FR3074448A1 - GRADIENT COATING OF PROPERTY FOR INTERNAL WALL OF TURBOMACHINE - Google Patents

GRADIENT COATING OF PROPERTY FOR INTERNAL WALL OF TURBOMACHINE Download PDF

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Abstract

Revêtement à gradient de propriété destiné à être apposé par fabrication additive sur une paroi interne d'un carter (46) montée en périphérie d'aubes mobiles de rotor de turbomachine, le revêtement comportant en couches superposées d'une surface extérieure du revêtement à cette paroi interne de carter d'une part une première couche (54) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un matériau abradable formant un réseau ordonné de canaux, et d'autre part une deuxième couche (52) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un premier matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction de dissipation d'énergie des ondes acoustiques frappant la surface extérieure du revêtement.A gradient-of-property coating to be affixed by additive fabrication to an inner wall of a casing (46) mounted on the periphery of turbomachine rotor blades, the coating comprising in superimposed layers an outer surface of the coating on said rotor internal casing wall on the one hand a first layer (54) constituted by a three-dimensional scaffold of filaments of an abradable material forming an ordered network of channels, and secondly a second layer (52) constituted by a three-dimensional scaffold of filaments of a first thermosetting material forming an ordered network of channels and having an energy dissipation function of the acoustic waves striking the outer surface of the coating.

Description

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces en matériaux polymères, notamment thermodurcissables, de pièces métalliques, en alliage métallique ou en céramique par fabrication additive et elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la fabrication de revêtements abradables présentant des fonctionnalités acoustiques, notamment pour carter de soufflante.The present invention relates to the general field of the manufacture of parts made of polymeric materials, in particular thermosetting, of metal parts, of metal alloy or of ceramic by additive manufacturing and it relates more particularly, but not exclusively, to the manufacture of abradable coatings having acoustic functions, in particular for fan casing.

Le contrôle des nuisances sonores dues aux avions aux alentours des aéroports est devenu en enjeu de santé public. Des normes et règlements de plus en plus sévères sont imposés aux fabricants d'avions et aux gestionnaires d'aéroports. Par conséquent, construire un avion silencieux est devenu au fil des années un argument de vente marquant. Actuellement, le bruit généré par les moteurs d'avions est atténué par des revêtements acoustiques à réaction localisée qui permettent de diminuer l'intensité sonore du moteur sur un ou deux octaves sur le principe des résonateurs de Helmholtz, ces revêtements se présentant classiquement sous la forme de panneaux composites composés d'une plaque rigide associée à une âme nid d'abeille recouvert d'une peau perforée et disposés au niveau de la nacelle ou des conduits de propagation amont et aval. Toutefois, dans les moteurs de nouvelle génération (par exemple dans les turbosoufflantes), les zones disponibles pour les revêtements acoustiques sont amenées à se réduire considérablement comme dans la technologie UHBR (Ultra-High-BypassRatio). De plus, ces zones de carters composites sont susceptibles de présenter des défauts de forme qu'il convient de rattraper par une opération additionnelle d'usinage avant la mise en place du revêtement.The control of noise pollution caused by airplanes around airports has become a public health issue. Increasingly stringent standards and regulations are being imposed on aircraft manufacturers and airport managers. Therefore, building a silent aircraft has become a selling point over the years. Currently, the noise generated by aircraft engines is attenuated by acoustic coatings with localized reaction which make it possible to reduce the sound intensity of the engine over one or two octaves on the principle of Helmholtz resonators, these coatings conventionally occurring under the form of composite panels composed of a rigid plate associated with a honeycomb core covered with a perforated skin and arranged at the level of the nacelle or the upstream and downstream propagation conduits. However, in new generation engines (for example in turbofans), the areas available for acoustic coatings are reduced considerably as in UHBR (Ultra-High-BypassRatio) technology. In addition, these areas of composite casings are liable to have shape defects which should be remedied by an additional machining operation before the coating is put in place.

Il est donc important de proposer des nouveaux procédés et/ou de nouveaux matériaux (notamment des matériaux poreux) permettant d'éliminer ou de réduire de façon significative le niveau de bruit produit généré par les moteurs d'avion surtout dans les phases de décollage et d'atterrissage et sur une gamme fréquentielle plus large qu'actuellement incluant les basses fréquences tout en conservant les performances du moteur. C'est la raison pour laquelle on cherche aujourd'hui de nouvelles technologies de réduction de bruit pour diminuer cette nuisance ainsi que de nouvelles surfaces de traitements acoustiques et ceci avec un impact minimal sur les autres fonctionnalités du moteur comme la consommation spécifique de carburant qui constitue un avantage commercial important.It is therefore important to propose new processes and / or new materials (in particular porous materials) making it possible to eliminate or significantly reduce the level of noise produced by aircraft engines, especially during the takeoff phases and landing and over a wider frequency range than currently including low frequencies while maintaining engine performance. This is the reason why we are looking today for new noise reduction technologies to reduce this nuisance as well as new acoustic treatment surfaces and this with minimal impact on other engine functions such as specific fuel consumption which constitutes an important commercial advantage.

Or, au sein des moteurs d'avion, le bruit issu de la soufflante est un des premiers contributeurs aux nuisances sonores, favorisé par l'augmentation du taux de dilution que recherchent ces nouvelles générations d'avions.However, within aircraft engines, noise from the fan is one of the first contributors to noise pollution, favored by the increase in the dilution rate sought by these new generations of aircraft.

