Brevet FR3151527A1 — publié le 20250131

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube pour une turbomachine d’aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) fournir une pale comprenant des faces extrados et intrados reliées par un bord d’attaque et un bord de fuite, la pale comprenant un matériau composite, (b) former un bouclier de protection sur la pale, caractérisé en ce que l’étape (b) comprend les sous-étapes chronologiques suivantes : (b1) déposer une première couche sur la pale par projection dynamique par gaz froid, et (b2) déposer une seconde couche métallique sur la première couche par dépôt sous énergie concentrée. Figure d’abrégé : Figure 5 PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE Domaine technique de l'invention L’invention concerne le domaine des procédés de fabrication des aubes pour les turbomachines d’aéronef. L’invention concerne plus particulièrement le domaine de la fabrication des aubes comprenant une pale en matériau composite et un bouclier de protection métallique agencé sur la pale. Arrière-plan technique Une turbomachine d’aéronef comprend typiquement un moteur comprenant d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante mobile en rotation autour d’un axe longitudinal, un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression et une tuyère d’échappement des gaz. La soufflante permet l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire et un flux secondaire. Le flux primaire traverse une veine primaire de la turbomachine tandis que le flux secondaire est dirigé vers une veine secondaire entourant la veine primaire. Le flux primaire est comprimé au sein des compresseurs. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein de la chambre de combustion. Les gaz issus de la combustion traversent les turbines puis s’échappent au travers de la tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion. Les composants de la turbomachine tels que la soufflante, les compresseurs ou les turbines comprennent des aubes qui permettent d’exercer une action sur le flux d’air. Par exemple, les aubes de compresseurs permettent de comprimer le flux d’air primaire et les aubes de la soufflante permettent de comprimer le flux d’air secondaire. Une aube comprend une pale qui présente une forme aérodynamique et présente ainsi une face intrados et une face extrados reliée à la face intrados par un bord d’attaque et un bord de fuite. Pour réduire le poids de l’aube, la pale est en matériau composite. Le matériau composite de la pale comprend par exemple des fibres de renfort noyées dans une matrice polymérique. Afin de protéger la pale, notamment de soufflante, d’une dégradation provoquée par l’impact de corps étrangers et de l’érosion, il est connu de revêtir la pale d’un bouclier de protection. Le bouclier de protection présente une forme de dièdre comprenant une première ailette latérale et une seconde ailette latérale reliées par une âme. L’âme recouvre par exemple le bord d’attaque et la première ailette latérale s’étend sur la face intrados et la seconde ailette latérale s’étend sur la face extrados de la pale. Le bouclier de protection est typiquement collé à la pale. A cet effet, l’aube comprend en outre une couche de colle agencée entre la pale et le bouclier de protection. La couche de colle comprend typiquement un matériau polymérique tel qu’une résine époxy. Un procédé de fabrication de l’aube précitée comprend les étapes suivantes : - fabrication de la pale par moulage, - fabrication du bouclier de protection par forgeage par exemple. Le procédé comprend ensuite des étapes de traitement de surface de la pale et du bouclier de protection pour permettre un collage performant entre ces deux pièces. Le bord d’attaque est typiquement soumis à un usinage chimique tandis que le bouclier est soumis à un sablage. Le procédé comprend ensuite une étape de dépôt d’une couche de colle puis d’appairage du bouclier de protection sur la pale. Enfin, une étape de polymérisation de la couche de colle est généralement réalisée. Un tel procédé de fabrication ne procure par entière satisfaction. En effet, l’étape de fabrication du bouclier de protection présente des défis car la géométrie du bouclier de protection est complexe. Cette étape est par conséquent