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CA 02507170 2005-05-11
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Procédé de fonderie à cire perdue
La présente invention porte sur la fabrication de pièces telles que des
aubages
métalliques à géométries complexes selon la technique connue sous le nom de
s fonderie à cire perdue.
Pour la fabrication des aubages de turboréacteurs, tels que les pièces de
rotors ou
de stators, ou bien des pièces de structure selon cette technique, on en
réalise
d'abord un modèle en cire ou autre matériau équivalent facilement éliminable
par
lo la suite. Le cas échéant on regroupe plusieurs modèles en une grappe. On
confectionne autour de ce modèle un moule céramique par trempage dans une
première barbotine pour former une première couche de matière au contact de sa
surface. On sable la surface de cette couche afin de la renforcer et de
faciliter
l'accrochage de la couche suivante, et on sèche l'ensemble : ce qui constitue
t s respectivement les opérations de stuccage et de séchage. On répète ensuite
l'opération de trempage dans des barbotines de compositions éventuellement
différentes, opération toujours associée aux opérations successives de
stuccage et
de séchage. On réalise ainsi une carapace céramique constituée d'une pluralité
de
couches. Les barbotines sont composées de particules de matériaux céramiques,
2o notamment une farine, tel que l'alumine, la mullite, le zircon ou autre,
avec un
liant colloïdal minéral et des adjuvants le cas échéant en fonction de la
rhéologie
souhaitée. Ces adjuvants permettent de maîtriser et de stabiliser les
caractéristiques des différents types de couches, tout en s'affranchissant des
effets des différentes caractéristiques physico-chimiques des matières
premières
2s constituant les barbotines. Il peut s'agir d'un agent mouillant, d'un
fluidifiant ou
d'un texturant en fonction, pour ce dernier, de l'épaisseur désirée pour le
dépôt.
On procède ensuite au décirage du moule carapace, qui est une opération par
laquelle on élimine le matériau constituant le modèle d'origine. Après
3o élimination du modèle, on obtient un moule céramique dont la cavité
reproduit
tous les détails du modële. Le moule subit ensuite un traitement thermique à
haute température ou « cuisson », qui lui confère les propriétés mécaniques
nécessaires.
3s Le moule carapace est ainsi prêt pour la fabrication de la pièce métallique
par
coulée. Après contrôle de l'intégrité interne et externe du moule carapace,
l'étape
suivante consiste à couler un métal en fusion dans la cavité du moule puis à
le
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solidifier. Dans le domaine de la fonderie à cire perdue on distingue
actuellement
plusieurs techniques de solidification, donc plusieurs techniques de coulée,
selon
la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la
coulée.
Il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire (DS), de
s solidification dirigée à structure monocristalline (SX) ou de solidification
équiaxe (EX) respectivement. Les deux premières familles de pièces concernent
des superalliages pour pièces soumises à de fortes contraintes tant thermiques
que mécaniques dans le turboréacteur, comme les aubes de turbines HP.
~ o Après coulée de l'alliage, on casse la carapace par une opération de
décochage, et
on parachève la fabrication de la pièce métallique.
Lors de l'étape de moulage, plusieurs types de carapaces peuvent être réalisés
au
travers de plusieurs procédés. Chaque carapace doit posséder des propriétés
ts spécifiques qui permettent d'assurer le type de solidification désiré. Par
exemple,
pour la solidification équiaxe, plusieurs procédés différents peuvent être mis
en
oeuvre, l'un utilisant un liant silicate d'éthyle, un autre utilisant un liant
silice
colloïdale. Pour la solidification dirigée, les carapaces peuvent être
réalisées à
partir de charges différentes, à base silico-alumineuse, silice-zircon ou
silice.
Dans un but de simplification et d'uniformisation des procédés mis en oeuvre,
il
existe un besoin pour une carapace à structure dite « unique » dont les
propriétés
lui permettraient d'être utilisée dans les différents cas de solidification.
2s D'autre part, pour des raisons de respect des normes environnementales et
de
coûts, il existe aussi un besoin d'éviter l'emploi de liants à base alcool tel
que le
silicate d'éthyle.
