Brevet FR3115816A1 — publié le 20220506

Composant (10) pour turbomachine aéronautique, comprenant un corps (12) ayant une cavité interne (14) présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal (16) reliant la cavité interne (14) à la surface extérieure (12c) du corps, ladite surface (12c) étant couverte d’une couche de diffusion (20) de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. Fabrication d’un tel composant. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 COMPOSANT POUR TURBOMACHINE A REFROIDISSEMENT AMELIORE Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines aéronautiques, et plus particulièrement un composant à refroidissement amélioré pour une turbomachine aéronautique. Un tel composant peut trouver son application dans les moteurs d’avions ou d’hélicoptères, par exemple. Une préoccupation constante dans le domaine de l’aéronautique est d’augmenter les températures de fonctionnement des turbomachines afin d’en tirer un meilleur rendement. Ceci nécessite toutefois de munir les composants de ces turbomachines de protections thermiques actives ou passives adaptées afin d’assurer leur résistance et leur longévité. Par exemple, dans les zones les plus chaudes d’une turbomachine aéronautique, il est connu de refroidir activement certains composants, par exemple les aubes de turbine, au moyen d’un flux d’air relativement frais. Cet air pénètre à l’intérieur de l’aube par une entrée généralement prévue dans le pied d’aube, circule éventuellement au sein de l’aube, puis sort à la surface de l’aube par une multitude de petits orifices traversant la paroi de l’aube afin de former à la surface de l’aube un film protecteur d’air. Cet air, bien que s’étant réchauffé en traversant l’intérieur de l’aube, reste à une température modérée et protège l’aube de gaz à plus haute température. Cette technique de refroidissement est connue sous l’appellation anglais « film cooling ». Bien qu’apportant satisfaction, il existe un besoin pour un refroidissement encore plus efficace, et donc pour un nouveau type de composant pour turbomachine. A cet effet, le présent exposé concerne un composant pour turbomachine aéronautique, comprenant un corps ayant une cavité interne présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal reliant la cavité interne à la surface extérieure du corps, ladite surface étant couverte d’une couche de diffusion de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. La couche de diffusion est donc disposée à l’opposé de la cavité interne par rapport au corps. La surface extérieure du corps peut être partiellement ou totalement recouverte par la couche de diffusion. Le canal permet la communication fluidique entre la cavité interne et la couche de diffusion, de sorte que l’air entré par l’entrée d’air passe par la cavité interne, puis par le canal, jusqu’à parvenir à la surface extérieure du corps et à la couche de diffusion. Par la suite, sauf indication contraire, par « un » ou « l’ » élément (par exemple, canal, entrée d’air, etc.), on entend « au moins un » ou « l’au moins un » ou encore « chaque » élément. Réciproquement, l’emploi générique du pluriel peut inclure le singulier. La porosité de la couche de diffusion inclut des pores ouverts configurés pour permettre le passage de l’air d’un côté à l’autre de la couche de diffusion. Au moins une partie de la porosité ouverte communique avec le canal. La porosité de la couche de diffusion, supérieure ou égale à 50%, tient compte des pores ouverts uniquement, sans préjudice du fait que la couche de diffusion peut optionnellement inclure, par ailleurs, des porosités fermées. La porosité peut être mesurée par porosimétrie à intrusion de mercure. Cette méthode, connue en soi, comprend généralement le placement de l’échantillon dans une cellule d’analyse présentant une tige capillaire revêtue d’une gaine métallique externe, et contenant du mercure. Une pression croissante est appliquée sur le mercure au niveau de la tige, ce qui force le mercure à entrer dans des pores de plus en plus petits. La variation de volume est alors mesurée, par exemple par mesure de la capacité entre la colonne de mercure (conductrice) dans la tige, conductrice, et la gaine métallique externe. Grâce au fait que le composant comprend une couche de diffusion recouvrant au moins partiellement la surface extérieure du corps, l’air relativement frais qui sort par le