Brevet FR3152535A1 — publié le 20250307

Aube de turbomachine à bord d’attaque renforcé L’invention concerne une aube de turbomachine comprenant une partie de pied d’aube (4) et une partie de corps d’aube (5), la partie de corps d’aube comprenant une âme (10) en matériau composite à matrice céramique recouvert d’une barrière environnementale (11), l’aube étant caractérisée en ce que l’épaisseur (e) de la barrière environnementale sur la partie de corps d’aube est supérieure ou égale à 1,0 mm sur le bord d’attaque (3) de l’aube. Figure pour l’abrégé : Fig. 3. Aube de turbomachine à bord d’attaque renforcé Le présent exposé concerne une aube de turbomachine aéronautique en matériau composite à matrice céramique ainsi qu’un procédé de fabrication d’une telle aube. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) supportent des températures allant de 600°C à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. Par ailleurs, leur utilisation contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes. Ces avantages expliquent l’intérêt industriel de développer de tels matériaux composites à matrice céramique. Toutefois, les CMC présentent d’autres défis avant une utilisation industrielle dans une turbomachine aéronautique et en particulier dans les aubes de turbomachine. En particulier, comparativement aux alliages métalliques qu’ils remplacent, les matériaux composites à matrice céramique sont moins résistants aux impacts. En outre, les aubes en CMC ont une moins bonne résistance à l’environnement physico-chimique d’une turbomachine comparativement aux alliages métalliques. Et enfin, les aubes en matériaux CMC sont difficilement usinables. Il faut néanmoins noter qu’il existe des solutions à chacun des problèmes pris indépendamment. Par exemple, il a été proposé de rapporter un clinquant métallique sur un bord d’attaque d’une aube en matériau composite pour protéger cette dernière d’un éventuel impact. De même, il a été proposé de revêtir des aubes en CMC par une barrière environnementale protégeant chimiquement l’aube contre la corrosion et/ou les températures très élevées. Enfin, il est proposé des méthodes de fabrication d’aubes en CMC dites « near net shape », c’est-à-dire ayant à l’issue de leur préparation une forme aussi proche que possible de celle souhaitée pour leur utilisation. Le besoin d’usinage de ces aubes est alors strictement réduit au minimum, ce qui rend bien plus rapide le processus de fabrication. Il demeure néanmoins compliqué et coûteux de palier les trois problèmes exposés ci-dessus grâce à des méthodes spécifiques pour chacun desdits problèmes. La présente invention vise précisément une aube en matériau composite à matrice céramique qui permettrait de résoudre d’une unique manière les trois problèmes cités plus haut. Pour cela elle concerne selon un premier de ses aspects une aube de turbomachine comprenant une partie de pied d’aube et une partie de corps d’aube, la partie de corps d’aube comprenant une âme en matériau composite à matrice céramique recouvert d’une barrière environnementale, l’aube étant caractérisée en ce que l’épaisseur de la barrière environnementale sur la partie de corps d’aube est supérieure ou égale à 1,0 mm sur le bord d’attaque de l’aube. Il sera apprécié que dans la demande, « l’épaisseur » d’une couche s’entend en son sens habituel, de la plus petite dimension d’extension. Généralement, cette dimension est obtenue dans la direction perpendiculaire à la surface de l’âme en matériau composite. Dans une aube de l’invention, la couche de barrière environnementale permet d’assurer une excellente protection du CMC sous-jacent contre l’oxydation et la corrosion, à l’instar des barrières environnementales de l’art antérieur. En outre, l’épaisseur de barrière environnementale assure une excellente protection du bord d’attaque de l’aube contre les impacts de corps étrangers. En effet, les inventeurs ont constaté que pour une épaisseur de barrière environnementale supérieure ou égale à 1,0 mm, cette dernière assure qu’en cas d’impact, seule la barrière environnementale s’endommage, et qu’elle permette en outre