Pour des raisons de coûts de rejet, il est aussi souhaitable de mettre au
point une
3o structure de carapace ne comprenant pas de zircon. Ce matériau, même
faiblement radio-actif, nécessite en effet l'établissement de procédures de
traitement des déchets très contraignantes industriellement et financièrement.
L'invention parvient à ces objectifs avec le procédé suivant.
3s
Le procédé de fabrication de moule carapace céramique à plusieurs couches,
dont
au moins une couche de contact, une couche intermédiaire et plusieurs couches
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de renfort à partir d'un modèle en cire ou autre matériau semblable, consiste
à
réaliser les opérations suivantes
trempage dans une première barbotine contenant des particules
céramiques et un liant, dépôt de particules de sable sur la couche et à sécher
s ladite couche, de manière à former la couche de contact,
trempage dans une deuxième barbotine contenant des particules
céramiques, un liant, dépôt de particules de sable sur ladite couche et à
sécher
celle-ci, de manière à former la couche intermédiaire
trempage dans au moins une troisième barbotine contenant des particules
t o céramiques, un liant, dépôt de particules de sable sur ladite couche, à
sécher
celle-ci, de manière à former une couche de renfort. On répète la formation de
couches de renfort jusqu'à obtenir une épaisseur de moule carapace définie.
Conformément à l'invention le procédé est caractérisé par le fait que les
particules céramiques des barbotines comprennent un oxyde réfractaire ou un
~s mélange d'oxydes réfractaires sans zircon, aucune des couches ne comportant
de
zircon.
De préférence la barbotine pour la formation des couches de renfort est
beaucoup
plus fluide que la deuxième barbotine.
On a constaté qu'un moule carapace présentant cette composition et cette
structure, à la couche de contact près, pouvait être conçu pour être commun à
tous les types de pièces coulées selon les techniques rapportées plus haut. On
peut ainsi avantageusement ajuster les propriétés mécaniques du moule, en
2s particulier, sa sensibilité aux chocs thermiques, pour satisfaire aux
conditions de
coulée répondant aux contraintes des différents procédés de solidification
(EX,
DS ou SX).
De préférence et pour satisfaire aux contraintes économiques et
environnementales, le liant pour les différentes barbotines est une solution
colloïdale minérale telle que la silice colloïdale. De même pour satisfaire
aux
contraintes économiques liées aux rejets, les grains de stucco pour les
couches de
contact, intermédiaire et de renfort sont constitués à partir de grains de
mullite et
non de zircon.
~s
Afin de maîtriser la porosité du moule, et de ce fait maîtriser la sensibilité
de la
carapace aux chocs thermiques, les opérations de stuccage sont réalisées avec
des
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grains de stucco couvrant une gamme granulométrique comprise entre 80 et 1000
microns. Par ailleurs, le stucco est appliqué de préférence par saupoudrage
pour
les premières couches, et est appliqué de préférence par lit fluidisé, pour
les
couches à partir de la quatrième. On applique le stucco automatiquement, de
s sorte que les mouvements du robot permettent de réaliser un moule carapace
présentant une porosité après cuisson, comprise entre 20 et 35%. Plus la
carapace
est poreuse, plus on diminue sa sensibilité aux chocs thermiques tels que ceux
produits lors des différents types de coulées.
t o En particulier, pour pouvoir être appliqué à deux modes distincts de
solidification, le cycle de cuisson du moule comprend un chauffage jusqu'à une
température comprise entre 1000 et 11 SO°C, de préférence entre
1030°C et
1070°C.
ts Il suffit d'adapter seulement la couche de contact au mode de
solidification.
Ainsi la première barbotine peut être formée à partir de farines de mullite et
d'alumine sans zircon, avec ou sans germinant.
Dans un cas particulier, pour des solidifications de types DS ou SX, la couche
de
zo contact est composée majoritairement de farine de mullite en quantité
comprise
entre 40 et 80% en poids, éventuellement de farine d'alumine, un liant à base
de
silice colloïdale, et des adjuvants organiques.
