Brevet FR3098849A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Carter amélioré de module d'aéronef Domaine technique [0001] Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines, notamment un module de turbine, une turbomachine comprenant un tel module, et un procédé de fabrication d'un tel module. Technique antérieure [0002] L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées. Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, des matériaux conservant des propriétés mécaniques et thermostructurales élevées à hautes températures doivent être utilisés. C'est le cas notamment des stators de compresseur ou de turbine. [0003] Lc carter de ces stators comprend une enveloppe de forme générale tronconique et des crochets de fixation solidaires de cette enveloppe et faisant saillie sur sa face interne. Ces crochets de fixation servent à soutenir des anneaux ou des segments d'anneau porteurs d'aubes fixes, formant un ensemble communément appelé distributeur de turbine. Un stator comprend généralement plusieurs séries de crochets qui soutiennent plusieurs distributeurs répartis sur la face interne de l'enveloppe. Entre ces anneaux, on trouve des roues mobiles porteuses d'aubes mobiles du rotor de la turbine. Le couple formé par un distributeur et une roue mobile constitue un étage de turbine. [0004] Les carters de turbine basse pression, par exemple, et les crochets, sont généralement fabriqués et forgés de manière monobloc dans un alliage à base de nickel, par exemple en Waspaloy® (marque déposée), présentant des propriétés intéressantes à températures élevées. [0005] Cependant, la turbine d'un turboréacteur d'avion est traversée par des gaz de combustion très chauds et fonctionne donc dans des conditions thermiques particulièrement difficiles. Aussi, les crochets de fixation en contact avec la veine des gaz de combustion, sont soumis à des échauffements beaucoup plus importants que l'enveloppe qui, par ailleurs, est refroidie sur sa face externe par un système de refroidissement, généralement un système de tuyaux perforés, communément appelés colliers à douche, souffhun de l'air frais sur ladite enveloppe. Les températures de fonctionnement calculées sur certains de ces crochets sont en limite d'utilisation, de telle sorte que pour des températures plus élevées, des déformations ou des dégradations de ces crochets sont susceptibles de se produire. [0006] L'utilisation de matériaux acceptant des températures de fonctionnement plus élevées 2 conduiraient à l'utilisation de matériaux élaborés par fonderie dont les caractéristiques mécaniques ne sont pas suffisantes pour des applications de ce type. [0007] Une autre possibilité consisterait à utiliser des matériaux issus de métallurgie des poudres tels que les nuances d'alliages à hase de nickel décrits dans les documents FR2593830 et FR2899240, pour réaliser le carter de turbine et les crochets. Cependant le coût d'approvisionnement, la disponibilité de la matière et la dimension des carters de turbines basses pressions rendent cette solution inapplicable. [0008] Il existe donc un besoin pour une solution permettant de s'affranchir au moins en partie des inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention [0009] Lc présent exposé concerne un module de turbine pour turbomachine aéronautique comprenant une première portion et une deuxième portion rapportée à la première portion, la première portion comprenant un premier matériau, et la deuxième portion comprenant un deuxième matériau différent du premier matériau, le deuxième matériau présentant une résistance au fluage supérieure au premier matériau pour des températures supérieures à 700°C. [0010] Les modules de turbine, situés en aval de la chambre dc combustion, d'un turbo- réacteur sont soumis en service à des sollicitations mécaniques assimilables à de la traction, du fluage et dc la fatigue, à des températures supérieures à 700°C, et pouvant atteindre 800 °C. Lorsque la deuxième portion de cc module est soumise à des températures plus élevées que la première partie, en raison par exemple dc sa disposition dans la turbomachine, la résistance au fluage de cette deuxième partie doit être suffisamment élevée à ces températures. On entend par résistance au fluage, une résistance élevée à la déformation plastique dans un temps donné et à une température donnée. Cela se traduit par une très bonne tenue au fluage, ainsi qu'une