Brevet FR2502529A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne un procédé de fabrica- tion de la partie aérodynamiquement profilée d'une aube de moteur à turbine à gaz. Il est d'usage courant d'utiliser le procédé de moulage à cire perdue conjointement à l'emploi de noyaux en ma- tière céramique pour réaliser, par coulage, des parties aérodynamiquement profilées d'aubes de forme extérieure très précise et de forme intérieure complexe du fait de cavités et de conduits de refroidissement. Mais cer- taines de leurs caractéristiques sont difficiles à ré- aliser par coulage, telles que les conduits très étroits d'accès de l'air à la surface externe de l'aube sous forme de veines laminaires d'air réfrigérant ou sous forme d'air réfrigérant usé, éjecté par le bord de fui- te de l'aube. A l'heure actuelle, ces conduits sont généralement réalisés par usinage après le coulage de l'aube, procédé qui augmente le prix de revient de cel- le-ci. Les facteurs qui se sont opposés à la réalisation de ces caractéristiques par coulée directe sont, d'une part, la difficulté de réalisation des noyaux céramiques mi- nuscules ne se brisant pas lorsqu'on les extrait du moule et, d'autre part, la fragilité de ces noyaux les exposant à se briser au cours de la coulée. La présente invention a pour objet de réaliser un pro- cédé de fabrication de la partie aérodynamiquement pro- filée d'une aube, au cours duquel ces conduits étroits pourront être coulés selon une technique éliminant ces difficultés Le procédé de fabrication de la partie aérodynamique- ment profilée d'une aube de moteur è turbine à gaz se- lon la présente invention consiste,successivement, à: former une pièce non-réutilisable, percée de trous de même forme que les conduits de sortie d'air; placer cette pièce non-réutilisable dans une matrice possédant une première partie creuse de même forme que la cavité interne de la partie profilée de l'aube avec laquelle communiqueront les conduits, une seconde partie creuse dans laquelle s'adaptera la pièce non- réutilisable, et une troisième partie creuse constituant un canal joi- gnant les extrémités libres des trous de la pièce non- réutilisable; injecter une barbotine remplissant les trois parties creuses; faire durcir, ou laisser durcir la matière céramique de la barbotine; séparer les é- léments de la matrice; démouler le noyau céramique ainsi formé; détacher la pièce non-réutilisable de la matière céramique; placer le noyau céramique ainsi formé dans une seconde matrice multipartie possédant une cavité interne principale de forme essentiellement identique à celle de la surface externe de la partie profilée de l'aube, et une cavité secondaire dans la- quelle s'adaptera la partie du noyau céramique formée par le canal; injecter de la cire pour remplir la cavité interne principale de la matrice; laisser la cire se solidifier; extraire de la matrice le modèle en cire ainsi formé; former, sur la surface externe du modèle, une coquille de matière céramique qui a.dhè- rera à la partie du noyau céramique formée par le canal; éliminer la cire de la coquille en matière céramique couler du métal fondu dans le moule ainsi formé par ladite coquille; laisser ce métal se solidifier; et éliminer le moule constitué par ladite coquille céra- mique et ledit noyau céramique de 1 partie aérodyna- miquement profilée de l'aube. La pièce non-réutilisable elle-même pourra être réali- sée dans une matrice multipartie dans laquelle les trous pourront être formés par des broches partant des divers éléments de la matrice pour venir se toucher dans le plan de joint. Ces trous pourront, par exemple, être rectilignes ou de toute autre forme. La pièce non-réutilisable pourra être éliminée par chauffage, par dissolution ou par attaque chimique L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisa- tion représenté sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de dessus, en coupe longitu- dinale d'une matrice multipartie pour la réalisation de la pièce nonréutilisable employée pour la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est une vue perspective de la pièce non- réutilisable réalisée dans la matrice de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale d'une matrice multipartie pour la fabrication d'une aube profilée, et dans laquelle est logée la pièce non-réutilisable de la