canal ne forme pas directement un film à la surface extérieure du corps, mais est diffusé à travers la couche de diffusion, ce qui lui permet de sortir de la couche de diffusion relativement loin du canal. Ainsi, le refroidissement utilisant une telle couche de diffusion, dit refroidissement « par transpiration », permet de refroidir des parties de la surface du composant qui n’auraient pas pu être refroidies par un simple film coolin g . En outre, une porosité supérieure ou égale à 50% assure non seulement un bon déplacement de l’air au sein de la couche de diffusion, ce qui renforce l’efficacité du refroidissement par transpiration, mais garantit aussi une conductivité thermique très faible de la couche de diffusion, ce qui constitue un rempart supplémentaire pour protéger le corps du composant contre les hautes températures. Par ailleurs, grâce au fait que la couche de diffusion comprend au moins 50%, en masse, de carbone, la couche de diffusion présente un point de fusion très élevé. Ceci garantit l’intégrité de la couche de diffusion elle-même. Par carbone, on entend l’élément chimique C seul, à l’exception des impuretés inévitables. En particulier, le carbone n’est pas associé à d’autres espèces chimiques au sein de molécules. Le composant défini ci-dessus possède donc des caractéristiques qui, ensemble, permettent un meilleur refroidissement du composant et donc une longévité accrue dans un environnement à des températures extrêmes. Dans certains modes de réalisation, l’au moins un canal débouche sur la surface par une ouverture, et la couche de diffusion recouvre au moins l’ouverture et une région adjacente à l’ouverture. Dans ces modes de réalisation, la couche de diffusion peut être continue entre la portion recouvrant l’ouverture et la portion recouvrant la région adjacente à l’ouverture, afin que l’air entré dans la couche de diffusion au niveau de l’ouverture puisse en ressortir au niveau de la région adjacente. Ainsi, la couche de diffusion protège efficacement non seulement les ouvertures, mais aussi les régions adjacentes aux ouvertures. Par exemple, pour une épaisseur de 0,3 millimètres et une porosité de 50%, la couche de diffusion peut assurer une diffusion de l’air et donc une protection efficace sur une zone de 4 centimètres de rayon autour d’une ouverture. Optionnellement, la couche de diffusion peut recouvrir toute la surface extérieure du corps qui est prévue pour être en contact avec un fluide relativement chaud, voire la surface extérieure du corps dans son intégralité. Dans certains modes de réalisation, la couche de diffusion a une porosité supérieure ou égale à 60%, de préférence à 70%, de préférence à 80%, de préférence à 85%. Dans certains modes de réalisation, la couche de diffusion comprenant au moins 60%, en masse, de carbone, de préférence au moins 70%, de préférence au moins 75%, de préférence au moins 80%. Une plus grande teneur en carbone augmente la résistance de la couche de diffusion à la température. Dans certains modes de réalisation, la couche de diffusion comprend des fibres de carbone. Les fibres peuvent être des fibres continues ou non (fibres coupées), auquel cas elles peuvent êtres des fibres longues ou des fibres courtes. Un mélange est également envisagé. Les fibres peuvent être tissées ou non tissées. Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la couche de diffusion est comprise entre 150 micromètres et 3 millimètres. L’épaisseur désigne la plus petite dimension de la couche de diffusion, et peut être mesurée perpendiculairement à la surface extérieure du composant. Ainsi, la présence de la couche de diffusion ne modifie pas substantiellement les propriétés géométriques du composant. Dans le cas de fibres, l’épaisseur d’une fibre peut être comprise entre 0,10 micromètres et 0,50 micromètres, de préférence entre 0,15 micromètres et 0,40 micromètres. Dans certains modes de réalisation, la conductivité thermique de la couche de diffusion est inférieure ou égale à 0,5 W/m.K (Watt par mètre Kelvin). A titre de comparaison, la conductivité thermique de barrières thermiques céramiques usuelles est de l’ordre de 1 à 1,5 W/m.K. Dans ces modes de réalisation, la couche de diffusion peut donc faire office, de surcroît, de barrière thermique, qu’il existe ou non une barrière thermique supplémentaire prévue en tant que telle. Dans certains modes de réalisation, le point de fusion