Brevet FR2120017A1 — publié le 19720811

i 2120017 Le procédé classique de moulage à la cire utilisé pour la coulée en source d'ailettes de turbine consiste à fabriquer une matrice métallique (ou moule) dont la surface intérieure reproduit le profil de la pièce à couler. Ensuite, la matrice métallique est 5 remplie de cire sous pression et les parties de matrice sont séparées de manière à dégager la reproduction (ou réplique) en cire de la pièce. Ensuite, on réalise un moule en céramique de la pièce de manière à permettre la fabrication de la pièce métallique ainsi reproduite. 10 Ge procédé s'est avéré approprié pour la plupart des pièces \ à fabriquer mais on a trouvé cependant que, lorsque la pièce dont on devait réaliser une reproduction en cire présentait des parties fortement incurvées et gauchies et comportait en outre sur sa surface des détails d'une grande finesse, il était impossible de sé-15 parer les parties du moule de la reproduction en cire sans détruire les fins détails à moins que les surfaces du moule couvrant les zones complexes soient elles-mêmes formées d'un certain nombre de parties, à savoir dans certains cas plus de 6 parties, pour reproduire des surfaces complexes. 20 En conséquence, il a semblé très souhaitable de pouvoir uti liser une matrice simple (dans laquelle deux parties seulement sont nécessaires pour mouler les zones de configuration complexes) pour mouler des reproductions en cire de parties complexes pourvues, de surfaces comportant des détails de grande finesse. 25 Ce problème est résolu par le procédé de l'invention dans lequel le moulage d'une reproduction en cire d'une pièce compliquée avant la fabrication d'un moule en céramique pour couler la pièce en métal est réalisé à l'aide d''une matrice sur-dimensionnée contenant une garniture en matière élastomère préformée comportant 30 sur sa face intérieure un négatif de la surface de la pièce com-• pliquée. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans les-35 quels : - La Figure 1 est une vue en perspective et en partie coupée qui montre l'agencement et la répartition complexe des conduits de distribution et de décharge ménagés dans une ailette de turbiné re-= 71 46689 2 2120017 froidie par liquide en circuit ouvert, comme cela est nécessaire pour l'application du procédé de l'invention servant à réaliser la reproduction en cire d'une pièce à couler ; - LaTïgure 2 est une vue éclatée montrant le moule ouvert, 5 le modèle d'ailette de turbine et la garniture intercalaire en matière élastomère suivant l'invention, représentée partiellement coupée ; - La Figure 3 est une vue en perspective de la garniture é-lastomère de moule suivant l'invention permettant la coulée de la 10 reproduction en cire d'une ailette de turbine refroidie par liquide. L'ailette de turbine 10 représentée sur la Figure 1 est utilisable dans une turbine refroidie par liquide, et elle se compose d'une enveloppe 11 en tôle métallique qui est fixée (par exemple par brasage) sur un noyau creux coulé 12 dans lequel sont ménagées 15 des rainures 13 a orientées longitudinalement. Les canaux de refroidissement de section rectangulaire 13 délimités par l'enveloppe 11 et les rainures 13 a sont parcourus par un liquide de refroidissement à une profondeur uniforme en-dessous de l'enveloppe 11. A leurs extrémités supérieures, les canaux de refroidissement 20 13 situés sur le côté refoulement de l'ailette 10 communiquent avec et se terminent dans un collecteur 14 constitué par un évidement ménagé dans le noyau 12. Du côté aspiration de l'ailette 10, des canaux de refroidissement 13 de section rectangulaire sont en communication avec et se terminent dans un second collecteur 14 a 25 (Figure 2) formé par un évidement du noyau 12. A proximité du bord arrière de l'ailette 10, un conduit transversal (non-représenté) relie les deux collecteurs mentionnés plus haut. Le refroidissement en circuit ouvert est assuré à partir de ces collecteurs reliés entre eux par communication avec un orifice 16 à partir duquel les 30 fluides de refroidissement chauffés (un gaz, de la vapeur et un excès de réfrigérant liquide) sortent sur le bord arrière de l'ailette 10, comme indiqué sur la Figure. L'extrémité de base du noyau 11 comporte un certain nombre de saillies en forme de doigts 19 de longueurs variables. La jante du 35 disque de turbine (non représenté) sur laquelle l'ailette 10 est fixée comporte