufflante ou une aube de compresseur basse pression pour une turbomachine, notamment un turbo-réacteur. Selon une autre disposition préférentielle, ledit composant conforme à l'invention est destiné à former une pale d'hélice, notamment pour des hélices propulsives d'avions et d'hélicoptères, et en particulier pour des rotors d'hélicoptère. L'invention concerne également un aéronef comportant au moins un composant du type décrit précédemment. Globalement, grâce à l'utilisation des fibres métalliques selon la présente invention, il est possible de fabriquer une aube ou une pale qui présente dès sa sortie de l'étape de tissage en trois dimensions des renforts mécaniques importants sous la forme des fibres métalliques disposées et réparties de façon optimale dans la préforme tissée, et ce pour qu'à la sortie de l'étape d'injection on dispose d'une pièce qui est d'ores et déjà capable de résister, sans autre traitement postérieur, à un certain nombre de sollicitations mécaniques extérieures telles que des impacts, des chocs, des frottements et d'une façon générale toute contrainte susceptible de déformer ou d'endommager l'aube ou la pale. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective montrant le pied et la paroi d'extrados d'une préforme d'aube découpée formant un composant selon l'invention, et - la figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. Le composant 10 selon la présente invention est par exemple une préforme d'aube découpée, formant une structure souple apte à être conformée avant injection selon le profil tridimensionnel souhaité, tel que représentée sur la figure 1. Cette préforme tissée en trois dimensions d'une seule pièce a été découpée à l'issue de l'étape de tissage. Plus exactement, cette préforme tissée est détourée par découpage du contour d'après une abaque tridimensionnelle prédéterminée prévue pour qu'après la déformation, la préforme respecte la géométrie de la pièce finie. Cette découpe peut être réalisée par jet d'eau et/ou par des moyens mécaniques (ciseaux, cutter, scie....) et/ou par découpe au laser. Sur cette préforme découpée 10 de la figure 1, on retrouve les parties destinées à former le corps de l'aube 12 et le pied 14 de l'aube, l'extrémité libre du corps de l'aube opposée au pied 14 et formant le sommet 15, ainsi que la paroi d'extrados 16 et la paroi d'intrados 18, le bord d'attaque 20 et le bord de fuite 22. Les fils de chaîne 24a, 24b et les fils de trame 26a, 26b utilisés pour le tissage en trois dimensions sont des fibres de carbone (24a, 26a) et des fibres métalliques (24b, 26b), ces dernières étant en particulier prévues en titane. On prévoit que les fibres métalliques (24b, 26b) sont situées au moins à l'emplacement du bord d'attaque 20, et ce afin de renforcer la résistance, notamment à l'impact et à l'érosion, du bord d'attaque 20. A cet effet, selon une disposition préférentielle, le bord d'attaque du composant (ici la préforme d'aube découpée 10) comporte à la fois des fibres métalliques (24b, 26b) et des fibres de carbone (24a, 26a) avec une proportion de fibres métalliques (24b, 26b) de plus en plus importante en direction de la paroi du bord d'attaque 20. Cette situation est visible sur les figures 1 et 2. Comme il apparaît sur la figure 1, les fibres métalliques sont présentes à titre de fils de trame 24b et de fils de chaine 26b sur pratiquement toute la paroi du bord d'attaque 20, sur la majeure partie de la portion de la zone longitudinale du bord d'attaque 20 qui s'étend entre le pied 14 et le sommet 15, à l'exception du pied 14, ce qui correspond sensiblement à l'étendue longitudinale du corps de l'aube 12. La figure 2 montre qu'au niveau de la pointe du bord d'attaque 20, tous les fils de chaîne sont des fibres métalliques 24b, et qu'en s'éloignant de cette pointe du bord d'attaque 20, on retrouve en surface uniquement des fibres métalliques 24b. Sur la figure 2, est par ailleurs illustré le cas dans lequel le corps de l'aube 12 comporte, à distance du bord d'attaque 20, uniquement des fibres de carbone (fils de chaine 24a et fils de trame 26a). La disposition relative entre les fibres de carbone et les fibres métalliques qui vient d'être décrite n'est donnée qu'à titre d'exemple non limitatif, d'autres répartitions pouvant être adoptées pour le bord d'attaque 20, et/ou dans les autres portions de la préforme 10. La première étape du procédé permettant d'aboutir à un composant conforme à l'invention et formant une pièce finale consistant en une aube consiste à réaliser une telle préforme tridimensionnelle par tissage, qui comporte des fils de chaîne 24a, 24b et des fils de trame 26a, 26b. On peut notamment utiliser une préforme telle que celle résultant d'un tissage en trois dimensions réalisé, par exemple conformément au document FR 2 861 143. Dans ce cas, ladite préforme comporte au moins une première partie, réalisée selon une première armure, formant le corps 12 de l'aube ou de la pale, et une deuxième partie, réalisée selon une deuxième armure, formant le pied 14 de l'aube, et en ce que la première partie et la deuxième partie sont séparées par une zone de transition dans laquelle la première armure est progressivement modifiée pour aboutir à la deuxième armure, ce par quoi on obtient une diminution au moins de l'épaisseur de l'aube entre la deuxième partie et la première partie. Ensuite, on réalise successivement les étapes suivantes : - on découpe ladite