Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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PROCEDE DE FABRICATION D'UN NOYAU CERAMIQUE
POUR AUBE MOBILE, NOYAU CERAMIQUE, AUBE MOBILE
s DOMAINE
Le domaine de l'invention concerne les procédés de fabrication
des noyaux céramiques utilisés en fonderie cire perdue pour la fabrication
d'aubages creux complexes pour la circulation d'aubes mobiles. L'invention
se rapporte notamment au domaine de l'aéronautique dans lequel de telles
aubes peuvent être utilisées dans les moteurs d'aéronefs.
ETAT DE L'ART
Le noyau céramique est une pièce éliminable qui sert à obtenir
notamment le circuit de refroidissement de l'aubage métallique.
Dans un premier temps, les noyaux sont fabriqués par injection
d'un mélange polymère-céramique dans un outillage d'injection. Dans un
second temps, les noyaux sont cuits pour éliminer le polymère et fritter la
céramique. Dans un troisième temps, les noyaux sont ébavurés et imprégnés
de résine qui leur apporte de la résistance mécanique.
La figure 1 représente un corps de noyau 10 céramique
comportant une partie supérieure 2 formant une baignoire et une partie
inférieure 1 formant un coeur de noyau. Le noyau céramique est utilisé pour
les aubes, notamment de turbine pour moteur d'aéronef. Généralement, ce
type d'aube est couplé à un aubage circulaire entourant les aubes. La partie
formant une baignoire forme une cavité débouchante située à l'extrémité de
l'aube. Fonctionnellement, la baignoire est utilisée pour diminuer les efforts
centrifuges en pied de pale et réduire le transfert de chaleur en tête de
pale.
Elle est solidaire du corps de noyau par l'utilisation de tiges 3 qui relient
le
corps du noyau à la baignoire. Les tiges peuvent être également en
céramique. D'une manière générale, tout matériau ayant un coefficient
supérieur au coefficient de dilatation des noyaux convient pour la réalisation
des tiges.
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Un problème lors de la fabrication de tels noyaux est rencontré au
cours de l'étape de cuisson desdits noyaux. L'étape de cuisson succède à
l'étape de moulage de la céramique dans un moule dans lequel les tiges sont
pré-positionnées avant l'injection de matière.
s En effet,
une fois moulée les tiges 3, qui relient le corps du noyau
à la baignoire, sont solidaires de la céramique moulée ayant pris la forme
d'une baignoire et d'un corps de noyau. Lors de la montée en température,
pendant la cuisson, les tiges se dilatent. La figure 2 représente une
conséquence de la dilatation d'une tige dans la céramique après cuisson
lo notamment
par la génération d'une crique 20 formant une fissuration 20
débouchante de la baignoire 2.
Une solution consiste à mettre en place une surépaisseur locale
sur le noyau en regard de la tige d'alumine.
15 La figure
3 représente une surépaisseur 30 introduite de manière
à consolider la partie formant une crique après la cuisson de la céramique le
long de la baignoire au niveau des tiges situées à l'intérieure de la
céramique. La surépaisseur est alors ensuite enlevée. Avant l'arasage de la
surépaisseur locale, il n'y a avait pas de criques visibles le long de la
tige.
20 Un
inconvénient de cette solution est qu'il est nécessaire d'enlever
après la cuisson, par exemple par ponçage manuel, cette surépaisseur. Lors
de cette opération, il apparait que la crique est susceptible d'apparaitre à
nouveau sur la baignoire. Elle forme alors une crique débouchante sur la
surface de la baignoire.
25 Un
inconvénient majeur est que le noyau est alors inutilisable et
potentiellement rebuté.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention permet de résoudre les inconvénients précités.
30 L'objet
de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un
noyau céramique pour aube comportant une partie inférieure formant un
corps de noyau, une partie supérieure formant une baignoire et un ensemble
de tiges contribuant au maintien de la partie supérieure avec la partie
inférieure. Le procédé de l'invention comporte :
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= une étape d'enduction (également appelé étape d'enduit) des
tiges par une matière ayant un point éclair inférieur à un seuil
de température au-delà de laquelle la dilatation de la tige est
supérieure à une proportion prédéfinie ;
s = une étape de positionnement des tiges dans un moule ;
= une étape de moulage des parties supérieure et inférieure par
une injection céramique, les parties moulées formant ainsi une
pièce unique dans le moule et définissant une forme de noyau ;
= une étape de cuisson du noyau céramique.
Selon un mode de réalisation le seuil de température est de
1000 C.
Selon un mode de réalisation, le proportion de dilatation de la tige
est de 1%.
Le procédé de fabrication de noyau céramique permet d'éviter une
fissuration de la céramique causée par la présence des tiges lors de la
cuisson.