des rainures usinées qui s'étendent sur différentes profondeurs et largeurs correspondant aux différentes longueurs et largeurs des saillies ou dents 19 et s'emboîtent étroitement dans COPY 71 46689 3 2120017 les rainures en formant une structure à imbriqueioent. Une fois que l'assemblage correct a été réalisé, les dents IQ sont brasées sur les parois des rainures formées dans la jante du disque de turbine. De préférence, les dents 19 sont formées pendant la coulée 5 du noyau creux 12, bien que ces éléments ne soient pas d'une importance particulière dans la description de l'invention et puij-jO'T -être produits par un usinage ultérieur. Les parties du noyau creux 12 faisant l'objet du problème à résoudre par l'invention en ce qui concerne les reproductions moulées en cire sont constituées 10 par les parties extrêmes de ce noyau. Les problèmes de fabrication des reproductions en cire sont fortement aggravés dans le cas considéré puisque le noyau creux 12 -. comporte des parties fortement incurvées et gauchies et que les canaux ae refroidissement 13 ménagés dans sa surface sont t rès fins 15 et ont approximativement une profondeur de 5 ™i et une largeur de 6,4 mm, une autre complication étant introduite par les collecteurs prévus sur les côtés de refoulement et d'aspiration et qui » sont orientés transversalement par rapport aux rainures 13 a. La construction suivant l'invention qui permet d'utiliser un 20 moule plus simple pour former des reproductions en cire de surfa-• ces complexes comportant de fins détails a été mise en évidence sur les figures 2 et 3» Le moule 20 comprend deux parties 21 a et 21 b délimitant un volume sur-dimensionné de 0,25 à 0,50 mm par rapport aux surfaces extérieures des parois latérales du noyau d'ailette 25 22 logé à l'intérieur du moule. On dispose par conséquent d'un intervalle d'une épaisseur relativement uniforme sur l'ensemble des parties complexes de la surface de l'ailette. Le noyau de modèle d'ailette 22 a été représenté comme comportant des blocs 22 a,22 b à ses extrémités supérieure et inférieure. Ces blocs sont logés 30 dans des évidements qui sont ménagés dans les parties de moule 23» 24 (et dans les parties 26 et 27) en maintenant le noyau de modèle d'ailette 22 dans une position assurant un espacement correct par rapport à la paroi des évidements ménagés dans les éléments de moule 21 a et 21 b. Des blocs supérieurs et inférieurs formés sur les 35 ailettes coulées peuvent également faciliter le positionnement des ailettes en vue de l'exécution d'opérations telles que par exemple le perçage au conduit transversal (non représenté) reliant entre eux les collecteurs 14 et 14 a. D'autres moyens peuvent évidemment " COPY k 71 46689 2120017 être utilisés pour régler correctement en position le noyau de modèle d'ailette dans la cavité formée par les éléments de moule 21 a 21 b, auquel cas les blocs 22 a, 22 b peuvent être éliminés. En outre, il est prévu des évidements 2 8 et 2 9 dans l'élé-5 ment de moule 21 a et deux évidements correspondant dans l'élément de moule 21 b (seul 1'évidement 30 a été représenté), ces évidements communiquant avec l'espace entourant le noyau de modèle d'ailette 22. Ces volumes en communication ouverte dans le moule assemblé servent au moulage d'une garniture élastomère HO qui est 10 utilisée comme décrit ci-dessous. Pour former la garniture 40, le modèle d'ailette 2 2 est de préférence recouvert d'une ou plusieurs couches d'un caoutchouc à base de silicones, mince et incomplètement vulcanisé en quantité suffisante pour déborder légèrement de la cavité formée entre l'ai-15 lette, les parties supérieure et inférieure du noyau 22 et les éléments de moule 21 a, 2i b. Les évidements 28, 29, 30 (et l'évide-ment associé qui n'est pas représenté dans l'élément 21 b) sont également remplis avec un léger excès de caoutchouc aux silicones partiellement vulcanisé. Ce caoutchouc aux silicones doit pouvoir 20 être converti à l'état élastique, solide et complètement vulcanisé. Le terme "caoutchouc aux silicones" se rapporte à la fois à dés organo-polysiloxanes chargés et non chargés et contenant des accélérateurs de vulcanisation, par exemple des péroxydes organiques, qui sont convertibles à l'état élastique, solide et vulcani-2 5 se par chauffage à température élevée. A l'état complètement vulcanisé, ces matières peuvent être facilement déformées et moulées. Il est évident qu'on