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WO 2017/207933
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Moule pour la fabrication d'une aube monocristalline par
fonderie, installation et procédé de fabrication le mettant en
oeuvre
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
procédés de fabrication de pièces par fonderie. L'invention concerne plus
particulièrement un moule pour fabriquer une aube de turbomachine
monocristalline par fonderie à la cire perdue.
Dans certains cas, et notamment dans les turbomachines
aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en
alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée.
Par exemple, dans les distributeurs de turbines de turbomachines
aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes
thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux
efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure
monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes
permet de limiter les effets de ces contraintes.
Pour réaliser une pièce métallique de ce type, on connait les
procédés du type fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, dans
un tel procédé, on réalise tout d'abord un modèle en cire de la pièce à
fabriquer, autour duquel on forme une carapace céramique formant un
moule. Un métal fondu est ensuite coulé dans le moule, et la solidification
dirigée du métal permet d'obtenir, après retrait du moule, la pièce moulée.
Ce procédé est avantageux pour fabriquer des pièces métalliques de
formes complexes, et permet d'obtenir des pièces ayant une structure
monocristalline en utilisant par exemple un germe ou un conduit sélecteur
de grain.
Les aubes sont généralement constituées d'un pied, d'une
plateforme munie de becquets, d'une pale, d'un talon muni de becquets,
et de léchettes. Lors de la fabrication d'aubes monocristallines par un
procédé tel que celui présenté plus haut, certains problèmes apparaissent,
dus notamment à la forme des aubes.
Lors de la solidification dirigée du métal fondu présent dans le
moule ayant la forme de l'aube, les parties de la cavité du moule formant
notamment les becquets de la plateforme et du talon se solidifient avec un
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certain retard par rapport aux autres parties de la cavité comme celle
formant la pale. Ce retard peut entraîner l'apparition de porosités
indésirables dans la pièce finale.
En outre, il a été observé qu'à l'issue d'un traitement thermique
réalisé après la solidification dirigée, l'aube peut présenter à certains
endroits et notamment sur le bord d'attaque ou le bord de fuite à
proximité de la plateforme ou du talon, des grains recristallisés parasites.
Cela n'est pas souhaitable lorsque l'on souhaite obtenir une aube
monocristalline.
Enfin, les aubes obtenues peuvent présenter une variation
importante de dimensions entre le modèle en cire et la pièce finale, et
peuvent parfois être déformées ou vrillées.
Il existe donc un besoin pour disposer d'un moule pour la
fabrication d'une aube de turbomachine, ainsi que d'un procédé de
fabrication d'une telle aube qui réduise l'apparition des défauts précités.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant un moule en matériau céramique destiné à
être utilisé pour mouler une aube de turbomachine à partir d'un métal
fondu, l'aube comprenant un pied, une plateforme, une pale, et un talon,
le moule comprenant :
- une cavité ayant la forme de l'aube, et
- un conduit de grain auxiliaire comprenant une première
portion et une deuxième portion prolongeant la première portion, ladite
première portion débouchant à une extrémité dans une première partie de
la cavité formant le pied de l'aube et à une autre extrémité dans une
deuxième partie de la cavité formant un becquet de la plateforme de
l'aube, ladite deuxième portion débouchant à une extrémité dans ladite
deuxième partie de la cavité et à une autre extrémité dans une troisième
partie de la cavité formant un becquet du talon de l'aube.
La présence du conduit de grain auxiliaire dans le moule selon
l'invention permet de minimiser les défauts introduits précédemment. Tout
d'abord, le conduit de grain auxiliaire permet de s'assurer que la
plateforme et le talon de l'aube ne se solidifient pas en dernier, ce qui
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réduit l'apparition de défauts du type porosités dans ces portions de
l'aube.
Ensuite, le conduit de grain auxiliaire joue le rôle d'un hauban
qui maintient l'aube et la rigidifie tout au long du procédé de fabrication.
En la maintenant ainsi, les contraintes résiduelles qui peuvent subsister
dans l'aube sont réduites, et l'apparition de grains recristallisés après un
traitement thermique est également diminuée.
