Brevet FR2524830A1 — publié le 19831014

L'invention concerne des opérations de moulage par en- robage et plus spécifiquement un procédé et des moyens pour supporter des noyaux et analogues pendant la formation de ces articles moulés La fonction de support est prévue tout particulièrement pour éviter des mouvements ou des déplacements du noyau pouvant survenir au cours des diverses étapes du procédé. Le moulage par enrobage est souvent employé pour 5 pro- duire des articles moulés comprenant un ou plusieurs/internes. Les aubes et ailettes de turbines sont des exemples d'articles moulés comprenant des parties internes creuses ayant pour fonction de déterminer le refroidissement des aubes ou des ailettes pendant leur fonctionnement. Pour créer les passages internes, il est nécessaire d'utiliser des noyaux dont la composition est habituellement en céramique Généralement, les noyaux comportent des "em- preintes" s'étendant au delà de la partie qui définit la paroi de l'article à mouler, de manière que ces "empreintes" soient noyées dans le matériau en céramique utilisé pour former le moule Lorsque le métal est introduit dans la cavité du moule, les extrémités supportées ont tendance à éviter le déplacement du noyau qui déterminerait un positionnement incorrect du passage à former Par exemple, si un noyau est incurvé lors- qu'il rencontre le métal fondu qui est introduit dans un moule, l'épaisseur de la paroi qui sépare l'extérieur de l'article moulé du passage interne devient beaucoup trop faible. A mesure que les exigences de performance imposées aux aubes et ailettes de turbines augmentent, les mesures prises pour leur refroidissement et de ce fait le type des passages formés dans ces articles deviennent plus compliquées. Le résultat est que l'on a constaté que le support des noyaux déterminé par le moule environnant est inadéquat car même de petites déviations du noyau par rapport à sa position préférée peut provoquer la formation de pièces de rebut De plus, on a constaté que la déviation des noyaux par rapport à un emplacement désiré peut avoir lieu lors du retrait du modèle, au cours du durcissement des moules de céramique ou lors du préchauffage à température élevée des moules de céramique. Le déplacement du noyau au cours du moulage a plus de chances d'avoir lieu lorsque ks articles moulés sont réalisés sous forme de monocristaux ou en utilisant des procédés mettant en oeuvre une solidification directionnelle Dans ces cas, le métal fondu est introduit de façon plus douce, mais le moule qui contient le noyau est à une température élevée lorsque le métal y est versé, et le moule est maintenu dans cette condition pendant une longue durée Naturellement, les perturbations apportées à la position du noyau lors du retrait du modèle et du durcissement du moule sont également un facteur à considérer. Plusieurs essais ont été effectués pour procurer des moyens pour supporter les noyaux indépendamment du support déterminé par un moule Les supports en chapelets tels que décrits dans le brevet Gibson NI 2 096 597 représentent des techniques de support de noyaux de l'art antérieur qui sont bien connues D'autres techniques mises au point spécialement pour être utilisées avec des moules de céramique sont décrites dans le brevet Bishop N 3 596 503 et dans le brevet Rose No 3 659 645 Mais il est clair, quand on passe cet art antérieur en revue, que le souci principal vient des per- turbations apportées à la position du noyau lors de la coulée du métal Le déplacement du noyau lors du retrait du modèle, pendant le durcissement du moule ou pendant le préchauffage du moule n'est pas abordé. Ces systèmes de l'art antérieur ont également ignoré les problèmes associés au métal positif laissé sur les surfaces de l'article moulé par les empreintes du support en chapelet dans le moule Ces problèmes comprennent, bien que ceci ne constitue pas une limite, la finition, le contrôle des dimensions, le contrôle des inclusions, la nucléation et la recristallisation Spécifiquement, les dispositifs de l'art antérieur ont utilisé des supports en chapelet et analogues s'étendant dans le matériau en céramique du moule, l'espace occupé par ce matériau étant rempli par le matériau coulé alors que le support en chapelet ou tout autre support se dissolvait au cours de l'opération de moulage Ceci laissait des protubérances sur la surface moulée, et celles-ci devaient être éliminées par une opération de finition. Selon l'invention, des supports de noyau sont associés à un ou à des noyaux dans une matrice de modèle Le matériau du modèle est introduit dans la matrice de manière à entourer le noyau et les