Brevet FR3090465A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : procede de fabrication d'une piece de TUR- BOMACHINE EN MATERIAU COMPOSITE et piece de tur- bomachine correspondante Domaine technique de l'invention 100011 La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces de tur- bomachine en matériau composite, de préférence avec un renfort fibreux tissé en trois dimensions, telles que des aubes de turbomachine. Arrière-plan technique [0002] Il est connu de réaliser diverses pièces de turbomachine, en particulier de tur- bomachine d'aéronef, dans un matériau composite dans le but d'améliorer leurs capacités de résistances thermomécaniques et de réduire leurs masses. Le matériau composite est réalisé à partir d'un renfort fibreux qui est obtenu par un tissage tridimensionnel (ou tissage 3D) ou bidimentionnel (ou tissage 2D) et qui est noyé dans une matrice. Les pièces de turbomachine, telles que des aubes de turbomachine destinées à s'étendre à travers un flux aérodynamique, comprennent un bord d'attaque et un bord de fuite opposés suivant la circulation du flux aérodynamique dans la turbomachine. Les bords d'attaque et de fuite relient une surface intrados et une surface extrados qui sont opposées transversalement. Le bord d'attaque est destiné à fendre le flux aérodynamique et est par conséquent directement opposé aux corps étrangers extérieurs susceptibles de l'endommager tels que du sable, des grêlons, des oiseaux, etc. [0003] Le matériau composite étant sensible aux impacts de ces corps étrangers, différentes solutions ont été développées pour protéger les bords d'attaque de ces pièces de turbomachine en matériau composite. Il est à noter que le tissage tridimensionnel a été développé dans le but d'améliorer la tenue du bord d'attaque de ce type de pièce, notamment dans le sens de l'épaisseur, aux impacts de corps étrangers, contrairement aux matériaux composites ayant une structure stratifiée. La technologie du tissage tridimensionnel ne permet pas à elle seule de résister aux impacts des corps étrangers. Pour cela, certains bords d'attaque sont équipés d'un renfort métallique qui a été rapporté par collage sur le corps de la pièce de turbomachine après que celui-ci a été densifié pour les renforcer. Ce renfort métallique se présente généralement sous la forme d'un clinquant en titane pour les aubes de soufflante ou d'un clinquant en Nickel-Cobalt pour les aubes de redresseur de flux (connues sous l'acronyme anglais « OGV » pour Outlet Guidc Vanc) dont le bord d'attaque est moins exposé et sollicité par rapport à celui de l'aube de soufflante. [0004] Cependant, étant donné que les profils de ce type de pièce de turbomachine en 2 matériau composite sont fortement déformés pour présenter une forme tridimensionnel, la fabrication du clinquant à rapporter est très complexe. Par exemple, le clinquant en Nickel-Cobalt a quasiment été imposé et généralisé puisque les technologies classiques du type poinçonnage et. pliage présentent de nombreuses difficultés, voire une impossibilité de mise en oeuvre. En particulier, des déchirements et/ou un frisement du clinquant métallique peuvent survenir lors de la pose de celui-ci sur le bord d'attaque. De même, afin de fixer le clinquant métallique sur le bord d'attaque, des outillages spécifiques ont été développés, tels que des mandrins, ce qui implique une technologie coûteuse et un délai de fabrication allongé. L'opération de collage après le moulage de la pièce de turbomachine est elle-même coûteuse également car elle comprend de nombreuses étapes de préparation, à savoir, sablage, dégraissage. D'autres étapes telles que la cuisson de la colle, l'ébavurage nécessitent aussi un temps de réalisation relativement long qui influe sur le délai de fabrication de la pièce et son coût.. Résumé de l'invention [0005] La présente invention a notamment pour objectif de fournir une solution simple et efficace permettant de renforcer une pièce de turbomachine, notamment un bord d'attaque de celle-ci sujet à des impacts d'objets étrangers. [0006] On parvient à cet objectif conformément à l'invention grâce à un procédé de fa- brication d'une pièce de turbomachine en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes : - tissage d'une pluralité de fils pour la réalisation d'une préforme avec un renfort fibreux, mise en forme de la préforme de manière à obtenir une géométrie de la pièce de turbomachine souhaitée, injection d'une matrice dans une enceinte d'injection comprenant la préforme mise en forme, et - application d'une feuille de matériaux en tissu métallique sur un bord de la préforme destiné à former un bord d'attaque de la pièce de turbomachine avant l'étape d'injection de manière à obtenir une structure de renfort métallique intégrée