de dissiper l’intégralité de l’énergie de l’impact dans la couche de barrière environnementale. Le comportement fragile de la barrière environnementale est ainsi utilisé pour dissiper toute l’énergie de l’impact, ce qui assure que la couche de barrière environnementale protège le substrat sous-jacent et que la portion en matériau composite à matrice céramique de l’aube ne soit pas endommagée par l’impact. En outre, si une couche de barrière environnementale s’endommage en cas d’impact, elle est relativement simple à déposer en particulier pour de telles épaisseurs de barrière environnementale. Il est en outre beaucoup moins coûteux de déposer une nouvelle barrière environnementale à la surface d’une aube que de réparer ou remplacer l’âme en matériau composite d’une telle aube. On peut ainsi fabriquer des aubes beaucoup moins onéreuses que celles de l’art antérieur qui n’ont en outre pas besoin d’être remplacées si elles subissent un impact. Les causes d’un tel impact pour une turbomachine en fonctionnement peuvent être par exemple l’ingestion d’un volatile par ladite turbomachine. Dans une aube de l’invention, le matériau composite à matrice céramique forme l’âme de l’aube, c’est-à-dire qu’il assure les propriétés mécaniques et une excellente accroche de la barrière environnementale, mais il ne joue pas de rôle aérodynamique. Dans une aube selon l’invention, c’est en effet la barrière environnementale qui assure le rôle aérodynamique de l’aube. Il s’ensuit une production de l’aube grandement simplifiée car l’usinage pour l’obtention du profil aérodynamique souhaité est réalisé dans la barrière environnementale, et non dans le matériau CMC. En particulier, tous les efforts habituellement nécessaires pour obtenir un état de surface du matériau CMC suffisamment lisse pour les besoins aérodynamiques d’une aube de turbomachine peuvent être ici économisés car le matériau CMC n’est présent que comme l’âme de l’aube et c’est à la barrière environnementale, pour laquelle l’usinage est plus simple de répondre à ce besoin. L’usinage de la barrière environnementale est beaucoup plus simple que celui d’un matériau composite à matrice céramique car celle-ci est beaucoup moins dure qu’un matériau CMC. Ainsi, l’invention permet de protéger le bord d’attaque d’une aube en matériau composite contre les impacts avec une solution plus simple que celles proposées dans l’art antérieur qui nécessitaient de rapporter un clinquant métallique sur une aube en matériau composite. Dans un mode de réalisation, l’aube de turbomachine selon l’invention comprend une partie de pied d’aube et une partie de corps d’aube, la partie de corps d’aube comprenant une âme en matériau composite à matrice céramique recouvert d’une barrière environnementale, l’aube étant caractérisée en ce que l’épaisseur de la barrière environnementale sur la partie de corps d’aube est supérieure ou égale à 1,0 mm sur le bord d’attaque de l’aube, en ce que l’épaisseur de la barrière environnementale décroit de manière continue entre le bord d’attaque et le bord de fuite et en ce que l’épaisseur de la barrière environnementale est inférieure ou égale à 40 µm pour le bord de fuite. L’expression « décroit de manière continue » doit s’apprécier dans son sens mathématique. La fonction qui représente l’épaisseur de la barrière environnementale en fonction de l’éloignement au bord d’attaque est continue et est décroissante. Dans un mode de réalisation, l’épaisseur de la barrière environnementale peut décroitre strictement et de manière continue entre le bord d’attaque et le bord de fuite. Un avantage d’une telle aube est que le bord de fuite de l’aube reste aussi fin que ceux des aubes de l’art antérieur, car l’épaisseur de barrière environnementale y est très faible, ce qui est très avantageux pour des raisons aérodynamiques. Une telle aube conjugue ainsi une excellente protection de l’âme de l’aube grâce à l’épaisseur très importante de la barrière environnementale recouvrant le bord d’attaque et présente en outre d’excellentes caractéristiques aérodynamiques puisque la barrière environnementale est très peu épaisse pour