peut utiliser dans la mise en pratique de l'invention d'autres matières élastomères solides ou liquides, telles que du caoutchouc naturel, qui peuvent être moulées et vulcanisées 30 à l'état solide et élastique. La fabrication de couches de caoutchouc aux silicones incomplètement vulcanisé utilisables suivant l'invention a été décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.325.330. Lorsque l'assemblage du moule 20 est terminé, en enfermant 35 le noyau de modèle d'ailette 22 et la masse de caoutchouc aux silicones partiellement vulcanisé comme décrit plus haut, le caoutchouc aux silicones est introduit dans toutes les rainures (13 a, 14 et 14 a) prévues dans la surface du noyau de modèle d'ailette 22 et dans toutes les parties d'évidement 28, 29 et 30 (et de l'évide- 71 46689 5 2120017 ment associé). Du caoutchouc aux silicones partiellement vulcanisé est également introduit dans un certain nombre de petits trous 31 partant des évidements mentionnés plus haut de manière à former des nervures de centrage 32 sur des rebords 32, 34» de la garniture 40. 5 Des surfaces inclinées 36» 37» formées sur les parois latérales des parties de moule 24, 27, entrent en contact avec des surfaces inclinées formées sur un élément de fermeture 3S (par exemple la surface 39) et permettent l'application d'une force afin d'établir un contact superficiel étroit entre toutes les parties du moule (lors- • 10 qu'un tel contact est nécessaire) quand l'élément de fermeture 38 est poussé en direction de l'élément de base 41.'En variante, la composition élastomère pourrait être injectée dans l'intervalle existant entre les parties 21 a et 21 b de façon à former une garniture 40 de la même manière que lorsque les pièces en cire sont 15 ultérieurement moulées dans le moule correctement garni. Après assemblage, le moule 20 est placé dans un four et il est chauffé à une température de vulcanisation appropriée au type de caoutchouc aux silicones utilisé, lorsque la vulcanisation est terminée, le moule 20 est sorti du four et démonté. Le noyau de mo-20 dèle d'ailette 22 est facilement enlevé en même temps que la garniture 40 formée autour et comportant des rebords 33, 34, placés dans des positions adjacentes aux surfaces respectives des blocs 22 a et 22 b» Une ligne de séparation 42 est ensuite formée par découpage de la garniture 40 de haut en bas, cette garniture 40 pou-25 vant être ensuite séparée du noyau d'ailette 22. On a trouvé que la surface intérieure de la garniture 40 en matière élastomère vulcanisée permettait de reproduire complètement et avec précision tous les détails .de la surface extérieure du noyau de modèle d'ailette 22, par exemple les rainures des canaux de" reproduction, les 30 collecteurs ainsi que la courbure du noyau d'ailette. Ensuite, pour couler un certain nombre de reproductions en cire du noyau d'ailette 22, il suffit de réintroduire la garniture élastomère 40 dans le moule 20 en disposant une bandé en céramique (non représentée) à l'intérieur de la garniture 40, cette bande 35 étant orientée lon^itudinalement par rapport à celle-ci de manière à conserver la nature creuse du noyau 12 à former. Il est prévu des moyens pour régler correctement en position la bande en céramique qui dépasse des rebords 33, 34, et qui sort des volumes précédem 71 46689 6 2120017 ment occupés par les blocs 22 a, 22 b en s'appuyant sur des surfaces 43» 44, de profils correspondant à celui du côté inférieur de la bande en céramique. Lorsque le moule 20 est assemblé, la surface 46 et une surface similaire de la partie 24 sont placées 5 au-dessus et épousent le profil du côté supérieur de la bande en céramique, iin conséquence, la bande en céramique peut être correctement alignée et maintenue en contact étanche de façon à délimiter des parties qui doivent dépasser de la reproduction en cire. Après assemblage du moule 20 contenant la garniture 40 et 10 la bande en céramique, le moule est introduit dans un carter sous vide de manière à évacuer l'air contenu à l'intérieur. De la cire est coulée par l'intermédiaire d'un conduit 47 de manière à pénétrer dans l'espace occupé auparavant par le bloc 22 b et à. passer dans la partie centrale creuse de la garniture 40 (autour de la 15 bande en céramique) et dans l'intervalle précédemment occupé par le bloc 22 a. Lorsque tous ces volumes ont été remplis, on laisse .la cire durcir, on ouvre le moule, on sort la