Par ailleurs, il est aujourd'hui courant et avantageux d'avoir recours à des procédés de fabrication additive en lieu et place des procédés traditionnels de fonderie, de forge ou d'usinage dans la masse pour réaliser facilement, rapidement et à moindre coût des pièces tridimensionnelles complexes. Le domaine aéronautique se prête d'ailleurs particulièrement bien à l'utilisation de ces procédés. Parmi ceux-ci, on peut citer par exemple le procédé de dépôt énergétique direct par fil (Wire Beam Déposition).In addition, it is now common and advantageous to use additive manufacturing processes instead of traditional foundry, forging or mass machining processes to easily, quickly and inexpensively produce complex three-dimensional parts. The aeronautical field also lends itself particularly well to the use of these processes. Among these, there may be mentioned for example the process of direct energy deposition by wire (Wire Beam Deposition).

Objet et résumé de l’inventionSubject and summary of the invention

La présente invention vise à proposer un nouveau revêtement permettant de réduire de manière significative le bruit généré par les turboréacteurs d'avion et notamment celui généré par l'ensemble soufflante-OGV. Un but de l'invention est également de rattraper les défauts de forme résultant de la nature composite de la paroi interne des carters sur lequel ce revêtement est destiné à être apposé.The present invention aims to propose a new coating making it possible to significantly reduce the noise generated by aircraft turbojets and in particular that generated by the blower-OGV assembly. An object of the invention is also to compensate for defects in shape resulting from the composite nature of the internal wall of the casings on which this coating is intended to be affixed.

A cet effet, il est prévu un revêtement à gradient de propriété destiné à être apposé par fabrication additive sur une paroi interne d'un carter montée en périphérie d'aubes mobiles de rotor de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte en couches superposées d'une surface extérieure dudit revêtement à ladite paroi interne de carter :To this end, there is provided a coating with a property gradient intended to be affixed by additive manufacturing to an internal wall of a casing mounted on the periphery of movable blades of a turbomachine rotor, characterized in that it comprises superimposed layers from an outer surface of said covering to said inner casing wall:

. une première couche constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un matériau abradable formant un réseau ordonné de canaux, et . une deuxième couche constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un premier matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction de dissipation d'énergie des ondes acoustiques frappant ladite surface extérieure dudit revêtement.. a first layer constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of an abradable material forming an ordered network of channels, and. a second layer constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of a first thermosetting material forming an ordered network of channels and having a function of energy dissipation of the acoustic waves striking said external surface of said coating.

Ainsi, on obtient une microstructure poreuse à porosité régulière et ordonnée dont les propriétés peuvent être parfaitement contrôlées dans toute l'épaisseur du revêtement. Selon les couches mises en oeuvre, on limite les pertes aérodynamiques radiales, on réduit la rétention fluidique et on maximise l'absorption acoustique et balistique.Thus, a porous microstructure with regular and ordered porosity is obtained, the properties of which can be perfectly controlled throughout the thickness of the coating. Depending on the layers used, the radial aerodynamic losses are limited, the fluid retention is reduced and the acoustic and ballistic absorption are maximized.

De préférence, ledit échafaudage tridimensionnel ayant une fonction de dissipation d'énergie des ondes acoustiques comporte des canaux ou micro canaux dont des tailles de pores sont inférieures à 400 microns et la porosité supérieure à 70%.Preferably, said three-dimensional scaffolding having an energy dissipation function for acoustic waves comprises channels or micro channels whose pore sizes are less than 400 microns and the porosity greater than 70%.

Selon le mode de réalisation envisagé, le revêtement peut comporter en outre une couche d'un matériau de rattrapage de jeu déposé directement sur la dite paroi interne de carter pour obtenir une surface de dépôt de géométrie connue.According to the embodiment envisaged, the coating may further comprise a layer of a play take-up material deposited directly on said internal casing wall to obtain a deposition surface of known geometry.

Selon le mode de réalisation envisagé, le revêtement peut comporter en outre une troisième couche constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un deuxième matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction de drainage des fluides traversant ledit revêtement.According to the embodiment envisaged, the coating may further comprise a third layer constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of a second thermosetting material forming an ordered network of channels and having a function of draining the fluids passing through said coating.

De préférence, ladite troisième couche comporte des motifs spécifiques avec des canaux orientant l'évacuation des fluides traversant ledit revêtement vers des zones déterminées et présentant une taille de canaux supérieure à 500 microns.Preferably, said third layer comprises specific patterns with channels guiding the evacuation of the fluids passing through said coating towards determined zones and having a channel size greater than 500 microns.

Selon le mode de réalisation envisagé, le revêtement peut comporter en outre une quatrième couche constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un troisième matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction d'absorption d'énergie balistique résultant d'un impact de volatile, d'une ingestion de grêle voire d'une perte d'aube.According to the embodiment envisaged, the coating may further comprise a fourth layer constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of a third thermosetting material forming an ordered network of channels and having a ballistic energy absorption function resulting from a impact of birds, ingestion of hail and even loss of dawn.

Avantageusement, le revêtement peut comporter en outre au moins une couche supplémentaire d'un matériau abradable ajoutée localement sur ladite première couche pour tenir compte d'une géométrie non axisymétrique dudit carter.Advantageously, the coating may further comprise at least one additional layer of an abradable material added locally on said first layer to take account of a non-axisymmetric geometry of said casing.

De préférence, ledit matériau abradable est un mélange thixotrope dépourvu d'un solvant et constitué d'une base polymère et d'un agent de réticulation dans un rapport pondéral de base polymère à agent de réticulation compris entre 1 : 1 et 2 : 1, et d'un composant de facilitation de l'écoulement, typiquement une gelée de pétrole présente entre 5 et 15% en poids du poids total dudit mélange thixotrope.Preferably, said abradable material is a thixotropic mixture devoid of a solvent and consisting of a polymer base and of a crosslinking agent in a weight ratio of polymer base to crosslinking agent of between 1: 1 and 2: 1, and a flow-facilitating component, typically a petroleum jelly present between 5 and 15% by weight of the total weight of said thixotropic mixture.

Avantageusement, lesdits premier, deuxième et troisième matériaux thermodurcissables sont constitués dudit matériau abradable.Advantageously, said first, second and third thermosetting materials are made of said abradable material.

