Brevet FR3056605A1 — publié le 20180330

Dispositif de traitement chimique d'une pièce de turbomachine munie d'un élément de surface métallique DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et notamment celui des aubes de turbomachine en matériau composite. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de traitement chimique d'un bord d'attaque d'une aube de turbomachine recouvert d'un élément métallique, notamment en titane. ETAT DE L'ART Les aubes de turboréacteurs sont désormais, pour des raisons de poids et de coûts, réalisées majoritairement en matériau composite. Ces pièces, qui sont soumises à d'importantes contraintes mécaniques dues à leur vitesse de rotation et à la charge aérodynamique qu'elles supportent, doivent en outre résister aux éventuels impacts de particules ou de corps étrangers qui pénétreraient dans la veine d'air. Pour cela, elles sont protégées, au niveau de leur bord d'attaque et/ou de leur bord de fuite, par une pièce métallique, typiquement en titane, qui recouvre leurs extrémités et qui est collée sur le matériau composite. Le titane, de par ses propriétés particulièrement avantageuses en termes notamment de tenue à la corrosion, de résistance mécanique et de faible densité, est en effet largement utilisé pour la constitution de pièces structurales, notamment dans le domaine aéronautique et dans les pièces de turbomachines. Lors des opérations de fabrication des pièces en titane, celles-ci se chargent en surface d'oxydes, de poussières, de copeaux métalliques et d'autres impuretés de surface. Un décapage chimique de la pièce permet d'éliminer ces impuretés de manière à conférer à la pièce un état de surface satisfaisant pour son traitement ultérieur en fonction de l'utilisation visée. Les pièces en titane peuvent également être soumises à des 3056605 2 opérations d'usinage chimique, dans le cadre notamment d'un allègement de structure. Il peut également être envisagé de retirer par dissolution chimique un bord d'attaque en titane endommagé. Le décapage et l'usinage chimique s'effectuent de façon courante 5 dans un bain contenant un mélange d'acide fluorhydrique HF et d'acide nitrique HNO3, additionné le cas échéant de tensioactifs. L'acide fluorhydrique a pour rôle d'attaquer le métal par corrosion. L'acide nitrique, quant à lui, d'une part réduit l'adsorption d'hydrogène par le titane, et d'autre part modère la vitesse d'attaque par l'acide fluorhydrique. Les 10 concentrations de ces acides dans le bain sont choisies différemment selon que l'on souhaite réaliser le décapage ou l'usinage du substrat. Le traitement chimique du titane du bord d'attaque de l'aube nécessite toutefois de lourdes installations, en termes d'espace et de coût, et l'utilisation du bain acide implique de nombreuses précautions en ce qui 15 concerne la santé, la sécurité des opérateurs, et l'environnement. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de traitement chimique d'un bord d'attaque d'une aube de turbomachine, et plus généralement un dispositif de traitement chimique d'une pièce, notamment composite, de turbomachine, munie d'un 20 élément de surface métallique, ledit dispositif étant compact, économique, et permettant de limiter fortement les risques en matière de santé, de sécurité et d'environnement. EXPOSE DE L'INVENTION 25 L'invention a ainsi pour objet un dispositif de traitement chimique d'une pièce de turbomachine munie d'un élément de surface métallique, et notamment d'un bord d'attaque d'une aube de turbomachine muni d'un élément de surface en titane. Le dispositif selon l'invention comprend : 30 - une enceinte de traitement chimique, configurée pour recevoir ladite pièce et être alimentée en une composition de traitement chimique et 3056605 3 en une composition de rinçage, ladite enceinte comprenant des moyens de recouvrement configurés pour permettre une introduction d'une partie de ladite pièce dans ladite enceinte, - un circuit fermé de traitement chimique, passant par ladite 5 enceinte, et configuré pour permettre la circulation de la composition de traitement chimique, et - un circuit fermé de rinçage, passant par ladite enceinte, et configuré pour permettre la