figure 2; -la figure 4 est une vue perspective d'un noyau cérami- que réalisé dans la matrice de la figure 3, et au- quel est encore fixée la pièce non-réutilisable; - la figure 5 est une vue perspective du noyau de la figure 4 après élimination de la pièce non-réutili- sable; 4 2502529 - la figure 6 est une coupe transversale d'une matrice multipartie pour la fabrication d'une aube profilée, et dans laquelle est logé le noyau de la figure 5; - la figure 7 est-une vue perspective du modèle en cire réalisé dans la matrice de la figure 6, recouvert d'une coquille en matière céramique et dans lequel est encastré le noyau de la figure 5; - la figure 8 est une vue perspective de la coquille en matière céramique après élimination du modèle en cire qui en était recouvert; et - la figure 9 est une vue perspective de la partie profilée de l'aube terminée, réalisée dans la co- quille de la figure 8. La figure 1 montre une matrice composite en deux par- ties 10 et 11 définissant entre elles une cavité essen- tiellement rectangulaire 12. Plusieurs broches 13 et 14, partant respectivement de ces parties 10 et 11, se rejoignent dans le plan de joint 15 des demi-matrices de façon à former en fait des broches traversant la cavité 12. Un trou de coulée 16 permet d'injecter dans la cavité 12 une matière destinée à ne servir qu'une seule fois. L'emploi de cette matrice consiste à injecter, par le trou de coulée, et de façon à emplir complètement la cavité 12, la matière non-réutilisable sous forme li- quide, laquelle pourra, par exemple,être une résine thermoplastique ou soluble dans l'eau. On fait durcir, ou on laisse se durcir, ensuite ladite matière; si celle-ci est thermoplastique, il suffira de la laisser refroidir, ce qui en provoquera le durcissement, mais en d'autres cas une application de chaleur pourra être nécessaire pour la durcir. Une fois la matière non-réutilisable durcie, elle peut être extraite de la matrice en éloignant l'une de l'au- tre les deux demi-matrices 10 et 12, ce gui aura pour effet d'extraire de la matière les broches 10 et 12 La figure 2 montre la pièce nonréutilisable ainsi obtenue, faite d'un-blàc 17, essentiellement en forme de parallélépipède droit, dont deux faces longitudi- nales opposées sont jointes par une pluralité de trous 18. L'une de ces faces comporte en outre une rainure longitudinale 19 qui servira à former le bord de fuite extrême du noyau céramique qui sera réalisé à l'aide du bloc non-réutilisable 17. Il pourra être nécessaire d'éliminer les bavures subsistant entre les points de contact des extrémités des broches 13 et 14 à l'endroit du plan de joint 15. Le bloc 17 est ensuite transféré à une seconde matrice bipartie représentée à la figure 3, faite de deux par- ties 20 et 21 définissant entre elles une cavité unique mais pouvant être considérée comme composée de trois parties creuses 22, 23 et 24. La partie creuse prin- cipale 22 a la forme requise pour la cavité interne d'air réfrigérant de la partie profilée de l'aube et se continue par la seconde partie creuse 23 conformée de façon à enserrer exactement le bloc 17. Ce dernier est placé dans la partie creuse 23 de façon que sa rai- nure 19 prolonge la première partie creuse 22 et con- duise aux trous 18 qui communiquent ensuite avec la troisième partie creuse 24. Cette dernière comporte un canal joignant les extrémités libres de tous les trous 18 et ayant pour but de donner au noyau une 'par- tie renforçatrice de sa portion fragile aui formera les conduits internes de la partie profilée de l'aube La demi-matrice 20 comporte un trou de coulée 25 par lequel on pourra injecter une barbotine de matière céramique pour emplir la partie creuse 22, les trous 18 et la partie creuse 24. Cette barbotine pourra com- porter une résine soluble dans l'eau qui la ramènera à son état natif en durcissant, une fois-l'injection ter- minée mais, de toute façon, la matière céramique devra durcir pour donner un noyau solide. Ce noyau 26 est ensuite démoulé en séparant les deux demi-matrices 20 et 21. La figure 4 laisse apparaître nettement qu'a ce moment, le bloc 17 fait encore partie du noyau et assume une fonction indispensable du fait qu'il ren- force les parties, fatalement fragiles, du noyau cé- ramique 26 contre les contraintes entraînées par le démoulage du noyau lorsqu'on l'extrait des demi-matrices