WO2014013190A1 - Revetement abradable resistant a la corrosion et son procédé de fabrication - Google Patents

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Laurent Paul Dudon
Philippe Charles Alain Le Biez
Serge SELEZNEFF
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Definitions

  • the coating of the invention allows a significant gain in life while maintaining its role of abradable since its chemical composition remains the same.
  • the molding is carried out by sintering or hot injection at a temperature of between 180 ° C. and 400 ° C.
  • the hot injection is mainly adjusted according to the fluidity of the composition to be injected.
  • the settings for the hot injection settings are:

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Description

REVETEMENT ABRADABLE RESISTANT A LA CORROSION ET SON
PROCÉDÉ DE FABRICATION
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des matériaux destinés à la formation de revêtements abradables. Elle trouve son application notamment dans le domaine des turbomachines où l'on utilise des joints d'étanchéité abradables.
Les matériaux ayant une propriété d'abradabilité sont couramment utilisés dans de nombreuses applications, et notamment pour la formation de joints d'étanchéité. Les joints d'étanchéité abradables sont en particulier utilisés au niveau des parties rotatives d'une turbomachine, telles que les compresseurs, afin de réduire les fuites d'air ou de gaz pouvant affecter le rendement de la turbomachine. Un compresseur de turbomachine consiste en une pluralité d'aubes fixées sur un arbre qui est monté dans un anneau fixe. En fonctionnement, l'arbre et les aubes tournent à l'intérieur de l'anneau de compresseur.
Pour garantir un rendement efficace de la turbomachine, il est important de réduire le plus possible les fuites d'air et de gaz dans les sections de compression de la turbomachine en réduisant au maximum Je jeu existant, d'une part, entre le sommet des aubes et la surface interne de l'anneau de compresseur et, d'autre part, entre les viroles inter-disques et la surface externe du redresseur. En raison de la dilatation thermique et centrifuge des aubes des compresseurs, la surface interne de l'anneau de compresseur est généralement recouverte d'un revêtement en matériau abradable afin de former un joint d'étanchéité entre les parties fixes (ici surface interne de l'anneau) et les parties mobiles (ici le sommet des aubes) des compresseurs d'une turbomachine. En effet, dans le cas de contacts entre les parties fixes et mobiles du compresseur, le joint d'étanchéité en matériau abradable permet d'obtenir un jeu réduit sans pour autant détériorer les pièces du rotor entrant en contact.
Les revêtements abradables utilisés dans les compresseurs de turbomachine sont généralement réalisés à partir d'une composition comprenant un alliage d'aluminium-silicium (Al-Si) et un polymère tel que du polyester déposé directement sur la portion d'usure de la pièce par projection thermique. Selon cette méthode, on obtient un revêtement abradable formé d'une matrice, c'est-à-dire une phase continue dans le matériau, en alliage Al-Si et d'une charge de polyester.
Cependant, ce type de revêtement s'est avéré être sensible à la corrosion notamment lorsqu'il exposé à des environnements salins ou aux polluants atmosphériques. La corrosion est en outre considérablement aggravée lorsque la pièce, de par sa géométrie, par exemple annulaire, comporte des zones de rétention amplifiant l'exposition du revêtement abradable aux agents corrosifs. Ces phénomènes de corrosion ont pour conséquence une réduction de la durée de vie de l'abradable.
Les solutions utilisées jusqu'ici pour réduire le phénomène de corrosion sur ce type de revêtement abradable sont :
- protection du revêtement abradable avec un vernis ou une peinture anticorrosion,
- étanchéification ou drainage des zones de rétention,
- modification de la composition de l'abradable.
Cependant ces solutions présentent chacune des inconvénients.
En effet, les vernis ou peintures anticorrosion ne permettent de protéger le revêtement qu'en surface et perdent de leur efficacité dès qu'ils sont usés. Ils augment en outre le coût et le temps de fabrication des revêtements abradables. Le drainage des zones de rétention nécessite des perçages dans la pièce qui affaiblissent sa tenue mécaniques et favorisent les fuites d'air. L'étanchéification augment quant à elle le coût de fabrication du revêtement abradable (matériau supplémentaire) et complexifie le montage/démontage des pièces. Enfin l'utilisation d'une composition différente de revêtement abradable, comme décrite notamment dans le document US 7 160 352, implique en matière aéronautique une requalification du revêtement, ce qui constitue une contrainte importante.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour objet un revêtement abradable à base d'alliage d'aluminium et polyester mais qui n'est pas, ou très peu sensible, à la corrosion, et ce sans recourir à des moyens supplémentaires de protection de surface, de drainage ou d'étanchéification.
