FR3098542A1 - Ensemble de pièces de turbomachine - Google Patents

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Abstract

Ensemble de pièces de turbomachine La présente invention concerne un ensemble comprenant au moins une première pièce (1) de turbomachine en matériau composite à matrice céramique et une deuxième pièce (18) de turbomachine en alliage FeCrAl en contact avec la première pièce. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Ensemble de pièces de turbomachine
La présente invention concerne un ensemble de pièces de turbomachine comprenant au moins une première pièce en matériau composite à matrice céramique (matériau CMC) et une deuxième pièce en alliage FeCrAl en contact avec la première pièce. Les pièces de cet ensemble présentent une interaction CMC / métal limitée à haute température, c’est-à-dire à une température supérieure ou égale à 700°C.
Les pièces en matériau CMC sont développées pour remplacer les pièces métalliques dans les turbines du fait de leurs bonnes propriétés mécaniques à haute température et de leur densité réduite.
Il est connu d’utiliser des ensembles de pièces de turbomachine dans lesquels des pièces métalliques sont en contact de pièces en matériau CMC. C’est le cas en particulier lorsque des languettes d’étanchéité métalliques sont positionnées entre deux secteurs d’anneau de turbine adjacents afin d’assurer l’étanchéité de la veine de circulation des gaz chauds dans la turbine. Les languettes d’étanchéité sont en superalliage à base de nickel ou de cobalt. Le matériau utilisé pour l’étanchéité inter-secteurs est choisi pour sa tenue à l’oxydation. Le matériau CMC des secteurs d’anneau peut, quant à lui, être à base de fibres de carbure de silicium (SiC) et d’une matrice de SiC. La matrice de SiC peut contenir du silicium libre résiduel.
Un des inconvénients rencontré avec la technologie existante est que le silicium libre du matériau CMC peut réagir à haute température avec le nickel ou le cobalt du superalliage constituant les languettes d’étanchéité. Cette interaction, dite interaction CMC / métal, peut conduire à la formation d’un eutectique à bas point de fusion qui peut endommager le matériau CMC et le métal des languettes. Il est donc souhaitable d’éviter ou de limiter ce phénomène d’interaction CMC / métal.
La présente invention concerne un ensemble comprenant au moins une première pièce de turbomachine en matériau composite à matrice céramique et une deuxième pièce de turbomachine en alliage FeCrAl en contact avec la première pièce, l’alliage FeCrAl étant un alliage de fer comprenant en pourcentages massiques 15% à 25% de chrome, 2% à 8% d’aluminium, et éventuellement un ou plusieurs éléments supplémentaires choisis parmi : l’hafnium, l’yttrium, le nickel, le carbone, le soufre, le manganèse, le silicium, le zirconium, le phosphore, le cuivre, l’azote, chacun de ces éléments supplémentaires étant, lorsque présent, formulé à raison d’au plus 1% en masse, le reste étant constitué d’impuretés inévitables.
L’invention propose l’utilisation d’un alliage FeCrAl tel que défini plus haut pour constituer une pièce en contact avec une pièce en matériau CMC. L’alliage FeCrAl ne présente pas ou peu d’interaction avec le matériau CMC et présente une bonne tenue en oxydation à haute température. La mise en œuvre de l’alliage FeCrAl permet d’éviter ou de limiter l’interaction CMC / métal et l’endommagement des pièces associé. L’alliage FeCrAl permet en particulier de remplacer le superalliage à base de nickel ou cobalt pour une application en tant que languette d’étanchéité. Toutefois et comme il sera détaillé plus bas, l’invention n’est pas limitée à la mise en œuvre d’une deuxième pièce en alliage FeCrAl en tant que pièce d’étanchéité.
Dans un exemple de réalisation, l’alliage FeCrAl comprend de 16% à 24% de chrome en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre de 16,5% à 19,5% de chrome en pourcentages massiques. L’alliage FeCrAl comprend par exemple de 17% à 19% de chrome en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre de 18,5% à 22,5% de chrome en pourcentages massiques. L’alliage FeCrAl comprend par exemple de 19% à 22% de chrome en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre de 20% à 24% de chrome en pourcentages massiques. L’alliage FeCrAl comprend par exemple de 20,5% à 23,5% de chrome en pourcentages massiques.
Dans un exemple de réalisation, l’alliage FeCrAl comprend de 3% à 7% d’aluminium en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre de 3% à 5,5% d’aluminium en pourcentages massiques. L’alliage FeCrAl comprend par exemple de 3,5% à 5% d’aluminium en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre de 5% à 7% d’aluminium en pourcentages massiques. L’alliage FeCrAl comprend par exemple de 5,5% à 6,5% d’aluminium en pourcentages massiques.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre, en pourcentages massiques, de 16,5% à 19,5% de chrome et de 3% à 5,5% d’aluminium.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre, en pourcentages massiques, de 18,5% à 22,5% de chrome et de 5% à 7% d’aluminium.
