Brevet FR3084401A1 — publié le 20200131

Arrière-plan de l'invention Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflantes en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique et la présente invention concerne plus particulièrement un procédé de fixation de ce renfort structurel métallique sur la pale en matériau composite de l'aube. 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 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 postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados. Ainsi, la figure 1 est une vue latérale d'une aube, par exemple une aube de soufflante d'une turbomachine (non représentée), 20 comportant un renfort structurel métallique de bord d'attaque. L'aube 10 comporte une surface aérodynamique ou pale 12 solidaire d'un pied 14 et s'étendant selon une première direction axiale 16 entre un bord d'attaque 18 et un bord de fuite 20 et selon une deuxième direction radiale 22 sensiblement perpendiculaire à la première direction 25 16 entre ce pied 14 et un sommet de l'aube 24. Les faces latérales de la pale 12 qui relient le bord d'attaque 18 au bord de fuite 20 constituent les faces extrados 26 et intrados 28 de l'aube. Classiquement, la pale 12 est réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres. A titre d'exemple, le 30 matériau composite utilisé peut être composé par un assemblage de fibres tissées de carbone et d'une matrice de résine époxyde, l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé d'injection de résine de type RTM (pour "Resin Transfer Molding"). Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de 35 soufflante, subissent d'importantes contraintes, notamment mécaniques. Aussi, il est connu d'équiper les aubes de soufflante réalisées en matériau 2 composite, d'un renfort structurel s'étendant sur toute la hauteur du profil aérodynamique et épousant la forme du bord d'attaque, comme mentionné dans la demande EP1908919 déposée au nom de la demanderesse. Un tel renfort structurel permet de protéger l'aube en 5 matériau composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou bien encore des cailloux en phase de décollage ou d'atterrissage. C'est une pièce métallique en alliage de titane, préférentiellement de type TA6V réalisée à partir d'une préforme obtenue depuis un simple barreau métallique et d'une 10 succession d'étapes de forge, comme décrit notamment dans la demande FR2961866 également déposée au nom de la demanderesse. Comme représenté à la figure 2, ce renfort structurel 30 épouse la forme du bord d'attaque 18 de la pale 12 de l'aube 10 qu'il prolonge pour former le bord d'attaque de l'aube 32 et il est collé à l'aide d'un joint 15 de colle époxy dont les propriétés à 23°C sont les suivantes : Module de Young 1 GPa 10 MPa ; déformation à rupture Er Comme le montre le détail de la figure 2A, le joint ou film de colle époxy 40 contient en outre un support en nylon 42 intégré dans le film de colle cru et permettant de calibrer l'épaisseur du joint pendant la polymérisation, lorsque la viscosité de l'époxy devient temporairement très faible. L'ensemble ainsi formé d'une colle époxy et d'un polymère thermoplastique qu'est le nylon, présente une grande capacité d'absorption de l'énergie due aux chocs et impacts divers. 3 Toutefois, ces impacts correspondent à des chargements mécaniques sur l'aube et génèrent, par effets de bords, des concentrations de contraintes dans la colle située sous les extrémités du renfort structurel métallique qui facilitent l'initiation de décollements qui 5 vont ensuite se propager plus largement sous le renfort structurel métallique. De plus, la présence du support en nylon 42 influence considérablement la propagation de ces décollements dans le joint de colle 40. En effet, comme illustré à la figure 3, du fait d'une adhésion faible entre le nylon et l'époxy, la propagation de la fissure est facilitée par une 10 alternance entre des phases de propagation dans la colle époxy et des phases de propagation à l'interface époxy/nylon laissant, le long de cette interface, le support en nylon systématiquement apparent après propagation de la fissure. Ces décollements peuvent aussi continuer à se propager lors 15 d'autres impacts ou sous chargement de