Comment sont fabriqués les pales de rotor de la turbine à haute pression des moteurs d'avion ?

Le principe de fabrication des pales du rotor de la turbine à haute pression des moteurs d'avion est très simple, mais les divers paramètres de ce processus nécessitent beaucoup d'expériences pour obtenir les paramètres de chaque nœud, la composition des matériaux auxiliaires et beaucoup de chance.

Tout d'abord, les pales du rotor de la turbine à haute pression nécessitent des conduits de refroidissement internes complexes (voir la figure ci-dessous). D'abord, on fabrique les conduits de refroidissement internes (en excluant les orifices d'air de refroidissement, qui seront abordés plus tard). Ensuite, le moule en cire est coulé avec une céramique spéciale pour former les conduits.

Après avoir obtenu ce moule de canal en céramique, assemblez-le avec le moule externe de la lame et placez-le dans le four de fonderie. L'alliage supraconducteur fondu* entre dans la cavité du moule de haut en bas (y compris le moule intérieur en céramique du canal d'air et le moule externe en cire). Il est très fastidieux de créer des couches infinies de revêtements entre chaque étape de fabrication des moules. Les entreprises allemandes utilisent des robots pour le faire, tandis qu'il semble que la Russie continue d'utiliser des brosses manuelles. Ces revêtements déterminent directement la qualité de la fonte, et le taux de tolérance est extrêmement faible.

À ce stade, la machine de fonderie contrôlera strictement la température de l'alliage supraconducteur fondu, puis le laissera se solidifier sur un plan horizontal (c'est-à-dire la croissance des cristaux), de bas en haut. Lorsque les cristaux poussent en spirale (sélecteur de cristal), ils s'écrasent et se sélectionnent mutuellement, et finalement seul un cristal correspondant le plus à la direction prédéfinie restera, et ce cristal continuera à pousser vers le haut.

Comme l'arbre à haute pression doit tourner plus de 10 000 fois, chaque pièce est soumise à une force centrifuge de plus de 10 tonnes. Comme la résistance des cristaux de nickel varie selon les directions, il est nécessaire que leur diagonale (la direction la plus forte) soit dans un angle de 10 degrés par rapport à la direction de la force centrifuge. (À noter également, l'alliage au nickel monocristallin utilisé dans le rotor de la turbine à faible pression nécessite une orientation cristalline mais pas seulement un seul cristal, car le point de fusion d'un cristal unique est supérieur de 50K à celui du polycristal (y compris le cristal unidirectionnel)).

Le taux de réussite n'est pas élevé. D'après ce que je sais, de nombreuses excellentes usines de fonderie précise en Allemagne ont tenté de maîtriser ce procédé et ont finalement fait faillite. Le seuil est vraiment trop élevé.

Enfin, le produit fini est obtenu et un alcali spécial est utilisé pour dissoudre le moule en céramique laissé dans le canal de refroidissement afin de créer des orifices de refroidissement. Il existe des orifices par électrodissolution et des orifices électrochimiques. Les orifices les plus courants sont réalisés au laser. La forme des orifices est également très complexe. Ensuite, il y a le revêtement par électrodéposition, qui est également un domaine de connaissances important.

L'image ci-dessous montre à gauche du polycristallin, au centre un cristal unidirectionnel et à droite un cristal unique.

Cependant, après la fonte, les lames n'ont pas les orifices reliant le conduit d'air de refroidissement interne et la surface de la lame. Cela est généralement réalisé au laser. Comme l'air de refroidissement perd beaucoup de pression lorsqu'il est extrait du compresseur haute pression et circule depuis l'arbre creux vers la turbine haute pression, bien que le flux d'air principal perde également de la pression en traversant la combustion, et que le processus de l'arbre à la lame ait un certain effet de compression centrifuge et de boost de pression, il nécessite tout de même une pression statique plus élevée pour diriger l'air de refroidissement vers la surface de la lame. À ce moment, un trou avec une section élargie est nécessaire pour traiter l'air de refroidissement, réduire la pression dynamique et augmenter la pression statique, puis l'air de refroidissement repousse le flux d'air chaud principal loin de la surface de la lame (beaucoup de bla-bla). De plus, une vitesse trop rapide causera un refroidissement direct injecté dans le flux d'air principal, et il a une autre fonction, qui est de former une couche de film d'air de refroidissement sur la surface de la lame pour protéger celle-ci, ce qui nécessite une décélération et une augmentation de pression.