Le procédé de l'invention comprend notamment une étape
préliminaire d'enduit d'au moins une tige tel qu'un vernissage. Le vernissage
de la tige permet d'éviter une fissuration de la baignoire.
Chaque tige peut être en Alumine ou être réalisée dans un
matériau céramique ayant un coefficient supérieur au coefficient de dilatation
des noyaux.
La fissuration est évitée grâce à l'inflammation du vernis lors de la
cuisson dégageant un espace entre la céramique cuite et la tige dilatée. La
température d'inflammation du vernis ou d'une matière équivalente
recouvrant les tiges permet de libérer un espace autour de la tige qui se
dilate à une température supérieure que celle de l'inflammation du vernis.
Avantageusement, les étapes sont réalisées successivement.
Avantageusement, une étape de démoulage (DEM) du noyau
précède l'étape de cuisson (CUI) de ce dernier.
Avantageusement, chaque tige est enduite sur la surface
susceptible d'être ceinte par la baignoire.
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Avantageusement, l'enduit d'une partie des tiges est un
vernissage d'une couche de vernis.
Avantageusement, l'enduit des tiges comprend soit :
- un dépôt d'une couche de cire sur une partie de la surface de
s chaque tige ;
- un dépôt d'une couche de résine sur une partie de la surface
de chaque tige ;
- un dépôt d'une couche de graphite sur une partie de la surface
de chaque tige.
L'objet de l'invention concerne également un noyau céramique
pour aube de turbine comportant une partie inférieure formant un corps de
noyau, une partie supérieure formant une baignoire et un ensemble de tiges
permettant de contribuer au maintien des parties supérieure et inférieure
entre elles, caractérisé en ce que le noyau est fabriqué selon un procédé de
l'invention.
L'invention concerne en outre une aube pour turbine réalisée
selon un procédé de fonderie ayant utilisé un noyau réalisé par le procédé de
l'invention.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à
la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures
annexées, qui illustrent :
= figure 1 : une représentation d'un noyau céramique pour aubes
mobiles ;
= figure 2 : une représentation d'un noyau céramique après cuisson
et la formation d'une crique sur la baignoire du noyau ;
= figure 3 : une représentation d'un noyau céramique comprenant
une surépaisseur pour palier à la formation d'une crique ;
= figure 4 : un diagramme représentant les principales étapes du
procédé de l'invention.
DESCRIPTION
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Dans la présente description, on entend par point éclair ,
également appelé point d'inflammabilité ou flash point dans la
terminologie anglo-saxonne, la température la plus basse à laquelle un corps
ou une matière combustible émet suffisamment de vapeurs pour former,
s avec
l'air ambiant, un mélange gazeux qui s'enflamme sous l'effet d'une
source d'énergie calorifique.
Dans la suite de la description, on nomme indifféremment une
étape d' enduit ou une étape enduction , les deux expressions
lo signifiant dans le cadre de la demande de brevet la même signification.
Un noyau céramique pour aube de turbine comporte une partie
inférieure formant un corps de noyau, une partie supérieure formant une
baignoire et un ensemble de tiges permettant de contribuer au maintien des
parties supérieure et inférieure entre elles. Les parties supérieures et
15
inférieures sont rendues solidaires entre elles. Dans un mode simplifié de
l'invention, au moins une tige permet de contribuer au maintien des deux
parties du noyau.
Selon les modes de réalisation, les parties inférieure et supérieure
peuvent comprendre une zone commune contribuant également au maintien
20 des deux
parties entre elles. La figure 1 représente un tel mode de
réalisation dans lequel les parties 1 et 2 sont maintenues également par une
zone commune 4 située sur le côté du noyau.
Le procédé de fabrication d'un noyau céramique de l'invention
25 comprend
une étape d'enduit, notée END sur la figure 4, des tiges
préalablement à leur introduction dans un moule permettant le moulage des
pièces céramiques. Le vernis est déposé sur la partie de la tige qui sera
entourée par la baignoire du noyau. Dans un mode de réalisation, la partie
de la tige qui est ceinte par le corps du noyau n'est pas recouverte de
vernis.
30 Dans un
mode particulier de l'invention, l'enduit des tiges peut
être réalisé lorsque les tiges sont déjà positionnées dans la moule. Mais
préférentiellement, les tiges sont enduites avant leur introduction dans le
moule de manière à recouvrir uniformément toute la surface de la tige.
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L'enduit des tiges peut être réalisé de différentes manières selon :
le type de matière qui est appliquée, l'épaisseur de la couche de matière
souhaitée et/ou la partie de la tige, ou des tiges, que l'on souhaite
recouvrir.