De préférence, ledit carter est un carter de soufflante de turbomachine en matériau composite tissé.Preferably, said casing is a turbomachine fan casing made of woven composite material.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the detailed description given below, with reference to the following figures which are devoid of any limiting nature and in which:

La figure 1 illustre de façon schématique une architecture de turbomachine d'aéronef dans laquelle le revêtement à gradient de propriété de l'invention est mis en œuvre,FIG. 1 schematically illustrates an architecture of an aircraft turbomachine in which the coating with a property gradient of the invention is implemented,

La figure 2 illustre un système de dépôt de matière fîlamentaire utilisé pour la fabrication du revêtement de l'invention,FIG. 2 illustrates a system for depositing filamentary material used for the manufacture of the coating of the invention,

La figure 3 est un éclaté d'un échafaudage tridimensionnel de filaments obtenu par le système de la figure 2, etFIG. 3 is an exploded view of a three-dimensional scaffolding of filaments obtained by the system of FIG. 2, and

Les figures 4A à 4D montrent un exemple des différentes couches du revêtement à gradient de propriété de l'invention.FIGS. 4A to 4D show an example of the different layers of the property gradient coating of the invention.

Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention

La figure 1 montre de façon très schématique une architecture de turbomachine d'aéronef, en l'espèce un turboréacteur à double flux, au niveau d'une paroi de laquelle est mis en œuvre un revêtement à gradient de propriété selon l'invention.FIG. 1 very schematically shows an architecture of an aircraft turbomachine, in this case a turbofan engine, at the level of a wall of which a coating with a property gradient according to the invention is used.

Classiquement, un tel turboréacteur à double flux 10 possède un axe longitudinal 12 et se compose d'un moteur à turbine à gaz 14 et d'une nacelle annulaire 16 centrée sur l'axe 12 et disposée concentriquement autour du moteur.Conventionally, such a turbofan 10 has a longitudinal axis 12 and consists of a gas turbine engine 14 and an annular nacelle 16 centered on the axis 12 and arranged concentrically around the engine.

D'amont en aval, selon le sens d'écoulement d'un flux d'air ou de gaz traversant le turboréacteur, le moteur 14 comprend une entrée d'air 18, une soufflante 20, un compresseur basse-pression 22, un compresseur haute-pression 24, une chambre de combustion 26, une turbine haute-pression 28 et une turbine basse-pression 30, chacun de ces éléments étant disposé selon l'axe longitudinal 12. L'éjection des gaz produits par le moteur est effectuée au travers d'une tuyère se composant d'un corps central annulaire 32 centré sur l'axe longitudinal 12, d'un capot primaire annulaire 34 entourant de façon coaxiale le corps central pour délimiter avec celui-ci un canal annulaire d'écoulement du flux primaire Fl, et d'un capot secondaire annulaire 36 entourant de façon coaxiale le capot primaire pour délimiter avec celui-ci un canal annulaire d'écoulement du flux secondaire F2 coaxial au canal d'écoulement primaire et dans lequel sont disposées des aubes redresseuses 38 (dans l'exemple de réalisation illustré, la nacelle 16 du turboréacteur et le capot secondaire 36 de la tuyère sont une seule et même pièce). Les capots primaires et secondaires intègrent notamment les carters intermédiaires de turbines 28A et 30A entourant les aubes mobiles des rotors de turbines et le carter de soufflante 20A entourant les aubes mobiles du rotor de soufflante.From upstream to downstream, according to the direction of flow of an air or gas flow passing through the turbojet engine, the engine 14 comprises an air inlet 18, a blower 20, a low-pressure compressor 22, a compressor high pressure 24, a combustion chamber 26, a high pressure turbine 28 and a low pressure turbine 30, each of these elements being arranged along the longitudinal axis 12. The ejection of the gases produced by the engine is carried out at through a nozzle consisting of an annular central body 32 centered on the longitudinal axis 12, of an annular primary cover 34 coaxially surrounding the central body to define therewith an annular flow flow channel primary Fl, and an annular secondary cover 36 coaxially surrounding the primary cover to define therewith an annular flow channel for the secondary flow F2 coaxial with the primary flow channel and in which are arranged straightening vanes 38 (in exe mple of illustrated embodiment, the nacelle 16 of the turbojet and the secondary cover 36 of the nozzle are one and the same piece). The primary and secondary cowls include in particular the intermediate casings of turbines 28A and 30A surrounding the movable blades of the turbine rotors and the fan casing 20A surrounding the movable blades of the fan rotor.

Selon l'invention, il est proposé d'apposer, par fabrication additive, sur les parois internes de carters faisant face à des aubes mobiles de rotor, un revêtement à gradient de propriété qui se présente sous la forme d'un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un matériau thermodurcissable formant entre eux un réseau ordonné de canaux. Selon la configuration de réseau envisagé, des interconnections entre les canaux peuvent exister de manière régulière lors de la superposition des différentes couches du revêtement destinées à générer ces différents canaux. Cette paroi est préférentiellement une paroi d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur d'avion, montée en périphérie immédiate des aubes mobiles de rotor et plus particulièrement la paroi interne du carter de soufflante 20A en composite tissé, préférentiellement 3D, disposée en périphérie des aubes de soufflante. Toutefois, un dépôt sur le ou les carters de turbine 28A, 30A peut aussi être envisagé, sous réserve bien entendu que le matériau thermodurcissable à base métallique ou céramique présente des propriétés adaptées à l'environnement à haute température auquel il est alors soumis.According to the invention, it is proposed to affix, by additive manufacturing, to the internal walls of casings facing movable rotor blades, a coating with a property gradient which is in the form of a three-dimensional scaffolding of filaments. of a thermosetting material forming between them an ordered network of channels. Depending on the network configuration envisaged, interconnections between the channels may exist regularly during the superposition of the different layers of the coating intended to generate these different channels. This wall is preferably a wall of a turbomachine, such as an airplane turbojet engine, mounted on the immediate periphery of the movable rotor blades and more particularly the internal wall of the fan casing 20A of woven composite, preferably 3D, disposed on the periphery fan blades. However, a deposit on the turbine casing (s) 28A, 30A can also be envisaged, provided of course that the thermosetting material based on metal or ceramic has properties adapted to the high temperature environment to which it is then subjected.