le bord de fuite. Dans un mode de réalisation, l’épaisseur de la barrière environnementale pour le bord de fuite peut être comprise entre 20 µm et 40 µm. Dans un mode de réalisation, l’épaisseur de la barrière environnementale dans la partie de pied d’aube est inférieure ou égale à 100 µm. En effet, puisque la partie de pied d’aube n’est pas sujette aux impacts ni ne nécessite un usinage particulier pour des raisons aérodynamiques, il n’est pas nécessaire que la barrière environnementale y soit plus épaisse que pour des aubes de l’art antérieur. Dans un mode de réalisation, la barrière environnementale comprend du silicium, par exemple comprend un silicate de terre rare ou de la mullite. Par exemple, la barrière environnementale peut comprendre du disilicate d’yttrium Y 2 Si 2 O 7 , du disilicate d’ytterbium Yb 2 Si 2 O 7 , de la mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) ou un mélange de deux ou plus de ces composés. Dans un mode de réalisation, l’aube comprend en outre une couche d’accroche disposée entre l’âme en matériau composite à matrice céramique et la barrière environnementale. Dans un mode de réalisation, la couche d’accroche peut comprendre du silicium et/ou de la silice SiO 2 , voire est constituée de silice SiO 2 . Une telle couche d’accroche permet d’assurer une excellente continuité chimique entre la barrière thermique et le matériau CMC. En outre, une telle couche d’accroche permet une excellente compatibilité en termes de dilatation thermique entre le matériau CMC et la barrière thermique ce qui diminue le risque de délamination de la barrière environnementale en fonctionnement. Dans un mode de réalisation, l’aube est choisie parmi une aube fixe, par exemple une aube d’un distributeur haute pression ou une aube d’un distributeur basse pression, ou une aube mobile, par exemple une aube de turbine haute pression ou une aube de turbine basse pression. Dans un mode de réalisation, l’aube est une aube mobile. En effet, c’est pour ces dernières que le risque de fracture en cas d’impact est le plus marqué et c’est donc pour ces dernières qu’il est particulièrement souhaitable d’obtenir les avantages décrits plus haut. Dans un mode de réalisation, l’aube comprend une portion de raccordement inférieure entre la partie de pied d’aube et la partie de corps d’aube dans laquelle l’épaisseur de la barrière environnementale est strictement croissante. Cette portion de raccordement assure une excellente continuité mécanique entre les parties en matériau composite à matrice céramique de la partie de corps d’aube et de la partie de pied d’aube. En particulier, cela évite d’avoir des variations brusques d’épaisseurs des parties en matériau composite, ce qui évite les zones d’accumulations de contraintes, et donc diminue la fragilité de l’aube dans son ensemble. De préférence, une telle portion de raccordement présente une dimension d’extension inférieure ou égale à 10 mm dans la direction longitudinale de l’aube, par exemple comprise entre 3,0 mm et 10 mm. Limiter la dimension longitudinale de la portion de raccordement inférieure, où l’épaisseur de barrière environnementale est inférieure à celle du corps d’aube, garantit la conservation des avantages précités obtenus précisément grâce à l’épaisseur de la barrière environnementale, tout en évitant les zones d’accumulation de contraintes. La direction longitudinale de l’aube s’entend comme la direction d’extension la plus grande de l’aube, et généralement la direction qui s’étend depuis le pied d’aube vers la partie de corps d’aube. Dans un mode de réalisation où l’aube est une aube fixe, l’aube peut alors comprendre en outre une portion de tête d’aube présentant une épaisseur de barrière environnementale inférieure ou égale à 100 µm. En effet, pour les mêmes raisons que celles décrites pour la partie de pied d’aube, il n’est pas nécessaire que l’épaisseur de barrière environnementale soit plus épaisse que pour des aubes classiques. Dans un mode de réalisation où l’aube est une aube fixe, l’aube peut comprendre une portion de tête d’aube et comprendre en outre une portion de raccordement