Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Outillage pour la fabrication de noyaux céramiques de fonderie pour
aubes de turbomachines.
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. Elle
concerne l'outillage de moulage du noyau de fonderie pour ces
pièces.
La fabrication des aubages selon cette technique passe par la
réalisation d'un modèle, en cire ou autre matériau temporaire
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 obtenu 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 dans le moule carapace qui vient
occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le
noyau. Grâce à un germe ou un sélecteur approprié et un
refroidissement 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, de solidification dirigée à structure
monocristalline ou de solidification équiaxe 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 sont 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 compositions sont donnés dans
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les brevets EP 328452, FR 2371257 ou FR1785836. Comme cela
est connu, on met en forme les noyaux de fonderie par moulage
dans une boîte à noyau 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.
Les noyaux d'aubes de turbine haute pression de moteur à turbine à
gaz ont une zone de bord de fuite fine. On constate par ailleurs une
demande de pièces présentant des portions de parois ou des zones
toujours plus fines. Il s'ensuit que les limites de remplissage du
moule sont souvent atteintes et conduisent au développement de
pâtes céramiques plus fluides ou la modification des paramètres
d'injection. En particulier on met en oeuvre des débits d'injection ou
des pressions supérieures aux conditions d'emploi traditionnelles
pour le remplissage des empreintes du moule.
Cependant ces techniques présentent certaines limites. Le matériau
céramique possède des propriétés abrasives et les contraintes de
cisaillement générées par les nouvelles conditions de remplissage
plus sévères sont la cause d'une usure prématurée des zones fines
des outillages entraînant une augmentation du nombre d'arrêts de
production et des coûts de maintien des outillages. En outre
l'opération de démoulage peut entraîner la déformation du noyau
lorsque la pâte s'est infiltrée dans les mécanismes de la boîte à
noyau. Ainsi ces conditions de remplissage et de démoulage du
noyau dans la boîte à noyau sont à l'origine d'indications de type
criques et bavures qui provoquent la mise au rebut de quantités
importantes de noyaux après leur éjection et leur contrôle. Les
défauts peuvent aussi être dévoilés seulement après le traitement
thermique de déliantage et de cuisson.
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Afin d'améliorer la qualité du remplissage dans l'empreinte, le
présent déposant a proposé dans la demande de brevet FR
0651682 d'épaissir les dents du noyau dans la zone du bord de fuite
puis d'usiner les dents épaissies pour revenir à l'épaisseur requise.
Les dents désignent la partie du noyau à proximité du bord de fuite
et qui forment après coulée du métal les canaux d'évacuation de
l'air de refroidissement.
On propose maintenant un autre moyen de remédier à ces
problèmes de fabrication conformément à l'invention avec un
outillage de fabrication d'un noyau de fonderie, pour aube de
turbomachine avec un bord d'attaque et un bord de fuite, le noyau
comprenant une partie épaisse du côté du bord d'attaque et une
partie de faible épaisseur du côté du bord de fuite, le moule
comprenant une première et une seconde empreintes mobiles dans
une direction l'une par rapport à l'autre entre une position de
moulage et une position de démoulage, avec des sous pièces
mobiles par rapport aux empreintes. Cet outillage est caractérisé par
le fait que les parties des empreintes correspondant à ladite partie
de faible épaisseur du noyau ne comprennent pas de sous-pièce
mobile, des éjecteurs mécaniques étant ménagés sur l'une ou
l'autre des empreintes, de telle façon qu'après injection du noyau la
partie de faible épaisseur se démoule suivant la direction principale
d'ouverture et par le fait qu'au moins l'une des deux empreintes,
dans sa partie correspondant à la zone de faible épaisseur, est
conformée de manière à obtenir des parties en surépaisseur
facilitant localement le remplissage du moule à l'injection, ces
parties étant destinées à être usinées pour réduire leur épaisseur.
Par zone de faible épaisseur on entend une épaisseur e inférieure à
0,5 mm. On vise des épaisseurs aussi faibles que 0,1 mm.
Les deux empreintes sont de préférence mobiles en translation
entre les positions ouverte et fermée. Plus particulièrement les
empreintes comportent des décors en surface et faisant saillie pour
la formation de cavités dans le noyau.
