Brevet FR2530509A1 — publié le 19840127

La présente invention concerne le moulage de composants, et en particulier un type de moulage utilisant des noyaux pour définir des passages dans les composants, par exemple des passages d'air de refroidissement dans les aubes mouléee utilisées dans les turbomachines à gaz. L'invention concerne également un procédé de moulage de composants. Quand on moule de telles aubes, il est habituel d'u- tiliser des noyaux en silice, ce matériau présentant une rigidité et un caractère réfractaire modérés, mais une certaine facilité de retrait de ltélément moulé. Du fait de la rigidité et du caractère réfractaire limites de la silice, il est souvent nécessaire, particulierement dans le cas d'un noyau de grande longueur ou d tun noyau de forme complexe, de supporter le noyau de manière à éviter qu'il soit infléchi par l'arrivée du matériau fondu constituant l'aube quand on remplit le moule, ou pour éviter qu'il se distorde à de hautes températures. Le problème de la distorsion du noyau se pose de façon plus particulièrement aiguë pour le moulage de composants à cris- tal unique solidifie directionnellement, où le moule et le noyau sont chauffés à une température plus élevée (typiquement au-delà de 15000C) que pour un moulage classique, et maintenus à cette température plus élevée pendant une période plus longue. On a proposé, dans le passé, de réaliser le noyau sous forme tubulaire et d'y installer un renfort interne. Par exemple, le brevet britannique nO 1.514.819 décrit un noyau tubulaire revêtu d'un matériau de renforcement de résistance plus élevée adhérent à la surface interne du noyau. Mais on a constaté que ces noyaux renforces se cassaient souvent pendant le processus de moulage, conduisant à la formation d'un passage mal défini à l'intérieur du composant moulé. Il est également connu,par exemple par la demande de brevet britannique n 2.019.756,de disposer des tiges métalliques à l'intérieur d'un fourreau de ceramique, pour agir en tant que renfort. Le métal décrit dans cette demande de brevet est le cuivre. Il est clair que ce noyau renforcé ne serait d'aucune utilité pour le moulage d'aubes de turbomachines à gaz réalise en super-alliage ayant une forme solidifiée directionnellement, quand la température de moulage du moule dépasse 1500 C. Un autre probleme inhérent au moulage d'aubes de turbomachines à gaz est que les noyaux doivent souvent comprendre des parties courbes, dues au défaut d'alignement entre les sections de la partie aérodynamique de l'aube qui doivent etre munies de passages d'air de refroidissement à linté- rieur, et la racine de l'aube à travers laquelle passe l'air qui est envoyé à la partie aérodynamique. Cette condition exige, pour le noyau, un matériau qui soit suffisamment déformable pour pouvoir être plié selon la forme appropriée9 mais suffisamment rigide pour ne pas se distordre aux températures élevées auxquelles il est soumis en utilisation.Cependant, quand les températures dropassent 15d00C, il faut utiliser des noyaux de céramique, mais ces deux conditions sont incompatibles avec les matériaux pour noyaux en céramique actuels. Ceci provient du fait que, pour obtenir la résistance, les ma- fériaux pour noyaux disponibles tels que l'alumine ou le nitrure de silicium sont trop rigides pour être pliés sans grande difficultés, et qu'ils sont considérés comme non retirables des éléments moulés, ou retirables seulement avec de grandes difficultés. D'un autre côté, les matériaux retirables et plus facilement déformables tels que la silice ou les céramiques de verre ne peuvent résister aux températures nécessaires, particulièrement quand il s'agit du moulage de composants solidifiés directionnellement, pendant la durée requise et sans déformation. Un objet de la présente invention est de créer un noyau destiné à être utilisé pour définir un passage lors du moulage d'un composant et pouvant résister sans déformation à des températures élevées pendant le moulage, contrairement au cas connu jusqu'ici, et pouvant, si on le désire, être réalisé selon une variété de configurations non linéaires. Selon