préforme ; - on prédéforme ladite préforme découpée ; - on réalise un compactage et une rigidification de ladite préforme prédéformée ; - on fournit un moule d'injection dans lequel on place ladite préforme rigidifiée ; - on injecte dans ledit moule d'injection un liant comprenant une résine thermodurcissable afin d'imprégner toute la préforme prédéformée rigidifiée et de maintenir la disposition relative entre les fils de la préforme (par exemple selon la selon la technique RTM « Resin Transfer Moulding »); - on chauffe ledit moule d'injection ; et - on sort du moule une pièce moulée composite présentant sensiblement la forme et les dimensions de ladite aube. Par ailleurs, le procédé décrit dans le document FR 2 892 339 peut être mis en oeuvre. Dans ce cas, on prévoit parmi les fils de trame et les fils de chaine des fils traceurs identifiables visuellement des autres et situés régulièrement au moins à la surface de la préforme. Une série de ces fils traceurs située le long d'une face de référence de la préforme est laissée intacte lors de la découpe de ladite préforme, et ce pour positionner et ainsi limiter le nombre de découpe de fils de trame et/ou de chaine sur cette face de référence dont on améliore la cohésion et donc les propriétés mécaniques. Cette face de référence peut notamment être constituée de la surface de la zone de la préforme destinée à devenir tout ou partie du bord d'attaque et/ou de la paroi d'intrados et/ou du pied Selon une disposition supplémentaire avantageuse, au moins une partie des fibres métalliques 24b, 26b est reliée par continuité électrique à au moins une autre structure métallique de l'aéronef et/ou à une source de courant électrique. Ainsi, en reliant au moins une partie des fibres métalliques 24b, 26b de la préforme 10 à au moins une autre structure métallique de 35 l'avion qui se trouve en contact avec l'environnement extérieur de l'avion, on peut réaliser par conduction électrique un moyen simple d'évacuation de la foudre. Par ailleurs, en reliant au moins une partie des fibres métalliques 24b, 26b de la préforme 10 à une source de courant électrique, il est possible de former de façon simple un dispositif de dégivrage de l'aube comportant cette préforme. REVENDICATIONS1. Composant (10) comportant des fils de renfort sous la forme de fils de chaîne (24a, 24b) et de fils de trame (26a, 26b) tissés en trois dimensions, la direction des fils de chaîne formant la direction longitudinale dudit composant (10), caractérisé en ce que les fils de renfort comportent à la fois des fibres de carbone (24a, 26a) et des fibres métalliques (24b, 26b). 2. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils de chaîne (24a, 24b) comportent à la fois des fibres de carbone (24a) et des fibres métalliques (24b). 3. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils de trame (26a, 26b) comportent à la fois des fibres de carbone (26a) et des fibres métalliques (26b). 4. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications, 1 et 2, caractérisé en ce que les fils de trame (26a, 26b) comportent uniquement des fibres de carbone (26a) ou des fibres métalliques (26b). 5. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres métalliques (24b, 26b) comportent au moins un métal parmi le groupe comprenant le titane et ses alliages, et les aciers inoxydables. 6. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une matrice synthétique reliant entre eux les fils de renfort (24a, 24b, 26a, 26b) de façon à constituer un composant en matériau composite. 7. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue une préforme tissée, une pièce intermédiaire ou une pièce finale destinée à une aube ou une pale qui définit un pied (14), un sommet (15), un bord d'attaque (20), un bord de fuite (22), une paroi d'extrados (16) et une paroi d'intrados (18). 8. Composant (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres métalliques (24b, 26b) sont situées au moins à l'emplacement du bord d'attaque (20). 9. Composant (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bord d'attaque (20) du composant comporte à la fois des fibres métalliques (24b, 26b) et des fibres de carbone (24a, 26a) avec une proportion de fibres métalliques (24b, 26b) de plus en plus importante en direction de la paroi du bord d'attaque (20). 10. Composant (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première partie, réalisée selon une première armure, formant le corps (12) de l'aube ou de la pale, et une deuxième partie, réalisée selon une deuxième armure, formant le pied (14) de l'aube ou de la pale, et en ce que la première partie et la deuxième partie sont séparées par une zone de transition dans laquelle la première armure est progressivement modifiée pour aboutir à la deuxième armure, ce par quoi on obtient une diminution au moins de l'épaisseur de l'aube entre la deuxième partie et la première partie. 11. Composant (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à former une aube de soufflante ou une aube de compresseur basse pression pour une turbomachine. 12. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un composant selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Aéronef selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une partie au moins une partie des fibres métalliques est reliée par continuité électrique à au moins une autre structure métallique de l'aéronef et/ou à une source de courant électrique.