La figure 2 montre de façon schématique un exemple de système de dépôt de matière fîlamentaire 40 permettant de fabriquer le revêtement à gradient de propriété de l'invention. Par matériau à gradient de propriété on entend un matériau qui implique autant une variation régulière exempte de discontinuités (exemple de réalisation non décrit) qu'un empilement de plusieurs couches distinctes avec des propriétés différentes (exemple de réalisation de l'invention).FIG. 2 schematically shows an example of a filamentary material deposition system 40 making it possible to manufacture the property gradient coating of the invention. By material with a property gradient is meant a material which implies as much a regular variation free of discontinuities (example of embodiment not described) as a stack of several distinct layers with different properties (example of embodiment of the invention).

Ce système de dépôt filamentaire a pour objet de déposer, de préférence en liaison avec un circuit de contrôle en pression et en température interne au système, le matériau thermodurcissable par extrusion via une buse d'éjection 40A de forme et dimension calibrées tout d'abord sur le substrat 46 puis successivement sur les différentes couches superposées créées 48, 50, 52, 54, ayant chacune une propriété différente, jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée pour ce revêtement.The purpose of this filamentary deposition system is to deposit, preferably in connection with a pressure and temperature control circuit internal to the system, the material which is thermosetting by extrusion via an ejection nozzle 40A of firstly calibrated shape and size. on the substrate 46 then successively on the various superimposed layers created 48, 50, 52, 54, each having a different property, until the desired thickness is obtained for this coating.

Le système de dépôt filamentaire 40 suit une trajectoire de dépôt imprimée par un ensemble mécanique commandé 56, typiquement une machine multiaxes (au moins à 3 axes) ou préférentiellement un robot, lequel est contrôlé par une unité de gestion 58, typiquement un microcontrôleur ou un microordinateur, à laquelle il est relié assurant la commande du système de dépôt filamentaire et contrôlant en tout point de la surface traitée à la fois l'arrangement filamentaire et la porosité du revêtement obtenu. Une lampe de chauffage ou tout autre élément analogue 60, monté à proximité de la buse d'éjection 40A, peut être utilisé pour stabiliser le matériau déposé et éviter le fluage au cours du dépôt.The filamentary deposition system 40 follows a deposition trajectory printed by a controlled mechanical assembly 56, typically a multi-axis machine (at least 3 axes) or preferably a robot, which is controlled by a management unit 58, typically a microcontroller or a microcomputer, to which it is connected ensuring the control of the filamentary deposition system and controlling at all points of the treated surface both the filamentary arrangement and the porosity of the coating obtained. A heating lamp or any other similar element 60, mounted near the ejection nozzle 40A, can be used to stabilize the material deposited and to prevent creep during deposition.

L'alimentation en matériau thermodurcissable est assurée à partir d'une vis à extrusion conique 62 permettant de mélanger plusieurs composants pour former un fluide thixotrope ayant l'aspect d'une pâte. La vis d'extrusion conique permet d'assurer un mélange adéquat des composants et homogène (tout au long de l'opération de dépôt), pour obtenir in fine un matériau fluide à haute viscosité qui va être déposé par la buse calibrée. Durant cette opération, il faut éviter la génération de bulles d'air qui forment autant de défaut dans le filament imprimé et il faut éviter une instabilité de l'écoulement du matériau fluide ; il est donc nécessaire de pousser de manière très progressive le matériau. On notera qu'avec une telle vis à extrusion conique le changement de constitution du matériau thermodurcissable déposé et formant les différentes couches 4854, peut être réalisé aisément par un simple contrôle des différents composants introduits successivement dans la vis à extrusion conique qui comporte au moins deux entrées séparées 62A, 62B pour l'introduction simultanée d'au moins deux composants.The supply of thermosetting material is ensured from a conical extrusion screw 62 making it possible to mix several components to form a thixotropic fluid having the appearance of a paste. The conical extrusion screw ensures an adequate and homogeneous mixing of the components (throughout the deposition operation), to ultimately obtain a fluid material with high viscosity which will be deposited by the calibrated nozzle. During this operation, it is necessary to avoid the generation of air bubbles which form as many defects in the printed filament and it is necessary to avoid an instability of the flow of the fluid material; it is therefore necessary to push the material very gradually. It will be noted that with such a conical extrusion screw the change in constitution of the thermosetting material deposited and forming the different layers 4854, can be easily achieved by a simple control of the various components introduced successively into the conical extrusion screw which comprises at least two separate inputs 62A, 62B for the simultaneous introduction of at least two components.

La figure 3 illustre en perspective éclatée une petite partie d'un échafaudage tridimensionnel 70 de filaments 72, 74, 76, avantageusement cylindriques, de matériau thermodurcissable permettant la réalisation du revêtement de l'invention sous la forme d'un réseau ordonné de canaux de nature à conférer le gradient de propriété recherché au travers des couches superposées de ce revêtement.FIG. 3 illustrates in exploded perspective a small part of a three-dimensional scaffolding 70 of filaments 72, 74, 76, advantageously cylindrical, of thermosetting material allowing the realization of the coating of the invention in the form of an ordered network of channels likely to give the desired property gradient through the superimposed layers of this coating.