Dans un mode de réalisation de l'invention, toute la tige est
s recouverte d'une matière dont le point éclair est inférieur à 1000 C.
Dans un autre mode de réalisation, seule la partie de chaque tige
ceinte par la baignoire est recouverte d'enduit. La partie de la tige ceinte
par
le corps de noyau n'est pas enduit de vernis. Un avantage est que la quantité
de vernis est adaptée à la partie de la structure fragilisée par la dilatation
de
la tige.
La limite de température de 1000 C correspond à la température
de début de transformation des matériaux céramiques constituant le noyau.
Cette limite constitue ainsi une température particulièrement intéressante
pour que la matière appliquée sur la tige s'enflamme avant que la
température de cuisson atteigne cette limite. Il est également possible de
choisir des limites inférieures qui fonctionnent à fortiori aussi à partir du
moment où la température du point éclair de la matière est inférieure à cette
limite.
Généralement, on choisira un seuil de température qui permet
d'obtenir une inflammation de la matière enduite, tel qu'un vernis, avant que
la tige ne se dilate. La dilatation est considérée comme étant sensiblement
nulle avant une certaine limite. Dans un mode de réalisation, cette limite est
fixée à 1 /o, qui correspond à une dilatation de 1 /0 des dimensions de la
tige.
Selon d'autres modes de réalisations, la proportion prédéfinie définissant la
limite d'une dilatation dite conséquente peut être supérieure à 1% est
aller jusqu'à 2% voire plus selon les matériaux utilisés et leurs dimensions.
Dans différents modes de réalisation, l'application de la matière
peut être réalisée soit par trempage des tiges soit par application de la
matière à partir d'un pinceau par exemple sur les tiges.
Dans un mode de réalisation préféré, la matière appliquée est un
vernis. Ce dernier peut être par exemple de type vernis à ongles . Le
procédé d'application du vernis peut alors être appliqué sur la tige de
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manière conventionnelle par un pinceau comme on appliquerait un vernis sur
un ongle d'une main de femme.
Un vernis adapté comprend des solvants, de la résine, de la
nitrocellulose et des plastifiants. Par exemple, un vernis tel que celui
s
Thixotropic base commercialisé sous le nom commercial : Vernis à
ongles Peggy Sage toutes formules peut être utilisé dans le procédé de la
présente invention.
Une fois le vernis appliqué sur la tige, cette dernière est placée
dans un moule. Préférentiellement, la tige est positionnée selon une étape du
procédé notée POS, après le séchage du vernis. Le positionnement de
chaque tige dans le moule permet lors de l'injection de matière que celle-ci
entoure chaque tige.
Le procédé comprend une étape de moulage, notée MOU sur la
figure 4, comportant une injection de la céramique dans le moule. L'injection
de la céramique permet de former le noyau dans le logement prévu à cet
effet formant ainsi le corps et la baignoire selon la forme du moule.
L'étape du moulage de la céramique comporte le moulage de la
partie inférieure formant le corps de noyau et le moulage d'une partie
supérieure formant une baignoire. Le moulage des deux parties se fait
préférentiellement en même temps. Les tiges sont positionnées de manière à
comporter une partie de la tige dans la partie supérieure du noyau et une
partie de la tige dans la partie inférieure du noyau. La matière céramique
injectée dans la partie du moule formant la baignoire entoure la partie de la
tige présente dans la baignoire et la matière céramique injectée dans la
partie du moule formant le corps du noyau entoure la partie de la tige
positionnée dans cette partie du moule.
Après moulage, la tige maintien les deux parties du noyau.
Dans une autre étape du procédé de fabrication de l'invention, le
noyau est ensuite démoulé, cette étape est notée DEM sur la figure 4. La tige
ou les tiges solidaire(s) des deux parties du noyau sont ainsi également
sortie(s) du moule.
Une étape de cuisson du noyau ainsi démoulé, notée CUI sur la
figure 4, peut alors être engagée.
Au cours de la cuisson du noyau, le vernis recouvrant les tiges
atteint son point éclair avant que la dilatation de la tige atteigne des
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proportions conséquentes. Ainsi le coefficient de dilatation de l'alumine à
1200 C est de 1,03%. En conséquence, la brulure ou l'inflammation du
vernis correspondant à l'atteinte du point éclair du vernis a lieu à une
température plus basse que la température de cuisson entrainant une
s dilatation de la tige d'alumine.