au bord d'attaque de la pièce de turbomachine. [0007] Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, la feuille de tissu métallique est moulée en même temps que la préforme avec un renfort fibreux éventuellement tridimensionnel lors de l'étape d'injection de la matrice dans le moule d'injection. La co-densification de la feuille de tissu métallique et de la préforme en renfort fibreux permet de s'affranchir d'une opération de collage distinct d'une pièce de renfort rapportée sur la préforme après le moulage de celle-ci. Nous pouvons alors éliminer l'utilisation d'un adhésif. Il n'est pas nécessaire de rapporter un 3 renfort distinct non plus puisque la feuille de tissu métallique permet de former une structure de renfort intégrée au bord d'attaque pour améliorer sa tenue mécanique aux impacts de corps étrangers. [0008] Le procédé de fabrication de la pièce de turbomachine comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : le renfort fibreux le renfort fibreux est réalisé en trois dimensions ou en deux dimensions, la feuille de tissus est réalisée en trois dimensions ou en deux dimensions, des fils du renfort fibreux comprennent des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres de céramiques, des fibres de kevlar, des fibres de polyamides ou un mélange de ces fibres, la feuille de tissu en matériau métallique est densifiée simultanément avec le renfort fibreux, la préforme est réalisée en une seule pièce, le matériau métallique comprend un inox, un titane ou un inconel®, la feuille de tissu métallique est disposée sur toute la hauteur du bord de la préforme, la feuille est disposée sur le bord de la préforme de manière à former des ailettes de chaque côté du bord de la préforme, chaque ailette présentant une longueur comprise entre 1 et 10 cm suivant une corde de la préforme mesurée depuis le bord de la préforme, les ailettes présentent des longueurs différentes, le procédé comprend une étape d'application d'un film d'adhésif entre la préforme et la feuille de tissu métallique, au moins deux feuilles de tissu en matériau métallique sont appliquées sur le bord de la préforme, le taux volumique des fibres du renfort fibreux de la préforme est compris entre 55% et 65%. [0009] L'invention concerne également une pièce de turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, la pièce de turbomachine comprenant un bord d'attaque et un bord de fuite respectivement en amont et en aval, les bords d'attaque et bord de fuite reliant une surface intrados et une surface extrados opposées suivant un axe transversal, la pièce de turbomachine comprenant une structure de renfort métallique intégrée au bord d'attaque par la densification d'une feuille de tissu en matériau métallique. [0010] Suivant une caractéristique de cette pièce, la feuille de tissu est densifiée en même temps que le renfort fibreux. [0011] Suivant une autre caractéristique de la pièce, la structure de renfort métallique comprend deux ailes dont les surfaces externes sont respectivement affleurantes avec les surfaces intrados et extrados de la pièce de turbomachine. [0012] L'invention concerne encore une turhomachinc à double flux d'axe longitudinal X comprenant au moins une pièce de turhomachinc présentant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. Brève description des figures [0013] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : [0014] [fig.1] La figure 1 est une vue en perspective d'une pièce de turhomachinc telle qu'une aube de turbomachine comprenant un bord d'attaque renforcé par une structure métallique intégrée; [0015] [fig.2] La figure 2 représente schématiquement une préforme de renfort fibreux tissé permettant de réaliser une pièce de turhomachinc telle qu'une aube et une feuille de tissu en matériau métallique agencée sur un bord de la préforme; et [0016] [fig.3] La figure 3 est une vue partielle et en coupe transversale d'un exemple d'aube de turhomachinc en matériau composite dont le bord d'attaque comprend une structure de renfort métallique qui est intégrée au corps de l'aube. Description détaillée de l'invention 10017] La figure 1 montre suivant une vue en perspective une pièce de turbomachine 1 et en particulier pour une turbomachine d'aéronef. 10018] Un exemple de turbomachine (non représentée) à laquelle s'applique l'invention est une turbomachine double flux d'axe longitudinal comprenant une soufflante agencée en amont d'un générateur de gaz. Dans la présente invention, et de manière générale, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine et ici suivant Faxe longitudinal de la turbomachine. La soufflante génère un flux primaire ou flux chaud destiné à traverser le générateur de gaz comprenant d'amont en aval un ensemble de compresseur, une chambre de combustion, et un ensemble de turbine, et un flux secondaire ou flux froid qui circule autour du générateur de gaz. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type de turbomachine. 10019] La pièce de turbomachine 1 illustrée sur la figure 1 est une aube de redresseur connue sous l'acronyme anglais « OGV » pour Outlet Guide Vane et qui est destinée à être baignée dans un flux aérodynamique (flux primaire ou secondaire). L'aube de redresseur est typiquement située en aval de l'aube de soufflante de manière à redresser le flux primaire généré en aval de la soufflante. De manière générale, une pluralité d'aubes de redresseur est monté en aval de la soufflante et de manière régulièrement répartie autour de l'axe longitudinal de la turbomachine. Les aubes de redresseur relient un carter entourant la soufflante et un carter inter-veine enveloppant le générateur de gaz. Bien entendu, la pièce de turbomachine 1 peut être une aube de soufflante, une aube de redresseur d'entrée (connue sous l'acronyme anglais « 10V » pour Inlet Guide Vanc) ou tout autre organe de turbomachine profilé monté à travers un flux aérodynamique et sujet aux impacts de corps étrangers. [0020] L'aube de redresseur comprend une pale 2 aérodynamique qui s'étend suivant un axe d'empilement. Dans la présente invention, l'axe d'empilement est perpendiculaire à l'axe longitudinal X de la turbomachine lorsque l'aube est installée dans la turbomachine. Dans la suite de la description, nous considérons que l'aube est montée dans a turbomachine pour faciliter la compréhension. L'axe d'empilement passe par le centre de gravité de la section la plus intérieure de la pale (soit la section la plus proche de l'axe longitudinal de la turbomachine). Les termes « intérieur », « extérieur », « radial » et « radialement » sont définis par rapport à un axe radial Z lequel est perpendiculaire à l'axe longitudinal X de la turbomachine. L'axe radial Z est sensiblement parallèle à l'axe d'empilement de la pale aérodynamique. [0021] Typiquement, la pale 2 aérodynamique s'étend radialcment entre une extrémité proximale 3 et une extrémité distalc 4. L'extrémité proximale 3 correspond à la section la plus intérieure de la pale 2 et l'extrémité distalc 4 correspond à la section la plus extérieure de la pale 2. La pale 2 comprend un bord d'attaque 5 et un bord de fuite 6 qui sont opposées, ici suivant l'axe longitudinal X. La pale 2 est disposée dans le flux aérodynamique de la turbomachine de sorte que le bord d'attaque 5 est placé en amont du bord de fuite 6. Le bord d'attaque est donc susceptible d'être endommagé par des corps étrangers ingérés par la soufflante. La pale 4 comprend une surface intrados 7 et une surface extrados 13 (visible sur la figure 3) qui sont opposées suivant un axe transversal T tel que représenté sur la figure 1. L'axe transversal T est perpendiculaire aux axes longitudinal et radial, lesquels forment un repère orthonormé. Le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 6 sont reliés par les surface intrados 6 et extrados. Chaque pale 2 présente un profil aérodynamique avec une forme décroissante du bord d'attaque au bord de fuite de sorte que le bord de fuite se présente sous la forme d'une arête. Une telle forme profilée permet de réduire les pertes aérodynamiques du flux aérodynamique. [0022] L'aube de redresseur comprend également une plateforme radialement interne 8 qui est reliée à l'extrémité proximale 3 et une platane radialement externe 9 qui est reliée à l'extrémité distale 4. En d'autres termes, la pale 2 aérodynamique s'étend radialement entre les plateformes radialement interne et externe 8, 9. Les plateformes radialement interne et externe 8, 9 constituent respectivement des portions de paroi ra- 6 dialement interne et radialcment externe d'une veine de la turbomachine. [0023] L'aube de redresseur est réalisée dans un matériau composite avec un renfort fibreux noyé dans une matrice et une structure Sa de renfort métallique intégrée au bord d'attaque 5. En particulier, comme illustré sur la figure 2, l'aube de redresseur est obtenue par la fabrication d'une préforme 10 réalisée dans un tissage tridimensionnel (3D) de fils pour obtenir le renfort fibreux. La préforme peut être également obtenue avec un tissage bidimensionnel (2D). [0024] La préforme 10 est réalisée en seule pièce. Le tissage de la préforme 10 est réalisé au moyen d'un métier à tisser configuré au tissage tridimensionnel. Lc renfort fibreux comprend une pluralité de fils de chaîne et une pluralité de fils de trame qui sont orientés respectivement dans des directions qui sont perpendiculaires. Dans la présente invention, nous entendons par l'expression «tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D » un mode de tissage dans lequel des