fatigue vibratoire provoquant des risques de délaminage, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice. L'aube de soufflante ainsi endommagée doit alors être réparée voire remplacée lors d'une opération de maintenance, ce qui impact 20 fortement la disponibilité de l'aéronef intégrant la turbomachine concernée. Objet et résumé de l'invention Dans ce contexte, l'invention vise à pallier les inconvénients 25 précités des renforts structurels collés actuels en proposant une aube de turbomachine comportant un renfort structurel métallique dont les décollements sont considérablement réduits lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante. Ce but est atteint grâce à une aube de turbomachine 30 comportant une surface aérodynamique s'étendant selon une première direction entre un bord d'attaque et un bord de fuite et selon une deuxième direction, sensiblement perpendiculaire à ladite première direction, entre un pied de l'aube et un sommet de l'aube, ladite surface aérodynamique étant réalisée en un matériau composite à matrice 35 organique renforcée par des fibres, et un renfort structurel métallique collé par un joint de colle sur ledit bord d'attaque dont il épouse la forme 4 et présentant sur toute sa hauteur une section sensiblement en forme de V avec une base prolongée de deux flancs latéraux présentant un profil aminci au niveau d'extrémités libres dirigées vers ledit bord de fuite, caractérisée en ce que ledit joint de colle comporte une armature en 5 polymère élastomérique. Ainsi, l'adjonction d'une armature en polymère élastomérique, en augmentant la ténacité de la liaison collée permet d'éviter les décollements observés dans les solutions de l'art antérieur. Avantageusement, ledit polymère élastomérique comporte à 10 23°C les propriétés suivantes : Module de Young E z 10 MPa ; contrainte à rupture a, > 10 MPa ; déformation à rupture Er > 80%. De préférence, ladite armature en polymère élastomérique comporte un taux surfacique de fissuration y de l'ordre de 0,02 afin de doubler le taux de restitution d'énergie critique G, dudit joint de colle 15 défini par la formule suivante : = a J'époxy C(b) dô+ y j r élastomère C(a) da où a est le taux surfacique de fissuration dans la résine époxy et représente l'ouverture des lèvres de la fissure et u la contrainte cohésive associée. Selon le mode de réalisation considéré, ladite armature en 20 polymère élastomérique est constituée d'un treillis formé d'un réseau plan à mailles carrées et/ou rectangulaires ou à mailles circulaires. Cette armature peut être noyée complètement dans ledit joint de colle ou seulement intégrée sur une face externe dudit joint de colle. L'invention concerne également toute turbomachine comportant 25 au moins une telle aube. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 30 annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 représente une aube de soufflante de turbomachine en vue latérale ; - la figure 2 illustre une section partielle de l'aube de la figure 1 35 montrant un renfort structurel métallique du bord d'attaque collé sur l'aube en matériau composite ; 5 - la figure 2A montre un détail de la liaison collée entre le renfort structurel et l'aube en matériau composite ; - la figure 3 illustre une propagation de fissure dans une liaison collée connue comportant un support en nylon ; 5 - la figure 4 est un modèle théorique de propagation de fissure depuis le bord libre d'un matériau sain ; - la figure 5 illustre une propagation de fissure dans une structure de liaison collée conformément à l'invention ; - les figures 6A et 6B sont deux exemples d'armatures destinées 10 à être incorporées à la structure de liaison collée de la figure 5 ; et - les figures 7A et 7B montrent deux exemples de procédé permettant la mise en place des armatures des figures 6A ou 6B dans une liaison collée conformément à l'invention. 