circulation de la composition de rinçage. Ainsi, avantageusement, les moyens de recouvrement de l'enceinte 10 permettent de traiter localement la pièce sans l'immerger totalement dans la composition de traitement chimique. Les deux circuits fermés et l'enceinte de traitement, également fermée à l'aide des moyens de recouvrement, permettent un traitement compact et sécurisé de la pièce. Le circuit fermé de traitement chimique peut comprendre un 15 réservoir de composition de traitement chimique et une pompe permettant d'assurer la circulation de la composition de traitement chimique. Le circuit fermé de rinçage peut comprendre un réservoir de composition de rinçage et une pompe permettant d'assurer la circulation de la composition de rinçage. 20 La composition de traitement chimique peut comprendre de l'acide fluorhydrique et de l'acide nitrique. La composition de rinçage peut comprendre de l'eau. Les moyens de recouvrement peuvent comprendre une membrane souple munie d'une ouverture permettant l'introduction de ladite pièce. 25 Ladite membrane souple est avantageusement en silicone. Le dispositif peut comprendre, en aval de l'enceinte de traitement chimique, un système de séparation permettant de séparer la composition de traitement chimique de la composition de rinçage. Le dispositif peut comprendre, entre le système de séparation et le 30 réservoir de composition de traitement chimique, un système de régénération de la composition de traitement chimique. 3056605 4 Le dispositif peut comprendre, entre le système de séparation et le réservoir de composition de rinçage, un système de régénération de la composition de rinçage. Le dispositif peut comprendre des moyens de commande aptes à 5 commander une interruption de la circulation de la composition de traitement chimique et un début de circulation de la composition de rinçage, en fonction de la masse de l'élément de surface métallique dissous par la composition de traitement chimique. Les moyens de commande peuvent être aptes à commander une 10 interruption de la circulation de la composition de traitement chimique et un début de circulation de la composition de rinçage lorsque la masse de l'élément de surface métallique dissous est supérieure à une valeur de référence prédéterminée. Le dispositif peut comprendre des moyens de détermination de la 15 masse de l'élément de surface métallique dissous. Les moyens de détermination de la masse de l'élément de surface métallique dissous peuvent comprendre des moyens de détermination de la masse de la pièce de turbomachine et de comparaison de ladite masse de la pièce de turbomachine avec une valeur de référence, et/ou des moyens 20 de dosage de l'élément de surface métallique dissous. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus pour le traitement chimique d'une pièce de turbomachine munie d'un élément de surface métallique, et notamment d'un bord d'attaque d'une aube de turbomachine muni d'un élément de surface en titane. 25 L'invention concerne ainsi également un procédé de traitement chimique d'une pièce de turbomachine munie d'un élément de surface métallique, et notamment d'un bord d'attaque d'une aube de turbomachine muni d'un élément de surface en titane. Le procédé comprend l'introduction de ladite partie de la pièce dans 30 l'enceinte du dispositif décrit ci-dessus, à travers les moyens de 3056605 5 recouvrement de l'enceinte, ainsi qu'une immersion de ladite partie de la pièce dans la composition de traitement chimique présente dans l'enceinte. Le procédé peut comprendre ultérieurement une étape de circulation de la composition de rinçage, de manière à arrêter le traitement chimique 5 dans l'enceinte et à procéder à un rinçage de ladite partie de la pièce. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 10 suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de traitement chimique selon l'invention, appliqué à un bord d'attaque d'une aube de turbomachine, et 15 - la figure 2 est un diagramme sous la forme de schéma blocs illustrant une partie du dispositif de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE 20 Tel qu'illustré à la figure 1, un dispositif 1 de traitement chimique selon l'invention comprend une enceinte 2 de traitement chimique, un circuit fermé de traitement chimique C1, et un circuit fermé de rinçage C2. L'enceinte 2 se présente sous la forme d'un caisson permettant d'immerger sélectivement la partie de la pièce à traiter. La pièce à traiter 25 est une pièce de turbomachine recouverte d'un élément de surface métallique. La pièce à traiter est en particulier une aube 3 de turbomachine en matériau composite munie d'un bord d'attaque 31 recouvert de titane. On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise 30 l'écoulement d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados. Par opposition, le bord de fuite correspond à la partie 3056605 6 postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados. Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissent d'importantes contraintes, notamment mécaniques. Aussi, il est 5 connu d'équiper les aubes de soufflante réalisées en matériau composite, d'un renfort structurel métallique s'étendant sur toute la hauteur du profil aérodynamique et épousant la forme du bord d'attaque, comme mentionné par exemple dans le document FR 2 732 406. Un tel renfort structurel métallique permet de protéger l'aubage 10 composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux. En particulier, le renfort structurel métallique protège le bord d'attaque de l'aube en composite en évitant des risques de délaminage, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice. 15 De façon classique, le renfort structurel métallique est une pièce métallique en titane constituée de deux tôles matricées de type TA6V (Ti6A1-4V) et soudées entre elles à haute température pour ne plus former qu'un unique bloc de matière. L'aube 3 peut être fixée sur le dispositif 1 à l'aide d'un premier 20 élément de maintien 5, au niveau du pied 32 de l'aube 3, et à l'aide d'un deuxième élément de maintien 6, au niveau de la tête 33 de l'aube 3. L'enceinte 2 est munie d'une partie supérieure ouverte, qui comprend en particulier une membrane 4 munie d'une fente, la fente définissant l'ouverture de la partie supérieure de l'enceinte 2. Le bord 25 d'attaque 31 de l'aube 3 est ainsi introduit à l'intérieur de l'enceinte 2 à travers la fente de la membrane 4. La membrane 4 est avantageusement configurée pour épouser la forme du bord d'attaque 31 et se plaquer contre l'aube 3. La membrane 4 peut ainsi être percée d'une ouverture longitudinale de longueur sensiblement égale à la longueur maximale du 30 bord d'attaque 31 et de largeur sensiblement égale à la plus grande épaisseur du bord d'attaque 31. 3056605 7 La membrane 4 est imperméable et est de préférence réalisée dans un matériau résistant aux acides présent dans l'enceinte 2 de traitement chimique. La membrane 4 est typiquement en silicone. La membrane 4 permet de limiter le traitement chimique de l'aube 3 à son bord d'attaque 31 5 et protège les opérateurs de toute éclaboussure d'acide. Le circuit de traitement chimique Cl permet d'acheminer une composition de traitement chimique vers l'enceinte 2, depuis un réservoir 7 et à l'aide d'une pompe 8 permettant d'assurer un flux de composition de traitement chimique. 10 La composition de traitement chimique est typiquement une composition acide, par exemple un bain chimique nitro-fluorhydrique HF/HNO3, c'est-à-dire un mélange d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique. L'attaque du titane et de ses alliages immergés dans un bain chimique nitro-fluorhydrique s'effectue directement par transfert d'électrons, 15 grâce au développement d'une réaction de type: M + Ox -> Mn+ + Red résultant du couplage de deux réactions d'oxydo-réduction élémentaires suivantes: M -> Mn+ + ne- 20 Ox + ne- -> Red dans lesquelles M désigne un métal, Mn+ désigne un sous-produit de corrosion, Ox désigne une espèce oxydante dans le bain, et Red désigne une espèce réduite sous-produit de corrosion. L'enrichissement du bain a pour effet d'entraîner une diminution du 25 pouvoir oxydant du couple Ox/Red, c'est-à-dire une réduction de la vitesse d'attaque. Le titane et ses alliages en bain nitro-fluorhydrique peuvent être l'objet de quatre réactions : 1) TiO2 + 6HF -> TiF6H2 + H2O 30 2) Ti203 + 6HF -> TiF2 + 3H20 -> 3Ti3 + 3F 3) 3Ti + 4HNO3 + 12H+ -> 3TiF4 + 8H20 + 4NO 3056605 8 4) Ti + HNO3 + 2HF -> TiOF2 + HNO2 + H2 Deux réactions chimiques sont possibles: la réaction 3) avec dégagement de vapeurs nitreuses et la réaction 4) avec attaque du titane et dégagement d'hydrogène (réaction la plus vraisemblable). 