Les Inventeurs ont observé que l'aube obtenue avec un moule
selon l'invention présente des dimensions qui sont plus proches de celles
souhaitées, par rapport à une aube fabriquée dans un moule dépourvu de
conduit de grain auxiliaire. Les Inventeurs ont également observé que
l'aube obtenue est moins vrillée lorsqu'elle est fabriquée dans un moule
selon l'invention.
Le conduit de grain auxiliaire peut être positionné en face du
bord d'attaque ou du bord de fuite de l'aube.
Les caractéristiques suivantes relatives au conduit auxiliaire de
grain permettent encore de limiter l'épaisseur de la carapace céramique,
ce qui lui permet de rompre plus facilement et ainsi de réduire l'apparition
de grains recristallisés :
- la première portion du conduit de grain auxiliaire s'étend à
partir d'une paroi de la première partie de la cavité dans une direction
formant un angle compris entre 54 et 62 avec ladite paroi,
- la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire s'étend à
partir de la deuxième partie de la cavité dans une direction formant un
angle compris entre 110 et 115 avec ladite deuxième partie,
- la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire s'étend à
partir de la troisième partie de la cavité dans une direction formant un
angle compris entre 110 et 115 avec ladite troisième partie.
Dans un exemple de réalisation, toujours pour limiter l'épaisseur
de la carapace céramique et permettre à celle-ci de rompre encore plus
facilement et réduire l'apparition de grains recristallisés, la deuxième
portion du conduit de grain auxiliaire peut présenter au moins une partie
ayant une section circulaire de diamètre D, ladite partie étant éloignée
d'une distance L de la cavité, un rapport R=L/D entre la distance L et le
diamètre D étant compris entre 16,4 et 18,9 le long de ladite partie.
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Pour réduire encore l'apparition de porosités au niveau de la
plateforme et du talon, la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire
peut comprendre une masselotte à chacune de ses extrémités. La
première portion peut comprendre une masselotte à une extrémité.
L'aube peut être une aube de turbine de turbomachine
aéronautique.
Pour faciliter le démoulage de l'aube, la deuxième portion du
conduit auxiliaire de grain peut présenter une striction, c'est-à-dire un
rétrécissement local de sa section, par exemple au niveau du milieu de
ladite deuxième portion. En effet, le conduit auxiliaire de grain pourra
rompre plus facilement au niveau de cette striction lors du démoulage.
L'invention vise également une installation pour fabriquer une
aube moulée à partir d'un métal fondu, comprenant un moule tel que celui
présenté précédemment, et des moyens d'obtention de grain
monocristallin reliés au moule.
Les moyens d'obtention de grain monocristallin peuvent
comprendre un germe monocristallin ou un conduit sélecteur de grain.
L'invention vise enfin un procédé de fabrication d'une aube de
turbomachine monocristalline, comprenant les étapes suivantes :
- le remplissage d'un moule d'une installation telle que celle
présenté précédemment avec un métal fondu, et
- la solidification dirigée du métal présent dans le moule de
façon à obtenir une aube moulée.
Le procédé peut comprendre en outre une étape de traitement
thermique de l'aube obtenue. Ce traitement thermique permet de relaxer
les contraintes résiduelles à l'intérieur de l'aube moulée qui peuvent être
dues notamment au moulage et à la solidification du métal, afin d'obtenir
une microstructure stable et des propriétés mécaniques contrôlées dans la
pièce finale.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
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- la figure 1 est une vue en perspective d'une installation selon
l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe d'un moule selon un mode de
réalisation de l'invention,
5 - les
figures 3 et 4 sont des vues en coupe de moules selon
différents modes de réalisation de l'invention, et
- la figure 5 est un ordinogramme représentant les principales
étapes d'un procédé de fabrication d'une aube monocristalline selon un
mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 montre une installation 1 pour fabriquer par fonderie
une aube de turbine de turbomachine aéronautique monocristalline selon
l'invention. L'installation 1 comprend un godet 2 par lequel un métal fondu
peut être versé, le godet 2 est configuré pour remplir avec ce métal un
moule 3 comprenant une cavité 4 ayant ici la forme d'une aube de turbine
de turbomachine aéronautique. Le moule 3 comprend, conformément à
l'invention, un conduit de grain auxiliaire 5. Le moule 4 surmonte et est
relié à un conduit sélecteur de grain 6 qui permet d'obtenir une aube
monocristalline après une solidification dirigée du métal présent dans le
moule 3. On notera que l'installation représentée sur la figure 1 est prévue
pour fabriquer une seule aube, il est bien entendu envisageable de
disposer d'une installation pour fabriquer une pluralité d'aubes.