En effet et comme le montrent les différentes configurations des figures 4A, 4B, 4C et 4D, le revêtement de l'invention est formé par la superposition par fabrication additive, depuis la paroi interne du carter jusqu'à la surface extérieure, de différentes couches de matériau ayant chacune une épaisseur et une propriété différente. Chaque couche de ce revêtement, imprimée à partir du système de dépôt filamentaire précité, est constituée d'un échafaudage tridimensionnel de filaments de matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux.Indeed and as shown by the different configurations of FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D, the coating of the invention is formed by the superimposition by additive manufacturing, from the internal wall of the casing to the external surface, of different layers of material each having a different thickness and property. Each layer of this coating, printed from the aforementioned filamentary deposition system, consists of a three-dimensional scaffold of filaments of thermosetting material forming an ordered network of channels.

Sur la figure 4A est illustré un échafaudage tridimensionnel de filaments 100, 102 destiné à former la couche externe 54 du revêtement et constitué de couches de filaments superposées dont les filaments d'une couche donnée sont orientés alternativement à 0° ou à 90° sans décalage dans la superposition des filaments ayant une même direction d'orientation.In FIG. 4A is illustrated a three-dimensional scaffolding of filaments 100, 102 intended to form the outer layer 54 of the coating and consisting of layers of superimposed filaments whose filaments of a given layer are oriented alternately at 0 ° or 90 ° without offset in the superposition of filaments having the same direction of orientation.

L'objet de cette première couche 54 est d'assurer l'abradabilité du revêtement au passage des aubes mobiles (notamment durant le rodage du moteur) tout en satisfaisant aux conditions aérodynamiques de la turbomachine. Pour ce faire, le matériau thermodurcissable utilisé pour cette première couche est un matériau abradable dans l'épaisseur duquel sont formés des motifs spécifiques ayant des porosités dimensionnées permettant le passage ou la dissipation des fluctuations aérodynamiques (voir leurs modifications) et/ou des ondes acoustiques. Ces motifs peuvent aussi consister en des perforations de dimensions inférieures à 1,5 mm ou des rainurages permettant en outre d'améliorer les marges aérodynamiques.The object of this first layer 54 is to ensure the abradability of the coating on the passage of the vanes (in particular during running in of the engine) while satisfying the aerodynamic conditions of the turbomachine. To do this, the thermosetting material used for this first layer is an abradable material in the thickness of which are formed specific patterns having dimensioned porosities allowing the passage or dissipation of aerodynamic fluctuations (see their modifications) and / or acoustic waves . These patterns can also consist of perforations of dimensions less than 1.5 mm or grooving which further improves the aerodynamic margins.

L'intérêt de cette fonction d'abradabillité sur la couche de surface du revêtement est de rendre l'ensemble rotor-carter compatible avec les déformations que subissent les aubes mobiles en rotation lorsque ces dernières sont soumises à la somme des efforts aérodynamiques et centrifuges.The advantage of this function of abradability on the surface layer of the coating is to make the rotor-casing assembly compatible with the deformations undergone by the rotating blades when the latter are subjected to the sum of aerodynamic and centrifugal forces.

Par matériau abradable on entend la capacité du matériau à se disloquer (ou s'éroder) en fonctionnement au contact d'une pièce en regard (faible résistance au cisaillement) et sa résistance à l'usure suite aux impacts de particules ou corps étrangers qu'il est amené à ingérer en fonctionnement. Un tel matériau doit en outre garder voire favoriser de bonnes propriétés aérodynamiques, présenter des résistances à l'oxydation et à la corrosion suffisantes et un coefficient de dilatation thermique du même ordre que la couche ou le substrat sur lequel il est déposé, en l'espèce le matériau composite tissé formant les parois de carter.By abradable material is meant the ability of the material to dislocate (or erode) during operation in contact with a facing part (low shear strength) and its resistance to wear following the impacts of particles or foreign bodies that 'it is brought to ingest in operation. Such a material must also keep or even promote good aerodynamic properties, have sufficient oxidation and corrosion resistance and a coefficient of thermal expansion of the same order as the layer or the substrate on which it is deposited, species the woven composite material forming the housing walls.

Sur la figure 4B est illustré un échafaudage tridimensionnel de filaments 200, 202, 204, 206 destiné à former la couche 52 du revêtement et constitué de couches de filaments superposées présentant une direction d'orientation des filaments décalée ou non d'un même écart angulaire, par exemple de 25° (cette valeur d'inclinaison ne saurait être limitative), à chaque couche.In FIG. 4B is illustrated a three-dimensional scaffolding of filaments 200, 202, 204, 206 intended to form layer 52 of the covering and consisting of layers of superposed filaments having a direction of orientation of the filaments offset or not by the same angular deviation , for example 25 ° (this inclination value cannot be limiting), for each layer.

L'objet de cette deuxième couche 52 sur laquelle la première couche 54 est déposée est d'assurer la dissipation de l'énergie de l'onde acoustique. Pour ce faire, l'échafaudage tridimensionnel peut comporter des canaux ou micro canaux dont des tailles de pores sont inférieurs à 400 microns et la porosité supérieure à 70%. Il n'est pas nécessaire que le matériau thermodurcissable utilisé pour la fabrication de cette deuxième couche 52 soit le matériau abradable utilisé par la première couche 54. Toutefois, le recours à un même matériau pour l'ensemble du revêtement est possible et évite d'avoir à changer sa composition entre chaque couche.The object of this second layer 52 on which the first layer 54 is deposited is to ensure the dissipation of the energy of the acoustic wave. To do this, the three-dimensional scaffolding can comprise channels or micro channels whose pore sizes are less than 400 microns and the porosity greater than 70%. The thermosetting material used for the production of this second layer 52 need not be the abradable material used by the first layer 54. However, the use of the same material for the entire coating is possible and avoids have to change its composition between each layer.

Cette deuxième couche 52 doit bien entendu supporter les contraintes mécaniques et environnementales afférentes notamment aux impacts de particules et conserver les performances aérodynamiques de la turbomachine..This second layer 52 must of course withstand the mechanical and environmental stresses relating in particular to the impacts of particles and maintain the aerodynamic performance of the turbomachine.