de la couche de diffusion est supérieur ou égal à 2000°C. L’intégrité de la couche de diffusion est donc maintenue à haute température. Dans certains modes de réalisation, le corps comprend une couche céramique formant la surface extérieure du corps. Dans ces modes de réalisation, la couche céramique, qui peut former une barrière thermique, permet d’augmenter encore le gradient thermique entre l’intérieur et l’extérieur du composant. En outre, la couche de diffusion peut présenter une adhérence accrue avec la couche céramique, ce qui renforce la tenue du composant dans son ensemble. On comprend que dans ces modes de réalisation, dans la mesure où la couche céramique forme tout ou partie de la surface du corps, l’au moins un canal débouche à la surface extérieure de la couche céramique. Dans certains modes de réalisation, le composant est une aube de turbomachine, notamment une aube de turbine. L’aube peut être fixe ou mobile. Le composant peut aussi être une aube de compresseur, ou bien un autre composant d’une turbine. Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant un composant tel que décrit précédemment. Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’un composant pour turbomachine aéronautique, comprenant la fourniture d’un corps ayant une cavité interne présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal reliant la cavité interne à la surface du corps, et la formation, à la surface du corps, d’une couche de diffusion de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. La formation de la couche de diffusion peut comprendre le fait de construire cette couche directement in situ , sur le corps, ou bien de construire cette couche en tant que telle et de la rapporter ensuite sur le corps. Le composant fabriqué par le présent procédé peut avoir tout ou partie des propriétés détaillées précédemment. Dans certains modes de réalisation, la formation de la couche de diffusion comprend la fourniture d’un papier ou tissu de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone, et l’application dudit papier ou tissu sur la surface du corps. Ainsi, la formation de la couche de diffusion est simple et rapide. L’assemblage de la couche de diffusion au corps peut être réalisé de multiples manières, par exemple grâce à un adhésif prévu sur une partie de la surface extérieure, de façon à ne pas boucher les canaux. L’utilisation d’un papier ou tissu préfabriqué facilite grandement la formation de la couche de diffusion. En outre, l’utilisation d’un papier ou tissu à base de carbone diminue significativement le coût de la couche de diffusion par rapport à d’autres structures plus complexes et mettant en jeu d’autres matériaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées. La est une vue en perspective d’un composant selon un mode de réalisation. La est une vue partielle du composant de la , en section selon le plan II-II. Description détaillée Un composant selon un mode de réalisation est présenté en référence aux figures 1 et 2. Le composant 10 est un composant pour turbomachine aéronautique. Il s’agit en l’espèce d’une aube, notamment une aube mobile, notamment une aube de turbine, mais d’autres composants sont également visés par le présent exposé ; par exemple, des aubes fixes, des aubes de compresseur, des parties de carter, etc. Par souci de clarté mais sans perte de généralité, on parlera par la suite de l’aube 10. L’aube 10 comprend un pied 11a destiné à la retenir par rapport à un disque, et un profil aérodynamique 11b s’étendant globalement radialement à partir du pied 11b. Le profil aérodynamique 11b est configuré pour être en contact avec des gaz chauds, par exemple des gaz de combustion qui traversent la turbine. L’aube 10 comprend un corps 12 définissant une cavité interne 14. La cavité interne 14 est configurée pour être alimentée en air de refroidissement. A cette fin, la cavité interne 14 peut présenter au moins une entrée d’air. L’entrée d’air peut être prévue dans le pied d’aube 11a. Bien que l’on considère ici le cas d’une cavité interne 14, il pourrait y en avoir plusieurs. En outre, une cavité interne 14 peut avoir une forme assurant une certaine circulation de l’air au sein de l’aube 10, typiquement une forme en serpentin. Dans ce mode de réalisation, le corps 12 comprend une partie structurelle 12a et une barrière thermique 12b. La barrière thermique 12b est toutefois optionnelle. La