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CA 02587100 2007-05-08
La présente invention porte sur la fabrication de pièces telles que des
aubages métalliques
de turbomachines, présentant des cavités internes à géométrie complexe formant
notamment des circuits de refroidissement, selon la technique de fonderie à
cire perdue.
La fabrication de tels aubages passe par la réalisation d'un modèle en cire ou
autre
matériau équivalent qui comprend une pièce interne formant un noyau de
fonderie et
figurant les cavités de l'aubage. On utilise pour former le modèle un moule
d'injection
pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en
cire est
ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d'une suspension
de
particules céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire
et on cuit
le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion qui vient
occuper
les vides entre la paroi intérieure du nloule carapace et le noyau. Grâce à un
germe ou un
sélecteur approprié et un refroidissem,ent contrôlé, le métal se solidifie
selon une structure
voulue. 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
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.
Après solidification de l'alliage, la carapace et le noyau sont décochés. Il
en ressort
l'aubage désiré.
Les noyaux de fonderie utilisés son t composés d'une matière céramique à
structure
généralement poreuse. Ils sont réalisés à partir d'un mélange constitué d'une
charge
réfractaire sous forme de particules et d'une fraction organique plus ou moins
complexe
formant un liant. Des exemples de cornpositions sont donnés dans les brevets
EP 328452,
FR 2371257 ou FR1785836. Comme cela est connu, on met en forme les noyaux de
fonderie par moulage en utilisant par exemple une injection à la presse. Cette
mise en
forme est suivie d'une opération de déliantage au cours de laquelle la
fraction organique
du noyau est éliminée par un moyen tel que la sublimation ou la dégradation
thermique,
suivant les matériaux utilisés. Une structure poreuse en résulte. Le noyau est
ensuite
consolidé par un traitement thermique dans un four. Une étape de finition est
éventuellement nécessaire pour éliminer et ébavurer les traces de plans de
joint et obtenir
la géométrie du noyau. On utilise dans ce but des outils abrasifs. Il peut
être encore
nécessaire de renforcer le noyau afin qu'il ne soit pas endommagé dans les
cycles
ultérieurs d'utilisation. On imprègne dans ce cas le noyau avec une résine
organique.
Dans le but de diminuer la durée de clicle d'obtention des noyaux, il est
aussi possible de
fabriquer un noyau ébauche et d'usiner les fentes et les cloisons lorsque le
noyau est à
l'état cru. Cela est décrit dans la demande de brevet déposée au nom du
présent déposant,
FR 0452789.
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La géométrie des noyaux est toujours plus complexe, en particulier les parois
de certaines
zones sont toujours plus fines. Par conséquent, les limites de remplissage
sont souvent
atteintes et demandent le développement de pâtes plus fluides ou l'utilisation
d'une
pression plus importante pour le remplissage des empreintes du moule.
Les noyaux épais sont plus stables dimensionnellement du fait de la
composition des
pâtes. On adapte par exemple le rapport liant sur charge et la proportion de
particules
céramiques fines et grosses.
Dans le cadre de moteurs en développement et en production série, le procédé
d'injection
de l'art antérieur ne permet donc pas de répondre de manière économique à des
changements de conception du noyau en particulier au besoin d'amincissement
des zones
fines dont l'épaisseur est inférieure à 0,4mm.
Pour résoudre ces problèmes, une technique connue consiste à fabriquer des
noyaux
céramiques dans un moule avec lequel les zones fines et/ou critiques sont
obtenues soit
par la mise en oeuvre de pâtes céram.iques plus fluides ou aussi par la
modification des
paramètres d'injections et notamment des débits ou des pressions supérieures
aux
conditions d'emploi traditionnelles. Cependant cette technique présente
certaines limites.
D'une part, le matériau céramique possède des propriétés abrasives, et le
cisaillement
généré par les nouvelles conditions de remplissage est la cause d'une usure
prématurée
des zones fines des outillages. Cela entraîne de multiples périodes d'arrêt de
production
et un coût élevé de maintien en état des outillages. D'autre part, malgré
l'optimisation des
conditions de remplissage et malgré l'aide de la simulation numérique,
certaines zones
fines figent le front de remplissage. Il s'ensuit que celui-ci ne peut se
faire que par
recollement de pâte dite froide , c'est-à-dire dont la température n'est
pas optimale
pour avoir une liaison solide. Ces conditions de remplissage sont à l'origine
d'indications
de type criques qui entraînent la mise au rebut de quantités importantes de
noyaux après
éjection et contrôle des noyaux. Ces défauts peuvent aussi être dévoilés après
le
traitement thermique de déliantage et de cuisson ce qui est encore plus
pénalisant.