supports qui lui sont associés Habituellement, les parties du noyau s'étendent au delà de la cavité de-la matricede manière que ces parties du noyau soient noyées dans le matériau en céramique qui est formé autour du modèle après retrait du modèle de la matrice. Lors du retrait subséquent du modèle, les supports du noyau servent à supporter le noyau et lui éviter des dé- placements De même, lors du durcissement du moule de céramique et à la température élevée du préchauffage, les supports de noyau restent en place, ce qui fait que les contraintes thermiques imposées aux éléments de noyau peuvent être absorbées par les supports de noyau, le déplacement du noyau étant ainsi éliminé ou réduit au minimum. De préférence, les supports du noyau sont en métal, dont le point de fusion est situé au-dessus du point de fusion du métal qui est moulé Ceci détermine un support pour les noyaux au cours des étapes restantes de l'qération de moulage telles que le préchauffage du moule, mais le matériau du support se diffuse cependant rapidement et se dissout lorsque le métal fondu est versé dans le moule. Lorsque l'article moulé est solidifié, les supports du noyau ne laissent aucune protubérance sur la surface moulée En conséquence, il n'est pas nécessaire d'avoir recours à des opérations de finition destinées à éliminer de telles irrégularités, et, comme noté, on évite également d'autres défauts de moulage. L'invention sera maintenant décrite plus en détail avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation de la combinaison d'un modèle et d'un noyau de conception classique; la figure 2 est une vue en coupe d'un moule en céramique montrant les noyaux et les supports de noyau dans une cavité du moule; la figure 3 est une vue en élévation, fragmentaire et verticale de la structure représentée à la figure 2 la figure 4 est une vue en coupe d'un moule de céramique montrant d'autres formes de noyaux et de supports de noyaux la figure 5 est une vue en coupe d'un moule montrant une autre forme de noyau et de support de noyau; la figure 6 est une vue en élévation verticale fragmentaire selon la ligne 6-6 de la figure 5; la figure 7 est une vue en coupe d'un moule montrant une autre forme encore de noyau et de support de noyau, et la figure 8 est une vue en élévation verticale selon la ligne 8-8 de la figure 7. La figure 1 est proposée pour servir d'illustration générale d'une combinaison constituée par un modèle et un noyau qui est du type généralement utilisé dans la technique de moulage en question Le modèle ( 10) peut être constitué par un matériau de composition connue en cire ou autre, qui s'élimine à la chaleur Le noyau ( 12) comprend habituellement un organe en céramique résistant à la température du métal fondu et autres conditions du moulage que l'on rencontre habituellement lorsqu'on réalise des pièces moulées a passages internes On comprendra que le noyau ( 12) présente (dans la zone entourée par le modèle) des dimensions correspondant aux dimensions désirées pour le passage interne à former dans la pièce moulée. Les extrémités ( 14) et ( 16) du noyau sont exposées pour déterminer un support pour le noyau lors de l'opération de moulage Ainsi, selon la pratique courante, l'ensemble de la figure 1 est soumis à un revêtement par plongée en vue de la formation d'une coquille de céramique formant le moule autour de l'ensemble Le matériau de céramique recouvre les extrémités ( 14) et ( 16) du noyau de manière qu'après retrait du matériau du modèle, le noyau soit maintenu en place à ses extrémités par le moule. Les figures 2 et 3 représentent un moule en céramique ( 18) dans lequel sont définies és cavités ( 20) Dans ce cas, plusieurs éléments de noyau ( 22) sont disposés à l'intérieur de la cavité du moule, et il est envisagé que ces éléments de noyau soient supportés, à leurs extrémités, par le moule de la manière décrite avec référence à la figure 1 Ces éléments é noyau ont cependant une dimension en section transversale relativement faible, et leur longueur est importante par comparaison à leur section transversale On comprendra donc que lorsqu'ils sont soumis à certaines conditions de fonctionnement, ces noyaux aient tendance à se courber ou se tordre de toute autre manière par rapport aux surfaces adjacentes de la cavité du moule Il est clair que tout déplacement d'un élément de noyau par rapport à la surface du moule provoque une modification d'épaisseur de la paroi de l'article moulé qui entoure le passage interne développé par le noyau En raison de la nécessité d'un contrôle de précision des épaisseurs des parois, un degré élevé de rebuts peut avoir lieu lorsqu'il