Sur la figure 4C est illustré un échafaudage tridimensionnel de filaments 300, 302 destiné à former la troisième couche 50 du revêtement et constitué de couches superposées dont les filaments sont orientés alternativement à 0° ou à 90° sans décalage entre les couches ayant une même direction d'orientation des filaments cylindriques, comme pour l'échafaudage tridimensionnel de la première couche 54, mais avec un espacement entre les filaments plus important, de l'ordre de 2 fois plus important dans l'exemple illustré.In FIG. 4C is illustrated a three-dimensional scaffolding of filaments 300, 302 intended to form the third layer 50 of the covering and consisting of superposed layers whose filaments are oriented alternately at 0 ° or 90 ° without offset between the layers having the same direction orientation of the cylindrical filaments, as for the three-dimensional scaffolding of the first layer 54, but with a greater spacing between the filaments, of the order of 2 times greater in the example illustrated.

Le matériau thermodurcissable utilisé pour la fabrication de cette troisième couche 50 peut ou non être le matériau abradable utilisé par la première couche 54 et peut ou non être différent de celui utilisé pour la fabrication de la deuxième couche 52.The thermosetting material used for the manufacture of this third layer 50 may or may not be the abradable material used by the first layer 54 and may or may not be different from that used for the manufacture of the second layer 52.

L'objet de cette troisième couche 50 sur laquelle la deuxième couche 52 est déposée est d'assurer le drainage des fluides ingérés par la turbomachine et traversant le revêtement. Pour ce faire, cette couche à fonction de drainage comportera avantageusement des motifs spécifiques avec des canaux orientant l'évacuation des fluides vers des zones favorables (drains situés à 6 heures par rapport au flux) et présentant une taille de canaux supérieure à 500 microns.The object of this third layer 50 on which the second layer 52 is deposited is to ensure the drainage of the fluids ingested by the turbomachine and passing through the coating. To do this, this layer with a drainage function will advantageously include specific patterns with channels directing the evacuation of the fluids towards favorable zones (drains located 6 hours from the flow) and having a channel size greater than 500 microns.

Comme la deuxième couche 52, cette troisième couche 50 doit supporter les contraintes mécaniques et environnementales afférentes notamment aux impacts de particules et conserver les performances aérodynamiques de la turbomachine..Like the second layer 52, this third layer 50 must withstand the mechanical and environmental stresses relating in particular to particle impacts and maintain the aerodynamic performance of the turbomachine.

On notera que la présence de cette troisième couche 50 n'est pas forcément requise, la fonction de drainage pouvant être assurée avantageusement par ajout d'une couche avec propriété hydrophobe située sous la première couche 54.It will be noted that the presence of this third layer 50 is not necessarily required, the drainage function being able to be advantageously ensured by adding a layer with hydrophobic property located under the first layer 54.

Et sur la figure 4D est illustré un échafaudage tridimensionnel de filaments 400, 402 destiné à former la quatrième et dernière couche 48 du revêtement et constitué de couches superposées dont les filaments d'une couche donnée sont orientés alternativement à 0° ou à 90° et présentent un décalage dans la superposition des filaments ayant une même direction d'orientation. Ce décalage est comme illustré de préférence égal à la moitié de la distance entre deux filaments.And in FIG. 4D is illustrated a three-dimensional scaffolding of filaments 400, 402 intended to form the fourth and last layer 48 of the covering and consisting of superimposed layers whose filaments of a given layer are oriented alternately at 0 ° or 90 ° and have an offset in the superposition of filaments having the same direction of orientation. This offset is, as illustrated, preferably equal to half the distance between two filaments.

Le matériau thermodurcissable utilisé pour la fabrication de cette quatrième couche 48 peut ou non être le matériau abradable utilisé par la première couche 54 et peut ou non être différent de celui utilisé pour la fabrication des deuxième 52 ou troisième 50 couches.The thermosetting material used for the manufacture of this fourth layer 48 may or may not be the abradable material used by the first layer 54 and may or may not be different from that used for the manufacture of the second 52 or third 50 layers.

L'objet de cette dernière couche 48 déposée sur le carter 46 et sur laquelle la troisième couche 50 est elle-même déposée est de renforcer la tenue mécanique de l'ensemble du revêtement et de permettre l'absorption de l'énergie balistique résultant d'un impact de volatile ou d'ingestion de grêle voire d'une perte d'aube. Cette dernière couche doit aussi supporter les contraintes mécaniques et environnementales afférentes notamment aux impacts de particules.The object of this last layer 48 deposited on the casing 46 and on which the third layer 50 is itself deposited is to strengthen the mechanical strength of the entire coating and to allow the absorption of ballistic energy resulting from '' an impact of birds or hail ingestion or even a loss of dawn. This last layer must also withstand the mechanical and environmental constraints relating in particular to the impacts of particles.

On notera que comme pour la troisième couche 50, la présence de cette dernière couche 48 n'est pas forcément requise, la fonction d'absorption d'énergie pouvant être assurée avantageusement au sein de la couche acoustique 52 ou directement par le carter 46.It will be noted that, as for the third layer 50, the presence of this last layer 48 is not necessarily required, the energy absorption function being able to be advantageously provided within the acoustic layer 52 or directly by the casing 46.

Pour toutes ces couches, il conviendra de s'assurer de l'adhérence à la couche précédente et/ou à la couche suivante pouvant être directement le carter (compatibilité des coefficients de dilatation thermique des différentes couches et en particulier celui du matériau du carter).For all these layers, it will be necessary to ensure adhesion to the previous layer and / or to the next layer which may be directly the casing (compatibility of the thermal expansion coefficients of the different layers and in particular that of the casing material) .