On remédie à ces problèmes conformément à l'invention avec un procédé de
fabrication
d'un noyau de fonderie, comportant au moins une zone ou une paroi fine
d'épaisseur
e comprise entre 0,1 et 0,5 mm, sur un bord de fuite par exemple d'aube de
turbomachine, comprenant la mise en forme dans un moule d'un mélange
comprenant
une charge de particules céramiques et un liant organique, l'extraction hors
du moule, le
déliantage et un traitement thermique de consolidation du noyau. Ce procédé
est
caractérisé par le fait que l'on forme dans ledit moule un noyau dont ladite
zone est
épaissie par rapport à l'épaisseur e d'une surépaisseur E et que l'on
usine ladite
surépaisseur après avoir extrait le noyau du moule jusqu'à obtenir ladite
épaisseur e
de manière à créer un canal d'ouverture suffisante pour l'écoulement dudit
mélange
pendant son injection dans le moule. L'opération d'usinage peut être réalisée
avant ou
après traitement thermique.
Alors que l'homme du métier chercherait à développer des matériaux à plus
faible
viscosité ou à modifier les paramètres d'injection, en particulier le débit ou
la pression, la
présente invention résulte d'une approche différente portant sur la diminution
des pertes
de charges liées à la définition de la cavité à remplir.
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La perte de charge est exprimée par la relation suivante : P = rl*Q*L/n*D4,
liant la
Pression (P) à la viscosité (p), au débit (Q), à la longueur (L) et à au
diamètre (D).
Par l'invention, on agit sur le diamètre de passage dans une zone étroite en
l'augmentant
de manière à créer une ouverture suffisante pour l'écoulement de la pâte.
On s'affranchit ainsi de tout développement particulier même avec une
diminution des
épaisseurs de paroi jusqu'à 0,lmm.
Grâce à l'invention, on réduit les coûts d'obtention des noyaux de fonderie.
Alors que la
quantité de noyaux présentant des indications de type crique d'injection et/
ou de cuisson,
obtenus par injection dans un moule avec un bord de fuite fin atteint
plusieurs dizaines de
%, la solution permet un gain important en qualité et l'obtention de noyaux
présentant
des bords de fuite plus fins qu'avec le procédé de l'art antérieur. La limite
visée descend
jusqu'à des épaisseurs de 0,1 mm
Avantageusement, l'usinage de la zone épaissie du noyau est effectué
mécaniquement par
fraisage, bien qu'elle puisse aussi être opérée à la main.
Plus particulièrement, le noyau comprend de 80 à 85 % de charge minérale et de
15 à 20
% de liant organique. La composition correspond avantageusement à l'une de
celles
décrites dans le brevet EP 328452 de la demanderesse. On cherche une
composition peu
fluide, qui doit présenter une faible variation de retrait en production série
de noyaux.
La présente invention autorise ainsi la formulation d'une pâte unique pour
l'ensemble des
fabrications de noyaux pour aubes, alors que le procédé de l'art antérieur
demande des
forrriulations de pâtes adaptées. En particulier, il est nécessaire de prévoir
des pâtes
fluides pour les noyaux conçus avec de bords de fuite pour les lesquels les
épaisseurs sont
inférieures à 0,4 mm.
Conformément à une autre caractéristique, l'usinage est effectué par des
passages
successifs de l'outil enlevant à chaque passage une épaisseur de matière
déterminée,
comprise entre 0,05 et 2 mm. En particulier, avant cuisson l'usinage est
réalisé au moyen
d'une fraise par enlèvement de matière, tandis qu'après cuisson l'usinage est
réalisé au
moyen d'un outil, souvent diamanté, par enlèvement de matière sur une machine
de
fraisage à au moins trois axes et de préférence à quatre ou cinq axes. Par ce
moyen on
parvient à réaliser automatiquement l'usinage.
Cette technique permet d'usiner un noyau non cuit à partir d'un fichier CFAO
(conception et fabrication assistée par ordinateur) existant sans être
pénalisé par les
retraits du noyau au cours de l'étape de cuisson qui ne sont pas toujours
identiques. Le
noyau non cuit a les dimensions du moule dans lequel il est fabriqué.
Avantageusement,
les noyaux avant cuisson sont géométriquement identiques.
On réalise de cette façon des formes aux épaisseurs variées correspondant aux
différents
éléments structurels du noyau D'autres formes sont possibles.