Dans le cas particulier de la solidification équiaxe, la couche de contact est
2s composée d'un mélange de farines d'alumine et de mullite en quantités
respectivement comprises entre 40 et 80% en poids et entre 2 et 30% en poids,
le
reste comprenant un liant à base de silice colloïdale, un germinant, et des
adjuvants organiques.
3o Conformément à une autre caractéristiques, les deuxième et troisième
barbotines
sont communes à tout procédé de solidification, et comprennent un mélange de
farines d'alumine et de mullite en quantité comprise entre 45 et 95% en poids,
et
des grains de mullite en quantité comprise entre 0 et 25% en poids.
La structure de moule ainsi définie trouve, indifféremment, une utilisation
3s pour la fabrication d'une pièce avec solidification de type dirigé à
structure colonnaire, la couche de contact étant formée majoritairement à
partir
d'une farine de mullite,
pour la fabrication d'une pièce avec solidification de type dirigé à
structure monocristalline, la couche de contact étant formée majoritairement à
partir d'une farine de mullite ou bien
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pour la fabrication d'une pièce avec solidification de type équiaxe, la
couche de contact étant formée à partir d'un mélange de farine d'alumine et de
mullite.
s L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication de pièces par coulée
de
métal en fusion selon lequel, quel que soit le type de solidification, dirigée
à
structure colonnaire, dirigée à structure monocristalline ou équiaxe, on
utilise des
moules présentant un squelette de carapaces commun : couche intermédiaire et
couche de renfort communes.
~o
L'invention porte aussi sur une installation pour la fabrication de pièces par
coulée d'un métal en fusion dans un moule carapace comprenant un poste de
fabrication de moules et des postes de coulée pour des solidifications
différentes,
lesdits postes étant alimentés avec des moules présentant des couches de
renfort
~. s identiques.
On décrit ci-après le procédé plus en détail.
Le procédé de fabrication des moules carapaces permettant une utilisation
2o commune à tous types de pièces comprend une première étape de fabrication
du
modèle en cire ou en un autre matériau équivalent connu dans le domaine. Le
plus généralement connu est la cire. Selon le type de pièce, on peut regrouper
les
modèles en grappe de manière à pouvoir en fabriquer plusieurs simultanément.
Les modèles sont façonnés aux dimensions des pièces définitives, au retrait
près
2s des alliages.
Les étapes de fabrication de la carapace sont de préférence menées par un
robot
dont les mouvements sont communs à tous types de pièces, programmés pour
avoir une action optimale sur la qualité des dépôts réalisés, et pour
s'affranchir
3o de l'aspect géométrique des différents aubages.
On prépare parallëlement des barbotines dans lesquelles on trempe
successivement les modèles ou la grappe pour effectuer un dépôt de matière
céramique.
On distingue une première barbotine pour la solidification EQX.
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Elle comprend en pourcentage pondéral
un mélange de farines d'alumine (40 - 80%) et de mullite (2 - 30%) ;
- un germinant, aluminate de cobalt (0 - 10%) ;
s - un liant silice colloïdale ( 18 - 30%) ;
- de l'eau (0 - 5%) ;
- trois adjuvants : agents mouillant, fluidifiant et texturant ;
Pour la solidification dirigëe à structure colonnaire ou monocristalline, la
composition de la première barbotine en pourcentage pondéral est la suivante
- un mélange de farines d'alumine (2 - 30%) et de mullite (40 - 80%) ;
- un liant silice colloïdale (18 - 30%) ;
- de l'eau (0-S%) ;
~ s - trois adjuvants : agents mouillant, fluidifiant et texturant ;
La deuxième barbotine intermédiaire, commune à tous types de solidification,
comprend en pourcentage pondéral les composants suivants
20 - un mélange de farines d'alumine (50 - 75%) et de mullite (5 - 20%) ;
- un liant silice colloïdale (20 - 30%) ;
- de l'eau (0 - 5%) ;
- trois adjuvants : agents mouillant, fluidifiant et texturant ;
2s La troisième barbotine de renfort, commune à tous types de solidification,
comprend les composants suivants en pourcentage pondéral
- un mélange de farines d'alumine (30 - 45%) et de mullite (15 - 30%) ;