La figure 2 montre une vue en coupe de la cavité 4 du moule 3
à laquelle est relié le conduit auxiliaire de grain 5. On notera que sur les
figures 1 et 2, pour plus de lisibilité, la paroi en matériau céramique de
l'installation 1 et du moule 3 n'a pas été représentée ; en d'autres termes,
ces figures montrent seulement les parties internes de l'installation 1 ou
du moule 3 dans lesquelles un métal fondu peut être introduit.
Dans tout l'exposé, les termes inférieur et supérieur
sont définis par rapport à la direction DR, la flèche de la direction DR
pointant vers l'extérieur. Les termes amont et aval sont définis par
rapport à la direction DA, la flèche de la direction DA pointant vers l'aval.
En d'autres termes, l'amont et l'aval sont définis par rapport à la direction
d'écoulement du flux gazeux autour de l'aube lorsque l'aube est montée
dans une turbomachine.
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La cavité 4 présente la forme d'une aube de turbine de
turbomachine aéronautique et comprend : une partie 40 formant le pied
de l'aube, une partie 41 formant la plateforme de l'aube, une partie 42
formant la pale de l'aube, et une partie 43 formant le talon de l'aube. La
partie 40 formant pied est reliée au niveau de son fond au conduit
sélecteur de grain 6. De façon connue en soi, l'aube s'étend
longitudinalement entre un pied et un sommet. Dans l'aube moulée, la
plateforme est positionnée du côté de l'extrémité inférieure de la pale,
entre le pied et la pale, et le talon est positionné à l'extrémité supérieure
de la pale, c'est-à-dire au sommet de l'aube. La plateforme s'étend
transversalement entre une extrémité aval, aussi appelée becquet aval, et
une extrémité amont, aussi appelée becquet amont. Le talon s'étend
transversalement entre une extrémité amont, aussi appelée becquet
amont, et une extrémité aval, aussi appelée becquet aval. La plateforme
et le talon ont notamment pour rôle de définir la veine d'écoulement du
flux gazeux dans la turbine. La pale s'étend longitudinalement entre la
plateforme et le talon, et transversalement entre un bord d'attaque et un
bord de fuite.
La partie 41 de la cavité 4 formant plateforme est pourvue d'une
sous-partie 411 formant un becquet amont de la plateforme, et d'une
sous-partie 412 formant un becquet aval de la plateforme. Les sous-
parties formant becquets 411, 412 ont une forme sensiblement plane et
s'étendent sensiblement selon la direction DA.
La partie 43 de la cavité 4 formant talon est pourvue d'une
sous-partie 431 formant becquet amont du talon (ou une première
extrémité du talon), et d'une sous-partie 432 formant becquet aval du
talon (ou une deuxième extrémité du talon). Les sous-parties 431, 432
formant becquets son sensiblement planes. La sous-partie 432 formant le
becquet aval du talon s'étend vers l'aval sensiblement selon la direction
DA, alors que la sous-partie 431 formant le becquet amont s'étend vers
l'amont et est inclinée par rapport à la direction DA. La partie 43
comprend en outre des sous-parties 433 qui s'étendent généralement
selon la direction DR et qui sont destinées à former les léchettes de l'aube.
Le remplissage de la cavité 4 est effectué par sa partie supérieure au
niveau de la partie 43, les conduits de remplissage à partir du godet 2 de
l'installation 1 sont représentés en pointillés sur la figure 2.