la présente invention, un noyau destiné à être u tilisé pour définir un passage dans un composant à mouler comprend un corps creux en un matériau réfractaire céramique pouvant être retiré du composant, et un organe de support céramique en un matériau présentant un caractère réfractaire plus élevé que ledit corps creux, l'organe de support étant disposé à l'intérieur du corps creux et s'étendant au moins partiellement à l'intérieur de ce corps creux en ménageant un léger jeu par rapport à la paroi interne de ce dernier à la température de fonctionnement du noyau, Selon une forme préférée de l'invention, le noyau est conçu pour produire un passage non linôaire dans le composant à mouler, le passage comportant au moins deux sections en ligne droite interconnectées par une partie courbe.Pour obtenir ce résultat, on plie l'organe ereux qui est réalisé en un ma tériau céramique moins résistant, et ltorgane de support comprend au moins deux sections qui sont en ligne droite, et qui sont insérées dans les sections en ligne droite de l'organe creux à partir de ses extrémités opposées. Toujours selon la présente invention, il -est proposé un procédé de moulage d'un composant creux consistant à réaliser un moule comportant une cavité de moulage ayant la forme du composant à mouler, disposer à 1 intérieur de la cavité de moulage un noyau qui comprend luiBmême un organe creux en matériau réiEractaire céramique pouvant être retiré du composant et un organe de support céramique en matériau présentant un caractère réfracm taire plus important que lgorgane creux, leorgane de support étant disposé à l'intérieur de l'organe creux et s'étendant au moins partiellement à l'intérieur dudit organe creux avec un léger jeu par rapport à la paroi interne de celui-ci a la température de fonctionnement du noyau, remplir le moule avec du métal fondu et laisser le m- tal se solidifier, retirer ltorgane de support de l'organe creux du noyau, et retirer ltorgane creux du métal solidifié du composant. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de ce procédé, le composant creux à mouler comprend un trou non linéaire passant à l'intérieur, et le noyau est réalisé en munissant l'organe creux d'une ou plusieurs parties courbes, entre deux ou plusieurs-sections en ligne droite et en disposant des tiges droites dans l'organe de support à l'intérieur des sections en ligne droite. On décrira maintenant quatre noyaux de formes diverses et un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, à titre d'exemples seulement, en référence aux dessins schémati- ques annexés dans lesquels La figure l représente un noyau de la présente invention disposé dans un moule placé dans un four (représenté schématiquement) en vue de produire une aube solidifiée directionnellement et destinée à une turbomachine à gaz et corliprenant un passage d'air de refroidissement à l'intérieur, les figures 2, 3 et 4 sont des vues en coupe respectivement des second, troisième et quatrième noyaux différents selon l'invention, insérés dans le moule de la figure 1 (repré- senté seulement schématiquement), et la figure 5 est une vue en coupe d'une aube de rotor creuse pour turbomachine, illustrant un passage non linéaire moulé à l'intérieur. Si l'on se réfère d'abord a la figure 1 celle-ci représente un moule (30) destiné au moulage d'une aube ou d'une ailette creuse pour turbine, réalisé en un super-alliage à base de nickel pour turbomachines a gaz. A 1 t intérieur du moule (30) est prévu un noyau (2) qui qui est fixé à son extrémité (40) et qui comporte un noyau externe (4) de forme tubulaire et droite, réalisé en silice. Le moule est disposé sur une plaque de re froidissement et refroidie (31), prête à être mise dans un fous, représenté schématiquement en (32), apte à mouler lau- be et a la solidifier directionnellement. Dans le òur.