fils de chaîne sont liés au fils de trames sur plusieurs couches. Lc tissage est avantageusement réalisé à plat de sorte qu'en sortie du métier à tisser, la préforme 10 obtenue présente également une forme générale plate avec des épaisseurs qui varient. Dans le présent exemple, les fils pour réaliser le tissage comprennent des fibres en carbone, en verre, en céramique, en kevlar, en polyamide ou un mélange de ces fibres. Avantageusement, mais non limitativement, les fils de chaîne et de trame comprennent des fibres de carbone. La préforme 10 peut ensuite être découpée de manière à lui donner le contour final qui sera celui de la pièce de turbomachine, soit l'aube de redresseur dans notre exemple. [0025] Le procédé comprend encore une étape de mouillage dans lequel le renfort fibreux de la préforme 10 est humidifié, par exemple par de l'eau, de façon à ce que celui-ci soit plus facile à manipuler et notamment pour changer l'orientation des fils de chaîne par rapport aux fils de trame (décadrage) lors de l'étape de mise en forme ultérieure. [0026] Dans l'étape de mise en forme qui suit, l'opérateur déplace les fils de la préforme 10 de manière à mettre en forme le renfort fibreux au profil de l'aube de redresseur souhaitée. Les fils humidifiés étant lubrifiés, ceux-ci glissent mieux l'un pal- rapport à l'autre. Dans cette étape de mise en forme, la préforme 10 est installée clans un moule (non représenté) pal- un opérateur. Le moule présente une première empreinte intérieure destinée à accueillir la préforme 10 et à donner au moins une partie de la forme de la préforme souhaitée. De manière alternative, l'étape de mise en forme est réalisée simultanément avec l'étape de mouillage. [0027] La préforme 10 est ensuite séchée dans une étape de séchage dans laquelle l'eau ayant servie au mouillage est extraite de celle-ci. La préforme se rigidifie après séchage et maintient la mise en forme réalisée par l'opérateur. Cette étape peut être réalisée par un chauffage de la préforme 10 dans une enceinte adaptée. [0028] Une fois la préforme 10 mise en forme, une feuille 11 ou pli de tissu en matériau mé- 7 tallique est appliquée sur un bord 12 de la préforme 10. Le bord 12 est destiné à former le bord d'attaque 5 de l'aube de redresseur. La feuille 11 de tissu en matériau métallique formera à la fin du procédé de fabrication la structure Sa de renfort métallique. Cette feuille 11 est donc également tissée, avantageusement en bidimentionnel ou tridimentionnel, de préférence en bidimensionnel, et comprend des fils de chaine et de trame. [0029] La feuille de tissu 11 métallique présente une épaisseur comprise entre 0.05 et 0.5 mm. Cette feuille 11 comprend plusieurs fils de matériaux métalliques. Le matériau métallique comprend un Inox, un titane ou encore un Inconel®. Les fils sont réalisés de manière avantageuse, dans le même matériau métallique. Chaque fil présente un diamètre compris entre 0.01 et 0.1 mm. Ceci permet d'atteindre l'épaisseur du tissu envisagée. [0030] Les fils sont espacés de 20 inn à 500 pm de manière à ce que la feuille présente une certaine transparence. Le niveau de transparence est d'environ 38%. [0031] Le tissage de la feuille 11 est réalisée avec une amure de type satin, toile, taffetas, uni ou plein. Préférentiellement, la feuille de tissu métallique a une armure de type toile avec une possibilité d'avoir des soudures entre les fils. [0032] De manière avantageuse, mais non limitativement, la feuille 11 de tissu présente une niasse surfacique comprise entre 100 et 500 g/m2. [0033] Bien entendu, les caractéristiques de la feuille de tissu 11 métallique (épaisseur, armure, taille de fil, etc...) peuvent être choisies en fonction des exigences de conception et de propriétés mécaniques souhaitées pour le bord d'attaque de l'aube de redresseur. [0034] Le tissu métallique est présenté sous la forme d'un rouleau dans lequel un opérateur découpe une feuille de tissu adaptée aux dimensions du bord d'attaque de l'aube du redresseur. [0035] La feuille 11 est ensuite formée et installée directement sur la préforme 3D de l'aube de redresseur. A cet effet, la feuille 11 de tissu métallique est répartie de part et d'autre du bord 12 de la préforme 10. La feuille 11 s'étend le long du bord 12 de la préforme 10 et de préférence sur toute la hauteur de celui-ci de manière à optimiser le renfort. En particulier, une fois disposée sur le bord 12 de la préforme, la feuille 11 comprend une première ailette Ila et une deuxième ailette disposée de part et d'autre du bord 12. Comme illustré sur la figure 2, la première ailette lia est appliquée sur une première face destinée à former la surface intrados 7 de l'aube de redresseur et la deuxième ailette est appliquée sur une deuxième surface destinée à