L'inflammation du vernis permet de libérer un espace tout autour
de la tige avant sa dilatation. Ensuite, la tige moulée dans la partie
inférieure
et supérieure du noyau se dilate sous l'effet de la cuisson avec la
température qui augmente. Un avantage de la couche de vernis apposée sur
la tige et qui a brûlé est de permettre de disposer d'un espace autour de la
tige, ledit espace étant adapté à l'espace supplémentaire requis par sa
dilatation. La quantité de vernis apposée sur chaque tige peut donc être
choisie de manière à adapter l'espace créé autour de la tige au volume
supplémentaire occupé par la dilatation de la tige.
Selon les modes de réalisations, des tests permettent de choisir le
type de matière utilisée pour recouvrir les tiges et de choisir l'épaisseur
adéquate desdites couches lorsqu'elles sont apposées sur les tiges. Ces
tests permettent d'adapter parfaitement l'espace libéré par la matière ayant
brûlée et l'espace requis pour la dilatation de la tige lors de la cuisson.
En conséquence, pendant et après la cuisson, la dilatation de la
tige n'impose plus à la matière céramique l'entourant une contrainte
mécanique susceptible de provoquer une fissure.
Dans les solutions précédentes, il était constaté que la fissuration
survenait souvent dans la baignoire. La baignoire comportant moins
d'épaisseur de matière que le corps de noyau, la résistance à la dilatation
interne des tiges provoquait principalement des fissures dans la baignoire.
La crique qui était susceptible de se former, notamment
représentée à la figure 2, n'apparait plus lorsque la tige est imprégnée d'une
matière telle que le vernis. Grâce à cette étape préliminaire d'enduit des
tiges
par une matière inflammable, il est possible de se passer de l'application
d'une surépaisseur sur la surface de la baignoire du noyau.
Les étapes du procédé de l'invention sont préférentiellement
exécutées séquentiellement. Mais dans un mode de réalisation, il peut être
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envisagé que l'étape d'enduit de chaque tige est réalisé alors que ces
dernières sont déjà disposées dans le moule. En revanche, il semble
inévitable de réaliser le moulage et la cuisson dans un ordre séquentiel pour
la bonne réalisation de l'invention.
s D'autres
produits ayant des propriétés sensiblement équivalentes
que le vernis peuvent être utilisés en remplacement dans l'étape d'enduit de
l'invention.
Tous les produits qui peuvent être utilisés dans la présente
invention permettent un dépôt d'une couche mince, par exemple de quelques
centièmes de millimètre. Il est nécessaire que les produits appliqués aux
tiges s'éliminent par cuisson avant la dilatation de la tige d'alumine. Dans
des
modes privilégiés de l'invention, il est également important que ces produits
utilisés comme enduits pour les tiges ne laissent pas de résidus chimiques
indésirables.
Chacun des produits listés ci-dessous comprend des avantages
propres qui lui permet d'être préféré à d'autres selon des choix opérationnels
souhaités.
Parmi les produits différents du vernis qui pourraient être
envisagés pour adhérer à la tige en réalisant une couche mince et brûler
avant 1000 C sans laisser de résidus, les produits suivant peuvent être
utilisés : la cire, la résine, la peinture et/ou le graphite.
Ces derniers produits ont les avantages suivants :
- ils adhèrent à la tige lorsqu'ils sont apposés sur sa surface ;
- un dépôt en couche mince peut être simplement réalisé ;
- un dépôt homogène peut être effectué sur toute la surface de la
tige ;
- enfin ils s'éliminent tous par cuisson à une température
inférieure à 1000 C.
En ce qui concerne la résine, elle est préférentiellement choisie
sans matière susceptible de polluer les fours lors de la cuisson des noyaux.
En ce qui concerne le graphite, la combustion peut être
avantageusement contrôlée de manière à éviter ou de limiter les émissions
de monoxyde de carbone. Enfin la combustion peut être contrôlée de
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manière à assurer une atmosphère suffisamment oxydante lors de la
cuisson.
Un avantage de la cire est sa plasticité et sa malléabilité à
température ambiante qui lui confère un intérêt particulier pour l'enduit
d'une
s tige. Son point de fusion à 45 C permet de libérer un espace autour de la
tige avant la dilatation de la tige. Un autre intérêt réside dans sa faible
viscosité lorsqu'elle est fondue, ce qui permet de dégager une espace
homogène autour de la tige.
Le procédé de l'invention peut comprendre des étapes de frittage
de la céramique et de recouvrement de résine après la cuisson du noyau.
En outre, l'invention concerne un noyau céramique obtenu par le
procédé de l'invention. Le noyau céramique de l'invention comporte la
particularité d'être fabriqué par l'utilisation de tiges enduites d'une
matière
ayant une température d'inflammabilité plus faible que la température de
dilatation de l'alumine.
L'invention concerne également une aube de turbine mobile
comportant un noyau céramique obtenu par le procédé de l'invention.