En particulier, l’alliage FeCrAl peut comprendre, en pourcentages massiques, de 20% à 24% de chrome et de 5% à 7% d’aluminium.
Dans un exemple de réalisation, la première pièce est une pièce de turbine. La première pièce peut être un secteur d’anneau de turbine ou un secteur de distributeur de turbine. L’invention n’est toutefois pas limitée à une première pièce constituant pièce de turbine. La première pièce peut encore constituer une partie d’une chambre de combustion ou d’un arrière-corps.
Dans un exemple de réalisation, la deuxième pièce est une pièce d’étanchéité. Dans ce cas, la deuxième pièce peut être une languette d’étanchéité et la première pièce un secteur d’anneau de turbine, la deuxième pièce étant destinée à assurer l’étanchéité de la veine de circulation des gaz chauds de la turbine. La deuxième pièce peut, d’une manière plus générale, être un joint d’étanchéité quelconque présent dans la turbomachine, par exemple un joint d’étanchéité de type oméga (« omega seal »).
Toutefois et comme indiqué plus haut, la deuxième pièce n’est pas limitée à une pièce ayant une fonction d’étanchéité. Selon une variante, la deuxième pièce est une pièce de support de la première pièce. La deuxième pièce peut ainsi permettre l’accrochage ou le maintien de la première pièce. La deuxième pièce peut par exemple être une bride d’une structure de support d’anneau de turbine et la première pièce être un secteur d’anneau de turbine. En variante, la deuxième pièce peut être un élément de fixation rapporté dans la première pièce comme une vis ou un pion.
L’invention vise également une turbomachine comprenant un ensemble tel que décrit plus haut.
L’ensemble peut faire partie d’une turbomachine d’un moteur aéronautique ou peut, en variante, faire partie d’une turbomachine industrielle.
L’invention vise également l’utilisation d’un ensemble tel que décrit plus haut dans laquelle ledit ensemble est soumis à une température supérieure ou égale à 700°C.
La figure 1 est une vue en coupe méridienne montrant un premier exemple d’ensemble selon l’invention.
La figure 2 représente de manière isolée une première pièce dans le cadre du premier exemple de la figure 1.
La figure 3 est une vue d’une pluralité de premières pièces selon le premier exemple de la figure 1 montées pour constituer un anneau de turbine.
La figure 4 est une vue en coupe méridienne montrant un deuxième exemple d’ensemble selon l’invention.
La figure 5 regroupe deux photographies montrant le résultat obtenu après soumission d’un exemple d’ensemble selon l’invention à une température de 1100°C pendant 100 heures.
La figure 6 regroupe deux photographies d’un ensemble comparatif hors invention montrant le résultat obtenu après soumission de l’ensemble à une température de 1100°C pendant 30 heures.
La figure 1 illustre un premier exemple d’ensemble selon l’invention.
Dans l’exemple illustré à la figure 1, la première pièce 1 est un secteur d’anneau de turbine en matériau CMC. Le secteur d’anneau de turbine 1 est monté sur un carter 2 en matériau métallique constituant structure de support d’anneau. Plusieurs secteurs d’anneau 1 sont montés sur le carter 2 de sorte à former un anneau de turbine qui entoure un ensemble de pales rotatives 3 (voir figure 3). La flèche F représente le sens d’écoulement du flux gazeux dans la turbine. Les secteurs d’anneau 1 ont, dans l’exemple illustré, une section sensiblement en forme de π avec une base annulaire 5 dont la face interne 6 par rapport à la direction radiale R est revêtue d’une couche 7 de matériau abradable et définit la veine d’écoulement du flux gazeux dans la turbine. La direction radiale R correspond à la direction selon un rayon de l’anneau de turbine (droite reliant le centre de l’anneau de turbine à sa périphérie). La base annulaire 5 présente, en outre, une face externe 8 par rapport à la direction radiale R à partir de laquelle s’étendent des pattes 9a et 9b. Le carter 2 comprend quant à lui des pattes d’accrochage 11a et 11b s’étendant radialement vers une veine d’écoulement du flux gazeux, les pattes 9a et 9b des secteurs d’anneau 1 enserrant axialement de manière étanche les pattes d’accrochage 11a et 11b du carter 2 dans l’exemple illustré. Bien entendu, d’autres configurations d’accrochage des secteurs d’anneau 1 sont possibles, un exemple d’une variante d’accrochage sera détaillé en lien avec la figure 4.
Chaque secteur d'anneau 1 décrit ci-avant est réalisé en CMC par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et formation d’une matrice céramique à l’intérieur de la porosité de la préforme fibreuse.
Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC, ou des fils en fibres de carbone.
La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes 9a et 9b de la partie de préforme correspondant à la base 5.
Le tissage peut être de type interlock. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra se référer au document WO 2006/136755.
Après tissage, l'ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est ensuite densifiée par technique d’infiltration à l’état fondu (« Melt-Infiltration ») à l’aide d’une composition fondue de silicium ou d’un alliage de silicium, de manière connue en soi. La teneur massique en silicium libre de la première pièce peut être supérieure ou égale à 5%.
On a représenté à la figure 2 de manière isolée un secteur d’anneau 1 mis en œuvre dans l’ensemble de la figure 1. La première pièce 1 formant secteur d’anneau peut être au contact d’une deuxième pièce 18 formant languette d’étanchéité. La languette d’étanchéité 18 est en alliage FeCrAl dans l’exemple considéré. Comme défini plus haut, l’alliage FeCrAl comprend, en pourcentages massiques, 15% à 25% de chrome, 2% à 8% d’aluminium, éventuellement un ou plusieurs éléments supplémentaires choisis parmi : l’hafnium, l’yttrium, le nickel, le carbone, le soufre, le manganèse, le silicium, le zirconium, le phosphore, le cuivre, l’azote, chacun de ces éléments supplémentaires étant, lorsque présent, formulé à raison d’au plus 1% en masse, le reste étant constitué par du fer et des impuretés inévitables. La deuxième pièce 18 est logée dans un logement ménagé dans la première pièce 1.
La figure 3 est une vue de l’ensemble d’anneau de turbine de la figure 1 une fois les secteurs d’anneau 1 montés à la structure de support d’anneau 2. L’ensemble d’anneau de turbine comporte une clé de fermeture 26 présente au niveau d’un des secteurs d’anneau 1 et permettant d’assurer la cohésion de l’ensemble des secteurs d’anneau 1 entre eux. Une languette d’étanchéité est présente entre chaque couple de secteurs d’anneau 1 adjacents. La présence des languettes 18 permet de rendre étanche la veine de circulation des gaz chauds en fonctionnement. Le choix d’un alliage FeCrAl pour les languettes 18 permet d’éviter ou de limiter l’interaction CMC / métal entre les languettes 18 et les secteurs d’anneau 1 en matériau CMC et d’éviter ainsi leur endommagement lorsqu’ils sont exposés à une haute température.
Le premier exemple d’ensemble qui vient d’être décrit en lien avec les figures 1 à 3 concerne le cas d’un deuxième élément formant pièce d’étanchéité, ici une languette d’étanchéité 18 située entre chaque couple de secteurs d’anneau 1 adjacents. Comme indiqué plus haut, la deuxième pièce n’est pas nécessairement une pièce d’étanchéité mais peut en variante être une pièce de support permettant le maintien de la première pièce. Cette variante va maintenant être décrite en lien avec la figure 4.
La figure 4 illustre un deuxième exemple d’ensemble selon l’invention comprenant une première pièce 10 formant secteur d’anneau de turbine et une deuxième pièce 20 formant carter en matériau métallique constituant structure de support d’anneau. La deuxième pièce 20 est formée par un alliage FeCrAl tel que décrit plus haut. Les premières pièces 10 sont montées sur la deuxième pièce 20 de sorte à former un anneau de turbine entourant un ensemble de pales rotatives 3. La deuxième pièce 20 permet l’accrochage des premières pièces 10. La flèche F représente le sens d’écoulement du flux gazeux dans la turbine.
Comme dans l’exemple plus haut, les secteurs d’anneau 10 ont une section sensiblement en forme de π avec une base annulaire 15 dont la face radialement interne 16 est revêtue d’une couche 17 de matériau abradable et définit la veine d’écoulement du flux gazeux dans la turbine. La base annulaire 15 présente, en outre, une face radialement externe 18a à partir de laquelle s’étendent des pattes d’accrochage 19a et 19b.
Le carter 20 comprend deux brides radiales annulaires 21a et 21b en alliage FeCrAl s’étendant radialement vers une veine d’écoulement du flux gazeux. Les brides annulaires 21a et 21b du carter 2 enserrent axialement les pattes d’accrochage 19a et 19b des secteurs d’anneau 10. La deuxième pièce 20 en alliage FeCrAl permet l’accrochage des premières pièces 10. Les premières pièces 10 sont ici enserrées par la deuxième pièce 20. Les pattes d’accrochage 19a et 19b sont maintenues par les brides annulaires 21a et 21b. Les pattes d’accrochage 19a et 19b sont logées entre les brides annulaires 21a et 21b. En outre, de façon classique, des orifices de ventilation 24 formés dans la bride 21a permettent d’amener de l’air de refroidissement du côté extérieur de l’anneau de turbine 10.