y a dé- placement des éléments de noyau. Selon le mode de réalisation de l'invention présenté aux figures 2 et 3, il est prévu un support ( 24) pour les éléments b noyau ( 22) Dans ce cas, le support consiste en un fil métallique enroulé autour des éléments de noyau d'extrémité et s'étendant contre les éléments de noyau restants, sur chacun de leurs côtés. Lors de la mise en oeuvre de l'invention,Jes éléments de noyau sont disposés dans une matrice de modèle, le support ( 24) étant disposé comme montré sur le dessin. L'injection de cire ou de tout autre matériau pour modèle sert a noyer le fil métallique ( 24) à l'intérieur du modèle, et l'ensemble est alors prêt pour recevoir les revêtements par immersion que l'on utilise habituellement pour former une coquille de moule. Après formation de la coquille du moule, on chauffe suffisamment le moule pour permettre le retrait du modèle. Au cours de cette étape, le support ( 24) sert à réduire ou à éliminer la déflexion des minces noyaux ( 22) Ensuite, le moule est solidifié à température élevée selon la pratique courante et le support ( 24) sert également à réduire au minimum ou à éliminer toute déflexion qui pourrait être pro- voquée par la manipulation ou par les contraintes thermiques. On comprendra que pour illustrer clairement le support ( 24), ce support soit représenté espacé des noyaux ( 22) Dans la pratique, le fil métallique qui forme le support est enroulé assez étroitement et est en contact ou presque en contact avec les noyaux, et les extrémités ( 25) au moins sont en contact avec les parois de la cavité Comme cela apparaîtra plus clairement lorsqu'on considérera d'autres modes de réalisation, d'autres parties du fil métallique peuvent être pliées vers l'extérieur pour venir en contact avec la paroi de la cavité du moule et déterminer un support additionnel. Les opérations de moulage subséquentes impliquent l'introduction du métal fondu dans la cavité ( 20) du moule. De préférence, le support ( 24) est constitué en métal dont le point de fusion est supérieur au point de fusion du matériau moulé En particulier du fait que le fil métallique ou tout autre support utilisé a des dimensions très réduites, le support se diffuse rapidement et se dissout, le matériau de support perdant ainsi complètement, ou en très grande partie, son identité dans la mesure ou l'article moulé final est concerné. Selon l'invention, on utilise plus particulièrement du platine, ou des métaux du groupe du platine tels que du rhodium, du palladium, de l'iridium, de l'osmium ou du ruthénium, pour constituer les supports de l'invention On peut également utiliser d'autres éléments métalliques ainsi que des alliages compatibles avec le matériau moulé En ce qui concerne ce dernier, on peut utiliser divers super- alliages compatibles avec les alliages utilisés pour le moulage d'aubes et d'ailettes de turbine. La figure 4 représente une variante de l'invention o les noyaux ( 26, 28 et 30) sont supportés dans la cavité ( 32) du moule ( 34) en céramique Le noyau ( 26) est supporté par un support ( 36) s'étendant entre les surfaces opposées de la paroi du moule On comprendra que ce support évite pratiquement la déflexion du noyau ( 26) dans toutes les directions. Le support ( 38) destiné au noyau ( 28) comprend une nervure ( 40) s'étendant à l'intérieur d'une ouverture cor- respondantec&finie dans le noyau ( 28) Cette combinaison assure le positionnement du support ( 38) à l'emplacement approprié, le long de la longueur du noyau ( 28) En outre, cette façon de fixer le support au noyau interdit le délogement du support lorsque des forces et des contraintes diverses se manifestent lors des opérations subséquentes Du fait que le support ( 38) doit se dissoudre au cours du moulage, la sur- face occupée par la nervure ( 40) se remplit du matériau coulé et déermine une nervure correspondante sur la surface du pas- sage interne de l'article moulé Cette nervure ne joue aucun rôle dans le fonctionnement de l'article moulé et peut donc rester en place. Le noyau ( 30) est représenté supporté par ses rebords opposés au moyen de supports indépendants ( 42 et 44) On comprendra que tout noyau sujet à une déflexion en largeur en plus d'une déflexion en longueur puisse être muni d'un sup- port suffisant pour éviter des désaccords entre les dimensions. Les supports ( 36, 38, 42 et 44) peuvent présenter des dimensions longitudinales de l'ordre de grandeur de celles du support en fil métallique ( 24) représenté à la figure 3. Ainsi, le but principal visé par les supports est d Iviter des mouvements du noyau le rapprochant et l'éloignant des parois du moule et même