(32), le moule est pré-chanffé à une tempé- rature supérieure à la température de fusion du jazz métal à mouler pour établir un gradient de température le long du moule. Après remplissage du moule, la plaque de refroidissement provoque la solidification du métal fondu en partant du fond du moule et en remontant vers le haut, et ce processus se poursuit en maintenant le métal à l'avant du front de solidification à l'état fondu, tout en continuant à refroidir le moule seulèment a partir de son extrémité inférieure. Ce processus, et une modification qui implique la sélection d'un unique cristal qui croit dans la partie supérieure du moule, ne sont pas bien connus en soi et ne seront donc pas décrits en détail. Un organe de support cylindrique (6) réalisé en alumine est disposé dans l'alésage de l'organe tubulaire en silice (4) de manière à y coulisser étroitement. L'organe de support en alumine s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'or- gane tubulaire en silice (4). Par exemple, l'organe tubulaire en silice (4) a un diamètre externe compris entre approximativement 1,78 et 2,54 mm, un diamètre interne d'approximativement 1,i4 mm, et l'organe de support cylindrique en alumine (6) a un diamètre d'approximativement 1,02 mm. Le diamètre interne du tube de silice, et le diamètre externe du support en alumine sont présélectionnés de manière à être certain qu'en tenant compte du coefficient de dilatation thermique plus important du support en alumine, il restera un léger jeu compris par exemple entre 0,012 et 0,025 mm entre le support d'alumine et le tube de silice à la température de moulage à utiliser. Ceci évite l'éclatement du tube de silice sous l'effet du support en alumine. On peut faire pénétrer le noyau dans la céramique, comme représenté en (40), par des procédés classiques utilisant une peinture de polystyrène autorisant une dilatation thermique différentielle entre la silice et le matériau du moule. La tige d'alumine peut être réalisée de manière à faire saillie au-delà de l'extrémité de la silice et à pénétrer également dans la céramique, mais en variante elle peut être laissée libre à l'intérieur du tube de silice, auquel cas le tube de silice est fermé à son extrémité libre pour éviter l'échappe- ment de la tige d'alumine. En dehors du jeu radial prévu entre la tige d'alumine et le tube de silice, il faut également ré- server un jeu terminal. Si l'on se réfère maintenant à la figure 2, celle-ci représente un second type de noyau (12) destiné au moule (30) et conformé pour définir un passage d'air de refroidissement non radial dans l'aube ou l'ailette de la turbine . Le noyau (12) comprend un élément de noyau externe (14) de forme tubulaire, réalisé en silice et comprenant deux sections (14a, 14b) en ligne droite, reliées par une partie courbe (15). Dans les alésages des sections en lignedroite (14a) et (14b) de l'organe tubulaire en silice (14) sont disposes des organes de support cylindriques (16a), (16b) réalisés en alumine et pouvant y coulisser étroitement. Les organes de support en alumine (16a) et (16b) s'étendent des extrémités opposées de l'organe tubulaire en silice (143,sensiblement jusqu'au niveau de la partie courbe (15J. De façon typique, l'organe tubulaire en silice (14) et les organes de support cylindriques en alumine (16a) et (16b) ont les mêmes diamètres que dans le cas du premier noyau (2). Si'on se réfère maintenant a la figure 3, celle-ci représente un troisième type de noyau (22) destiné au moule (30), conformé pour définir un passage d'air de refroidissement non radial et plus complexe dans l'aube ou l'ailette de la turbine. Le noyau (22) comprend un élément externe de noyau (24) de forme tubulaire, réalisé en silice et comportant trois sections en ligne droite (24a, 24b, 24c) reliées par des parties courbes (25a, 25b). Dans les alésages des sections en ligne droite (24a, 24b, 24c) de l'organe tubulaire en silice (24) sont montés des organes de support cylindriques (26a, 26b, 26c) réalisés en alumine et qui peuvent y coulisser étroitement. Les organes de support en alumine (26a, 26b) s'étendent à partir des extrémités opposées de l'organe tubulaire en silice (24) sensiblement jusqu'au niveau des parties courbes (25a) et (25b) respectivement, et l'organe de support en alumine (25c) s'étend sensiblement sur toute la longueur située entre les parties courbes (25a) et (25b). Le noyau (22) peut être réalisé en insérant dans le noyau tubulaire de silice et en ligne droite les organes de support en alumine (26a, 26b, 26c), en chauffant la silice aux endroits des parties courbes (25a, 25b) et en formant ces parties courbes. Ainsi, les organes de support en alumine (26a, 26b et 26c) maintiennent le reste du noyau de silice en ligne droite et facilitent la réalisation de parties courbes prononcées dans le noyau de silice. De façon typique, l'organe tubulaire de silice (24) et les organes de support cylindriques en alumine (26a, 26b, 26c) ont les mêmes diamètres que le premier noyau (2) et que le second noyau (12). Dans le cas des noyaux représentés aux figures 2 et 3, les parties en ligne droite des noyaux pénètrent dans la céramique du moule à chaque extrémité, et il faut tenir compte de la dilatation longitudinale des tiges d'alumine par rapport aux tubes de silice. Les tiges d'alumine se dilatent alors en se rapprochant aussi près que possible des parties courbes1 et elles sont disposées de manière qu'à la température de fonctionnement maximale, les tiges d'alumine ne vien- nent pas se coincer dans les parties courbes Si l'on se réfère maintenant à la figure 4, celle-ci représente un quatrième type différent de noyau (32) destiné au moule (30), semblable au premier noyau (2) et destiné a définir un passage d'air de refroidissement en ligne droite dans une aube ou une ailette.Le noyau (32) comprend un élé ment de noyau externe (34) dont la forme tubulaire est en li gne droite et dont la gaz section est elliptiquefl et il comporte à l'intérieur deux alésages cylindriques espacés (35) dispo- ses en parallèle. L'élément tubulaire du noyau (34) est réalisé en silice.Dans chacun des alésages (35) est disposé un organe de support cylindrique (36) réalisé en alumine et pouvant y coulisser étroitement. Chaque organe de support en alumine (36) s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'or gane tubulaire en silice (3k)- Par exemple, l'organe tubulaire de silice (34) de section elliptique a un axe principal dont la longueur est d9en- viron 3,30 mm et un axe secondaire dont la longueur est d'en- viron 0,91 mml les alésages (35) ayant un diamètre d'approximativement 0,63 mm et les organes de support cylindriques en alumine ont un diamètre d'approximativement 0,05 mm En utilisation, on insère un noyau (2, 12, 22 ou 32) dans le moule (30) qui. est conformé pour produire une aube ou une ailette de turbomachine à gaz. Le moule (30) peut être ré- alisé de toute manière habituelle en utilisant le procédé à la cire perdue, ou un procédé de moulage par transfert. Le noyau est fixé par l'une ou ses deux extrémités au moule (30) dans un alésage (40)destiné à corriger la dilatation thermi que entre le noyau et le moule et qui maintient le ou les organes de support dans le ou les alésages de ltorgane tubulaire de silice.Dans le cas du premier et du quatrième noyau (2 et 3), on a constaté qutil suffisait, pour des noyaux ayant une longueur pouvant atteindre 30,48 cm, de fixer les noyaux par une extrémité seulement5 mais dans le cas du second et du troisième noyau (12 et 22) il peut être souhaitable de fixer ce noyau par ses deux extrémités Le moule (30) est alors rempli d'un super-alliage de nickel fondu présentant la composition désirée et que l'on laisse refroidir, et i'aube -u l'ailette refroidie (non représentée) est retirée du moule. Dans ie cas du premier, du second et du- quatrième noyau (2, 12 et 32), ltorgane de support (6), les organes de support (i6a, 16b) -et les organes de support (35, 36) respectivement sont alors retirés en les faisant simplement glisser de leurs organes tubulaires de silice respectifs (4, 14 et 34), et l'organe tubulaire de silice est alors retiré de manière connue de façon à laisser l'aube avec son passage d'air de refroidissement0 Dans le cas du troisième noyau (22), les organes de support (26a et 25b) sont retirés en les faisant glisser par leurs extrémités respectives de l'organe tubulaire de silice (24), laissant l'organe de support (26c) retenu dans la section (24c).L'organe tubulaire de silice (24) est alors retiré