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L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un
noyau de fonderie, comportant au moins une zone fine en particulier
un bord de fuite fin, pour aube de turbomachine notamment,
comprenant la mise en forme dans un outillage approprié 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, caractérisé par le
fait que l'on forme dans ledit outillage une ébauche de noyau avec
ladite partie en surépaisseur et que l'on usine ladite partie en
surépaisseur après avoir extrait l'ébauche du moule et ce avant ou
après l'opération de traitement thermique.
Alors que l'homme du métier cherche à développer des matériaux à
plus faible viscosité ou à modifier les paramètres d'injection en
particulier le débit sans oublier la pression, il est apparu que la
diminution des jeux et des déformations mécaniques du moule et du
noyau dans les zones fines permettait une amélioration sensible de
la qualité de celui-ci. On s'affranchit grâce à l'invention de toute
mise au point, initiale et après chaque entretien, longue et
fastidieuse de réglage de sous pièces mobiles et de développement
particulier sur l'usure des moules, même avec une diminution des
épaisseurs de paroi jusqu'à 0,1mm sur le noyau livré.
Grâce à l'invention, on réduit aussi les coûts d'obtention et
d'exploitation des boîtes à noyau ou moule et par conséquent des
noyaux de fonderie. Alors que la quantité de noyaux présentant des
indications de type crique d'injection de démoulage, crique de
cuisson et bavure d'injection, obtenus par injection dans un moule
avec un bord de fuite fins atteint plusieurs dizaines de cYo, la solution
permet l'obtention rapide du meilleur niveau de qualité des noyaux,
la suppression des bavures liées au jeu des sous pièces de la boîte
à noyau et la réduction des aléas de fabrication des noyaux
présentant des bords de fuite fins. La limite visée descend jusqu'à
des épaisseurs de 0,1 mm.
La matière constituant le noyau comprend de préférence de 80 à 85
% de charge minérale et de 15 à 20 cYo de liant organique. La
composition correspond avantageusement à l'une de celles décrites
dans le brevet EP 328452 de la demanderesse, en particulier à la
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composition la moins fluide, mais aussi celle qui présente la plus
faible variation de retrait en production série de noyaux.
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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 :
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est une vue en coupe d'une aube de turbine
refroidie avec sa zone de bord de fuite étroite,
La figure 2 est une vue en perspective du noyau de l'aube de
la figure 1,
La figure 3 est une vue d'une boîte à noyau ouverte,
La figure 4 est une coupe de principe d'une boîte à noyau
selon l'art antérieur, c'est à dire présentant des sous pièces mobiles
obliques au niveau du bord de fuite,
La figure 5 est une coupe de principe d'une boîte à noyau
dans les zones fines conformément à l'invention,
La figure 6 est une illustration du principe de l'action des
éjecteurs sur le noyau céramique.
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. Cet exemple n'est pas limitatif.
Comme on le voit sur la figure 1, une telle aube 1 de turbine
comprend une face intrados IN une face extrados EX, un bord
d'attaque BA et un bord de fuite BF. L'aube comprend plusieurs
cavités internes, ici 7: 1A à 1G. Les cavités sont séparées les unes
des autres par des cloisons : 1AB, 1BC, etc. Le bord de fuite
comprend une ouverture 1H ou une pluralité d'ouvertures sur son
long alimentées depuis la dernière cavité 1G par des canaux 1GH'
parallèles entre eux pour l'échappement du fluide de refroidissement
dans la veine de gaz. Le fluide de refroidissement est constitué d'air
prélevé au compresseur.
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Lorsqu'on fabrique ce type d'aube par coulée d'un métal en fusion
dans un moule carapace, on doit incorporer à celui-ci un noyau qui
occupe les vides des cavités à former dans l'aube. Ce noyau 10,
représenté schématiquement sur la figure 2 est de géométrie
complexe. Il comprend une partie correspondant aux cavités de la
pale 10A, une partie 10B correspondant aux cavités du pied de
l'aube et une partie 10C formant poignée de préhension pendant la
fabrication. En tête de la pale on voit aussi une partie 10D
correspondant à ce qui est désigné par baignoire dans le jargon du
domaine. Cette partie est ici séparée de la partie 10A par un
évidement transversal. Cet évidement forme la paroi de fond de
baignoire après coulée.
Il comprend notamment une zone de faible épaisseur 10A1
correspondant au bord de fuite. Cette partie dans l'exemple de la
figure 1 englobe les portions 10G en partie, 1 OGH et 10H. 10G est
la partie du noyau formant la cavité 1G de l'aube. 10GH est la partie
du noyau correspondant aux canaux 1GH, et 10H correspondant
aux cavités 1H. La zone de faible épaisseur s'étend généralement
sur quelques millimètres depuis le bord du noyau correspondant au
bord de fuite.