A cet effet, l'invention propose un revêtement abradable destiné à être collé sur une portion d'usure d'une pièce de structure caractérisé en ce qu'il comprend au moins une matrice à base de polyester et une charge d'un alliage d'aluminium moulés ensemble.
Ainsi, en substituant la matrice Al-Si du revêtement abradable de l'art antérieur par une matrice polyester et en substituant également la charge polyester par une charge d'alliage d'aluminium, on ne modifie pas la nature des constituants du revêtement tout en réduisant significativement les phénomènes de corrosion. En effet, le revêtement abradable de l'art antérieur obtenu par projection thermique d'un mélange Al-Si/polyester conduit à la formation d'un matériau dont la matrice ou phase continue dans le matériau est essentiellement composée d'AI-Si qui est un alliage électriquement conducteur rendant le revêtement très sensible à la corrosion galvanique. Au contraire, le revêtement abradable de la présente invention comprend une matrice polyester, c'est-à-dire non conductrice électriquement, qui protège la charge métallique (alliage Al) de la corrosion notamment galvanique.
Par conséquent, le revêtement de l'invention permet un gain significatif de durée de vie tout en conservant son rôle d'abradable puisque sa composition chimique reste la même.
Selon un premier aspect du revêtement de l'invention, le revêtement contient entre 25% et 55% de polyester, le solde ou complément de la composition du revêtement étant constitué d'un alliage d'aluminium. Selon une caractéristique de l'invention, le solde de la composition du revêtement est constitué d'un alliage d'aluminium-silicium comprenant entre 11% et 13% de silicium. L'alliage d'aluminium est de préférence un alliage Al-Si ou Al- g-Si sans cuivre de la série 4000 ou 5000 particulièrement résistant à la corrosion saline.
Selon un deuxième aspect du revêtement de l'invention, la matrice est constituée par un polyester aromatique du type polymère à cristaux liquide qui est peu réactif, inerte et hautement résistant au feu.
L'invention concerne également une pièce de structure comportant au moins une portion d'usure comprenant un revêtement abradable selon l'invention. La pièce de structure de l'invention peut être notamment réalisée en matériau métallique ou en matériau composite à matrice organique. Elle peut correspondre notamment à un anneau ou carter de compresseur de moteur aéronautique comportant une portion d'usure sur sa surface interne comprenant un revêtement abradable de l'invention.
L'invention a aussi pour objet un turbopropulseur comprenant au moins une pièce de structure selon l'invention ainsi qu'un aéronef comprenant au moins un turbopropulseur selon l'invention.
L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un revêtement abradable comprenant le moulage d'une composition comprenant au moins une poudre de polyester et une charge d'un alliage d'aluminium et le collage du revêtement abradable sur la portion d'usure de la pièce de structure.
Selon un premier aspect du procédé de l'invention, le moulage est réalisé par frittage ou injection à chaud à une température comprise entre 180°C et 400°C.
Selon un deuxième aspect du procédé de l'invention, la composition contient entre 25% et 55% de polyester, le solde ou complément de la composition du revêtement étant constitué d'un alliage d'aluminium. Selon une caractéristique de l'invention, le solde de la composition du revêtement est constitué d'un alliage d'aluminium-silicium comprenant entre 11% et 13% de silicium. L'alliage d'aluminium est de préférence un alliage Al-Si ou Al-Mg-Si sans cuivre de la série 4000 ou 5000 particulièrement résistant à la corrosion saline.
Selon un troisième aspect du procédé de l'invention, la piste abradable est réalisée à partir d'une pluralité de secteurs de revêtement abradable collés adjacents les uns aux autres sur la portion d'usure de la pièce de structure de manière à former la piste abradable.
Selon un quatrième aspect du procédé de l'invention, le revêtement abradable est collé sur la portion d'usure de la pièce de structure, la température pendant le collage étant inférieure ou égale à 180°C.
Selon un cinquième aspect du procédé de l'invention, le revêtement abradable est refroidi avant son collage sur la portion d'usure de la pièce de structure. Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective montrant le montage d'un revêtement abradable sur un anneau de turbine conformément à un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe de l'anneau de la figure 1 monté autour d'un ensemble rotatif d'aubes.