supérieure entre la partie de tête d’aube et la partie de corps d’aube dans laquelle l’épaisseur de la barrière environnementale est strictement croissante. Cette portion de raccordement supérieure permet d’obtenir en tête d’aube les mêmes avantages que ceux décrits plus haut pour la portion de raccordement inférieure. De préférence, une telle portion de raccordement supérieure présente une dimension d’extension inférieure ou égale à 10 mm dans la direction verticale de l’aube, par exemple comprise entre 3,0 mm et 10 mm. Limiter la dimension longitudinale de la portion de raccordement supérieure permet d’obtenir en tête d’aube les mêmes avantages que ceux décrits plus haut pour la portion de raccordement inférieure. Dans un mode de réalisation, le matériau composite à matrice céramique est un matériau SiC/SiC. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube telle que décrite plus haut, le procédé comprenant une étape de dépôt d’une couche de barrière environnementale sur une âme en matériau composite à matrice céramique, suivie d’une étape d’usinage de la couche de barrière environnementale. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend, avant l’étape de dépôt d’une couche de barrière environnementale, une étape de dépôt d’une couche d’accroche sur l’âme en matériau composite à matrice céramique. Dans un mode de réalisation, la couche d’accroche comprend du silicium et/ou de la silice SiO 2 , et l’étape de dépôt de la couche d’accroche peut être réalisée par dépôt physique en phase vapeur (en anglais « Physical Vapor Deposition » ou PVD), dépôt chimique en phase vapeur (en anglais « Chemical Vapor Deposition » ou CVD) par projection plasma sous vide (en anglais « vacuum plasma spraying » ou VPS), ou encore par projection plasma sous pression atmosphérique (en anglais « atmospheric plasma spraying » ou APS). Dans un mode de réalisation, le dépôt de la barrière environnementale peut être réalisé par projection thermique, par exemple par projection plasma. On notera que ces méthodes diffèrent des dépôts par voie liquide habituellement envisagés dans l’art antérieur pour le dépôt d’une barrière environnementale. En effet, ces méthodes par voie liquide ne sont pas adaptées à déposer des épaisseurs conformes à celles d’une aube décrite. C’est pourquoi il est préféré un dépôt de la barrière environnementale par projection plasma qui est compatible des épaisseurs mises en jeu. Les techniques de dépôt par projection thermique sont certes moins précises que celles de l’art antérieur, mais permettent de déposer des épaisseurs importantes de barrière environnementale, et la barrière environnementale peut être usinée. L’étape ultérieure d’usinage permet de reprendre les éventuelles imprécisions de l’étape de dépôt et c’est pourquoi ces techniques de dépôt moins coûteuses et permettant de déposer des épaisseurs plus importantes de la couche de barrière environnementale peuvent être choisies. Dans un mode de réalisation, l’étape d’usinage peut être réalisée par rectification mono-couche ou multicouche. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne une turbomachine comprenant une aube telle que décrite plus haut. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un aéronef comprenant une turbomachine telle que décrite plus haut. FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique d’une turbomachine. FIG. 2 La FIG. 2 est une représentation schématique d’une aube de l’art antérieur. FIG. 3 La FIG. 3 représente schématiquement une aube dans un mode de réalisation de l’invention. FIG. 4 La FIG. 4 représente schématiquement une portion de raccordement dans un mode de réalisation de l’invention. FIG. 5 La FIG. 5 représente schématiquement un empilement pour l’obtention d’une aube selon l’invention. L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. La FIG. 