FR2996475A1 - Procede pour l'integration de materiau abradable dans un logement par projection a froid - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (10) présentant un logement (20) qui comprend une ouverture (25) débouchant sur une surface libre (15) de cette pièce (10), ce logement (20) étant destiné à recevoir un matériau abradable (50). Le procédé comprend les étapes suivantes : (d) On remplit le logement (20) avec un matériau abradable (50) constitué de particules en utilisant la technique de projection à froid à vitesse supersonique à une température T1 inférieure à 150°C, (e) On chauffe ensuite le matériau abradable (50) à une température T2 supérieure à 150°C et on maintient le matériau abradable (50) à cette température T2 jusqu'à ce qu'il se produise un frittage entre les particules du matériau abradable (50), (f) On abaisse ensuite la température jusqu'à la température ambiante.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce présentant un logement qui comprend une ouverture débouchant sur une surface libre de cette pièce, ce logement étant destiné à recevoir un matériau abradable.

De nombreuses machines comportent des parties en mouvement par rapport à des parties fixes. On cherche à minimiser les fuites de gaz ou d'air qui existent entre les parties fixes et les parties mobiles d'une telle machine, car elles conduisent à une perte de performance. Par exemple on connait des machines comportant une pièce (rotor) animée d'un mouvement de rotation par rapport à un axe et dont une partie frotte contre une pièce fixe (stator). C'est le cas d'une turbomachine où les aubes mobiles frottent dans leur mouvement de rotation contre la face intérieure du carter qui est fixe. Dans une turbomachine, il est important minimiser les fuites de gaz qui existent entre les parties fixes et les parties tournantes de la turbomachine, fuites qui diminuent le débit du flux d'air comprimé à travers la turbomachine et qui fait perdre une partie du travail mécanique utile. Par voie de conséquence, cela a un impact direct sur l'efficacité de la turbomachine, sa consommation de carburant et la poussée qu'elle produit. Ces fuites sont une conséquence de la nécessité de tenir compte des tolérances géométriques de ces parties fixes et tournantes ainsi que de la dilatation thermique et du fluage de ces parties en service. Pour minimiser ces fuites, la solution actuellement utilisée consiste à rapprocher au maximum l'aube du carter en installant un matériau tendre dans un logement sur le carter, au droit des aubes. Ce matériau est abradable, ce qui signifie qu'il a pour propriété d'être facilement creusé par l'extrémité de l'aube en cas de contact. Dans certains cas, ce matériau présente des propriétés usantes, qui peuvent parfois permettre un polissage de l'extrémité de l'aube. Ainsi, l'aube n'est pratiquement pas endommagée lorsqu'elle frotte contre ce matériau abradable, et on maintient l'espace entre l'extrémité de l'aube et la surface interne du carter à un minimum. Dans la description qui suit les termes "intérieur" et "extérieur" indiquent la région à l'intérieur et à l'extérieur du logement de la pièce, 35 respectivement.

Actuellement, on fabrique des portions de matériau abradable par frittage, puis on assemble et on ajuste ces portions à l'intérieur du logement, et on colle ces portions dans le logement de façon à former une couche qui remplit ce logement.