fastidieuse. Par ailleurs, les tolérances de fabrication sont faibles et il est difficile d’assurer la répétabilité de cette étape. Par ailleurs, l’étape d’appairage du bouclier de protection qui consiste à rapporter le bouclier de protection sur la pale est réalisée de manière manuelle si bien que, garantir la précision de l’assemblage de l’aube et la répétabilité de cette étape, requièrent une maitrise parfaite du procédé de fabrication pour limiter les défauts sur le bouclier de protection ou l’aube et donc le rebus de ces pièces. En outre, préalablement au collage, bien qu’une attention particulière est apportée à la conservation du bouclier de protection et de la pale, ces pièces peuvent être polluées avant leur collage. Une telle pollution peut entrainer des décollements ou des défauts géométriques générant également des rebus de ces pièces. Par conséquent, il existe un besoin de fournir un procédé simple à mettre en œuvre, pour la fabrication d’une aube pour une turbomachine d’aéronef, comprenant une pale en matériau composite, qui soit résistante aux chocs et à l’érosion. A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une aube pour une turbomachine d’aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) fournir une pale comprenant des faces extrados et intrados reliées par un bord d’attaque et un bord de fuite, la pale comprenant un matériau composite, (b) former un bouclier de protection sur la pale. Le procédé est remarquable en ce que l’étape (b) comprend les sous-étapes chronologiques suivantes : (b1) déposer une première couche sur la pale par projection dynamique par gaz froid, et (b2) déposer une seconde couche métallique sur la première couche par dépôt sous énergie concentrée. Selon le procédé de l’invention, le bouclier de protection est formé directement sur la pale en deux étapes. Le procédé de dépôt sous énergie concentrée, également connu sous l’acronyme anglais DED pour « Directed Energy Deposition » permet de former une couche métallique présentant les critères mécaniques du bouclier de protection. En effet, la seconde couche métallique déposée à l’aide d’un tel procédé présente les propriétés d’une pièce forgée ou coulée. Aussi, un tel procédé permet de réaliser tout type de pièce de géométrie complexe. Néanmoins, un tel procédé implique un cycle thermique à haute température allant au-delà de la température de fusion du matériau de la seconde couche, typiquement au-delà de 1660°. Ainsi, ce procédé implique une fusion du substrat sur lequel il est mis en œuvre. Or, un tel cycle thermique est incompatible avec un substrat en matériau composite et donc une aube présentant une pale étant en matériau composite puisque la matrice du matériau composite ne résisterait pas à de telles températures. Il a donc été proposé selon l’invention de former une première couche par un procédé de projection dynamique par gaz froid, également connu sous le nom anglais « cold spray ». Ce procédé permet de former une première couche sans apport thermique. Ceci permet de conserver l’intégrité chimique et mécanique de la pale qui est en matériau composite et d’éloigner de la pale la zone affectée thermiquement par le procédé de dépôt sous énergie concentrée. La combinaison de ces procédés permet donc d’assurer que les isothermes susceptibles d’affecter la pale ne pénètrent pas suffisamment profondément dans l’aube permettant ainsi de préserver le matériau composite de la pale d’une dégradation thermique. Aussi, la mise en œuvre du procédé de dépôt sous énergie concentrée améliore l’interface entre la pale et la première couche car il permet d’activer la diffusion, la recristallisation et donc la relaxation des contraintes des particules agglomérées formant la première couche. Grâce à la combinaison de ces deux procédés, il est donc possible de former un bouclier de protection de géométrie complexe de manière précise et répétable réduisant ainsi les risques de défauts du bouclier de protection et sa mise au rebut. En outre, grâce à la combinaison de ces deux procédés, il est possible de s’affranchir d’une étape de fabrication du bouclier de protection au profit d’une étape de formation du bouclier de protection directement sur la pale. Ceci permet de s’affranchir d’une étape d’appairage du bouclier sur la pale