partie structurelle 12a se trouve plus proche de la cavité interne 14 que la barrière thermique 12b. Par exemple, la partie structurelle peut être en superalliage, notamment en superalliage à base nickel et/ou en superalliage monocristallin. La barrière thermique 12b peut comprendre une couche céramique, typiquement une zircone stabilisée à l’yttrine. La couche céramique forme alors la surface extérieure 12c du corps. Le corps 12, c’est-à-dire ici à la fois la partie structurelle 12a et la barrière thermique 12b, est muni d’au moins un canal, ici une pluralité de canaux 16, reliant la cavité interne 14 à la surface extérieure du corps 12c. Ces canaux 16 peuvent être similaires aux canaux prévus dans le cadre du film cooling , et sont donc connus en eux-mêmes. Les canaux 16 peuvent avoir des formes indépendantes les unes des autres ou identiques ; ils peuvent être de section constante ou non, par exemple évasés en direction de la surface extérieure 12c, comme la en montre une réalisation possible. Chaque canal 16 débouche sur la surface extérieure 12c au niveau d’une ouverture 18. Comme indiqué précédemment, la surface extérieure 12c est couverte d’une couche de diffusion 20. La couche de diffusion 20 sépare donc le corps 12 de l’aube de l’extérieur 22 de l’aube. La couche de diffusion 20 est une couche poreuse afin de permettre la traversée et la diffusion de l’air, qui arrive à la couche de diffusion 20 par les ouvertures 18, jusqu’à l’extérieur de l’aube 10 (voir les flèches sur la ), où cet air forme, par transpiration, une pellicule fluide qui protège l’aube des hautes températures, y compris aux endroits qui peuvent être relativement éloignés des ouvertures 18 et qui n’auraient pas pu être refroidis avec un simple film cooling. Ainsi, comme illustré sur la , la couche de diffusion 20 peut recouvrir au moins l’ouverture 18 et une région adjacente à ladite ouverture 18. En particulier, la couche de diffusion peut recouvrir continument la portion de surface extérieure 12c s’étendant d’une ouverture 18 à une autre ouverture 18, par exemple une ouverture 18 adjacente. En l’espèce, comme illustré sur la , la couche de diffusion 20 peut recouvrir entièrement l’intrados du corps d’aube 12, et/ou entièrement l’extrados du corps d’aube 12. La couche de diffusion 20 peut comprendre des fibres de carbone, par exemple tissées ou non tissées. Toutefois, d’autres types de fibres sont aussi envisagés. Lorsqu’elles sont tissées, les fibres de carbone peuvent former un tissu poreux, parfois appelé « carbon cloth ». Des exemples d’un tel tissu sont les tissus GDL-CT et ELAT de la société FuelCellsEtc. Lorsqu’elles sont non tissées, les fibres de carbone peuvent être comprimées pour former un papier, parfois appelé « carbon paper ». Dans ce cas, la couche de diffusion peut également comprendre un liant. Des exemples d’un tel papier sont les papiers Sigracet de la société SGL Carbon, particulièrement le papier référencé 39BB , ainsi que les papiers des sociétés Toray (par exemple le papier référencé TGP-H-090), Freudenberg (par exemple le papier référencé H23C3) et Avcarb (par exemple le papier référencé GDS-MB30). Ainsi, que la couche de diffusion soit formée à partir d’un papier ou d’un tissu de fibres de carbone, ou même autrement, la couche de diffusion 20 a une porosité supérieure ou égale à 50%, de préférence supérieure ou égale à 60%, de préférence 70%, de préférence 80%, de préférence 85%, et la couche de diffusion 20 comprend au moins 50%, en masse, de carbone, de préférence au moins 60%, de préférence au moins 70%, de préférence au moins 75%, de préférence au moins 80%. La section de passage des pores ouverts à la surface extérieure de la couche de diffusion 20 peut être avoir un diamètre inférieur à 100 µm, de préférence inférieur à 80 µm. Les pores peuvent être formés par les interstices entre les fibres de carbone. Par exemple, la perméabilité à l’air de la couche de diffusion 20, mesurée selon la méthode de Gurley (ISO 5636-5), peut être comprise entre 50 et 90, de préférence entre 60 et 80. En outre, la couche de diffusion 20 peut ainsi présenter une conductivité thermique inférieure ou égale à 0,5 W/m.K, de préférence inférieure ou égale à 0,4 W/m.K, et un point de fusion supérieur ou égal à 2000°C. L’épaisseur de la couche de diffusion 20 peut être comprise entre 150 micromètres et 3 millimètres. Le cas échéant, une telle