former la surface extrados 13 de l'aube de redresseur. Les deux ailettes Ila sont agencées de manière à présenter des longueurs axiales identiques suivant la corde de la préforme mesurée depuis le bord 12. De manière alternative, les longueurs des ailettes I la suivant la corde de la pale sur les 8 surfaces de la préforme sont différentes. Le positionnement de la feuille est alors asymétrique. Chaque ailette 11 a est destinée à former une aile 5h de la structure de renfort métallique après densification. [0036] La feuille 11 est agencée sur le bord de la préforme de sorte que l'orientation des fils de chaîne du tissu soit sensiblement parallèlement à l'axe radial, soit suivant la hauteur de l'aube. Nous comprenons qu'il n'y a pas de décalage angulaire entre l'axe radial et les fils de chaîne du tissu. De manière alternative, les fils de chaîne du tissu présentent une inclinaison par rapport à l'axe radial Z. Cette inclinaison est d'environ 45° par rapport à l'axe radial. Une telle configuration permet une mise en oeuvre beaucoup plus simple de la feuille de tissu 11 sur le bord 12 de la préforme 10. [0037] Suivant un mode de réalisation, au moins deux feuilles 11 de tissu sont disposées sur le bord 12 de la préforme de manière à obtenir une épaisseur plus importante de la structure de renfort métallique au niveau du bord d'attaque de la pale. Dans ce cas, la préforme 10 doit être adaptée de sorte que le taux volumique des fibres du renfort fibreux soit compris entre 55 et 65%. Préférentiellement, le taux volumique de fibres de la préforme fibreuse est compris entre 58 et 62%. [0038] Suivant un autre mode de réalisation, le procédé comprend un étape d'application d'un film d'adhésif entre la préforme et la ou les feuilles 11 de tissu métallique. Avantageusement, mais non limitativement, l'adhésif utilisé comprend une base d'époxy qui présente une bonne tenue mécanique. Les adhésifs sont par exemple des adhésifs connus sous la référence FM300, un FM309, un AF191, un Redux 322 ou un ST1480. Les adhésifs qui présentent une très bonne résistance au cisaillement et au pelage sont par exemple le FM309, un AF191 dans le cadre de cette application. Une résine thermodurcissable peut être également utilisée comme adhésif entre la préforme 10 et la ou les feuilles 11. Un exemple de résine thermodurcissable est une résine à base d'époxy telle que le PR520. [0039] Dans la présente description, les termes « résine » et « matrice » sont équivalents. [0040] Ensuite, l'ensemble (préforme de renfort fibreux et feuille de tissu métallique) est installé dans le moule dans lequel sera injectée une matrice selon la par exemple technologie RTM, cet acronyme signifiant en anglais Resin Transfert Molding pour moulage par transfert de résine, afin d'y réaliser une densification et obtenir l'aube de redresseur. D'autres procédés tels que l'infusion, le RTM light ou le Polyflex sont bien entendu envisageables. [0041] Le moule est préalablement fermé par un contre-moule comprenant une deuxième empreinte. La première et la deuxième empreintes forment un espace d'injection dans lequel une matrice sera injectée. La matrice est choisie en fonction de l'application souhaitée, ici pour l'aube de redresseur. La matrice peut être une résine thermodurcissable à base d'époxy ou une résine phénolique telle que les polybismaléimides 9 (BMT). Cette résine peut être la même que celle utilisée pour coller la feuille de tissu métallique sur la préforme 10 dans un des modes de réalisation de l'aube de redresseur. La feuille de tissu métallique est ainsi imprégnée de matrice avec le reste du renfort fibreux de la préforme simultanément. À l'issu de cette étape d'injection, nous obtenons une aube de redresseur en matériau composite tissé 3D dont le bord d'attaque est renforcé par une structure de renfort métallique intégrée. [0042] La figure 3 représente une section transversale de la pale 2 de l'aube de redresseur obtenue le procédé décrit précédemment. Nous distinguons une seule pièce monobloc comprenant un renfort fibreux tridimensionnel densifié par une matrice et une structure de renfort métallique 5a qui est intégré au bord d'attaque de la pale. La structure de renfort métallique est constituée de la feuille de tissu en matériau métallique qui a été densifiée en même temps que la préforme. La structure de renfort métallique s'étend de part et d'autre du bord d'attaque 5 en formant deux ailes 5h dont les surfaces externes sont respectivement affleurantes avec les surfaces extrados et intrados 7, 13. Sur l'exemple représenté, les ailes 5h présentent une même longueur de part et d'autre du bord d'attaque et suivant la corde de l'aube mesurée depuis le bord d'attaque. La corde est mesurée entre le bord d'attaque et le bord de fuite. 10