Titre de l'invention : AUBE EN MATERIAU COMPOSITE A RENFORT FIBREUX TISSE TRIDIMENSIONNEL ET PEAU TISSEE BIDIMENSIONNEL ET SON PROCEDE DE

FABRICATION

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d’aubes en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice, la matrice étant obtenue par injection d’une composition liquide contenant un précurseur de la matrice dans une préforme fibreuse.

Technique antérieure

Un domaine visé est celui d’aubes de turbines à gaz pour moteurs aéronautiques ou turbines industrielles et, plus particulièrement mais non exclusivement, des aubes de soufflantes pour moteurs aéronautiques.

La fabrication d’une aube en matériau composite comprend les étapes suivantes: a) réalisation d’une structure fibreuse par tissage tridimensionnel ou multicouche, b) compactage et mise en forme de la structure fibreuse, c) placement de la préforme fibreuse ainsi obtenue dans un outillage de moulage par injection (RTM), d) injection d’une composition liquide précurseur d’un matériau de matrice telle qu’une résine dans la préforme fibreuse, e) transformation de la composition liquide en matrice de manière à obtenir un élément profilé en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice.

La réalisation d’une aube en matériau composite obtenue à partir d’un renfort fibreux réalisé par tissage tridimensionnel et densifié par une matrice est notamment décrite dans le document US 2005/0084377. Le tissage tridimensionnel (3D) ou multicouche permet de conférer à l’aube en matériau composite résultante une très bonne tenue mécanique. Cependant, la bonne tenue mécanique conférée par le tissage tridimensionnel ou multicouche est plus difficile à obtenir dans des parties de l’aube présentant de faibles épaisseurs, de l’ordre de quelques millimètres comme c’est le cas au niveau du bord d’attaque et/ou de fuite d’une aube. En effet, d’un point de vue mécanique et conformément aux exigences de certification, le bord d’attaque et le bord de fuite doivent pouvoir résister ou limiter les endommagements lorsqu’ils sont soumis à diverses sollicitations telles que des impacts d’oiseaux ou la répétition de cycles de vol (érosion/durée de vie).

La difficulté à obtenir des portions de faibles épaisseurs avec une bonne tenue mécanique par tissage tridimensionnel s’explique par :

- la taille ou le titre important des torons ou fils utilisés pour le tissage 3D ou multicouche qui est de l’ordre du millimètre, et

- le nombre de couches de torons ou fils nécessaire en chaîne et en trame pour assurer une bonne tenue mécanique car il est plus difficile d’obtenir une tenue mécanique optimale par entrelacement de seulement deux couches de fils (nombre minimal de couches de fils de chaîne ou de trame pour former un tissage 3D ou multicouche) que par un entrelacement d’un nombre de couches de fils plus important.

D’un point du vue performances aérodynamiques, la réduction des épaisseurs des extrémités amont (bord d’attaque) et aval (bord de fuite) d’une aube de soufflante permet de gagner en rendement aérodynamique ainsi qu’en comportement. En effet, une réduction d’épaisseur du bord d’attaque et/ou du bord de fuite permet de limiter le contournement du profil d’aube. Ce contournement entraîne un pic de mach sur les coupes transsoniques et supersoniques (en tête de l’aube) néfaste aux performances de la soufflante. De plus, la réduction de l’épaisseur permet de réduire les pertes de profil au bord de fuite (perte de culot) principalement pour les coupes au-dessus de 60% de hauteur. Cette réduction d’épaisseur a un impact direct sur rendement de la machine et donc sa consommation. Exposé de l’invention

La présente invention a, par conséquent, pour but de proposer une solution pour une aube en matériau composite qui ne présente pas les inconvénients précités et qui permet de former de manière aisée des parties fines sur l’aube avec de bonnes propriétés mécaniques.

A cet effet l’invention propose une aube pour moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant suivant une direction longitudinale un pied d’aube, une échasse et un corps de pale, le corps de pale s’étendant suivant la direction longitudinale entre l’échasse et un sommet d’aube et suivant une direction transversale entre un bord d’attaque en matériau métallique et un bord de fuite, l’aube comprenant une âme d’aube en matériau composite à renfort fibreux tissé tridimensionnel formant le pied d’aube, l’échasse et une partie du corps de pale, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une peau en matériau composite à renfort fibreux tissé bidimensionnel entourant la partie de corps de pale de l’âme d’aube, la peau étant interposée entre le bord d’attaque en matériau métallique et un bord avant de la partie de corps de pale de l’âme d’aube de manière à définir une portion de bord d’attaque affinée, la peau comprenant un ou plusieurs plis tissés bidimensionnels chacun enroulés autour de la partie de corps de pale de l’âme d’aube, la peau définissant en outre le bord de fuite de l’aube.