Il convient de noter qu'une couche supplémentaire d'interface 64 (voir la figure 2) peut être ajoutée en préalable à l'élaboration de ces échafaudages tridimensionnels de filaments. En effet, le carter de soufflante est un carter composite tissé dont la géométrie tridimensionnelle présente généralement des déviations (défauts de forme) par rapport à la surface idéale calculée, du fait notamment de la tendance à la formation de lobes liée au procédé de tissage utilisé (classiquement de type poly-flex). Or, le rattrapage de ces défauts implique actuellement des opérations complexes et coûteuses. Il est donc possible avec le dispositif de déposer un matériau de rattrapage de jeu (résine ou autre) afin d'obtenir une géométrie connue. L'intérêt de cette étape préalable est de revenir à une surface de dépôt contrôlée, précisément définie et répondant aux contraintes de formes nécessaires pour assurer les bons jeux aérodynamiques de la zone moteur de la turbomachine.It should be noted that an additional interface layer 64 (see FIG. 2) can be added prior to the preparation of these three-dimensional filament scaffolds. Indeed, the fan casing is a woven composite casing whose three-dimensional geometry generally has deviations (defects in shape) from the calculated ideal surface, in particular due to the tendency to lobe formation linked to the weaving process used (conventionally poly-flex type). However, remedying these defects currently involves complex and costly operations. It is therefore possible with the device to deposit a backlash material (resin or other) in order to obtain a known geometry. The advantage of this preliminary step is to return to a controlled deposition surface, precisely defined and meeting the shape constraints necessary to ensure good aerodynamic play in the engine area of the turbomachine.

Il convient aussi de noter que des couches supplémentaires de matériau abradable peuvent être ajoutées localement sur la première couche 54 afin d'assurer l'axisymétrie de la surface extérieure du revêtement. En effet, les carters de soufflante présentent souvent une géométrie non axisymétrique.It should also be noted that additional layers of abradable material can be added locally to the first layer 54 in order to ensure the axisymmetry of the outer surface of the coating. Indeed, the fan casings often have a non-axisymmetric geometry.

Le matériau abradable extrudé par la ou les buses calibrées est avantageusement un matériau thermodurcissable à haute viscosité (dit aussi fluide) qui est dépourvu de solvant dont l'évaporation génère comme il est connu un fort retrait. Ce matériau est de préférence une résine à cinétique de polymérisation lente et écoulement filamentaire stable se présentant sous la forme d'un mélange thixotrope qui présente donc l'avantage d'un retrait beaucoup plus faible entre l'impression sur le substrat (juste après extrusion du matériau) et la structure finale (une fois chauffée et la polymérisation complète).The abradable material extruded by the calibrated nozzle (s) is advantageously a thermosetting material with high viscosity (also called fluid) which is devoid of solvent, the evaporation of which generates, as is known, a strong shrinkage. This material is preferably a resin with slow polymerization kinetics and stable filamentary flow in the form of a thixotropic mixture which therefore has the advantage of a much lower shrinkage between printing on the substrate (just after extrusion of the material) and the final structure (once heated and complete polymerization).

Un exemple de matériau abradable utilisé dans le cadre du procédé de l'invention est un matériau se présentant sous forme pâteuse et constitué de trois composants à savoir une base polymère, par exemple une résine époxyde (se présentant comme une pâte à modeler bleue), un agent de réticulation ou accélérateur (se présentant comme une pâte à modeler blanche) et une gelée de pétrole de couleur translucide (par exemple de la vaseline™). Les composants accélérateur/base sont répartis selon un rapport pondéral de la base à l'accélérateur compris entre 1 :1 et 2 :1 et la gelée de pétrole est présente entre 5 et 15% (typiquement 10%) en poids du poids total du matériau. La base peut en outre comporter des microsphères de verres creuses d'un diamètre déterminé pour assurer la porosité désirée tout en permettant d'accroître les performances mécaniques de l'échafaudage imprimé. L'intérêt de l'introduction de la gelée de pétrole réside dans la réduction de la viscosité de la résine ainsi que de la cinétique de réaction de l'abradable, ce qui rend sa viscosité plus stable durant le temps de l'impression et facilite ainsi l'écoulement du matériau. (La viscosité est directement liée à la pression d'extrusion nécessaire pour assurer la vitesse d'extrusion adéquate pour conserver la qualité de l'impression).An example of an abradable material used in the context of the process of the invention is a material in pasty form and consisting of three components, namely a polymer base, for example an epoxy resin (presenting itself as a blue plasticine), a crosslinking agent or accelerator (presenting itself as a white plasticine) and a petroleum jelly of translucent color (for example vaseline ™). The accelerator / base components are distributed according to a weight ratio of the base to the accelerator of between 1: 1 and 2: 1 and petroleum jelly is present between 5 and 15% (typically 10%) by weight of the total weight of the material. The base may also include microspheres of hollow glasses of a determined diameter to ensure the desired porosity while making it possible to increase the mechanical performance of the printed scaffolding. The advantage of the introduction of petroleum jelly lies in the reduction of the viscosity of the resin as well as the reaction kinetics of the abradable, which makes its viscosity more stable during the printing time and facilitates thus the flow of the material. (The viscosity is directly related to the extrusion pressure necessary to ensure the adequate extrusion speed to maintain the quality of the print).

A titre d'exemple, un tel rapport de 2 :1 donne un matériau abradable comprenant 0.7g d'accélérateur et 1.4g de base, auquel il convient d'ajouter 0.2g de gelée de pétrole.For example, such a ratio of 2: 1 gives an abradable material comprising 0.7g of accelerator and 1.4g of base, to which 0.2g of petroleum jelly should be added.

Pour les couches autres que la première couche 54 et lorsque que le matériau thermodurcissable utilisé pour l'ensemble des échafaudages tridimensionnels de filaments n'est pas le matériau abradable, un matériau à base métallique ou céramique peut être utilisé valablement.For the layers other than the first layer 54 and when the thermosetting material used for all the three-dimensional scaffolds of filaments is not the abradable material, a material based on metal or ceramic can be validly used.