On rappelle que les moules, sont constitués le plus souvent de deux
empreintes, l'une inférieure l'autre supérieure, qui sont fortement
pressées l'une contre l'autre au moment du moulage puis écartées
pour permettre l'extraction de la pièce moulée. Contrairement à
d'autres procédés où le moule est perdu (moulage en sable, à la
cire perdue, etc.), il faut impérativement veiller à ce que les pièces
injectées ne restent pas coincées dans les empreintes et qu'elles
puissent au contraire en sortir sans aucune détérioration. On évite
les surfaces parallèles à la direction d'extraction ; elles en diffèrent
d'un angle appelé dépouille pouvant varier de 3 à 5 degrés.
Certaines parties difficiles d'extraction nécessitent un système de
tiges coulissantes appelées éjecteurs. Par ailleurs la géométrie de la
pièce à mouler peut comprendre des contre dépouilles et ne pas
permettre un démoulage par simple écartement des empreintes
inférieure et supérieure dans la direction de démoulage. Celles-ci
comportent alors pour ces parties en contre dépouilles des sous
pièces mobiles agencées de manière à assurer le démoulage.
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La figure 3 représente une boîte d'injection 300, formant moule à
noyau, en position ouverte. Elle comprend un plateau inférieur 310
et un plateau supérieur 320 fixés respectivement aux matrices
inférieure et supérieure de la presse à injecter non représentée. Ce
type de boîte comprend deux empreintes l'une dite inférieure 330
l'autre supérieure 340. Lorsque la boîte est en position fermée, on
injecte via un canal d'injection la pâte (mélange de polymère et de
céramique) qui remplit l'espace 360 pour le noyau. Chaque
empreinte comprend sur sa paroi intérieure des éléments en relief
formant les décors permettant de réserver les parties en creux du
noyau.
Sur la figure 4 on a représenté en coupe la partie d'un moule
conventionnel pour noyau 10 d'aube de turbine. Il comprend des
empreintes 330 et 340 avec des décors 370 pour les cavités
destinées à ménager les cloisons de l'aube finie. La courbure du
noyau le long de sa corde est importante. La direction de la partie
du noyau située au bord de fuite forme un angle de l'ordre de 45 à
60 degrés avec la direction de la partie plus épaisse située du côté
du bord d'attaque. Cette courbure ne permet pas de réaliser des
empreintes sans sous pièce mobile car on ne peut éviter les parties
en contre dépouilles.
La technique habituelle consiste à concevoir les empreintes du
moule avec des sous pièces 330a et 340a au niveau du bord de
fuite 10A1 du noyau 10 qui présentent une certaine mobilité
indiquée par les flèches F1 et F2. De manière habituelle, le nombre
de cloisons ayant la même orientation dans la partie massive du
noyau est plus importante que dans la direction des décors au bord
de fuite. Dans l'art antérieur on réserve donc la sous pièce mobile
pour les sorties bord de fuite et le démoulage direct des empreintes
inférieure et supérieure à la partie massive du noyau. Par l'invention
on simplifie l'outillage dans sa partie critique au bord de fuite et on
garde les sous pièces mobiles dans les zones plus épaisses et plus
simples d'obtention. Les décors 370a au niveau des sous pièces
sont orientés en dépouilles dans le sens des flèches. Elles
permettent d'extraire le noyau après injection de la matière dans le
moule.
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Comme on l'a expliqué plus haut, l'injection de matière dans cette
zone 10A1 est d'autant plus délicate qu'elle est fine. Il faut
augmenter la pression, mais la pâte s'introduit alors plus facilement
dans les jeux entre les pièces mobiles. Par ailleurs la mobilité
conduit aussi à des déformations sur cette partie du noyau.
L'objet de l'invention est la réalisation d'un noyau comprenant des
zones fines ayant une telle structure complexe sans avoir
notamment de déformation de ces zones lors des opérations
d'injection et de démoulage.
Des déformations conduisent à l'apparition de criques dans les
zones fines ou de bavures dans les mécanismes de la boîte à
noyau. Les criques conduisent au rebut du noyau. Les bavures
accélèrent l'usure de la boîte à noyau et augmentent le nombre
d'arrêts de production. L'usure de la boîte à noyau réduit sa durée
de vie.