Ainsi, dans l’aube selon l’invention le bord d’attaque et/ou le bord de fuite de l’aube sont dimensionnés au moyen d’une peau à renfort fibreux tissé bidimensionnel qui présente par définition une épaisseur moins importante qu’un tissage tridimensionnel. L’aube selon l’invention présente, par conséquent, un bord d’attaque et/ou un bord de fuite plus fin qu’une aube en matériau composite réalisée entièrement à partir d’un renfort fibreux tissé tridimensionnel tout en présentant une bonne résistance mécanique en particulier vis-à-vis des impacts car la matrice commune entre le renfort le renfort fibreux de l’âme d’aube et le renfort fibreux de la peau en matériau composite assure la répartition des contraintes ou efforts mécaniques entre les tissages de ces deux éléments.

Selon une caractéristique particulière de l’aube de l’invention, les extrémités de chaque pli tissé bidimensionnel se rejoignent au niveau d’une face extrados du corps de pale à une position correspondant à 50% ou plus de la longueur de corde de l'aube mesurée depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de l’aube. Ainsi, le renfort fibreux de la peau en matériau composite présente un tissage continu dans la zone du bord d’attaque de l’aube, ce qui permet d’assurer une bonne résistance mécanique dans une zone de l’aube exposée aux impacts avec des corps étrangers (oiseaux, grêle, etc.).

Selon une autre caractéristique particulière de l’aube de l’invention, le bord d’attaque et le bord de fuite de l’aube présente une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 ,5 mm.

Selon une autre caractéristique particulière de l’aube de l’invention, un matériau de comblement est présent au moins entre l’extrémité distale du bord avant de la partie de corps de pale de l’âme d’aube et la peau en matériau composite. Cela permet de mieux maîtriser la forme finale du bord d’attaque de l’aube et d’éviter un manque de matière entre le bord avant de la partie de corps de pale de l’âme d’aube et la peau en matériau composite.

Selon une autre caractéristique particulière de l’aube de l’invention, le renfort fibreux tissé tridimensionnel de l’âme d’aube comprend des fils en fibres de carbone tandis que le renfort fibreux de la peau comprend des fils en fibres de carbone et des fils en fibres de verre. L’utilisation partielle de fils en fibres de verre dans la peau en matériau composite permet d’augmenter la déformation à rupture du corps de pale de l’aube et, par conséquent, sa résistance à l’impact.

L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une aube pour moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant au moins:

- la réalisation par tissage tridimensionnel d’une ébauche fibreuse d’âme d’aube,

- la découpe de l’ébauche fibreuse pour obtenir une préforme fibreuse d’âme d’aube comprenant suivant une direction longitudinale une partie de préforme de pied d’aube, une partie de préforme d’échasse et une partie de préforme de partie de corps de pale, la partie de préforme de partie de corps de pale s’étendant suivant la direction longitudinale entre la partie de préforme d’échasse et un sommet et suivant une direction transversale entre un bord avant et un bord arrière, - l’enroulement d’un ou plusieurs plis tissés bidimensionnels autour de la partie de préforme de partie de corps de pale,

- le positionnement d’un bord d’attaque en matériau métallique sur le ou les plis tissés bidimensionnels au niveau du bord avant de la partie de préforme de partie de corps de pale,

- le placement de la préforme fibreuse d’âme d’aube enroulée avec le ou les plis tissés bidimensionnels et le bord d’attaque dans un moule d’injection,

- l’injection d’une résine dans la préforme fibreuse d’âme d’aube et dans le ou les plis tissés bidimensionnels,

- la transformation de la résine en matrice de manière à obtenir une aube comprenant une âme d’aube en matériau composite à renfort fibreux tissé tridimensionnel, une peau en matériau composite à renfort fibreux tissé bidimensionnel présente autour d’une partie de corps de pale de l’âme d’aube et un bord d’attaque en matériau métallique fixé sur ladite peau.

Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, lors de l’enroulement d’un ou plusieurs plis tissés bidimensionnels autour de la partie de préforme de partie de corps de pale, les extrémités de chaque pli tissé bidimensionnel se rejoignent au niveau de la face de la partie de préforme de partie de corps de pale destinée à former la face extrados de l’aube et à une position correspondant à 50% ou plus de la longueur de corde de l'aube mesurée depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de l’aube.

Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, chaque pli tissé bidimensionnel présente une épaisseur d’environ 0,2 mm.

Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, avant l’enroulement d’un ou plusieurs plis tissés bidimensionnels autour de la partie de préforme de partie de corps de pale, un matériau de comblement est placé au moins au niveau de l’extrémité distale du bord avant de la partie de préforme de partie de corps de pale. Ce matériau de comblement peut être aussi placé au niveau l’extrémité distale du bord arrière de la partie de préforme de longeron.

Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, le renfort fibreux tissé tridimensionnel de l’âme d’aube comprend des fils en fibres de carbone et dans laquelle le renfort fibreux de la peau comprend des fils en fibres de carbone et des fils en fibres de verre.

Brève description des dessins

[Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d'une aube conformément à un mode de réalisation de l'invention,

[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe transversale de l’aube de la figure 1 ,

[Fig. 3] La figure 3 illustre de façon très schématique une ébauche fibreuse tissée tridimensionnelle destinée à la réalisation d’une préforme fibreuse d’âme d’aube conformément à un mode de réalisation de l’invention,

[Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en perspective d’une préforme fibreuse d’âme d’aube obtenue à partir de l’ébauche fibreuse de la figure 1 ;

[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique en perspective montrant l’enroulement de plis tissés bidimensionnels autour de la préforme fibreuse d’âme d’aube de la figure 4,

[Fig. 6] La figure 6 est une vue schématique en perspective montrant le placement d’un bord d’attaque métallique sur la préforme de la figure 5.

Description des modes de réalisation

L’aube selon l’invention peut notamment constituer une aube pour roues mobiles carénées telles que des aubes de soufflante ou une aube pour roues mobiles non carénées comme dans les moteurs aéronautiques dits « open rotor ».

La figure 1 représente une aube de soufflante 10 pour moteur aéronautique à turbine à gaz, l’aube comprenant suivant une direction longitudinale D _L un pied d’aube 11 , une échasse 12 et un corps de pale 13, le corps de pale s’étendant suivant la direction longitudinale D _L entre l’échasse 12 et un sommet d’aube 14 et suivant une direction transversale D _T entre un bord d’attaque 40 en matériau métallique et un bord de fuite 131.

Comme illustrée sur les figures 1 et 2, l’aube 10 comprend une âme d’aube en matériau composite 20 à renfort fibreux tissé tridimensionnel formant le pied d’aube 11 , Tâchasse 12 et une partie de corps de pale 21 formant au moins une partie du corps de pale 13. La partie de corps de pale s’étend suivant la direction longitudinale D _L entre l’échasse 12 et le sommet d’aube 14 et suivant la direction transversale D _T entre un bord avant 210 et un bord arrière 211.

Conformément à l’invention, l’aube 10 comprend en outre une peau en matériau composite 30 à renfort fibreux tissé bidimensionnel entourant la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube 20. La peau 30 est interposée entre le bord d’attaque en matériau métallique 40 et le bord avant 210 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube de manière à définir une portion de bord d’attaque affinée. Dans l’exemple décrit ici, un premier matériau de comblement 50 pouvant être notamment une mousse ou une résine est présent entre l’extrémité distale 210a du bord avant 210 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube et la peau en matériau composite 30. La peau 30 est également présente autour du bord arrière 211 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube de manière à définir un bord de fuite 131 affiné. Dans l’exemple décrit ici, un deuxième matériau de comblement 51 pouvant être notamment une mousse ou une résine est présent entre l’extrémité distale 211a du bord arrière 211 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube et la peau en matériau composite 30. Toutefois, l’aube selon l’invention peut être réalisée sans matériau de comblement au niveau des bords avant et arrière de la partie de corps de pale.

Comme décrit ci-après, la peau en matériau composite 30 comprend un ou plusieurs plis tissés bidimensionnel chacun enroulés autour du longeron de l’âme d’aube.

La figure 3 montre très schématiquement le tissage d’une ébauche fibreuse 100 à partir de laquelle peut être extraite une préforme fibreuse d’âme d’aube 200 (figure 4).