bonne résistance à la propagation des fissures. Lc fait que le deuxième matériau présente une résistance au fluage supérieure au premier matériau pour des températures supérieures à 700°C, permet de limiter le risque de déformation et de dégradation de la deuxième portion, sans nécessité de fabriquer le module entier en un même matériau. Lc fait de rapporter la deuxième portion à la première portion permet notamment d'utiliser deux matériaux différents pour chacune de la première et de la deuxième portion. Il est ainsi possible d'utiliser un matériau plus résistant au fluage, et éventuellement plus coûteux, pour la deuxième portion uniquement, permettant ainsi de limiter le coût global du module et de la fabrication de celui-ci. Cela permet également d'améliorer la durée de vie en fonctionnement de ce module. [0011] Dans certains modes de réalisation, la deuxième portion est rapportée à la première portion par fabrication additive. 3 [0012] Le fait de rapporter la deuxième portion sur la première portion par fabrication additive permet l'utilisation de matériaux non compatibles avec d'autres procédés d'assemblage, tels que le soudage ou le brasage. Cela permet également l'emploi de matériaux dont les propriétés mécaniques sont élevées. [0013] Dans certains modes de réalisation, le premier matériau comprend un alliage à base de nickel et est obtenu par forgeage. [0014] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau comprend un alliage à hase de nickel et est obtenu à partir de poudres métalliques. [0015] Les portions de la turbine soumises à des températures élevées requièrent une grande résistance au fluage et à la propagation de fissure. L'utilisation d'alliage à hase de nickel, notamment des superalliages à hase de nickel polycristallins permet d'obtenir à la fois une bonne stabilité microstructurale, une bonne résistance à l'oxydation, et de très bonnes propriétés mécaniques à haute température. [0016] Par ailleurs, le deuxième matériau peut être obtenu par l'intermédiaire d'un procédé basé sur la métallurgie des poudres, par exemple par atomisation gazeuse. Ces procédés permettent de limiter les phénomènes de ségrégation chimique et favorisent la bonne homogénéité microstructurale de l'alliage. [0017] Dans certains modes de réalisation, le premier matériau comprend entre 57 et 59% en poids de nickel, entre 18 et 20% de chromium, entre 12et 15% de cobalt, entre 3,5 et 5% de molybdenum, entre 2,75 et 3,25% de titanium, et entre 1,2 et 1,6% d'aluminium. [0018] Cette composition du premier matériau présente l'avantage de présenter de bonnes propriétés mécaniques à hautes températures, une bonne résistance à l'oxydation et une bonne stabilité rnicrostructurale. [0019] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau comprend entre 11,5 et 13,5 % de chrome, entre 11,5 et 16,0 % de cobalt, entre 3,4 et 5,0 % de molybdène, entre 3,0 et 5,0 % de tungstène, entre 2,2 et 3,2 % d'aluminium, entre 3,5 et 5,0 % de titane, entre 0,5 et 2,0 % de niobium, entre 0,25 et 0,35 % de hafnium, entre 0 et 0,07 % de zirconium, entre 0,015 et 0,030 % de zirconium, entre 0,01 à 0,02 % de bore, et du nickel en complément à 100%. [0020] Cette composition permet de conférer à la deuxième portion des propriétés mé- caniques encore plus élevées que celles de la première portion, et de présenter une meilleure stabilité rnicrostructurale à haute température, pal- rapport aux alliages à base de nickel connus, et par rapport à l'alliage utilisé pour le premier matériau. En particulier, au-delà de 700°C, l'utilisation de cette composition permet, sur un temps donné, un gain d'environ 30% sur la contrainte admissible, pour obtenir un allongement plastique de 0,2% par fluage. Autrement dit, pour une contrainte donnée, le gain en temps d'exposition est d'environ 25% pour l'atteinte d'un allongement plastique de 0,2%. [0021] Dans certains modes de réalisation, le module est un carter de turbine, la première portion est une enveloppe du carter, et la deuxième portion comprend une pluralité de crochets configurés pour porter des secteurs d'anneaux de turbine. [0022] L'enveloppe du carter comporte le premier matériau, et les crochets comportent le deuxième matériau. Les crochets sont rapportés à l'enveloppe du carter, en étant fabriqués par fabrication additive directement sur l'enveloppe. [0023] Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant un module selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. [0024] Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d'un module de tur- bomachine selon le présent exposé, comprenant : - fabrication d'une première portion comprenant un premier matériau, - fabrication d'une deuxième portion comprenant un deuxième matériau différent du premier matériau, la deuxième portion étant rapportée à la première portion, et le deuxième matériau présentant une résistance au fluage supérieure au premier matériau pour des températures supérieures à 700°C. [0025] Dans certains modes de réalisation, la deuxième portion est rapportée à la première portion par fabrication additive. Brève description des dessins [0026] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : [0027] [fig.1] la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de carter de stator de turbine, [0028] [fig.2] La figure 2 représente une vue détaillée d'un stator de turbine, [0029] [fig.3] La figure 3 représente une vue détaillée du carter de stator de la figure 2. Description des modes de réalisation [00301 La figure 1 représente un exemple de carter 1 comprenant une enveloppe 2 de forme générale tronconique sur laquelle sont fixés des crochets de deux types; : des crochets plats 3a et des crochets à talon 3h. Les crochets d'un même type se présentent sous la forme de segments incurvés et sont mis bout à bout de manière à former sur la face interne de l'enveloppe 2, des anneaux de crochets sur toute la circonférence du carter 1 autour de l'axe principal. [00311 La figure 2 représente une vue en coupe le long de l'axe principal un carter de stator de turbine basse pression. On notera que l'invention s'appliquerait de manière tout à fait analogue à la turbine haute pression. [0032] La turbine comporte une pluralité d'étages rotoriques comprenant des aubes de rotor 20, et d'étages statoriques comprenant une pluralité d'aubes statoriques fixes 30. [0033] Les crochets 3a et 3h servent à soutenir les aubes statoriques 30, ou distributeur de turbine formés d'anneaux ou de segments d'anneaux porteurs des aubes fixes. Ces aubes fixes 30 sont liées par le pied à l'anneau extérieur 10 du distributeur. Cet anneau extérieur 10 est muni à l'avant et à l'arrière de crochets 11 et 12 aptes à coopérer respectivement avec les crochets de fixation 3a, 3h de l'enveloppe 2, de sorte que l'anneau extérieur 10 est maintenu par les crochets de fixation 3a, 3h. [0034] L'enveloppe 2 est réalisée dans des alliages ou superalliages utilisés ordinairement dans l'aéronautique, comme l'alliage commercialisé sous la marque Waspaloy® ou l'alliage connu sous la marque Inconel 718®. Ceci permet de réparer sans difficulté cette enveloppe, après qu'elle ait subi des dégradations, par des techniques de réparation classiques comme le soudage, l'assemblage ou le rechargement. Les dégradations de l'enveloppe peuvent par exemple résulter de chocs lors de sa fabrication ou de sa manutention. [0035] La figure 3 représente une vue en coupe le long de l'axe principal du carte 1 seul. Les crochets 3a, 3h sont réalisés en un matériau différent de l'enveloppe 2 du carter 1. Plus précisément, les crochets 3a, 3h comprennent un alliage à hase de nickel présentant une composition différente de celle de l'enveloppe. En particulier, outre le nickel, les crochets comprennent essentiellement (c'est-à-dire aux éventuelles impuretés près) les éléments suivants, dans les teneurs indiquées en pourcentages en poids: chrome (Cr) : 11,5 à 13,5 %; cobalt (Co) : 11,5 à 16,0 %; molybdène (Mo) : 3,4 à 5,0 %; 20 tungstène (W) : 3,0 à 5,0 %; aluminium (Al) : 2,2 à 3,2 %; titane (Ti): 3,5 à 5,0 %; niobium (Nb): 0,5 à 2,0 %; hafnium (Ht) : 0,25 à 0,35 %; 25 zirconium (Zr) : 0 à 0,07 %; carbone (C) : 0,015 à 0,030 %; bore (B) : 0,01 à 0,02 %. Le complément restant jusqu'à 100% comprend du nickel. Un exemple d'alliage de ce type est décrit dans le document FR2899240. Cet alliage est commercialisé sous la référence N19. [0036] Les crochets 3a, 3b sont fabriqués par fabrication additive, en fabricant ces derniers couches par couches directement sur la face interne de l'enveloppe 2. En particulier, les crochets 3a, 3b peuvent être fabriqués à l'aide d'un procédé de rechargement par dépôt laser (ou LDM pour « Laser Deposition Metal » en anglais), dans lequel un faisceau laser chauffe localement une zone de la pièce, ici la surface de l'enveloppe 2 sur laquelle