de manière connue, laissant l'organe de support restant (26c) retenu dans la section (24c), mais exposé alors sur tous les cotés. L'organe de support restant et exposé (26c) est finalement façilement retiré de manière à obtenir l'aube avec son passage dsair de refroidissement. Ce retrait de l'alumine peut etre réalisé avantageusement en utilisant le procédé de la demande de brevet PCT/GB n0 81 0021S publiée sous le h W082/01144, qui est incorporée à la présente en tant que référence. On comprendra que bien que dans les exemples ci-dessus les organes externes du noyau soient tous de forme tubulaire, l'invention n'est pas limitée à de telles formes et qu'elle est applicable à des noyaux creux de formes et de configurations variées. On comprendra également que bien que dans les exemples ci-dessus, les organes de support soient représentés 8'étend dant entre les extrémités des' organes externes des noyaux, ces organes de support puissent etre enfermés à l'intérieur des organes externes des noyaux. La dimension du jeu réservé entre l'organe de support et la paroi interne de ltorgane tubulaire détermine le degré de courbure auquel le noyau de silice peut être soumis au cours du processus de moulage. Ainsi, quand on maintient le jeu à un minimum de par exemple 0,025 mm à la température élevée du moulage, on peut réaliser des passages de refroidissement positionnés de façon très précise. La présente invention permet le moulage de composants tels que des aubes et des ailettes de turbomachines en des super-alliages et en utilisant des techniques de solidification directionnelle,de manière à produire des composants à grains en colonne ou à cristal unique et comportant des passages de refroidissement s'étendant radialement et définis avec grande précision, pouvant passer par une extrémité seulement de l'aube ou-de l'ailette. La présente invention permet également le moulage d'aubes ou d'ailettes munies de passages de refroidissement (44) contenant des parties courbes qui, comme décrit précédemment semblaient impossibles à obtenir d'une manière pratique et économique (voir l'aube (42), figure 5). Pour réaliser le noyau, on peut utiliser d'autres matériaux que ceux qui ont, été décrits. L'organe creux externe doit pouvoir hêtre retiré du métal coulé et doit 'étire déformable quand on doit réaliser un noyau non linéaire. Bien que lton préfère la silice, on peut cependant utiliser certaines céramiques de verre, le matériau de support interne doit etre rigide et conserver sa résistance au-delà de 15000C pour mouler des composants solidifiés directionnellement. Il n'est pas né-cessaire qu'on puisse le retirer, mais il ne doit pas réagir avec l'organe creux externe et pouvoir conserver sa liberté et coulisser quand il est soumis à des dilatations thermiques relatives. En dehors de l'alumine, on peut utiliser de la zirconia ou du nitrure de silicium. Dans cette description, les expressions de "super-allia ge ou de "super-alliage à base de nickel" doivent être-con- sidérées comme comprenant les alliages à base de nickel ou à base de cobalt habituellement utilisés pour la fabrication d'aubes et d'ailettes de turbomachines à gaz et de leurs futurs dérivés, dont de nombreux exemples sont-disponibles sur le marché, y compris les alliages vendus sous les marques WAR}I 200 et MARM 002 par Martin Metals Co. et IN 100 vendu par International-Nickel Co. - REVENDICATIONS 1. - Noyau destiné à définir un passage dans un composant moulé, le noyau (2) comprenant un organe creux (4, t47 24, 34) en matériau réfractaire en céramique pouvant etr-e-re- tiré du composant, et un organe de support (6, 16a, 16b, 26a, 26b, 26c, 36) en céramique présentant un caractère réfractai-re plus important que l'organe creux, caractérisé en ce que l'organe de support est disposé à l'intérieur de l'organe creux et s'étend au moins partiellement à l'intérieur de l'organe creux, avec un léger jeu par rapport à sa paroi interne à la température de fonctionnement du noyau. 2. - Noyau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe creux (4, 14, 24, 34) est en silice. 