et 21 Le noyau 26 est ensuite cuit pour fritter la matière céramique et, par la même occasion ou au cours d'une Phase opératoire séparée, le bloc 17 de matière non- réutilisable est séparé du noyau céramique. Si la matière non-réutilisable est thermoplastique ou in- flammable, ce bloc 17 sera détruit au cours de la cuisson. On pourra utiliser, pour éliminer ces blocs, soit un procédé par solvant, soit tout autre procédé adéquat. La figure 5 montre le noyau terminé: on voit qu'il comporte une partie principale 27, une sé- rie de fins barreaux 28 en matière céramique, et une partie 29, correspondant au canal, joignant les extré- mités libres des barreaux 28 de façon à présenter l'as- pect d'une échelle. Il se pourra que le noyau ait maintenant besoin d'être ébarbé pour en éliminer les bavures qui pourraient s'y trouver, ce qui peut se produire, par exemple, à la jonction de la rainure 19 avec la principale partie creuse 22. On se rend compte que de telles bavures, apparaissant sur la partie principale 27 du noyau, sont assez faciles à éliminer. Si l'on cherche à ré- aliser les barreaux 28 dans une matrice, sans utiliser le bloc 17, il se produira probablement des bavures, qui pourront avoir un effet renforçateur indispensable, entre les divers barreaux 28. Ce genre de bavures est très difficile à éliminer sans endommager les barreaux. Le noyau terminé est alors monté dans une troisième matrice bipartie, faite de deux demi-matrices 30 et 31 (figure 6) définissant une cavité 32 de même forme que celle de la partie profilée d'aube terminée mais possédant en outre un canal 33 dans lequel s'adaptera la partie correspondante 29 du noyau. Le noyau est maintenu dans la matrice comme l'indique la figure 6 et, par le trou de coulée 34, l'on injecte de la cire fondue sous pression pour emplir la partie de la cavi- té 32 non occupée par le noyau 26. On peut voir que cette partie vide de la cavité a la forme d'une paroi, d'épaisseur essentiellement constante, d'une partie aérodynamiquement profilée d'aube, entourant le noyau On laisse ensuite la cire fondue se refroidir et se solidifier et on la démoule, toujours en séparant les demi-matrices l'une de l'autre. Puis le modèle en cire ainsi obtenu est revêtu d'une coquille en matière céra- mique externe 35, comme le montre la figure 7. Ce re- vêtement s'effectue en plusieurs opérations au cours desquelles le modèle est immergé dans une barbotine céramique, puis enduit de matière céramique particu- laire par un procédé inspiré du stucage. On répète ces opérations jusqu'à obtention d'une coquille céramique d'épaisseur suffisante et on laisse sécher le modèle enrobé. On voit que, du fait que la partie 33 du noyau, correspondant au canal, n'a pas été revêtue de cire au cours de l'injection de cire, cette partie 33 se trouve exposée à la matière céramique constitutive de la co- quille, à laquelle elle adhère fortement Le modèle en cire revêtu de sa coquille est ensuite soumis à un traitement ayant pour but d'éliminer la cire et de cuire la coquille céramique. Ce double ré- sultat peut s'obtenir en une seule opération de chauf- fage du fait que la cire fondra lorsqu'elle sera chauf- fée. Toutefois, comme il est bien connu dans ce genre de technique, il est indispensable de prendre des dis- positions pour assurer que la dilatation de la cire ne fera pas craqueler la coquille céramique lia figure 8 montre le moule constitué par la coquille cuite 35. On voit qu'entre le noyau 26, non affecté par la cuis- son, et la coquille 35, il subsiste une cavité 36 de même forme que le modèle en cire Du métal fondu est coulé dans cette cavité 36, de fa- çon à la remplir, puis laissé à se solidifier. Au cours de cette opération, les charges s'exerçant sur le noyau céramique peuvent être considérables mais le support assuré aux barreaux 28 par la partie princi- pale 27 du noyau et par sa partie 29 correspondant au canal l'aident à supporter ces charges. Une fois que le métal s'est solidifié, le moule constitué par la coquille céramique 35 et le noyau 26 peuvent être é- liminés de la partie profilée, métallique, de l'aube Normalement, la coquille est éliminée mécaniquement mais le noyau, du fait qu'il est emprisonné dans le métal, devra être éliminé par un lessivage chimique utilisant de la soude caustique chaude ou un autre réactif. La figure 9 