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Conformément à l'invention, le moule 3 comprend un conduit de
grain auxiliaire 5 comprenant une première portion 51 et une deuxième
portion 52 prolongeant la première portion 51. Les première 51 et
deuxième 52 portions du conduit 5 sont en communication fluidique l'une
avec l'autre. La première portion 51 débouche à une extrémité inférieure
511 dans la partie 40 de la cavité 3 formant pied, et à une extrémité
supérieure 512 dans la sous-partie 412 formant becquet aval de la
plateforme. La deuxième portion 52 débouche à une extrémité inférieure
521 dans la sous-partie 412, ici au même endroit que la première portion
51, et à une extrémité supérieure 522 dans la sous-partie 432 formant
becquet aval du talon.
La première portion 51 du conduit 5 s'étend, au niveau de son
extrémité inférieure 511, à partir d'une paroi aval 401 de la partie 40 de la
cavité 4. Dans l'exemple illustré, la première portion 51 s'étend à partir de
la paroi aval 401 en formant un angle a avec celle-ci d'environ 60 , cet
angle a peut être compris entre 54 et 62 . La première portion 51 décrit
une forme courbe ou arrondie entre la partie 40 et la sous-partie 412.
La deuxième portion 52 du conduit 5 s'étend, au niveau de son
extrémité inférieure 521, à partir de la sous-partie 412 formant becquet
aval de la plateforme. Dans l'exemple illustré, la deuxième portion 52
s'étend à partir de la sous-partie 412 en formant un angle p avec celle-ci
d'environ 115 , cet angle p peut être compris entre 110 et 115 . A son
extrémité supérieure 522, la deuxième portion 52 s'étend à partir de la
sous-partie 432 formant becquet aval du talon. Dans l'exemple illustré, la
deuxième portion 54 s'étend à partir de la sous-partie 432 en formant un
angle y d'environ 115 avec celle-ci, cet angle y peut être également
compris entre 110 et 115 .
La deuxième portion 52 peut présenter au moins en partie une
section circulaire de diamètre D. Dans l'exemple illustré, la deuxième
portion 52 peut présenter des portions 523 qui sont éloignées de la partie
42 de la cavité 3 formant pale d'une distance L. Les portions 523 sont ici
sensiblement rectilignes. Le rapport R=L/D peut, le long de ces portions
523, être compris entre 16,4 et 18,9.
Dans l'exemple illustré, la deuxième portion 52 présente au
niveau d'une partie médiane de celle-ci, une striction 524, correspondant à
une diminution locale du diamètre de la deuxième portion 52. Cette
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striction peut permettre ultérieurement une rupture plus facile de la
deuxième portion 52 du conduit 5 après solidification dirigée du métal,
afin de réduire les contraintes imposées à l'aube moulée.
La première portion 51 peut présenter au niveau de son
.. extrémité supérieure 512 une masselotte 513 visible sur la figure 1. La
deuxième portion 52 peut présenter au niveau de son extrémité inférieure
521 et au niveau de son extrémité supérieure 522 deux masselottes 525
et 526 (figure 1). Les masselottes correspondent à un élargissement des
portions 51, 52 du conduit 5 au niveau des becquets 412, 432. Comme
indiqué précédemment, ces masselottes 513, 525, 526 peuvent permettre
de réduire l'apparition de porosités dans les becquets de l'aube moulée.
En effet, les masselottes permettent d'améliorer l'alimentation en métal
liquide des parties de la cavité 4 formant becquets de l'aube, ce qui
modifie les isothermes de refroidissement dans ces parties et réduit la
formation de porosités lors de la solidification.
On notera que, dans l'exemple illustré, le conduit 5 est
positionné du côté aval de la cavité 4 (c'est-à-dire notamment relié aux
sous-parties 412, 432 formant becquets avals), il est toutefois
envisageable de le positionner du côté amont en le reliant notamment aux
sous-parties 411, 431 formant becquets amont.
On notera également que les caractéristiques préférées
concernant les angles a, 13 et y, ainsi que le rapport R ont été illustrées
sur
un même moule 3, mais peuvent ne pas être appliquées simultanément.