permettant ainsi de simplifier le procédé d’assemblage d’une aube et d’un bouclier de protection et de réduire les défauts d’assemblage de l’aube. L’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : -- l’étape (b1) comprend les séquences chronologiques suivantes : projeter une première poudre comprenant un mélange de particules métallique et polymérique, pendant la projection, augmenter graduellement la fraction massique de particules métallique dans le mélange ; - la première couche comprend un matériau métallique, préférentiellement un alliage de titane ou un matériau polymérique ou un mélange de matériaux métallique et polymérique ; - la seconde couche comprend un alliage de titane ; - la première couche présente une première épaisseur comprise entre 5 µm et 200 µm ; - la seconde couche présente une seconde épaisseur supérieure à l’épaisseur de la première couche ; - à l’étape (b), le bouclier de protection est formé sur le bord d’attaque et/ou le bord de fuite ; - le bouclier de protection présente des dentelures ; - après l’étape (b), une étape (c) d’usinage du bouclier de protection est réalisée ; - le matériau composite comprend une matrice polymérique et des fibres noyées dans la matrice ; - la matrice polymérique est choisi parmi des résines époxy. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est une vue schématique en coupe longitudinale d’une demi-turbomachine d’aéronef, la est une vue schématique en perspective d’une aube équipant la turbomachine de la , la est une vue schématique d’une aube selon un mode de réalisation préféré de l’invention et équipant la turbomachine de la , la est une vue en coupe transversale de l’aube de la , la est une autre vue schématique en coupe de l’aube de la , la est une vue schématique d’un procédé de fabrication selon l’invention, la est une vue schématique en coupe de l’aube durant l’étape (b2) du procédé selon l’invention. Description détaillée de l'invention Un exemple de turbomachine 1 d’aéronef selon l’invention est représenté sur la . La turbomachine 1 s’étend autour et le long d’un axe longitudinal A. Dans la présente demande, les termes « axial », « axialement », « radial » et « radialement » sont définis par rapport à l’axe longitudinal A. Les termes « amont », « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine 1 suivant l’axe longitudinal A. Les termes « interne », « intérieur », « externe », « extérieur », « extérieurement » sont définis par rapport à l’éloignement de l’axe longitudinal A le long d’un axe radial perpendiculaire à l’axe longitudinal A. La turbomachine 1 s’étend autour d’un axe longitudinal A. Elle comprend d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz F le long de l’axe longitudinal A, une soufflante 2, au moins un compresseur tel qu’un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, au moins une turbine 6 telle qu’une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère (non représentée). Le rotor de la turbine basse pression est relié à la soufflante 2 et au rotor du compresseur basse pression 3 par un arbre basse pression (non représenté). Le rotor de la turbine haute pression est quant à lui relié au rotor du compresseur haute pression 4 par un arbre haute pression (non représenté). La turbomachine 1 comprend par ailleurs un redresseur 10. Le redresseur 10 permet de redresser le flux à la sortie d’un rotor situé en amont afin de fournir une poussée maximale à la sortie de la turbomachine 1. Sur l’exemple particulier de la , le redresseur 10 est situé en aval de la soufflante 2 et permet de redresser le flux secondaire F2. La soufflante 2 permet l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire F1 et un flux secondaire F2. Le flux primaire F1 traverse une veine primaire de la turbomachine 1 tandis que le flux secondaire F2 est dirigé vers une veine secondaire entourant la veine primaire. Le flux primaire F1 est comprimé au sein du compresseur basse pression 3 puis du compresseur haute pression 4. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein de la chambre de combustion 5. Les gaz formés par la combustion traversent la turbine haute pression et la turbine basse pression. Les gaz s’échappent enfin au travers de la tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion. Le flux secondaire F2 traverse le redresseur 10 qui accélère la vitesse de circulation du flux secondaire F2 pour générer de la propulsion. La soufflante 2 ou le redresseur 10 comprennent des aubes 11. Les aubes 11 équipant le redresseur 10 sont connues sous le terme anglais « Outlet Guide Vane » (OGV). Les aubes 11 sont mobiles ou fixes en rotation autour de l’axe longitudinal A. Typiquement, les aubes 11 de la soufflante 11 sont mobiles en rotation. Les aubes 11 du redresseur 10 sont fixes. Les aubes 11 s’étendent radialement par rapport à l’axe longitudinal A. En référence à la , chaque aube 11 comprend une pale 12 et un bouclier de protection 14 agencé sur la pale 12. La pale 12 s’étend selon un axe d’allongement X. L’axe d’allongement X de la pale 12 s’étend radialement par rapport à l’axe longitudinal A de la turbomachine 1 après le montage de l’aube 11 sur la turbomachine 1. La pale 12 présente un profil aérodynamique. La pale 12 comprend ainsi une face extrados 12e et une face intrados 12i reliées par un bord d’attaque 12a et un bord de fuite 12b. La pale 12 s’étend ainsi selon un axe transversal Y entre le bord d’attaque 12a et le bord de fuite 12b. La pale 12 s’étend par ailleurs longitudinalement selon l’axe d’allongement X entre une première extrémité et une seconde extrémité opposée à la première extrémité. La pale 12 comprend un matériau composite. Le matériau composite comprend une matrice polymérique et un renfort fibreux noyé dans la matrice. Le matériau composite est par exemple un composite à matrice organique (CMO). La matrice est par exemple une matrice polymérique thermoplastique ou thermodurcissable. Le matériau thermodurcissable est par exemple choisi parmi les résines époxy. Le renfort fibreux comprend des fibres qui sont par exemple des fibres de carbone ou des fibres de verre. Les fibres sont organisées par exemple sous la forme d’une préforme fibreuse. Le bouclier de protection 14 est avantageusement agencé sur le bord d’attaque 12a. Il s’étend avantageusement tout le long du bord d’attaque 12a. Le bouclier de protection 14 est avantageusement en matériau métallique. Le matériau métallique est par exemple du titane ou un alliage de titane. Préférentiellement, l’alliage de titane est le grade TA6V. Le bouclier de protection 14 est destiné à protéger la pale 12 des chocs extérieurs. Le bouclier de protection 14 présente une forme allongée en forme de dièdre. Comme mieux visible sur la , le bouclier de protection 14 présente une section transversale par rapport à l’axe d’allongement X en forme de V ou de U. Le bouclier de protection 14 comprend une première ailette latérale 14a et une seconde ailette latérale 14b reliée à la première ailette latérale 14a par une âme 14j. Les première et seconde ailettes latérales 14a, 14b définissent entre elles une cavité dans laquelle la pale 12 est agencée. La première ailette latérale 14a présente une première extrémité longitudinale, selon d’axe d’allongement X, libre et la seconde ailette latérale 14b présente une seconde extrémité longitudinale, selon d’axe d’allongement X, libre qui sont opposées à l’âme 14j. Les extrémités longitudinales s’étendent le long de la pale 12. Les extrémités longitudinales s’étendent respectivement sur la face intrados 12i et la face extrados 12b de la pale 12. Avantageusement, l’épaisseur du bouclier de protection 14 est variable. L’épaisseur de l’âme 14j est supérieure aux épaisseurs des première et seconde ailettes latérales 14a, 14b. Avantageusement, l’épaisseur des première et seconde ailettes latérales 14a, 14b est décroissante en direction du bord de fuite 12b de la pale 12. Les première et seconde ailettes latérales 14a, 14b sont effilées en direction du bord de fuite 12b de la pale 12. Selon un premier exemple illustré sur les figures 2 et 3, le bouclier de protection 14 est agencé sur le bord d’attaque 12a. Alternativement, et de manière non représentée, le bouclier de protection 14 est agencé sur le bord de fuite 12b. Selon encore une autre alternative non représentée, l’aube 11 comprend deux boucliers de protection 14 agencés respectivement sur le bord d’attaque 12a et le bord de fuite 12b. Comme visible sur la , le bouclier de protection 14 présente avantageusement des dentelures ou serrations 14’ le long de l’axe