Ce procédé de fabrication est long et couteux. De plus, les contraintes engendrées pendant la fabrication des portions de matériau abradable et de leur collage contribuent au décollement de ces portions de la surface du logement de la pièce, et/ou à la fissuration et à la détérioration prématurées de ces portions en service.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé qui permette une bonne adhérence du matériau abradable sur la paroi du logement, et une bonne cohésion mécanique du matériau abradable de telle sorte qu'il ne se produise pas de décollement à l'interface entre le bloc en matériau abradable et la paroi du logement et qu'il ne se produise pas de fissuration ou d'endommagement prématuré au sein du bloc en matériau abradable. Ce but est atteint grâce au fait que le procédé comprend les étapes suivantes : (a) On remplit le logement (20) avec un matériau abradable (50) constitué de particules en utilisant la technique de projection à froid à vitesse supersonique à une température T1 inférieure à 150°C, (b) On chauffe ensuite le matériau abradable (50) à une température T2 supérieure à 150°C et on maintient le matériau abradable (50) à cette température T2 jusqu'à ce qu'il se produise un frittage entre les particules du matériau abradable (50), (c) On abaisse ensuite la température jusqu'à la température ambiante. Grâce à ces dispositions, il se produit un meilleur compactage et une meilleure cohésion des particules constituant le matériau abradable. De plus, la technique de projection à froid permet de remplir des logements 30 de n'importe quelle forme, ce qui autorise l'usinage préalable de logements avec une forme complexe et dont la surface présente des portions concaves et convexes prononcées. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation 35 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure lA représente une pièce avant l'étape (a) du procédé selon l'invention, - la figure 1B représente une pièce pendant l'étape (a) du procédé selon l'invention, la figure 1C représente une pièce après l'étape (a) et avant l'étape (b) du procédé selon l'invention, - la figure 1D représente une pièce après l'étape (b) du procédé selon l'invention, - la figure 1E représente une pièce après les étapes (c) et (d) du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente une pièce après l'étape (a) et avant l'étape (b) d'une variante du procédé selon l'invention, - la figure 3 représente une pièce pendant l'étape (b) du procédé selon un second mode de réalisation de l'invention.

On fournit un matériau abradable 50 qui est sous forme de poudre constituée de particules. Ces particules sont en totalité ou en majorité en un matériau frittable, c'est-à-dire un matériau qui est apte à diffuser d'une particule à une particule adjacente lorsque les particules sont maintenues en contact les unes avec les autres à température élevée pendant un certain temps, de telle sorte que des liens se créent entre les particules. Le matériau est alors fritté. Lors du frittage, il ne se produit pas de fusion du matériau constituant les particules. Dans un matériau fritté, il peut donc subsister des porosités.

Si le matériau est compacté et est porté à des températures encore plus élevées, il se produit une disparition progressive des porosités. L'opération de compactage permet en outre de déformer les particules. Le matériau abradable 50 peut en outre comporter des particules (organiques, minérales, métalliques, intermétalliques ...) qui se transformeront pour former des bulles de gaz ou qui présenteront une mauvaise adhérence par diffusion. Ainsi, ces particules facilitent le décrochage de morceaux d'abradable au passage des éléments mobiles afin de mieux diminuer le jeu entre ces éléments et la surface de l'abradable sur laquelle les éléments viennent frotter.

Selon l'invention, on fournit une pièce 10 qui présente un ou plusieurs logements 20. Ce ou ces logements 20 sont des cavités formées dans la pièce 10, et qui débouchent sur une surface libre 15 de la pièce 10. Ces logements 20 sont par exemple des rainures, ou des dépressions. Un logement 20 présente ainsi au moins une ouverture 15 au niveau d'une surface externe de la pièce. Cette ouverture 15 est continue. Elle peut également être discontinue, c'est-à-dire constituée de plusieurs sous- ouvertures. Cette pièce 10 est sous sa forme finale ou quasi-finale. Par forme finale, on entend une pièce déjà mise en forme et usinée au plus près des cotes finales.

Par forme quasi-finale, on entend une pièce déjà mise en forme, avant son usinage au plus près des cotes finales. Dans la description ci-dessous cette pièce 10 est un carter de turbomachine, et les éléments mobiles sont des aubes. Cependant l'invention s'applique à n'importe quelle pièce 10 présentant au moins un logement 20 tel que décrit ci-dessus. Une telle pièce (carter) 10 est représentée en coupe sur la figure 1A. La surface libre 15 sur laquelle débouche l'ouverture 25 du logement 20 est la face radialement interne du carter 10 qui est une virole centrée sur un axe.