L’ébauche fibreuse 100 est obtenue par tissage tridimensionnel, ou tissage 3D, ou par tissage multicouche réalisé de façon connue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes ou torons 101 en une pluralité de couches, les fils de chaînes étant liés par des couches de trame 102 également disposés en une pluralité de couches, certaines couches de trames comprenant des tresses comme expliqué ci-après en détails. Dans l'exemple illustré, le tissage 3D est un tissage à armure "interlock". Par tissage "interlock", on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. Un exemple détaillé de réalisation d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’une aube pour moteur aéronautique à partir d’une ébauche fibreuse tissée 3D est notamment décrit en détails dans les documents US 7 101 154, US 7241 112 et WO 2010/061140.

L’ébauche fibreuse 100 est tissée sous forme d'une bande s’étendant de façon générale dans une direction longitudinale D _L correspondant à la direction longitudinale de l’aube à réaliser. Dans l’ébauche fibreuse 100, la préforme fibreuse d’âme d’aube 200 présente une épaisseur variable déterminée en fonction de l’épaisseur longitudinale et du profil de l’aube à réaliser. Dans sa partie destinée à former une préforme de pied, la préforme fibreuse 200 présente une partie de surépaisseur correspondant à une partie de préforme de pied 203. La préforme fibreuse 200 se prolonge par une partie d’épaisseur décroissante correspondant à une partie de préforme d’échasse 204 destinée à former l’échasse de l’aube puis par une partie de préforme de partie de corps de pale 205 destinée à former la partie de corps de pale de l’âme d’aube s’étendant entre la partie de préforme d’échasse 204 et un sommet 206. La partie de préforme de partie de corps de pale 205 présente dans une direction transversale D _T perpendiculaire à la direction longitudinal D _L un profil à épaisseur variable entre son bord avant 2050 et son bord arrière 2051. La partie de préforme de partie de corps de pale 205 comprend des première et deuxième faces 2052 et 2053 s’étendant entre les bords 2050 et 2051 (figure 4) et destinées à former avec la peau composite la face intrados et la face extrados, ou inversement, de l’aube. La préforme fibreuse d’âme d’aube 200 est tissée en une seule pièce et doit présenter, après découpe des fils non tissés de l’ébauche 100, la forme et les dimensions quasi-définitives de l’âme d’aube (« net shape »). A cet effet, dans les parties de variations d’épaisseur de la structure fibreuse, comme dans la partie d’épaisseur décroissante de partie de préforme d’échasse 204, la diminution d’épaisseur de la préforme est obtenue en retirant progressivement des couches de trame au cours du tissage.

Une fois le tissage de la préforme fibreuse d’âme d’aube 200 dans l’ébauche 100 achevé, on découpe les fils non tissés. On obtient alors la préforme fibreuse d’âme d’aube 200 illustrée sur la figure 4, structure tissée en une seule pièce. Le bord avant 2050 de la partie de préforme de partie de corps de pale 205 est destiné à former le bord avant 210 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube 20 tandis que le bord arrière 2051 de la partie de préforme de la partie de corps de pale 205 est destiné à former le bord arrière 211 de la partie de corps de pale 21 de l’âme d’aube 20.

Le bord d’attaque et/ou le bord de fuite de l’aube de l’aube finale présentent une faible épaisseur, par exemple inférieure à 1 mm. Cette faible épaisseur est difficilement atteignable avec le tissage tridimensionnel en raison d’une taille ou d’un titre trop important des fils de chaîne et de trame ainsi que du nombre minimum de couches de fils nécessaires pour assurer une bonne tenue mécanique. Dans l’exemple décrit ici, la partie distale 210a du bord avant 210 de la partie de corps de pale 21 et la partie distale 211a du bord arrière 211 du longeron 21 présentent chacune une épaisseur E _2i o _a et E ₂ n _a d’environ 1 ,5 mm (figure 2).

Conformément à l’invention, les bords avant et arrière de la partie de corps de pale peuvent être affinés au moyen d’une peau composite à renfort fibreux tissé bidimensionnel. Plus précisément, comme illustré sur la figure 5, des plis tissés bidimensionnels, ici deux plis 230 et 231 , sont enroulés autour la partie de préforme de partie de corps de pale 205. Dans l’exemple décrit ici, des premier et deuxième matériaux de comblement 50 et 51 sont respectivement placés sur les extrémités distales 2050a et 2051 a des bords avant et arrière 2050 et 2051 de la partie de partie de corps de pale de longeron 205 avant l’enroulement du premier pli 230 (Figure 4).