d’allongement X. Ces dentelures 14’ permettent de réduire le bruit généré par la soufflante 2. Les dentelures 14’ comprennent une alternance de dents 14a’ et de creux 14b’ le long de l’axe d’allongement X. Avantageusement, les dentelures 14’ sont formées sur l’âme 14j du bouclier de protection 14 qui relie les première et seconde ailettes latérales 14a, 14b. En référence à la , le bouclier de protection 14 présente une première couche 16 et une seconde couche 18 métallique agencée sur le première couche 16. La première couche 16 présente une première épaisseur e1. Cette première épaisseur e1 est avantageusement comprise entre 5 µm et 200 µm, en particulier entre 10 µm et 15 µm. Selon un premier exemple, la première couche 16 comprend un matériau métallique, avantageusement un alliage de titane. L’alliage de titane est préférentiellement le grade TA6V. Selon un second exemple, la première couche 16 comprend un matériau polymérique, avantageusement un thermoplastique. Selon un troisième exemple particulièrement préféré, la première couche 16 comprend un mélange de matériaux polymérique et métallique. La première couche 16 est formée par un procédé de projection dynamique par gaz froid, également connu sous le nom anglais « cold spray ». La seconde couche 18 présente une seconde épaisseur e2 supérieure à la première épaisseur e1. La seconde épaisseur e2 est avantageusement comprise entre 10 µm et 300 µm, en particulier entre 20 µm et 300 µm et encore plus particulièrement entre 20 µm et 80 µm. La seconde couche 18 comprend un matériau métallique distinct ou avantageusement identique au matériau métallique de la première couche 16. La seconde couche 18 comprend ainsi un matériau métallique, avantageusement un alliage de titane. L’alliage de titane est préférentiellement le grade TA6V. La seconde couche 18 est formée par un procédé de dépôt sous énergie concentrée, également connu sous l’acronyme anglais DED pour « Directed Energy Deposition ». Un procédé de fabrication de l’aube 11 selon l’invention va maintenant être décrit en référence à la . Le procédé comprend les étapes chronologiques suivantes: (a) fournir la pale 12, (b) former le bouclier de protection 14 sur la pale 12 en : (b1) déposant la première couche 16 sur la pale 12 par projection dynamique par gaz froid, puis (b2) déposant la seconde couche 18 sur la première couche 16 par dépôt sous énergie concentrée, et (c) optionnellement, usiner le bouclier de protection 14. L’étape (a) peut être réalisée par moulage tel qu’un moulage par transfert de résine connu sous l’acronyme RTM pour « Resin Transfer Molding » en langue anglaise ou un drapage. Une étape de préparation de surface peut être réalisée après la fourniture de la pale 12. L’étape de préparation de surface peut être par exemple un usinage chimique de la pale 12. L’étape (b1) de projection dynamique par gaz froid est réalisée avec une poudre comprenant des particules. Les particules comprennent par exemple un matériau métallique ou polymérique choisi en particulier parmi les thermoplastiques ou encore un mélange de particules métallique et de particules polymérique. ces matériaux. Les particules métalliques comprennent avantageusement un alliage de titane, en particulier le grade TA6V. Les particules présentent par exemple une taille comprise entre 10 µm et 150 µm. Avantageusement, l’étape (b1) comprend les séquences chronologiques suivantes : - projeter une première poudre comprenant un mélange de particules métallique et polymérique dans lequel de manière avantageuse la fraction massique de particules métalliques dans le mélange est supérieur ou égal à 0, préférentiellement de 0,2 - pendant la projection, augmenter graduellement la fraction massique de particules métallique dans le mélange jusqu’à obtenir avantageusement une fraction massique de particules métallique dans le mélange égale à 1. Un tel mode de réalisation de l’étape (b1) permet d’assurer une transition progressive et une bonne liaison mécanique avec la pale 12. Les particules sont transportées par un gaz. Le gaz est par exemple de l’azote ou de l’argon. En référence à la , l’étape (b2) de dépôt sous énergie concentrée est réalisée comme suivant : - déposer un média 20 sur la première couche 16, et - fusionner le média 20 lors du dépôt du