Description détaillée d'un mode de réalisation Le revêtement abradable de l'invention est réalisé à partir d'une composition ou mélange comprenant une poudre de polyester et un alliage d'aluminium, en particulier un alliage aluminium-silicium (Al-Si), également sous forme de poudre ou de particules solides. La composition comprend entre 25% et 55% de polyester, le solde ou complément étant constitué par l'alliage d'aluminium. Dans le cas d'un alliage Al-Si, celui-ci comprend entre 11% et 13% de silicium. A titre d'exemple, une telle composition est disponible sous forme de poudres pour projection thermique comme les poudres Metco 601NS et Durabrade 1605 (60% alliage Al-Si avec 12% de Si et 40% de polyester) commercialisées par la société Sulzer-Metco. Le polyester utilisé dans la composition du revêtement abradable de l'invention est de préférence choisi parmi les polyesters aromatiques de la classe des polymères à cristaux liquides qui sont des polyesters peu réactifs, inertes et hautement résistants au feu comme par exemple les polymères commercialisés sous les marques Ekonol® et Xydar® ou la référence CGZ-351. L'alliage d'aluminium est de préférence un alliage Al-Si ou Al-Mg-Si sans cuivre de la série 4000 ou 5000 particulièrement résistant à la corrosion saline.
Conformément à l'invention, le revêtement abradable de l'invention n'est pas formé par projection thermique comme dans l'art antérieur mais par moulage afin d'obtenir une matrice de polyester à la place d'une matrice d'alliage Al-Si. Le moulage à la géométrie de la portion d'usure de la pièce sur laquelle le revêtement abradable doit être collé est réalisé à une température comprise entre 180°C et 400°C. Le moulage peut être réalisé par frittage ou par injection à chaud.
Le frittage présente l'avantage de permettre un contrôle précis de la température pendant le moulage et, par conséquent, un meilleur ajustement du caractère abradable du revêtement. Le temps de frittage/compression dépend de la géométrie du moule et de l'épaisseur du revêtement abradable à former. La pression de frittage est d'au moins 50 MPa.
L'injection à chaud est principalement ajustée en fonction de la fluidité de la composition à injecter. Les paramètres de réglages de l'injection à chaud sont :
- la température d'injection,
- la pression d'injection,
- la durée d'injection.
Ces paramètres dépendent de la nature du matériau à injecter mais aussi de la géométrie de l'outillage de moulage et notamment du nombre de points d'injection.
Le revêtement abradable peut être moulé en une seule pièce ou en une pluralité de secteurs assemblés entre eux lors du collage. Le moulage en une seule pièce nécessite de réaliser un moule spécifique à la géométrie totale de la portion d'usure de la pièce mais facilite par la suite le montage lors du collage tandis que le moulage en secteurs simplifie la conception du moule mais requiert une précision d'assemblage des secteurs lors du collage.
Dans le cas d'un moulage en secteurs, il est possible d'optimiser la forme des parties de liaison entre les secteurs afin de faciliter leur alignement comme une forme lisse ou en biseau. En outre, les parties de liaison de chaque secteur peuvent être d'une forme plus élaborée, comme par exemple une forme de créneaux/chevrons ou une forme ondulée, afin d'augmenter la cohésion de la tenue mécanique et réduire les fuites éventuelles entre les secteurs.
Une fois le revêtement abradable moulé à la forme désirée, celui- ci est collée sur la pièce de structure au niveau de sa portion d'usure. Le montage par collage du revêtement peut s'effectuer à température ambiante, la pièce de structure et le revêtement abradable étant à la même température. Cela permet d'obtenir un revêtement abradable en contrainte nulle sur la pièce, ce qui n'est pas le cas lorsque le revêtement est déposé sur la pièce par projection thermique comme dans l'art antérieur. En effet, dans ce dernier cas, le revêtement ainsi formé se trouve en tension sur la pièce en raison des différences de coefficient de dilatation thermique entre le revêtement et la pièce ou substrat sur lequel il est projeté.
Par ailleurs, grâce au procédé de l'invention, le revêtement peut même être collé en compression sur la pièce en refroidissant le revêtement moulé avant son collage sur la pièce lorsque celui-ci présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du matériau de la pièce.
Lorsque le collage est réalisé avec une colle liquide ou en film nécessitant un traitement thermique, généralement à une température maximum de 180°C, la mise en place du revêtement abradable moulé sur la pièce de structure peut se faire à température ambiante. Toutefois, le ou les éléments constituant le revêtement abradable sont de préférence refroidis avant leur mise en place et leur collage, par exemple en séjournant dans un congélateur ou avec un gaz réfrigérant tel que du C02, afin qu'ils se contractent. Ainsi, il sera plus facile de mettre en place le ou les éléments constitutifs du revêtement abradable sur la pièce de structure en raison d'un jeu plus important entre le ou les éléments du revêtement abradable et la pièce de structure. Lors de leur réchauffement, le ou les éléments du revêtement abradable se dilateront et se placeront correctement dans leur position finale sur la pièce pour le collage. Dans ce cas le revêtement abradable sera en compression sur la pièce de structure.
Le collage est réalisé avec un outillage de maintien permettant d'appliquer des points de pression dynamiques et des calages de manière à positionner précisément le revêtement moulé ou les secteurs de revêtement moulés sur la portion d'usure de la pièce.