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 21. Il comporte d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 22, un compresseur basse pression 23, un compresseur haute pression 24, une chambre de combustion 25, une turbine haute pression 26, et une turbine basse pression 27. De manière connue, le compresseur basse pression 23, le compresseur haute pression 24, la turbine haute pression 26, et la turbine basse pression 27 comprennent des aubages fixes et des aubages mobiles dont un ou plusieurs peuvent être tels que décrits plus haut. La FIG. 2 illustre une aube 1 en matériau composite à matrice céramique selon l’art antérieur. Une telle aube 1 comprend une partie de corps d’aube 5 et une partie de pied d’aube 4. Cette aube comprend un bord d’attaque 3 et un bord de fuite 7. Ainsi que cela est représenté, le bord d’attaque 3 est renforcé par un clinquant métallique 8 disposé sur ce dernier. Le clinquant métallique 8 assure une protection mécanique du bord d’attaque de l’aube. En cas d’ingestion d’un objet par le moteur, c’est le clinquant métallique qui entrera en contact avec ledit objet et non le corps de l’aube 5. Ainsi, l’aube 1 est protégée par le clinquant 8. Toutefois, de telles aubes présentent des désavantages notamment liés à la disposition du clinquant 8 sur l’aube 1. En particulier, la différence de coefficients de dilatation thermique entre l’aube 1 et le clinquant 8 rend complexe la tenue du clinquant 8 sur l’aube 5. Une aube selon l’invention propose une manière alternative de protection du bord d’attaque, qui assure aussi une protection du matériau CMC contre l’environnement corrosif et oxydant qu’est la turbomachine. La FIG. 2 illustre en outre la direction transverse T et longitudinale L d’une aube. En outre, la FIG. 2 illustre en pointillés III la coupe de la vue de la FIG. 3 , et en pointillés IV, la position de la vue de la FIG. 4 . Toutefois, il faut noter que ces indications ont seulement valeur de repère, car les figures 3 et 4 sont relatives à des aubes selon l’invention, tandis que la FIG. 2 est une aube de l’art antérieur hors invention. La FIG. 3 illustre une coupe particulière d’une aube selon l’invention. Ainsi que cela a été décrit plus, l’aube de la FIG. 3 comprend une âme en matériau composite à matrice céramique 10 et une barrière environnementale 11. La FIG. 3 illustre en outre ce qui est entendu par l’épaisseur de la barrière environnementale. Pour cela, l’épaisseur e 1 , e 2 , e 3 , e 4 est indiquée en plusieurs points plus ou moins proches du bord d’attaque 3, e 1 étant le plus proche du bord d’attaque 3 et e 4 le plus distant. Dans le mode de réalisation représenté sur la FIG. 3 , l’épaisseur de la barrière environnementale 11 dans une aube de l’invention diminue entre le bord d’attaque 3 et le bord de fuite 4. Comme indiqué plus haut, l’épaisseur e 1 de la barrière environnementale 11 au bord d’attaque 3 est supérieure ou égale à 1,0 mm. Enfin, la FIG. 3 illustre que la variation de l’épaisseur est continue. Cela assure à l’ensemble de l’aube d’excellentes propriétés aérodynamiques. En outre, il faut comprendre que la variation d’épaisseur s’apprécie indépendamment sur l’intrados et sur l’extrados. En effet, et comme cela est d’ailleurs représenté sur la FIG. 3 , l’épaisseur de la barrière environnementale 11 peut être différente pour l’intrados et l’extrados. Toutefois, que l’on regarde l’épaisseur de la barrière environnementale 11 sur l’intrados ou celle sur l’extrados, cette l’épaisseur diminue entre le bord d’attaque 3 et le bord de fuite 4. Dans un mode de réalisation qui n’est pas illustré, l’épaisseur de barrière environnementale peut être constante et supérieure ou égale à 1,0 mm sur l’ensemble de la partie de corps d’aube. La FIG. 4 illustre quant à elle ce qui est entendu par portion de raccordement 6. Une telle portion de raccordement se situe entre la zone de pied d’aube 4 et la zone de corps d’aube 5. Comme figuré sur la FIG. 4 , la portion de raccordement 6 comprend une épaisseur e de barrière environnementale 11 qui augmente progressivement dans la portion de raccordement 6. La FIG. 4 illustre en outre ce qui est entendu par l’extension H R de la portion de raccordement 6 dans la direction longitudinale. Dans un mode de réalisation, l’extension H R de la portion de raccordement 6 est inférieure ou égale à 10 mm, par exemple comprise entre 3,0 mm et 10 mm. La portion de