- des grains de Mullite ( 14 - 24%) ;
30 - un liant silice colloïdale (10 - 20%) ;
- de l'eau (5 - 15%) ;
- quatre adjuvants : agents mouillant, fluidifiant, texturant et de frittage ;
Les 3 premiers adjuvants ont respectivement les fonctions suivantes
3s
- Le fluidifiant permet d'obtenir plus rapidement la rhéologie
désirée lors de la fabrication de la couche. Il agit en tant que
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dispersant. Il peut appartenir à la famille des acides aminés, à la
gamme des polyacrylates d'ammonium, ou à la famille des tri - acides
carboxyliques à groupements alcools ;
- Le mouillant permet de faciliter le nappage de la couche lors du
trempé. Il peut appartenir à la famille des alcools gras poly - alkylènes,
ou alcools alkoxylates ;
- Le texturant permet d'optimiser la rhéologie de la couche afin
d'obtenir des dépôts adaptés. Il peut appartenir à la famille des
polymères de l'oxyde d'éthylène, des gommes de xanthane, ou des
1o gommes de guar ;
Pour la couche N°l, de contact, une fois le modèle retiré de la
première barbotine
après une phase d'immersion, le modèle recouvert subit une phase d'égouttage
puis de nappage. Puis, on applique des grains de stucco par saupoudrage afin
de
ts ne pas perturber la fine couche de contact. Pour l'opération de stuccage,
on
utilise de la mullite dont la granulométrie dans cette première couche est
fine.
Elle est comprise entre 80 et 250 microns. L'état de surface des pièces en
final en
dépend en partie.
2o On sèche la couche N° 1.
On procède ensuite au trempé dans une seconde barbotine pour former une
couche N°2, dite intermédiaire. La composition est la même quel que
soit le
mode de solidification adopté.
Comme précédemment, on dépose un stucco par saupoudrage, et on sèche. Pour
l'opération de stuccage, on utilise de la mullite dont la granulométrie est
moyenne. Elle peut être comprise entre 120 et 1000 microns. L'état de porosité
des carapaces en final en dépend en partie.
~o
On trempe ensuite le modèle dans une troisième barbotine pour former la couche
N°3 qui est la première couche dite de renfort.
On applique ensuite le stucco identique à la couche N°2 par
saupoudrage, et on
3s sèche. On répète les opérations de trempage dans la troisième barbotine, de
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stuccage et de séchage pour former les couches « de renfort ». Pour ces
couches
de renfort, le stuccage s'effectue par lit fluidisé.
Pour la dernière couche, on procède à une opération de glaçage qui ne comprend
s pas d'opération de stuccage.
La carapace en final peut être constituée de S à 12 couches.
Les trempés pour les différentes couches sont effectués de manières
différentes et
sont adaptés afin d'obtenir une répartition homogène des épaisseurs et
d'éviter la
to formation de bulles, notamment dans les zones d'enfermées.
Les programmes de trempés sont optimisés pour chaque type de couche, afin de
s'affranchir de l'aspect géométrique des différents types de pièces, et sont
donc
communs à toutes références.
La gamme de séchage intercouche est optimisée pour chaque type de couche,
afin de s'affranchir de l'aspect géométrique des différents types de pièces.
La
gamme est donc commune. La gamme permet en effet pour chaque type de
couche, un séchage de moules à géométries aussi différentes que des aubes
2o mobiles, des distributeurs, ou bien des pièces de structure.
On procède à un séchage final après la formation de la dernière couche, commun
à tous types de pièces.
2s Le cycle de cuisson des moules est le même pour tous les types de
solidification,
et s'affranchit donc aussi du type de pièce. Il comprend une phase de montée
en
température, un palier à la température de cuisson et une phase de
refroidissement. Le cycle de cuisson est choisi pour optimiser les propriétés
mécaniques des carapaces de manière à permettre les manipulations à froid sans
3o risques de casses, et de manière à minimiser la sensibilité aux chocs
thermiques
pouvant être générés lors des différentes étapes de coulées.
On constate, que l'on peut réaliser une cuisson unique au lieu des deux types
de
cuisson qui étaient réalisées auparavant pour préparer les carapaces EQX, DS
et
3s SX aux différents modes de coulée.