Les figures 3 et 4 montrent respectivement le moule 3 présenté
.. précédemment ainsi qu'un moule 3' selon un autre mode de réalisation de
l'invention. Sur ces figures, les moules 3, 3' sont représentés munis de
leur carapace en céramique 7. Les carapaces céramiques des moules 3 et
3' sont réalisées selon un même mode opératoire pour pouvoir être
comparées.
Le conduit de grain auxiliaire 5' du moule 3' présente une
première portion 51' qui est rectiligne et s'étend avec un angle strictement
inférieur à 54 à partir de la partie 40, cet angle est ici de l'ordre de 45 .
Le conduit 5' présente une deuxième portion 52' qui prolonge la première
portion 51' et qui s'étend à partir de la sous-partie 412 formant becquet
aval de la plateforme avec un angle de l'ordre de 90 .
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On peut voir que la géométrie du conduit 5 du moule 3 (figure
3) permet d'obtenir une épaisseur e de carapace céramique 7 au niveau
de la paroi de la partie 42 située en face du conduit 5 qui est inférieure à
l'épaisseur e' obtenue pour le moule 3' (figure 4). Cette différence
d'épaisseur est rendue possible grâce à la forme optimisée du conduit 5,
présentée précédemment, par rapport au conduit 5'. En outre, dans le
moule 3, on peut voir que la géométrie du premier conduit 51 permet
d'obtenir un espace vide 70 entre le premier conduit 51 et la partie 40 ;
alors que dans le moule 3', la géométrie du premier conduit 51' peut
entrainer le comblement de cet espace par de la céramique et former une
carapace céramique plus épaisse. Comme expliqué précédemment, la
réduction de l'épaisseur de la carapace céramique permet de réduire
encore les contraintes exercées sur l'aube moulée, et l'apparition
éventuelle de grains recristallisés suite à un traitement thermique.
L'installation 1 qui a été décrite précédemment peut être
réalisée entièrement en matériau céramique, par exemple par un procédé
de fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, un modèle de
l'installation 1 en cire doit tout d'abord être fabriqué. Puis, ce modèle en
cire est recouvert d'une carapace de céramique par trempes successives
dans une barbotine adéquate (trempe/stucage). La céramique est ensuite
cuite et la cire retirée pour obtenir l'installation 1 en matériau céramique.
La figure 5 illustre les principales étapes d'un procédé de
fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu mettant en
oeuvre une installation 1 telle que celle décrite précédemment. La
première étape El du procédé consiste à remplir le moule 3, 3' de
l'installation 1 en versant un métal fondu dans l'installation. Pour ce faire,
on peut verser le métal directement dans le godet 2 de l'installation 1, et il
pourra cheminer par gravité jusqu'à remplir le moule 3, 3'.
La deuxième étape E2 consiste à réaliser la solidification dirigée
du métal présent dans le moule, de façon à obtenir l'aube moulée. La
solidification dirigée est réalisée dans un four adapté dans lequel on place
l'installation. Le four permet de contrôler la croissance des grains
cristallisés, afin d'obtenir une aube monocristalline grâce à la présence
d'un conduit sélecteur de grain 6 ou d'un germe monocristallin. La
carapace peut avoir déjà commencé à rompre dès la fin de la solidification
dirigée. Une fois la pièce solidifiée, on peut la décocher. On peut ensuite
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découper les parties reliées à l'aube correspondant notamment au conduit
auxiliaire de grain 5, 5'.
Enfin, il est possible de réaliser une dernière étape E3 consistant
en un traitement thermique qui permet notamment de dissiper les
5 contraintes résiduelles dans la pièce moulée. Pour une aube en
superalliage du type AM1, le traitement thermique peut par exemple
consister à soumettre l'aube à une température comprise entre 1270 C et
1330 C pendant une durée comprise entre 18 heures et 23 heures. Grâce
à l'emploi d'un moule 3, 3' selon l'invention, une réduction de l'apparition
10 de grains recristallisés suite à cette étape a été observée.
Dans tout l'exposé, les termes compris entre ... et ... doivent
être compris comme incluant les bornes.