Le logement 20 est une rainure en forme de queue d'aronde qui s'étend dans une direction perpendiculaire au plan de coupe. Le logement 20 peut aussi avoir une forme quelconque. Avantageusement, la section maximale du logement 20 dans un plan parallèle à la surface libre 15 se situe à une distance non-nulle de la surface libre 15. Par exemple le fond du logement 20 (sa partie la plus éloignée de la surface libre 15) présente une section maximale. Ainsi, le logement 20 présente au moins une portion convergente en se rapprochant de l'ouverture 25. De la sorte, le matériau abradable 25 qui remplit le logement 20 (voir ci-dessous), une fois formant un bloc d'un seul tenant, est maintenu mécaniquement dans le logement 20. Dans le procédé selon l'invention, on effectue le dépôt du matériau abradable 50 par la technique de projection à froid à vitesse supersonique (étape (a) du procédé). La figure 1B illustre cette étape. Cette technique de dépôt est communément appelée « cold-spray » et il y sera fait référence ci-dessous par les termes « dépôt par cold- spray ». La technique de dépôt par cold-spray consiste à injecter une poudre dans un flux de gaz de vitesse supersonique projeté par une buse 40 et dirigé sur la surface de la pièce à revêtir. Ainsi, la poudre est projetée sur la surface de la pièce. Ce gaz est idéalement un gaz inerte tel que de l'argon (Ar) ou de l'hélium (He) pour éviter l'oxydation des particules de poudre, ou un gaz actif tel que de l'azote N2. La température du gaz est suffisamment basse (par exemple entre 200°C et 700°C, voire à une température pouvant descendre jusqu'à 20°C) pour empêcher la fusion des particules de poudre pendant leur temps de séjour dans le flux gazeux. Les particules impactent donc la surface de la pièce sous forme de poudre solide, ce qui évite l'oxydation des particules et l'apparition de gaz inclus. Dans le cas de l'invention, on utilise par exemple une buse montée sur un dispositif à 5 axes de façon à pouvoir diriger en continu la buse vers n'importe quelle surface du logement 20, même si cette surface est 15 de forme complexe. Avantageusement, on choisit le diamètre de buse en fonction de la géométrie du logement 20. Ainsi, pour atteindre le fond d'une partie étroite d'un logement 20, on choisit une buse de taille inférieure à la taille de la buse utilisée pour remplir le reste du logement 20. 20 Le volume occupé par le matériau abradable 50, appelé volume initial, est strictement supérieur au volume du logement 20, le volume du logement 20 étant défini par la paroi du logement 20 et un plan qui se situe dans le prolongement de la surface libre 15 sur laquelle débouche l'ouverture 25. 25 Après l'étape (b), le matériau abradable 50 est fritté et occupe un volume (appelé volume final) qui est inférieur au volume initial, du fait du frittage qui s'est opéré entre les particules du matériau abradable 50. Le matériau abradable 50 présente ainsi une rigidité et une résistance supérieures à celles avant frittage. 30 On abaisse ensuite la température jusqu'à la température ambiante (étape (c) du procédé). Avantageusement, ce volume final est supérieur au volume du logement 20. En conséquence, le matériau abradable 50 forme un renflement au-delà de la surface libre 15. Ainsi, l'espace entre une aube 35 dont l'extrémité est proche de la surface libre 15 et la surface 55 du matériau abradable 50 au niveau de l'ouverture 25 est minimisé. La surface 55 est la surface libre du matériau abradable 50 qui donne sur l'extérieur de la pièce 10 (dans le cas où la pièce 10 est un carter, la surface 55 donne sur l'espace interne du carter). Pendant l'étape (b) la durée du maintien du matériau abradable 50 à la température T2 peut être faible, inférieure à 5 minutes, voire nulle car le frittage de toutes les particules du matériau abradable 50 peut s'être produit durant la montée en température pendant l'étape (b). Avantageusement, après l'étape (c), on usine la surface 55 du matériau abradable 50 au niveau de l'ouverture 25 de telle sorte que la surface 55 après usinage se situe sensiblement dans le prolongement de la surface libre 15 de la pièce 10. La figure lE illustre cette étape (étape (d) du procédé). Ainsi, une aube (représentée en pointillé sur la figure 1E) est positionnée de telle sorte que son extrémité vient frotter contre la surface 55, et la fuite de gaz au niveau de l'extrémité de l'aube est minimisée. Par exemple, la surface 55 après usinage se situe dans le prolongement de la surface libre 15. Avantageusement, à l'étape (b), on applique une pression P sur le matériau abradable 50 de façon à le compacter.