épaisseur peut être obtenue en superposant plusieurs couches de papier et/ou tissu de fibres de carbone. La fabrication d’un tel composant 10 pour turbomachine aéronautique peut comprendre la fourniture d’un corps 12 ayant une cavité interne 14 présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal 16 reliant la cavité interne 14 à la surface extérieure 12c du corps. La fabrication d’un tel corps 12 est connue de l’homme du métier en tant que telle. La fabrication du composant 10 peut comprendre en outre la formation, à ladite surface extérieure 12c du corps, d’une couche de diffusion 20 de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. Par exemple, pour former la couche de diffusion 20, il est possible de fournir un papier ou tissu de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone, typiquement l’un des papiers ou tissus ayant tout ou partie des propriétés mentionnées précédemment, puis d’appliquer une ou plusieurs couches du papier ou tissu sur la surface extérieure 12c du corps. Le papier ou le tissu peut être assemblé au corps par un adhésif adapté. La présence optionnelle d’une couche céramique formant la surface extérieure 12c, par exemple grâce à la barrière thermique 12b, peut améliorer l’adhérence entre la couche de diffusion 20 et le corps 12. Bien que la présente description se réfère à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, bien que le composant ait été présenté comme devant résister à des températures relativement chaudes et alimenté en air relativement froid, il est possible de l’utiliser en alimentant la cavité en air relativement chaud pour protéger le composant de températures relativement froides. Plus généralement, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés ou 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. Composant (10) pour turbomachine aéronautique, comprenant un corps (12) ayant une cavité interne (14) présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal (16) reliant la cavité interne (14) à la surface extérieure (12c) du corps, ladite surface (12c) étant couverte d’une couche de diffusion (20) de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. Composant pour turbomachine aéronautique selon la revendication 1, dans lequel l’au moins un canal (16) débouche sur la surface (12c) par une ouverture (18), et la couche de diffusion (20) recouvre au moins l’ouverture (18) et une région adjacente à l’ouverture (18). Composant pour turbomachine aéronautique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche de diffusion (20) a une porosité supérieure ou égale à 60%, de préférence 70%, de préférence 80%, de préférence 85%. Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de diffusion (20) comprenant au moins 60%, en masse, de carbone, de préférence au moins 70%, de préférence au moins 75%, de préférence au moins 80% . Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche de diffusion (20) comprend des fibres de carbone. Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’épaisseur de la couche de diffusion (20) est comprise entre 150 micromètres et 3 millimètres. Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la conductivité thermique de la couche de diffusion (20) est inférieure ou égale à 0,5 W/m.K Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le point de fusion de la couche de diffusion (20) est supérieur ou égal à 2000°C. Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le corps (12) comprend une couche céramique formant la surface extérieure du corps (12c). Composant pour turbomachine aéronautique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le composant (10) étant une aube de turbomachine, notamment une aube de turbine. Procédé de fabrication d’un composant (10) pour turbomachine aéronautique, comprenant la fourniture d’un corps (12) ayant une cavité interne (14) présentant au moins une entrée d’air pour son alimentation en air de refroidissement, et au moins un canal (16) reliant la cavité interne (14) à la surface extérieure (12c) du corps, et la formation, à ladite surface (12c) du corps, d’une couche de diffusion (20) de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel la formation de la couche de diffusion (20) comprend la fourniture d’un papier ou tissu de porosité supérieure ou égale à 50% et comprenant au moins 50%, en masse, de carbone, et l’application dudit papier ou tissu sur la surface du corps.