Ainsi la présente invention permet une impression rapide et stable permettant de reproduire efficacement des structures performantes à fonctions prédéfinies et caractéristiques contrôlées (rugosité, aspect, taux d'ouverture) ayant une faible taille de filament (<250 microns de diamètre) et un faible poids (taux de porosité amélioré > 70%) particulièrement intéressantes aux vues des contraintes fortes rencontrées en aéronautique.Thus, the present invention allows rapid and stable printing allowing efficient reproduction of efficient structures with predefined functions and controlled characteristics (roughness, appearance, opening rate) having a small filament size (<250 microns in diameter) and a low weight. (improved porosity rate> 70%) which is particularly interesting in view of the severe constraints encountered in aeronautics.

Claims (10)

1. Revêtement à gradient de propriété destiné à être apposé par fabrication additive sur une paroi interne d'un carter (20A, 46) montée en périphérie d'aubes mobiles de rotor de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte en couches superposées d'une surface extérieure dudit revêtement à ladite paroi interne de carter :1. Coating with a property gradient intended to be affixed by additive manufacturing to an internal wall of a casing (20A, 46) mounted on the periphery of movable blades of a turbomachine rotor, characterized in that it comprises superimposed layers d an external surface of said covering to said internal casing wall: • une première couche (54) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments (100,102) d'un matériau abradable formant un réseau ordonné de canaux, et • une deuxième couche (52) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments (200, 202, 204, 206) d'un premier matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction de dissipation d'énergie des ondes acoustiques frappant ladite surface extérieure dudit revêtement.• a first layer (54) constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments (100, 102) of an abradable material forming an ordered network of channels, and • a second layer (52) constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments (200, 202, 204 , 206) of a first thermosetting material forming an ordered network of channels and having a function of energy dissipation of the acoustic waves striking said external surface of said coating. 2. Revêtement à gradient de propriété selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit échafaudage tridimensionnel ayant une fonction de dissipation d'énergie des ondes acoustiques comporte des canaux ou micro canaux dont des tailles de pores sont inférieures à 400 microns et la porosité supérieure à 70%.2. Coating with a property gradient according to claim 1, characterized in that said three-dimensional scaffolding having a function of energy dissipation of acoustic waves comprises channels or micro channels whose pore sizes are less than 400 microns and the porosity greater at 70%. 3. Revêtement à gradient de propriété selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche (64) d'un matériau de rattrapage de jeu déposé directement sur la dite paroi interne de carter pour obtenir une surface de dépôt de géométrie connue.3. A property gradient coating according to claim 1 or claim 2, characterized in that it further comprises a layer (64) of a play take-up material deposited directly on said internal casing wall to obtain a deposit area of known geometry. 4. Revêtement à gradient de propriété selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une troisième couche (50) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un deuxième matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction de drainage des fluides traversant ledit revêtement.4. Coating with a property gradient according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it also comprises a third layer (50) constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of a second thermosetting material forming an ordered network channels and having a function of draining fluids passing through said coating. 5. Revêtement à gradient de propriété selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite troisième couche (50) comporte des motifs spécifiques avec des canaux orientant l'évacuation des fluides traversant ledit revêtement vers des zones déterminées et présentant une taille de canaux supérieure à 500 microns.5. Coating with a property gradient according to claim 4, characterized in that said third layer (50) comprises specific patterns with channels guiding the evacuation of fluids passing through said coating towards determined zones and having a channel size greater than 500 microns. 6. Revêtement à gradient de propriété selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une quatrième couche (48) constituée par un échafaudage tridimensionnel de filaments d'un troisième matériau thermodurcissable formant un réseau ordonné de canaux et ayant une fonction d'absorption d'énergie balistique résultant d'un impact de volatile, d'une ingestion de grêle voire d'une perte d'aube.6. Coating with a property gradient according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it also comprises a fourth layer (48) constituted by a three-dimensional scaffolding of filaments of a third thermosetting material forming an ordered network of channels and having a ballistic energy absorption function resulting from an impact of bird, ingestion of hail or even a loss of dawn. 7. Revêtement à gradient de propriété selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une couche supplémentaire d'un matériau abradable ajoutée localement sur ladite première couche (54) pour tenir compte d'une géométrie non axisymétrique dudit carter.7. Property gradient coating according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it also comprises at least one additional layer of an abradable material added locally on said first layer (54) to take account of 'a non-axisymmetric geometry of said casing. 8. Revêtement à gradient de propriété selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit matériau abradable est un mélange thixotrope dépourvu de solvant et constitué d'une base polymère et d'un agent de réticulation dans un rapport pondéral de base polymère à agent de réticulation compris entre 1 :1 et 2 :1, et d'un composant de facilitation de l'écoulement, typiquement une gelée de pétrole présente entre 5 et 15% en poids du poids total dudit mélange thixotrope.8. Coating with a property gradient according to any one of claims 1 to 7, characterized in that said abradable material is a thixotropic mixture devoid of solvent and consisting of a polymer base and of a crosslinking agent in a weight ratio of polymer base with crosslinking agent of between 1: 1 and 2: 1, and of a flow facilitation component, typically a petroleum jelly present between 5 and 15% by weight of the total weight of said thixotropic mixture. 9. Revêtement à gradient de propriété selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits premier, deuxième et troisième matériaux thermodurcissables sont constitués dudit matériau abradable.9. A property gradient coating according to claim 8, characterized in that said first, second and third thermosetting materials are made of said abradable material. 10. Revêtement à gradient de propriété selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit carter est un carter de soufflante de turbomachine en matériau composite tissé.10. Property gradient coating according to any one of claims 1 to 9, characterized in that said casing is a turbomachine fan casing made of woven composite material.
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