Par conséquent, ce type d'orifice nécessite une optimisation de sa forme géométrique pour différentes positions. L'usinage au laser peut être facilement automatisé, mais l'inconvénient est qu'il y aura des contraintes internes sur la surface.

La queue du stator de turbine (cristal unidirectionnel, hors sujet) doit être percée avec des orifices de refroidissement éveillé pour servir le rotor de turbine suivant. Cet orifice est extrêmement allongé et ne peut pas supporter les contraintes internes, donc il est fabriqué en utilisant la corrosion électrochimique. Bien sûr, ce ne sont pas des règles absolues, et différentes entreprises ont différentes méthodes de traitement.

Après avoir fait cela, une seule lame de turbine monocristalline a été obtenue, mais elle n'a pas encore été recouverte. Les lames de turbine modernes nécessitent un revêtement thermique en zircone, un céramique à base d'oxyde de zirconium. Étant donné qu'il s'agit d'une céramique, elle est fragile dans une certaine mesure. Lorsque la turbine fonctionne, si une légère déformation se produit, toute la pièce pourrait se détacher, et les lames de turbine fondraient immédiatement. Cela est absolument inacceptable chez Hangfa.

Il y a ensuite le procédé EB-PVD (Dépôt physique par faisceau d'électrons), méthode de dépôt par vaporisation.

Bien sûr, il existe de nombreux autres matériaux en couches avant de fabriquer celui-ci, tels que le plaquage au platine (platine), le projection plasma, etc. Il y a également une couche pour renforcer la zircone et la coller comme de la glu. Bien sûr, il existe de légères différences entre chaque entreprise, et elles ne sont pas statiques.

Tout d'abord, le canon à électrons émet un faisceau d'électrons, qui est dirigé par le champ magnétique et frappe le substrat en zircone. Le substrat bombardé par les électrons passe dans un état gazeux, et la zircone gazeuse est dirigée vers la surface de la lame pour commencer à croître. La zircone va se développer sous forme de petits bâtons ayant un diamètre de 1 micron et une longueur de 50 microns, recouvrant densement la surface des feuilles sans que les pores soient recouverts. Comme ce n'est pas un morceau entier de céramique, les petits bâtons peuvent bouger légèrement les uns par rapport aux autres sans que l'ensemble ne se décolle, ce qui résout le problème d'échec causé par la déformation.

Le zirconium présente une dureté extrêmement élevée et une conductivité thermique extrêmement faible, ce qui permet d'obtenir un gradient de température très abrupt entre le substrat en nickel et l'écoulement d'air chaud. Avec un refroidissement interne et un film d'air refroidissant, la lame peut fonctionner longtemps avec une grande force et fiabilité dans un environnement bien au-dessus de sa température de fusion propre.

À ce stade, la surface de la lame est terminée. Pour s'adapter à la roue turbine, la lame a également besoin d'une racine de type en forme de pin ou d'une structure emboîtée.

Comme mentionné précédemment, chaque lame de turbine subit plus de dix tonnes de force centrifuge lorsqu'elle fonctionne, et la base de la lame doit également être travaillée avec beaucoup de précision. L'alliage super niché est très dur, résistant à haute température et très difficile à usiner.

La base de la lame est affûtée. La lame est maintenue par un dispositif spécial, et les meules supérieure et inférieure avec des géométries opposées (moule femelle) usinent vers l'intérieur.

Cela provoquera une dégradation rapide de la meule d'affûtage, c'est pourquoi une meule diamantée positive est ajoutée à l'extérieur des deux meules pour affûter continuellement la meule et la maintenir en état de fonctionnement. Les diamants industriels sur la meule diamantée sont collés par des robots.

Après ces processus et inspections, la lame est prête à fonctionner. Il s'agit simplement d'une partie d'un moteur d'avion, et un moteur d'avion n'est qu'un module sur un avion.