Pour le collage, on utilise une colle sous forme liquide ou film dont la tenue en service continu est d'au moins 140°C, par exemple une colle de classe 180°C telle que les colles commercialisées sous les références FM 475, FM 34, Meltbond 329 et Redux 322. Après le collage du revêtement sur la pièce, celui-ci est éventuellement usiné pour l'ajuster aux cotes finales définies.
La figure 1 montre un anneau de compresseur basse pression 10, par exemple un redresseur de turbomachine. Tel qu'illustré sur la figure 2, l'anneau 10 entoure un ensemble rotatif formé d'une pluralité d'aubes 20, le jeu entre la surface intérieure de l'anneau et les sommets 21 des aubes étant nul ou quasi-nul.
L'anneau 10 comprend un support métallique structural 11 comportant du côté intérieur une portion d'usure 110 délimitée par deux rebords lia et 11b. Un revêtement abradable 12 est collé sur la portion d'usure 110. Plus précisément, dans l'exemple décrit ici, le revêtement abradable 12 est formé d'une pluralité de secteurs 120 qui sont collés bout à bout sur la portion d'usure de manière à former un revêtement abradable continu sur le côté intérieur de l'anneau. Les extrémités de chaque secteur 120 sont munies respectivement de portions de liaison 120a et 120b en forme de marche permettant l'assemblage des secteurs par emboîtement.
Toutefois, le revêtement abradable peut-être moulé monobloc et collé directement sur l'anneau lui aussi monobloc sans avoir à sectoriser le revêtement ou l'anneau.
Dans l'exemple décrit ici, le support 11 est en un matériau métallique tel que du titane, de l'acier ou de l'aluminium.
La pièce de structure (l'anneau) sur laquelle est collé le revêtement abradable peut être également réalisée en matériau composite, c'est-à-dire une pièce comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice. Elle peut être en particulier réalisée en matréiau composite à matrice oragnique, le renfort fibreux étant réalisé à partir d'une structure fibreuse réalisée par tissage, assemblage, tricotage, etc. de fibres tels que des fibres de verredes fibres en carbone ou des fibres métalliques. La structure fibreuse est alors densifiée par une matrice qui peut être notamment une résine thermoplastique ou thermodurcissable
La présente invention n'est pas limitée à la formation de revêtements abradables pour anneau de compresseur. Elle s'applique à la réalisation de tout type de revêtement abradable devant être utilisé dans des environnements corrosifs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Revêtement abradable (12) destiné à être collé sur une portion d'usure (110) d'une pièce de structure (11) caractérisé en ce qu'il
5 comprend au moins une matrice à base de polyester et une charge d'un alliage d'aluminium moulés ensemble.
2. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient entre 25% et 55% de polyester, le solde de la composition de
0 revêtement étant constitué d'un alliage d'aluminium de la série 4000 ou 5000.
3. Revêtement selon la revendication 1 à 2, caractérisé en ce que la matrice est constituée par un polyester aromatique du type
5 polymère à cristaux liquides.
4. Pièce de structure (11) comportant au moins une portion d'usure (110) comprenant un revêtement abradable (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
0
5. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en matériau métallique ou en matériau composite.
6. Pièce selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle 5 correspond à un anneau de compresseur de moteur aéronautique, ledit anneau comportant une portion d'usure sur sa surface interne.
7. Turbopropulseur comprenant au moins une pièce de structure selon l'une quelconque des revendications 4 à 6.
D
8. Aéronef comprenant au moins un turbopropulseur selon la revendication 7.
9. Procédé de réalisation d'une piste abradable sur une pièce de 5 structure (11) comportant une portion d'usure (110), caractérisé en ce qu'il comprend le moulage d'une composition comprenant au moins une poudre de polyester et une charge d'un alliage d'aluminium et le collage du revêtement abradable (12) sur la portion d'usure (110) de la pièce de structure (11).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moulage est réalisé par frittage ou injection à chaud à une température comprise entre 180°C et 400°C.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la composition contient entre 25% et 55% de polyester, le solde de la composition du revêtement étant constitué d'un alliage d'aluminium de la série 4000 ou 5000.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la piste abradable (12) est réalisée à partir d'une pluralité de secteurs (120) de revêtement abradable collés adjacents les uns aux autres sur la portion d'usure (110) la pièce de structure de manière à former la piste abradable.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le revêtement abradable (12) est collé sur la portion d'usure (110) de la pièce de structure (11) à une température inférieure ou égale à 180°C.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le revêtement abradable (12) est refroidi avant son collage sur la portion d'usure (110) de la pièce de structure (11).
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