reproduction en cire du noyau d'ailette 22 entouré par la garniture 40 et la garniture 40 est séparée de la reproduction en cire en laissant tous 20 les détails superficiels intacts. La garniture 40 peut ensuite être réutilisée comme décrit plus haut. Un grand nombre (par exemple 36 ou 48) de reproductions en cire sont, disposées suivant un agencement ramifié qui est couramment utilisé dans le procédé de coulée en source et les techniques 25 bien connues d'utilisation de moules à coquilles en céramique et de coulée sous vide sont alors appliquées pour produire l'ailette métallique. Les noyaux d'ailettes bruts de coulée contiennent les bandes en céramique (qui ont été incorporées à chacune des reproductions en cire). Ensuite, ces noyaux d'ailette sont placés dans 30 un bain de sel fondu afin d'éliminer la bande en céramique en laissant subsister la cavité requise 48 dans chaque noyau d'ailette 12. L'invention est en particulier applicable à la fabrication de reproductions de pièces profilées comportant des détails superficiels à reproduire par coulée, que la reproduction soit formée 35 de cire, de matière thermoplastique ou d'autres matières appropriées. Le terme "cire" utilisé dans la présente description et dans les revendications est destiné à couvrir toutes ces matières de reproduction appropriées. Il est facile de se procurer dans le commerce de telles matières, par exemple les poudres céramiques u- 40 tilisées pour fabriquer les moules à coquilles en céramique destinés à recevoir le métal en fusion. 71 46689 7 2120017 RiiTBfPICA'tlOKS 1)- Moule de fabrication d'une reproduction ou réplique en cire d'une pièce profilée comportant des détails superficiels, ladite reproduction en cire étant destinée à former'le noyau fusible d'un 5 moule à coquilles en céramique, caractérisé en ce qu'il est prévu dans le moule une garniture tri-dimensionnelle amovible en matière élastomère dont la surface intérieure reproduit exactement le profil et des détails de la surface extérieure de ladite pièce. 2)- Moule suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la 10 garniture en matière élastomère est formée d'un caoutchouc aux si- \ licones vulcanisé. - x 3)- Moule suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la garniture en matière élastomère est pourvue de moyens permettant son réglage de position précis dans le moule pour la 15 coulée de la reproduction en cire. 4)- woule suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3» caractérisé en ce que la surface intérieure de la garniture en matière élastomère reproduit la surface du noyau d'une ailette de turbine. 5)- Moule suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'ai-20 lette est utilisable dans une turbine refroidie par liquide. 6)- Procédé de coulée d'une reproduction ou réplique en cire d'un corps profilé comportant de fins détails de surface en vue de la fabrication d'un moule à coquilles en céramique pour ledit corps, procédé caractérisé en ce que : 25 a/ on utilise un moule séparable comportant une cavité sur- dimensiormée par rapport à la pièce dont on doit réaliser une reproduction en cire. b/ on place dans la cavité à un certain espacement de ces parois un modèle dont le profil et les détails de surface extérieure 30 sont identiques à ladite pièce. c/ on introduit une matière durcissable à chaud de manière qu'elle prenne un état solide élastique dans l'intervalle existant entre le modèle et les parois de la cavité. d/ on enferme le modèle et la matière durcissable à chaud 35 dans le moule j e/ on assure la cuisson de la matière durcissable à chaud ; f/ on ouvre le moule et on enlève le modèle entouré par le corps tri-dimensionnel en matière élastomère durcie ; 71 46689 6 2120017 g/ on sépare le modèle et le corps en matière élastomère ; h/ on remet en place le corps en matière élastomère dans la cavité sous forme d'une garniture ; i/ on ferme le moule 5 j/ on introduit de la cire fondue sous pression dans la ca vité pourvue de la garniture j k/ on ouvre le moule ; 1/ on enlève la reproduction en cire solidifiée et le corps élastomère environnant, et, 10 m/ on sépare la reproduction en cire du corps en matière é- léstomère. 7)- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la matière durcissable à chaud est un caoutchouc aux silicones. ,8)- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le 15 caoutchouc aux silicones est partiellement vulcanisé.