raccordement assure une excellente compatibilité entre les portions en CMC du corps de l’aube 5 et la portion de pied d’aube 4, tout en permettant d’arriver rapidement à l’épaisseur souhaitée. La FIG. 5 illustre enfin un empilement d’une âme en matériau composite à matrice céramique 10, d’une couche d’accroche 110 et d’une barrière environnementale 11. Dans un mode de réalisation il est possible de disposer une couche d’accroche 110 entre le substrat 10 et la barrière environnementale 11. Ce mode de réalisation permet à l’empilement de présenter une meilleure résistance à la délamination, notamment en améliorant la continuité en termes de coefficients de dilatation thermique. En outre, la couche d’accroche 110 peut jouer un rôle de protection du substrat 10 en matériau composite contre la corrosion. Dans un mode de réalisation, l’aube ne comprend pas d’autres couches que l’âme en matériau composite à matrice céramique 10, la couche d’accroche 110 et la barrière environnementale 11. En d’autres termes, la couche d’accroche 110 est disposée directement au contact de l’âme en matériau composite à matrice céramique 10, et la couche de barrière environnementale 11 est disposée directement au contact de la couche d’accroche 110. Aube de turbomachine comprenant une partie de pied d’aube (4) et une partie de corps d’aube (5), la partie de corps d’aube comprenant une âme (10) en matériau composite à matrice céramique recouvert d’une barrière environnementale (11), l’aube étant caractérisée en ce que l’épaisseur (e) de la barrière environnementale sur la partie de corps d’aube est supérieure ou égale à 1,0 mm sur le bord d’attaque (3) de l’aube. Aube de turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle l’épaisseur de la barrière environnementale décroit de manière continue entre le bord d’attaque et le bord de fuite et dans laquelle l’épaisseur de barrière environnementale est inférieure ou égale à 40 µm pour le bord de fuite (8). Aube de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’épaisseur de la barrière environnementale (11) dans la partie de pied d’aube (4) est inférieure ou égale à 100 µm. Aube de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la barrière environnementale (11) comprend du disilicate d’yttrium Y 2 Si 2 O 7 , du disilicate d’ytterbium Yb 2 Si 2 O 7 , de la mullite, (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) ou un mélange de deux ou plus de ces composés. Aube de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle une couche d’accroche (110) est disposée entre l’âme (10) en matériau composite à matrice céramique et la barrière environnementale (11). Aube de turbomachine selon la revendication 5, dans laquelle la couche d’accroche (110) comprend du silicium et/ou de la silice SiO 2 . Aube de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 6, laquelle est choisie parmi une aube d’un distributeur haute pression, une aube d’un distributeur basse pression, une aube de turbine haute pression ou une aube de turbine basse pression. Aube de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre une portion de raccordement inférieure (6) entre la partie de pied d’aube (4) et la partie de corps d’aube (5) dans laquelle l’épaisseur (e) de la barrière environnementale (11) est strictement croissante. Procédé de fabrication d’une aube selon l’une des revendications 1 à 8 comprenant une étape de dépôt d’une couche de barrière environnementale (11) sur une âme en matériau composite à matrice céramique (10), suivie d’une étape d’usinage de la couche de barrière environnementale. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’étape de dépôt de la barrière environnementale (11) est réalisée par projection plasma. Procédé de fabrication selon la revendication 9 ou 10, lequel comprend, avant l’étape de dépôt d’une couche de barrière environnementale (11), une étape de dépôt d’une couche d’accroche (110) sur l’âme en matériau composite à matrice céramique (10). Turbomachine aéronautique comprenant une aube selon l’une des revendications 1 à 8. Aéronef comprenant une turbomachine aéronautique selon la revendication 12.