Dans l’exemple de la figure 4, la bride 21b est, comme illustrée, munie sur sa face externe d’un crochet 25 qui permet le positionnement d’un outil de sorte à écarter les brides 21a et 21b pour réaliser le montage des secteurs d’anneau 10.
L’ensemble selon l’exemple de la figure 4 comprend en outre des pions de blocage 25 et 27 participant au maintien des secteurs d’anneau 10 et au contact de ces derniers. Ces pions de blocage 25 et 27 sont aussi en alliage FeCrAl afin d’éviter ou de limiter l’interaction CMC / métal.
On a décrit des premières pièces formant secteurs d’anneau mais la première pièce pourrait en variante être une autre pièce comme une partie d’une chambre de combustion ou d’un arrière-corps.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, la première et la deuxième pièce peuvent être des pièces de partie chaude de turbomachine, c’est-à-dire des pièces destinées à être soumises en fonctionnement à une température supérieure ou égale à 700°C. Quel que soit le mode de réalisation considéré, la surface de la première pièce est avantageusement dépourvue d’un revêtement protecteur destiné à être intercalé entre la première pièce et la deuxième pièce pour réduire l’interaction CMC / métal. Du fait du caractère inerte de l’alliage FeCrAl vis-à-vis du matériau CMC la présence de ce revêtement protecteur est superflue dans le cadre de l’invention.
On va maintenant décrire quelques exemples d’alliages FeCrAl utilisables dans le cadre de l’invention.
Un premier exemple d’alliage FeCrAl est l’alliage commercialisé sous la référence VDM® Aluchrom 4 18 YHf par la société VDM Metals. La composition de cet alliage en pourcentages massiques est fournie dans le tableau ci-dessous :
Un deuxième exemple d’alliage FeCrAl utilisable est l’alliage commercialisé sous la référence VDM® Aluchrom Y Hf par la société VDM Metals. La composition de cet alliage en pourcentages massiques est fournie dans le tableau ci-dessous :
Un troisième exemple d’alliage FeCrAl utilisable est l’alliage commercialisé sous la référence Kanthal APM par la société Kanthal. La composition de cet alliage en pourcentages massiques est fournie dans le tableau ci-dessous :
La figure 5 fournit deux photographies montrant le résultat obtenu après qu’un ensemble selon l’invention ait été soumis à une température de 1100°C pendant 100 heures. La première pièce en matériau CMC est notée 100 et la deuxième pièce en alliage FeCrAl est notée 200. On constate l’absence d’interaction chimique entre le matériau CMC 100 et la pièce en alliage FeCrAl 200 après exposition à chaud.
La figure 6 fournit deux photographies montrant le résultat obtenu après qu’un ensemble hors invention ait été soumis à une température de 1100°C pendant 30 heures. L’ensemble hors invention évalué comprenait un premier élément en matériau CMC noté 110 et un deuxième élément en superalliage à base de nickel noté 210. On constate une interaction chimique entre le matériau CMC 110 et la pièce en superalliage à base de nickel 210 même après une durée de soumission à haute température inférieure à celle mise en œuvre dans le cadre de l’essai de la figure 5. Cette interaction résulte en un endommagement des pièces.
L’expression « de …% à …% » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (12)

  1. Ensemble comprenant au moins une première pièce (1 ; 10) de turbomachine en matériau composite à matrice céramique et une deuxième pièce (18 ; 20) de turbomachine en alliage FeCrAl en contact avec la première pièce, l’alliage FeCrAl étant un alliage de fer comprenant en pourcentages massiques 15% à 25% de chrome, 2% à 8% d’aluminium, et éventuellement un ou plusieurs éléments supplémentaires choisis parmi : l’hafnium, l’yttrium, le nickel, le carbone, le soufre, le manganèse, le silicium, le zirconium, le phosphore, le cuivre, l’azote, chacun de ces éléments supplémentaires étant, lorsque présent, formulé à raison d’au plus 1% en masse, le reste étant constitué d’impuretés inévitables.
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 16% à 24% de chrome en pourcentages massiques.
  3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 16,5% à 19,5% de chrome en pourcentages massiques.
  4. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 18,5% à 22,5% de chrome en pourcentages massiques.
  5. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 20% à 24% de chrome en pourcentages massiques.
  6. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 3% à 7% d’aluminium en pourcentages massiques.
  7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 3% à 5,5% d’aluminium en pourcentages massiques.
  8. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel l’alliage FeCrAl comprend de 5% à 7% d’aluminium en pourcentages massiques.
  9. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la première pièce (1 ; 10) est une pièce de turbine.
  10. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la deuxième pièce (18) est une pièce d’étanchéité.
  11. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la deuxième pièce (20) est une pièce de support de la première pièce (10).
  12. Turbomachine comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
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