15 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 4 est une illustration graphique du modèle théorique permettant la réalisation de la présente invention. En effet, la solution technique proposée par les inventeurs pour réduire les décollements d'une protection métallique collée sur le bord 20 d'attaque d'une aube de soufflante en matériau composite est d'augmenter la ténacité du joint de colle polymérisé. En effet, la ténacité est la capacité d'un matériau à résister à une initiation ou une propagation de fissure. On peut la quantifier par le taux de restitution d'énergie critique G, qui représente l'énergie nécessaire pour propager dans un 25 matériau sain C une fissure d'une unité d'aire depuis son bord libre A en passant par sa zone cohésive intermédiaire B. Ce taux s'exprime en fonction de l'ouverture Ô des lèvres de la fissure et de la contrainte cohésive uassociée : 30 Ge = i 0( ô) d6 Par conséquent, il faut agir sur la loi cohésive a(à) qui pilote l'ouverture d'une fissure pour augmenter le taux de restitution d'énergie critique G, et donc la ténacité d'un matériau. C'est ce principe qui est 35 exploité par la présente invention. 6 Dans le cas de la liaison collée de l'art antérieur comportant un support en nylon, on peut exprimer G, comme la somme de l'énergie dissipée par la propagation de fissure dans l'époxy et de l'énergie dissipée par la propagation de fissure à l'interface nylon/époxy : 5 = a f époxy cf(d) dé+ -R inylon/époxy o(6) da Où o est le taux surfacique de fissuration dans l'époxy et 13 est le taux surfacique de fissuration à l'interface nylon/époxy. Ce scénario a été validé 10 par des analyses de faciès de rupture qui ont montré que le support en nylon est systématiquement apparent après propagation de la fissure, comme explicité en préambule. Cela indique la présence d'une adhésion faible entre le nylon et l'époxy qui facilite la propagation de la fissure le long de cette interface. On pourra d'ailleurs noter que cette particularité 15 est exploitée par l'homme du métier qui utilise classiquement des tissus d'arrachage en nylon pour texturer les surfaces des matériaux composites à matrice époxy. L'énergie dissipée lors de cette phase de propagation est relativement faible car elle ne fait intervenir ni contrainte élevée, ni déformation élevée de la matière. Dans le cas d'un support en nylon, on 20 peut donc estimer que l'énergie dissipée par la fissuration dans la résine époxy participe majoritairement au taux de restitution d'énergie critique G, du joint de colle : G, z ci 'époxy 0(6) 25 La solution technique proposée consiste donc à remplacer le support en nylon par une armature en élastomère (Propriétés à 23 °C : module de Young E z 10 MPa ; contrainte à rupture a, > 10 MPa ; déformation à rupture Er > 80%) afin de remplacer une phase de 30 propagation peu énergétique à l'interface époxy/nylon par une phase de propagation plus énergétique dans l'élément élastomérique. Un exemple d'un tel élément élastomérique est connu sous la référence 23HP90 de la société ITC. En effet, le faible module d'Young de l'élastomère impose une 35 déformation de celui-ci au cours de l'ouverture des lèvres de fissure. La déformation de l'élastomère peut même devenir très élevée et faire 7 intervenir des contraintes non négligeables lorsqu'elle évolue jusqu'à la rupture de l'armature. Dans ce cas, l'armature en élastomère 44 se déchirant en deux parties séparées 44A, 44B crée alors des « ponts » entre les lèvres de fissure, comme le montre la figure 5. L'énergie dissipée 5 par ce processus de déformation et de fissuration de l'armature en élastomère participe largement à augmenter le taux de restitution d'énergie critique G, du joint de colle : Gc= cl J'époxy «Ô) dà 4- y 'élastomère o(ô) dô 10 Avec r J élastomère o(6) dô e 10 000 J/m2 (pour le caoutchouc naturel) » lépoxy a(a) da 2: 2001/m2 (pour un époxy standard) Où ci est le taux surfacique de fissuration dans la résine époxy et y est le 15 taux surfacique de fissuration dans l'armature en élastomère. Une valeur de y intéressante est par exemple 0,02 afin de doubler Gc et de conserver tout le bénéfice des époxy en terme de raideur. L'armature peut présenter différentes géométries dont deux exemples sont illustrés en plan aux figures 6A et 6B. Sur la figure 6A, est 20 représenté un treillis formé d'un réseau plan à mailles carrées et/ou rectangulaires et sur la figure 6B un treillis formé d'un réseau plan à mailles circulaires, à l'image d'une cotte de maille. L'armature 44 peut être incorporée au joint de colle 40 selon deux procédés distincts