Les plis tissés bidimensionnels 230 et 231 présentent chacun une épaisseur de 0,2 mm, ce qui permet de former une préforme de peau 230 ayant une épaisseur de 0,4 mm correspondant à l’épaisseur E ₃₀ de la peau en matériau composite 30. Dans l’exemple décrit ici, la préforme de peau céramique permet d’obtenir une portion de préforme de bord d’attaque et une portion de préforme de bord de fuite présentant chacune une épaisseur E _B A et E _B F de 0,8 mm qui se retrouve sur l’aube finale (figure 2). Le bord d’attaque et le bord de fuite de l’aube présente de préférence une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1,5 mm. L’enroulement des plis bidimensionnels peut être notamment réalisé de manière automatisée par un robot, ce qui permet une bonne répétabilité et une maîtrise du drapage (pas d’embuvage, pincements, etc.).

On obtient alors un ensemble de préforme 250 comprenant la préforme fibreuse d’âme d’aube 200, les matériaux de comblement 50 et 51 et la préforme de peau 230. L’étape suivante consiste à positionner un bord d’attaque en matériau métallique 40 sur l’ensemble de préforme 250 au niveau du bord avant de la partie de préforme de longeron (figure 6).

L’ensemble de préforme 250 et le bord d’attaque en matériau métallique 40, sont placés dans un moule d’injection. On injecte ensuite un précurseur liquide de matrice dans la porosité de la préforme fibreuse d’âme d’aube et dans les plis tissés bidimensionnels formant la préforme de peau.

Plus précisément, l’ensemble est placé dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée et pouvant notamment présenter une forme vrillée correspondant à la forme définitive de la pale. Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de l’ensemble.

La transformation du précurseur en matrice, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de l’aube. La matrice peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que la résine époxyde à hautes performances vendue sous la référence PR 520 par la société CYTEC.

Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme extérieure de la pale. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne délimité entre la pièce en matériau rigide et le moule et qui comprend la préforme fibreuse. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace interne entre l'endroit où est injectée la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine.

La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM.

La résine assure un rôle de liant entre le renfort fibreux de l’âme d’aube 20 et le renfort fibreux de la peau en matériau composite 30 et assure ainsi la répartition des contraintes ou efforts mécaniques entre les tissages de ces deux éléments.

Après la transformation de la résine en matrice, la pièce est démoulée. On obtient alors l’aube 10 de la figure 1 avec une âme d’aube en matériau composite 20 formant le pied 11 , l’échasse 12 et une partie du corps de pale 13 de l’aube, une peau en matériau composite 30 formant l’autre partie du corps de pale 13 et le bord de fuite 131 de l’aube et un bord d’attaque métallique 40.

Selon une caractéristique particulière de l’invention, le ou les plis tissés bidimensionnels sont enroulés autour de la partie de préforme de partie de corps de pale de manière à ce que les extrémités de chaque pli tissé bidimensionnel se rejoignent au niveau de la face de la partie de corps de pale destinée à former la face extrados de l’aube et à une position à une position correspondant à 50% ou plus de la longueur de corde de l'aube mesurée depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de l’aube. Ainsi, le renfort fibreux de la peau en matériau composite 30 présente un tissage continu dans la zone du bord d’attaque de l’aube, ce qui permet d’assurer une bonne résistance mécanique dans une zone de l’aube exposée aux impacts avec des corps étrangers selon la direction transversale D _T (oiseaux, grêle, etc.). Les extrémités du ou des plis forment une portion de jonction 31 au niveau d’une face extrados du corps de pale à une position correspondant à 50% ou plus de la longueur de corde de l'aube mesurée depuis le bord d'attaque 40 vers le bord de fuite 131 de l’aube 10 (figures 1 et 2). Un léger chevauchement entre les extrémités de chaque pli peut être autorisé. La jonction entre les extrémités des plis est assurée par la résine injectée et transformée en matrice dans les plis. Les extrémités des plis peuvent éventuellement fixées entre elles par couture avant l’injection de la résine.

Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le renfort fibreux tissé tridimensionnel de l’âme d’aube comprend des fils en fibres de carbone tandis que le renfort fibreux de la peau comprend des fils en fibres de carbone et des fils en fibres de verre. L’utilisation partielle de fils en fibres de verre dans la peau en matériau composite permet d’augmenter la déformation à rupture du corps de pale de l’aube et, par conséquent, sa résistance à l’impact.