Conformément à l'invention, on confectionne un moule modifié,
c'est-à-dire un moule ou certaines zones qui étaient mobiles dans la
matrice deviennent fixes.
Un tel moule comprend, figure 5, une empreinte inférieure 530 et
une empreinte supérieure 540 entre les deux plaques 560 et 580 de
la presse à injection. Le noyau 10 est injecté dans l'espace ménagé
entre les deux empreintes. Des décors 510 pénètrent dans le noyau
pour en réserver les cavités à cloisons. Sur cette figure, On ne voit
du noyau 10 que le bord de fuite 10A1. Des éjecteurs 570 sont
ménagés dans l'empreinte inférieure 530 sous la partie du bord de
fuite 10A1.
On n'a pas représenté l'autre partie du noyau. Elle est plus épaisse
et les empreintes en cette partie sont susceptibles de comporter des
sous pièces mobiles.
L'axe des décors 510 est orienté suivant la direction d'ouverture
principale de l'outillage indiquée par les flèches Fl et F'2. Les
décors 510 du bord de fuite sont démoulés grâce à des éjecteurs
mécaniques 570 coulissant selon l'axe des flèches, ici vertical. Il
s'agit de tiges métalliques que l'on actionne de l'extérieur du moule.
Ils sont situés dans la partie inférieure 530 du moule.
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Le moule ne présente de préférence plus de charnière
contrairement à l'art antérieur (voir référence 160 sur la figure 4)
mais peut être fixé aux plateaux supérieur 580 et inférieur 560 de la
presse d'injection comme illustré sur la figure 5.
Pour la fabrication du noyau avec cet outillage, les étapes sont les
suivantes,
On place les deux empreintes 530 et 540 dans la presse le
long de leur plan de joint P;
On injecte la pâte dans l'espace laissé libre par les
empreintes ;
Après injection de la pâte et formation du noyau 10, on écarte
l'empreinte supérieure de l'empreinte inférieure selon les directions
F'1 et F'2; le noyau 10 reste collé à l'empreinte inférieure ;
On extrait le noyau en s'aidant des éjecteurs 570 qui
impriment une pression vers le haut sur la partie 10A1 du noyau.
On détermine un nombre d'éjecteurs suffisant et on les répartit
de manière à assurer une pression faible au niveau de leur point de
contact avec le noyau. Cette répartition de la pression totale en
plusieurs pressions faibles permet d'éviter tout flambage du noyau
lors de son éjection. De plus les éjecteurs maintiennent une
direction aussi parallèle que possible à l'axe de démoulage.
Un exemple de la répartition des éjecteurs et leurs points de
contact avec le noyau est représenté à la figure 6. Le socle 61 du
moule d'injection est représenté en partie inférieure de la figure ¨ la
demi partie basse du moule n'est pas représentée pour laisser
apparaître les éjecteurs sur toute leur longueur. Le noyau 62
comprend le corps de noyau 62a, la baignoire 62b, le pied du noyau
62c et la carotte d'alimentation 62d. On voit que les éjecteurs sont
répartis sur l'ensemble du noyau 62 et que dans la figure ils sont au
nombre de sept : deux éjecteurs 63 de baignoire 62b, un éjecteur 64
du corps du noyau 62a, un éjecteur 65 de la zone de raccordement
pied / corps de noyau, deux éjecteurs 66 de pied de noyau 62c, et
un éjecteur 67 de la carotte d'injection 62d. Les éjecteurs 63 à 67
impriment un mouvement de bas en haut au noyau céramique 62 et
le soulèvent de l'empreinte.
Pour la fabrication du noyau, on a réalisé un mélange approprié. Il
s'agit notamment d'un liant organique associé à une charge
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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.
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Dans le cas où l'on injecte le bord de fuite avec des dents épaissies
comme cela est rapporté dans la demande de brevet FR 0651682
du présent déposant, l'étape suivante consiste à usiner, dans cette
ébauche 10, les zones épaissies qui sont ajoutées dans le moule.
Une fois les contours du noyau achevés par usinage le cas échéant,
avant cuisson, on passe aux traitements suivants, connus en soi,
dans le processus de fabrication des noyaux de fonderie. Pour le
déliantage, c'est-à-dire l'élimination du liant organique, on chauffe le
noyau à une température suffisante pour dégrader les composants
organiques qu'il contient. Les autres étapes 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 la
finition et au contrôle.