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D'autres caractéristiques et avantages ressortiront à la lecture de la
description qui suit
d'un mode de réalisation du procédé de l'invention en référence aux dessins en
annexe
sur lesquels,
la figure 1 est une vue en coupe d'une aube de turbine refroidie,
la figure 2 est une vue générale d'un noyau d'aube refroidie, x
la figure 3 est une vue d'une zone de bord de fuite de noyau présentant une
surépaisseur conformément à l'invention,
la figure 4 est une vue d'une partie de bord de fuite de noyau après usinage
de la
surépaisseur,
la figure 5 présente sur un graphique l'évolution de la pression d'injection
en
fonction des artifices utilisés pour obtenir la géométrie du bord de fuite
souhaitée,
la figure 6 montre le remplissage du moule en fonction des artifices de la
figure 5
la figure 7 montre le mode d'usinage au moyen d'une fraise,
La figure 8 montre en coupe selon 8-8 le premier tenon de la figure 3, et
la figure 9 montre en coupe selon 9-9 le premier tenon de la figure 8.
La description qui suit correspond à l'application de l'invention à la
formation d'un
noyau de fonderie pour une aube de turbine haute pression dans un moteur à
turbine à gaz
pour une utilisation aéronautique ou terrestre. Cette présentation n'est pas
limitative.
Comme on le voit sur la figure 1, une aube 1 de turbine comprend une surface
intrados
IN une surface extrados EX, un bord d'attaque BA et un bord de fuite BF.
Lorsqu'il
s'agit d'une aube de turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz pour
une
utilisation aéronautique, l'aube comprend des cavités internes, ici 7: lA à
1G. Le bord de
fuite comprend une ouverture 1H s'étendant parallèlement à celui-ci. Elle est
alimentée
depuis la dernière cavité 1 G par une pluralité de canaux 1 GH, calibrés,
parallèles entre
eux, pour l'échappement du fluide de refroidissement qui est de l'air prélevé
au
compresseur.
Les cavités sont séparées les unes des autres par des cloisons : 1AB, 1BC,
etc. Lorsqu'on
fabrique ces aubes par coulée d'un métal en fusion, on doit incorporer au
moule carapace
un noyau qui occupe les vides des cavités à former dans l'aube. Ce noyau comme
on le
devine à partir de la figure 1 est complexe.
On voit sur la figure 2 un noyau 100 issu d'un moule. Il comprend une partie
correspondant aux cavités de la pale 100A, une partie 100B correspondant aux
cavités du
pied de l'aube et une partie 100C formant une poignée de préhension pendant la
fabrication. En tête de pale on voit aussi une partie 100D correspondant à ce
qui est
désigné par baignoire dans le jargon du domaine.
Le bord de fuite du noyau, soit la partie référencée IOOH conduisant à la
formation de la
cavité 1 H de la figure 1 et les tenons 100GH conduisant à la formation des
canaux 1 GH
de la figure 1 sont montrés sur la figure 3 ou la figure 4. Le cas particulier
du premier
tenon 100GH 1 conforme à l'invention est discuté plus loin.
Ce noyau est réalisé par injection dans un moule dans lequel on doit remplir
les zones
fines constituées par les tenons 100GH. La technique habituelle consiste à
concevoir le
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moule avec des sous pièces qui présentent une certaine mobilité pour pouvoir
extraire le
noyau après injection de la matière dans le moule et sa solidification. Comme
on l'a
expliqué plus haut, l'injection de ces zones est d'autant plus compliquée que
celles-ci
sont fines.
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L'objet de l'invention est la réalisation d'un noyau ayant une telle structure
complexe
sans avoir à développer des pâtes plus fluides ou augmenter les paramètres
d'injections
tels que la pression ou le débit.
Conformément à l'invention, on confectionne un moule modifié, c'est-à-dire un
moule
dont le noyau après moulage présente au moins une zone fine qui est épaissie.
La zone fine épaissie du premier tenon 100GH1 est obtenue en conformant
convenablement le moule en cet endroit pour obtenir une telle zone épaissie
pour le
premier tenon 100GH1. Le premier tenon est le premier vu depuis le pied de
l'aube d'où
est injectée la pâte du noyau. On a représenté cette partie en coupe sur les
figures 8 et 9.
Sur la figure 8 on voit la surépaisseur E du tenon 100GH1 par rapport à la
surface
extrados 100Ex du noyau 100. Les faces du côté de l'extrados des parties 100G
et 100H
sont sensiblement dans le même plan, à l'exception de cette surépaisseur.
Cette
surépaisseur est déterminée en fonction de l'épaisseur e finale que l'on
souhaite
obtenir pour le tenon 100GH1 et de la qualité de la pâte que l'on injecte. Il
s'agit de créer
un canal d'ouverture suffisante pour l'écoulement de la pâte pendant l' inj
ection. En
coupe transversale représentée sur la figure 9 le contour de la surépaisseur E
tient compte
des bords arrondis du tenon. Le rayonnage des bords arrondis du tenon peut
être effectué
aussi par usinage.