5 D'autres variétés de composés de fluorure de titane peuvent être obtenues. De plus, la présence d'ions HF en grande proportion agit non seulement sur la vitesse de dissolution, mais en même temps sur la quantité d'hydrogène fixée par le matériau; on accroît ainsi le risque de fragilisation par l'hydrogène. 10 On admet qu'en fonction du rapport HNO3/HF qui est soit supérieur, soit inférieur à 10, l'action du bain de décapage nitro-fluorhydrique est différente. Si le rapport HNO3/HF est inférieure à 10 (bain de dissolution rapide), HF attaque et dissout le titane, tandis qu'HNO3 agit en tant 15 qu'oxydant des ions formés. L'équation globale serait la suivante: 3Ti + 12 HF + HNO3 -> 3Ti4+ + 12F + 9/2H2 + 2H20 En réalité, il est probable que les ions Ti4+ n'existent pas en solution. Ils sont complexés par les ions F- pour donner des entités chimiques de la forme TiF2, TiF6H2, TiOF2. L'ion F-, de par son pouvoir complexant, fait 20 passer le titane sous forme de Ti3±. On observe alors un dégagement d'hydrogène (H2), qui explique l'enrichissement en hydrogène adsorbé à la surface des matériaux décapés. Si le rapport HNO3/HF est supérieur à 10 (bain de dissolution lente), on admet que HNO3 oxyde la surface du matériau et HF redissout cette 25 couche d'oxyde. L'expérience a montré que de telles formulations de bains (rapport HNO3/HF >10) ne fragilisent pas le titane ni ses alliages. Ces bains appliqués à la suite des bains à dissolution rapide permettent d'éliminer l'hydrogène adsorbé par le matériau. Le circuit fermé de rinçage C2 permet d'acheminer une composition 30 de rinçage, typiquement de l'eau, vers l'enceinte 2, depuis un réservoir 11 3056605 9 et à l'aide d'une pompe 12 permettant d'assurer un flux de composition de rinçage. Un système de séparation 13 permet de séparer la composition de traitement chimique de la composition de rinçage dans le mélange issu de 5 l'enceinte 2, de manière à acheminer la composition de traitement chimique en direction du réservoir 7 de composition de traitement chimique et la composition de rinçage en direction du réservoir 11 de composition de rinçage. La séparation peut être obtenue par centrifugation, évaporation ou encore précipitation de la composition de traitement chimique. Le système 10 de séparation 13 permet, à l'issue du ou des rinçages, de récupérer la composition de traitement chimique, l'enceinte 2 étant en circuit fermé. Le circuit de traitement chimique Cl peut ainsi comprendre successivement : le réservoir 7 de composition de traitement chimique, la pompe 8, un conduit 9 d'entrée d'enceinte, l'enceinte 2, un conduit 10 de 15 sortie d'enceinte, le système de séparation 13 et à nouveau le réservoir 7. De la même façon, le circuit de rinçage C2 peut comprendre successivement : le réservoir 11 de composition de rinçage, la pompe 12, un conduit 9 d'entrée d'enceinte 2, l'enceinte, un conduit 10 de sortie d'enceinte, le système de séparation 13 et à nouveau le réservoir 11. 20 Tel qu'illustré à la figure 2, le dispositif peut comprendre en outre un système 14 de régénération d'acide, disposé entre le système de séparation 13 et le réservoir 7 de composition de traitement chimique. Le système 14 de régénération d'acide peut être tout système connu de l'homme du métier, en particulier le système décrit dans le document 25 FR 2 946 364. Le dispositif peut également comprendre un système 15 de régénération d'eau déminéralisée ou d'eau industrielle, par tout système de filtration connu de l'homme du métier, par exemple à l'aide de résines. L'arrêt du traitement chimique de l'aube et le déclenchement du 30 rinçage de l'aube peuvent être réalisés en fonction de la masse de titane dissous, une fois que la masse de titane dissous a dépassé une valeur 3056605 10 prédéterminée. La masse de titane dissous peut par exemple être déterminée par la pesée