les crochets doivent être positionnés, de manière à générer un bain de fusion à la surface de l'enveloppe. En parallèle, une buse située dans l'optique d'usinage laser pulvérise une poudre métallique très fine directement dans le bain de fusion. [0037] Cette poudre métallique comprend le matériau décrit ci-dessus, utilisés pour les crochets 3a, 3b. Cette poudre est obtenue par un procédé d'atomisation. Plus pré- 6 cisément, ce matériau est élaboré dans un premier temps en phase liquide. Sous forme de liquide, le matériau passe dans une busc, ou entonnoir, et le jet liquide qui en sort est intercepté par un flux gazeux. Ce flux gazeux « découpe » le jet liquide en microgoutelettes qui se solidifient très rapidement lors de leur chute dans un conteneur. [0038] Cette poudre ainsi obtenue est donc pulvérisée dans le bain de fusion formé à la surface de l'enveloppe 2 par le laser, et fond alors au contact de cette surface. Cette poudre vient ainsi se lier à cette surface, puis se solidifier au contact de celle-ci, permettant ainsi l'adhésion de ces deux matériaux. Ce processus est alors répété à plusieurs reprises sur plusieurs couches, jusqu'à obtenir la forme souhaitée des crochets 3a, 3h, à la surface de l'enveloppe 2. Le carter 1 ainsi obtenu est une pièce d'un seul tenant comprenant l'enveloppe 2 et les crochets 3a, 3h rapportés sur l'enveloppe 2 par le procédé décrit ci-dessus, l'enveloppe 2 et les crochets 3a, 3b comprenant chacun un matériau différent. [0039] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réa- lisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif [0040] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Module (1) de turbine pour turbomachine aéronautique comprenant unc première portion (2) et une deuxième portion (3a, 3h) rapportée à la première portion (2), la première portion (2) comprenant un premier matériau, et la deuxième portion (3a, 3h) comprenant un deuxième matériau différent du premier matériau, le deuxième matériau présentant une résistance au fluage supérieure au premier matériau pour des températures supérieures à 700°C. [Revendication 2] Module selon la revendication 1, dans lequel la deuxième portion (3a, 3b) est rapportée à la première portion (2) par fabrication additive. [Revendication 3] Module selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier matériau comprend un alliage à base de nickel et est obtenu par forgeage. [Revendication 4] Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième matériau comprend un alliage à base de nickel et est obtenu à partir de poudres métalliques. [Revendication 5] Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier matériau comprend entre 57 et 59% en poids de nickel, entre 18 et 20% de chromium, entre 12et 15% de cobalt, entre 3,5 et 5% de molybdenum, entre 2,75 et 3,25% de titanium, et entre 1,2 et 1,6% d' aluminium. [Revendication 6] Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième matériau comprend entre 11,5 et 13,5 % de chrome, entre 11,5 et 16,0 % de cobalt, entre 3,4 et 5,0 % de molybdène, entre 3,0 et 5,0 % de tungstène, entre 2,2 et 3,2 %d'aluminium, entre 3,5 et 5,0 % de titane, entre 0,5 et 2,0 % de niobium, entre 0,25 et 0,35 % de hafnium, entre 0 et 0,07 % de zirconium, entre 0,015 et 0,030 % de zirconium, entre 0,01 à 0,02 % de bore, et du nickel en complément à 100%. [Revendication 7] Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le module (1) est un carter de turbine, la première portion (2) est une enveloppe du carter, et la deuxième portion (3a, 3b) comprend une pluralité de crochets configurés pour porter des secteurs d'anneaux (10) de turbine. [Revendication 8] Turbomachine comprenant un module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. [Revendication 9] Procédé de fabrication d'un module (1) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant : 8 [Revendication 10] - fabrication d'une première portion (2) comprenant un premier matériau, - fabrication d'une deuxième portion (3a, 3h) comprenant un deuxième matériau différent du premier matériau, la deuxième portion (3a, 3h) étant rapportée à la première portion (2), et le deuxième matériau présentant une résistance au fluage supérieure au premier matériau pour des températures supérieures à 700°C. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la deuxième portion (3a, 3h) est rapportée à la première portion (2) par fabrication additive.