qui peuvent être qualifiés de simple ou double 25 imprégnation. Dans le procédé par simple imprégnation, illustré à la figure 7A, l'armature élastomérique 44 est seulement intégrée en surface sur une face externe du joint de colle époxy cru alors que dans le procédé par double imprégnation, illustré à la figure 7B, l'armature élastomérique est déposée entre deux films de colle époxy crue 40A, 40B et se retrouve 30 donc après la polymérisation entièrement « noyée » dans le joint de colle. Comme il est connu, cette polymérisation est obtenue dans un outillage spécifique connu en soi, par exemple à une température de 180°C sous une pression de 3 bars et pendant 60 minutes. Ainsi la présente invention qui consiste à intégrer une armature 35 en élastomère dans un film de colle cru pour augmenter la ténacité du joint après polymérisation en remplacement d'un support en nylon dont la 8 fonction se limite à la calibration de l'épaisseur du joint permet, par rapport à l'état de la technique, de bénéficier notamment des avantages suivants : - un contrôle de la répartition et de la position de l'élastomère dans le film 5 de colle, notamment en travaillant sur la géométrie de l'armature, - un travail à partir de n'importe quel film de colle cru, y compris un film de colle contenant déjà des charges élastomères, - un maintien de la fonction de calibration d'épaisseur du joint de colle polymérisé, 10 - une limitation de reprise d'humidité (problématique de vieillissement) qui est un inconvénient connu du support en nylon. Si la description précitée a été illustrée par une aube de soufflante de turbomachine, il conviendra de noter que l'invention est également applicable à la réalisation d'un renfort structurel métallique 15 destiné à renforcer un bord d'attaque de tout autre type d'aube de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d'hélicoptère ou un turboréacteur d'avion mais également d'hélices REVENDICATIONS1. Aube de turbomachine comportant une surface aérodynamique (12) s'étendant selon une première direction (16) entre un bord d'attaque (18) et un bord de fuite (20) et selon une deuxième direction (22), sensiblement perpendiculaire à ladite première direction, entre un pied de l'aube (14) et un sommet de l'aube (24), ladite surface aérodynamique étant réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres, l'aube comportant en outre un renfort structurel métallique (30) collé par un joint de colle (40) sur ledit bord d'attaque dont il épouse la forme et présentant sur toute sa hauteur une section sensiblement en forme de V avec une base (34) prolongée de deux flancs latéraux (36A, 36B) présentant un profil aminci au niveau d'extrémités libres (38A, 38B) dirigées vers ledit bord de fuite, caractérisée en ce que ledit joint de colle (40) comporte une armature en polymère élastomérique (44). 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite armature en polymère élastomérique est constituée d'un treillis formé d'un réseau plan à mailles carrées et/ou rectangulaires ou à mailles circulaires. 3. Aube selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit polymère élastomérique comporte à 23°C les propriétés suivantes : Module de Young E 10 MPa ; contrainte à rupture 25 cfr > 10 MPa ; déformation à rupture Er > 80%. 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite armature en polymère élastomérique comporte un taux surfacique de fissuration y de l'ordre de 0,02 afin de 30 doubler le taux de restitution d'énergie critique Ge dudit joint de colle défini par la formule suivante : = a J'époxy 0(6) da + Y 'élastomère 0(6) dô où a est le taux surfacique de fissuration dans la résine époxy et ô représente l'ouverture des lèvres de la fissure et o. la contrainte cohésive associée. 35 10 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite armature en polymère élastomérique est totalement noyée dans ledit joint de colle. 5 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite armature en polymère élastomérique est intégrée sur une face externe dudit joint de colle. 7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 10 constituant une aube de soufflante de turbomachine. 8. Turbomachine comportant au moins une aube selon la revendication 7.