de l'aube au cours du traitement chimique. Le titane est éliminé de l'enceinte avec le flux d'acide. Il est ainsi possible de déterminer la quantité de titane dissous au cours du temps et de débuter le 5 rinçage lorsque la totalité du titane porté par l'aube est dissous. La pesée peut par exemple être effectuée par des capteurs disposés sur les éléments de maintien de l'aube et être comparée à une table indiquant le poids de l'aube sans son bord d'attaque en titane. On peut également envisager de mesurer la masse de titane dissous 10 en mesurant la concentration de titane dans le flux de la composition acide de traitement chimique, par exemple à l'aide d'un système optique ou par titrage/prélèvement. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de traitement chimique d'une pièce (3) de turbomachine munie d'un élément de surface métallique, et notamment d'un bord d'attaque (31) d'une aube (3) de turbomachine muni d'un élément de surface en titane, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte de traitement chimique (2), configurée pour recevoir ladite pièce (3) et être alimentée en une composition de traitement chimique et en une composition de rinçage, ladite enceinte (2) comprenant des moyens de recouvrement (4) configurés pour permettre une introduction d'une partie de ladite pièce (3) dans ladite enceinte (2), - un circuit fermé de traitement chimique (C1), passant par ladite enceinte (2), et comprenant un réservoir (7) de composition de traitement chimique et une pompe (8) permettant d'assurer la circulation de la composition de traitement chimique, et - un circuit fermé de rinçage (C2), passant par ladite enceinte (2), et comprenant un réservoir (11) de composition de rinçage et une pompe (12) permettant d'assurer la circulation de la composition de rinçage. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de traitement chimique comprend de l'acide fluorhydrique et de l'acide nitrique. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de rinçage comprend de l'eau. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de recouvrement (4) comprennent une membrane souple (4) munie d'une ouverture permettant l'introduction de ladite pièce (3). 5. Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite membrane souple (4) est en silicone. 3056605 12 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, en aval de l'enceinte de traitement chimique (2), un système de séparation (13) permettant de séparer la composition de traitement chimique de la composition de rinçage. 5 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le système de séparation (13) et le réservoir (7) de composition de traitement chimique, un système (14) de régénération de la composition de traitement chimique. 8. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il 10 comprend, entre le système de séparation (13) et le réservoir (11) de composition de rinçage, un système (15) de régénération de la composition de rinçage. 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande aptes à commander une 15 interruption de la circulation de la composition de traitement chimique et un début de circulation de la composition de rinçage, en fonction de la masse de l'élément de surface métallique dissous par la composition de traitement chimique. 10. Dispositif (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les 20 moyens de commande sont aptes à commander une interruption de la circulation de la composition de traitement chimique et un début de circulation de la composition de rinçage lorsque la masse de l'élément de surface métallique dissous est supérieure à une valeur de référence prédéterminée. 25 11. Dispositif (1) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de la masse de l'élément de surface métallique dissous. 12. Dispositif (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de détermination de la masse de l'élément de surface métallique 30 dissous comprennent des moyens de détermination de la masse de la pièce de turbomachine et de comparaison de ladite masse de la pièce de 3056605 13 turbomachine avec une valeur de référence, et/ou des moyens de dosage de l'élément de surface métallique dissous.