Ainsi, on accélère le processus de frittage du matériau abradable 50. Cette pression est par exemple appliquée en plaçant une gaine étanche 30 sur la surface libre 55 du matériau abradable 50 puis en appliquant une pression P sensiblement uniformément répartie sur cette gaine 30. Ce procédé est illustré sur la figure 3.

Avantageusement, la température T2 est supérieure à la température à laquelle un maximum des porosités du matériau abradable 50 est résorbé. Il subsiste donc moins de porosités au sein du matériau abradable 50. En conséquence la résilience du matériau abradable 50 est améliorée.

De plus, les contraintes résiduelles au sein du matériau abradable 50 sont moindres et la solidité du matériau abradable 50 est améliorée. En outre, dans le logement 20, l'adhérence des particules de matériau abradable 50 avec la surface de la paroi du logement 20 est améliorée. On observe donc moins de décollement ultérieur du matériau abradable 50.

En variante du procédé selon l'invention, on remplit le logement 20 avec une pluralité de couches de matériaux abradables 50, chaque couche étant de nature différente d'une couche adjacente. Par deux couches de nature différente, on entend une couche constituée d'un matériau différent d'une autre couche, ou une couche constituée d'un mélange de plusieurs matériaux et une autre couche constituée du mélange des mêmes matériaux mais en proportions différentes. Les couches ne présentent donc pas les mêmes propriétés. Cette situation est illustrée en figure 2 dans le cas de deux couches.

On remplit tout d'abord par projection à froid une partie du logement 20 avec un premier matériau abradable 51 qui forme une première couche, puis on remplit par projection à froid le reste du logement 20 avec un second matériau abradable 52 qui forme une seconde couche. Avantageusement, dans le cas d'une pièce 10 comprenant une première partie continue solide en un premier matériau, et une seconde partie en un second matériau distinct, cette seconde partie étant initialement sous forme de poudre et étant destiné à être déposée par cold spray sur cette première partie, on dépose la poudre de cette seconde partie puis on dépose le matériau abradable 50, et réalise simultanément le frittage de cette seconde partie et du matériau abradable 50 (étapes (b) et (c) du procédé). En réalisant ces deux frittages simultanément, on réduit le temps de fabrication.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (10) présentant un logement (20) qui comprend une ouverture (25) débouchant sur une surface libre (15) de ladite pièce (10), ledit logement (20) étant destiné à recevoir un matériau abradable (50), caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante : (a) On remplit ledit logement (20) avec un matériau abradable (50) constitué de particules en utilisant la technique de projection à froid à vitesse supersonique à une température T1 inférieure à 150°C, (b) On chauffe ensuite ledit matériau abradable (50) à une température T2 supérieure à 150°C et on maintient ledit matériau abradable (50) à cette température T2 jusqu'à ce qu'il se produise un frittage entre les particules dudit matériau abradable (50), (c) On abaisse ensuite la température jusqu'à la température ambiante.
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après l'étape (c), on effectue l'étape (d) : (d) On usine la surface (55) dudit matériau abradable (50) au niveau de ladite ouverture (25) de telle sorte que ladite surface (55) après usinage se situe dans le prolongement de ladite surface libre (15) de la pièce (10).
3. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'étape (b) on applique une pression sur ledit matériau abradable (50) de façon à le compacter.
4. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite température T2 est supérieure à la température à laquelle un maximum des porosités dudit matériau abradable (50) est résorbé.
5. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), on remplit ledit logement 20 avec une pluralité de couches de matériaux abradables (50), chaque couche étant de nature différente d'une couche adjacente.