montre la partie aérodynamiquement profi- lée de l'aube, terminée, obtenue par coulage. On voit que le procédé selon l'invention donne une partie pro- filée creuse 37 possédant une cavité interne 38 et des lumières d'échappement d'air réfrigérant 39 joignant cette cavité 38 au bord de fuite de ladite partie pro- filée, par lequel l'air réfrigérant contenu dans ladite cavité pourra être chassé. La partie profilée d'aube est désormais prête pour toute opération nécessaire de finition et pourra, au besoin, être pourvue d'embases, d'une tige et d'un pied Bien que la description qui précède ait été limitée à la fabrication de la partie aérodynamiquement profilée de l'aube, il est possible d'en couler les autres par- ties simultanément et d'une seule pièce avec la pre- mière. En outre, si le procédé de l'invention convient bien à la réalisation des lumières d'éjection du bord de fuite, telles que décrites, il est également appli- cable à la réalisation d'autres orifices tels que les orifices de réfrigération laminaire. On notera égale- ment que la description ci-dessus se réfère à une par- tie aérodynamiquement profilée d'aube très simple ne renfermant qu'une seule grande cavité, ce qui n'a été fait que pour simplifier l'exemple de réalisation dé- crit afin de faciliter la compréhension de l'invention, mais qu'en pratique il est vraisemblable que la confi- guration interne de la partie profilée iera plus com- plexe. il REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de la partie aérodynamique- ment profilée d'une aube pour moteur à turbine à gaz, ladite partie profilée renfermant des conduits d'é- chappement d'air réfrigérant, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste, successivement, à t former une pièce non-réutilisable (17) percée de trous (18) de môme forme que les conduits d'échap- pement d'air; placer cette pièce non-réutilisable (17) dans une matrice (20, 21) possédant une pre- mière partie creuse (22) de même forme que la cavité interne de la partie profilée de l'aube avec laquel- le communiqueront lesdits conduits, une seconde par- tie creuse (23) dans laquelle s'adaptera la pièce non-réutilisable (17), et une troisième partie creu- se (24) constituant un canal joignant les extrémités libres des trous de la pièce non-réutilisable; injecter une barbotine céramique emplissant les trois parties creuses; faire durcir, ou laisser durcir la matière céramique de la barbotine; sépa- rer les éléments de matrice (20 et 21) l'un de l'au- tre; démouler le noyau céramique (26) ainsi formé détacher la pièce non-réutilisable (17) de la ma- tière céramique; placer le noyau céramique ainsi formé dans une seconde matrice multipartie (30, 31) possédant une cavité interne principale (32) de forme essentiellement identique à celle de la sur- face externe de la partie profilée de l'aube, et une cavité secondaire (33) dans laquelle s'adaptera la partie du noyau céramique formée par le canal injecter de la cire pour emplir la cavité interne principale (32) de la matrice; laisser la cire se solidifier; extraire de la matrice-le modèle en cire ainsi formé; former, sur la surface externe du modèle, une coquille de matière céramique (35) qui adhérera à la partie du noyau céramique corres- pondant au canal (24); éliminer la cire de la co- quille en matière céramique; couler du métal fondu dans le moule ainsi formé par ladite coquille; laisser ce métal se solidifier; et éliminer le moule céramique (35) et le noyau (26) de la partie aérodynamiquement profilée de l'aube. 2. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la réalisation de la pièce non-réutilisable s'effectue par moulage par injection dans une ma- trice multipartie (10, 11). 3. Procédé selon la Revendication 2, caractérisé en ce que les trous (18) traversant la pièce non-réutili- sable (17) sont engendrés par des broches (13, 14) partant respectivement des demi-matrices (10, 11) pour franchir la cavité (12) de la matrice et venant en contact, par leur extrémité libre, avec la broche leur correspondant 4. Procédé selon la Revendication 3, caractérisé en ce que lesdites broches (13, 14) sont rectilignes. 5. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la matière constitutive de la pièce non-réutili- sable est choisie de façon à être éliminable par chauffage, par dissolution, ou par attaque chimique.