La pâte utilisée comprend de préférence un liant organique associé à une
charge
minérale. Par exemple le mélange est fait selon l'enseignement de la demande
de brevet
EP 328452. Le noyau présente une bonne tenue en main et sa constitution en
permet le
travail au moyen d'un outil de fraisage par enlèvement de copeaux ou par
abrasion.
Après fabrication du noyau avec cette surépaisseur E sur le premier tenon,
l'étape
suivante consiste à usiner, dans cette ébauche de noyau, la ou les zones
épaissies.
L'usinage est avantageusement réalisé au moyen d'un outil tel que montré sur
la figure 7.
Il s'agit d'une fraise 200 comportant une extrémité 200A de coupe et d'un
filet ou bord
de coupe en hélice le long de sa tige 200B. On déplace la fraise
perpendiculairement à la
surface à usiner. La vitesse de l'outil ainsi que celle de son déplacement
sont fixées. On
limite ainsi les efforts sur la matière et on évite que l'outil fléchisse.
On utilise de préférence une machine outil à commande numérique de type à cinq
axes de
déplacement, par exemple, trois axes pour le positionnement de la fraise dans
l'espace et
deux axes pour le positionnement du noyau. On peut programmer aisément cette
machine
pour automatiser l'usinage des évidements le cas échéant.
Sur la figure 4 on voit la zone de bord de fuite du noyau après qu'il a été
usiné. Les
canaux sont de la dimension en particulier de l'épaisseur qu'ils formeront, au
retrait près,
dans la pièce à la coulée du métal en fusion dans le moule carapace.
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Une fois le noyau usiné avant cuisson, on passe aux traitements suivants,
connus en soi,
dans le processus de fabrication des noyaux de fonderie. le déliantage, c'est-
à-dire
l'élimination du liant organique. On chauffe, dans ce but, le noyau à une
température
suffisante pour dégrader les composants organiques qu'il contient. Les autres
étapes
s consistent à chauffer ensuite le noyau à la température de frittage des
particules
céramiques qui le composent. Si une consolidation supplémentaire est
nécessaire, on
procède à une imprégnation avec une résine organique.
Pour les noyaux usinés après cuisson on passe directement à la finition et au
contrôle.
Afin de montrer l'intérêt de la présente solution, on a réalisé des essais
comparatifs en
référence avec les figures 5 et 6.
La figure 6a montre une phase du remplissage d'un moule de l'art antérieur en
traits
hachurés. L'épaisseur des canaux pour la formation des tenons dans cet exemple
est de
0,35mm. On voit que la pâte est introduite par la zone du pied de l'aube et
progresse vers
la tête du moule. La pâte est freinée dans son écoulement à travers les zones
de fine
épaisseur. Elle se refroidit même avant d'avoir passé ces zones. La pâte doit
dont
contourner ces zones. Il s'ensuit qu'au moment du collage entre les deux front
de
propagation la pâte est insuffisamment fluide pour qu'une soudure solide se
forme.
Sur le graphique de la figure 5, on voit que la pression nécessaire est de 94
unités de
pression.
Sur la figure 6b on a aménagé un canal 60 du côté de la zone 100H pour que
l'alimentation soit plus directe. Effectivement la pression d'injection est
plus faible ; 85
unités de pression suffisent. Cependant la soudure n'est encore pas
satisfaisante car le
front de la pâte reste fixé dans les canaux des tenons.
Sur la figure 6c, on voit que l'on a ajouté un faux tenon 70. Le résultat est
sensiblement
le même que précédemment. La pression est de 85 unités de pression.
Sur la figure 6d, on a creusé le moule de manière à former sur le premier
tenon une
surépaisseur selon l'invention. On voit en relation avec la figure 5 qu'une
pression
d'injection de 78 unités de pression suffit pour que le front de propagation
de la pâte ne
soit pas bloqué dans le canal. Cela permet le remplissage de la zone de bord
de fuite à
travers les canaux. Il s'ensuit qu'aucune faiblesse mécanique ne vient
affecter la zone des
tenons.
On a représenté essentiellement l'épaississement du premier tenon du noyau
mais on peut
l'appliquer à tous les tenons. Cette technique permet donc plus généralement
la
réalisation de parties du noyau qui sont très fines et peu larges comme la
partie du noyau
située à proximité du bord de fuite et comportant les canaux pour le passage
de l'air
s'échappant de l'intérieur de l'aube en fin de circuit de refroidissement et
injecté dans la
veine de gaz. Cependant, on peut l'étendre à l'usinage de toute partie du
noyau pour
laquelle se pose le même problème de liberté d'écoulement.