3. - Noyau selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce- que L'organe creux (4, 14, 24, 34) esten alumine. 4. - Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe de support est réalise en deux parties (16a, 16b) qui s'étendent à l'intérieur de l'or gane creux (14), à partir de ses extrémités opposées 5. - Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que deux ou plusieurs desdits organes de support s'étendent sensiblement parallèlement à l'intérieur de l'organe creux (34), à partir de sa meme extrémités 6. - Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe creux (14) comprend deux sections en ligne droite (14a, db) interconnectées par une partie courbe (15), et en ce que lgorgane de support comprend deux sections en ligne droite (16a, 16b) s'étendant dans 190r gane creux (î4) à partir de ses extrémités opposées et se ter- minant dans une zone voisine de la partie courbe (153 7.-- Noyau selon l'une quelconquè des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe creux (24) comprend au moins trois sections en ligne droite (24a, 24b, 24e), chacune étant interconnectée à une section adjacente par l'intermé- diaire d'une partie courbe (25a, 25b), et en ce que l'organe de support comprend au moins trois sections en ligne droite (26a, 26b, 26c) s'étendant à l'intérieur de chacune des sections en ligne droite du corps creux (24), et se terminant dans une zone adjacente aux parties courbes respectives (25a, 25b). 8. - Procédé de moulage d'un composant, caractérisé en ce qu'il consiste a- réaliser un moule comportant une cavité de moulage ayant la forme du composant à mouler, disposer à l'intérieur de la cavité de moulage du moule un noyau selon l'une quelconque des revendications précédentes, remplir le moule avec du matériau fondu du composant et laisser le matériau du composant se solidifier, retirer le noyau du composant. g - Procédé de moulage d'un composant selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que l'organe creux du noyau qui est disposé dans la cavité de moulage du moule comprend deux sections en ligne droite interconnectées par une partie -courbe, en ce que l'organe de support comprend deux sections en ligne droite s'étendant dans l1organe creux à partir de ses extrémités opposées et se terminant dans une zone voisine de la partie courbe, et en ce qu'en plus de l'étape du retrait du noyau hors du composant, il comprend les étapes consistant à retirer les sections de ltorgane de support des extrémités opposées de l'organe creux et ensuite å retirer l'organe creux du composant. 10. - Procédé de moulage d'un composant selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organes creux du noyau qui est situé dans la cavité de moulage du moule comprend au moins t:r-ois sections en ligne droite dont chacune est interconnec- tée à une section adjacente par l'intermédiaire d'une partie courbe, en ce que l'organe de support comprend au moins trois sections en ligne droite, s t s'étendant respectivement dans les sections en ligne droite du corps creux et se terminant dans une zone voisine des parties courbes respectives, et en ce que l'étape de retrait du noyau à partir du composant comprend lec tapes consistant à retirer toutes les sections accessibles de l'organe de support à partir des extrémités opposées de ltorgane creux, retirer l'organe creux du composant et retirer les parties restantes de l'organe de support du composant. 11. - Procédé de moulage d'un composant selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'étape consistant à laisser le matériau fondu du composant se solidifier consiste à refroidir le matériau fondu à partir d'une extrémité du composant seulement, de manière à produire un composant solidifié directionnellement. 12. - Procédé de moulage d'une aube ou d'une ailette d'une turbomachine à gaz en super-alliage selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'aube ou l'ailette a une structure à grains en colonne. 13. - Procédé de moulage d'une aube ou d'une ailette de turbomachine à gaz en super-alliage selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'aube ou l'ailette a la forme d'un cristal unique0