média 20 sur la première couche 16. Le média 20 est par exemple sous forme de poudre ou de fil. Le média 20 comprend un matériau métallique choisi parmi les alliages de titane, en particulier le grade TA6V. Le média est par exemple déposé à l’aide d’une buse par exemple monté sur un bras articulé. Selon un autre exemple, la buse est fixe et la pale 12 est monté sur un support mobile. La fusion du média 20 est réalisée par une source de chaleur 22. La source de chaleur 22 est par exemple un faisceau laser, un faisceau d’électrons ou plasma. Le média 20 est chauffé pendant son dépôt à une température supérieure à la température de fusion du média 20. La température est par exemple supérieure ou égale à 1660°. Durant l’étape (b), le média 20 à l’état fondu F est situé à la surface de la première couche 16. Ceci permet de créer la seconde couche 18 après durcissement. La zone Z adjacente au média 20 à l’état fondu F et qui est thermiquement affectée par la chaleur (ZAT) est concentrée est contenue dans la première couche 16. La première couche 16 permet ainsi de préserver la pale 12 d’une dégradation thermique lors du dépôt de la seconde couche 18. Entre les étapes (b1) et (b2), une sous étape (b’) de traitement de surface de la première couche 16 peut être réalisé. Le traitement de surface est par exemple un sablage. L’étape (c) d’usinage peut être un usinage chimique ou un usinage mécanique tel qu’un découpage. Grâce à la combinaison de ces deux procédés, il est donc possible de former le bouclier de protection 14 de géométrie complexe, en particulier avec des dentures, de manière précise et répétable réduisant ainsi les risques de défauts du bouclier de protection 14 et sa mise au rebut. En outre, grâce à la combinaison de ces deux procédés, il est possible de s’affranchir d’une étape de fabrication du bouclier de protection 14 au profit d’une étape de formation du bouclier de protection 14 directement sur la pale 12. Ceci permet en outre de s’affranchir d’une étape d’appairage et de collage du bouclier de protection 14 sur la pale 12 permettant ainsi de simplifier le procédé d’assemblage de l’aube 11 et du bouclier de protection 14 et de réduire les défauts d’assemblage de l’aube 11. Grâce au procédé de l’invention, il est également possible de procéder à la réparation de l’aube 11 par renouvellement de l’étape (b2). Procédé de fabrication d’une aube (11) pour une turbomachine (1) d’aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) fournir une pale (12) comprenant des faces extrados (12e) et intrados (12i) reliées par un bord d’attaque (12a) et un bord de fuite (12b), la pale (12) comprenant un matériau composite, (b) former un bouclier de protection (14) sur la pale (12), caractérisé en ce que l’étape (b) comprend les sous-étapes chronologiques suivantes : (b1) déposer une première couche (16) sur la pale (12) par projection dynamique par gaz froid, et (b2) déposer une seconde couche (18) métallique sur la première couche (16) par dépôt sous énergie concentrée. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première couche (16) comprend un matériau métallique, préférentiellement un alliage de titane ou un matériau polymérique ou un mélange de matériaux métallique et polymérique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde couche (18) comprend un alliage de titane. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche (16) présente une première épaisseur (e1) comprise entre 5 µm et 200 µm. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la seconde couche (18) présente une seconde épaisseur (e2) supérieure à l’épaisseur (e1) de la première couche (16). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’étape (b), le bouclier de protection (14) est formé sur le bord d’attaque (12a) et/ou le bord de fuite (12b). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bouclier de protection (14) présente des dentelures (14’). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, après l’étape (b), une étape (c) d’usinage du bouclier de protection (14). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau composite comprend une matrice polymérique et des fibres noyées dans la matrice. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matrice polymérique est choisi parmi des résines époxy.