un contact ponctuel par un support suffit pour atteindre ce but Le fil métallique ( 24) peut présenter, par exemple, un diamètre de 0,508 mm, et les dimensions en largeur et longueur des supports montrés sur les autres figures peuvent être i cet ordre de grandeur. Les figures 5 à 8 montrent d'autres variantes des concepts de l'invention Aux figures 5 et 6, un noyau ( 46) est maintenu en position au moyen d'un support ( 48) Ce support comprend une nervure ( 50) reçue à l'intérieur d'une ouverture de dimensions correspondantes et définie dans le noyau ( 46) On comprendra que la présence du support évite pratiquement toute déflexion 'du noyau par rapport aux surfaces de la cavité définies par le moule ( 52). Le support des figures 5 et 6 est pratiquement en contact ponctuel avec le noyau ( 46) et en contact circonfé- rentiel avec le moule Dans l'agencement des figures 7 et 8, un noyau ( 54) est en contact circonférentiel avec un support ( 56) Les parties ( 58) du support qui sont orientées dans des directions opposées sont en contact avec la surface ( 60) définie par le passage interne du moule( 62) Cette combinaison évite également pratiquement toute déflexion du noyau par rapport aux parois adjacentes du moule. Les modes de réalisation représentés aux figures 2 à 8 ne sont indiqués qu'à titre d'illustration, et il est possible d'utiliser des supports de noyau présentant de nombreuses configurations différentes, en fonction de la nature particulière du noyau en cause De nombreux noyaux présentent des ouvertures ou des irrégularités qui se prêtent facilement à la fixation des supports de noyau, et la forme donnée aux supports dépend de la configuration de ces ouver- tures ou irrégularités- Mais à titre de propositon générale, toute configuration de support comprenant un tenon, un fil métallique, une griffe ou analogue peut être envisagée dans la mesure o cet organe peut être disposé entre un noyau et une paroi adjacente de moule de manière à maintenir un espacement précis entre le noyau et la paroi du moule. Lorsqu'on calcule les dimensions du support, il faut tenir compte des caractéristiques de dilatation thermique relatives des matériaux en cause. L'invention envisage également qu'un support puisse être disposé entre des noyaux adjacents, comme illustré à la figure 2, le support maintenant l'espacement entre les noyaux adjacents Ces supports d'espacement de noyaux peuvent faire partie intégrante du support s'étendant entre le support et la paroi du moule, ou bien on peut utiliser un support d'espacement de noyaux totalement indépendant. L'utilisation de supports de dimensions relativement faibles est également intéressante du point de vue de l'éco- nomie que l'on peut faire Quand on utilise du platine ou autre métaux précieux, il est naturellement préférable qu'une quantité minimale de métal soit dissoute dans l'article moulé final En outre, les propriétés de l'article moulé peuvent être affectées lorsqu'il contient de grandes quantités d'un matériau ne formant pas un alliage, ce qui constitue une raison de plus pour réduire au minimum la quantité de matériau utilisée pour les supports. Finalement, il convient également de noter que les supports de la présente invention sont d'abord contenus en totalité à l'intérieur du matériau du modèle, et sont contenus en totalité à l'intérieur de la cavité du moule après retrait du modèle Ainsi, il n'y a pas de matériau de support s'étendant à l'intérieur de la paroi du moule, ce qui est le cas avec les systèmes de l'art antérieur utilisant des supports en chapelets et analogues Le système de la présente invention utilise donc moins de métal pour réaliser les supports de noyaux, ce qui, comme indiqué, représente une économie En outre, les supports de l'invention ne se dissolvent pas dans la paroi du moule, laissant ainsi une cavité dans la paroi du moule qui doit être remplie avec l'alliage de l'article moulé Les systèmes de l'art antérieur laissent en fait de telles parties moulées en saillie qui doivent être meulées ou soumises à touter autre opération de finition de surface. En outre, on a constaté que ces parties moulées en saillie tendent à se ployer ou à se briser lors des manipu- lations Si cela arrive avant le traitement thermique, les Wo surfaces travaillées à froid peuvent engendrer une recristal- lisation et des croissances de grain dépassant une limite acceptable. Le système de la présente invention est particulièrement utile avec les procédés de moulage utilisés pour former des articles moulés solidifiés directionnellement, en particulier des articles moulés monocristallins Dans ces procédés, on utilise habituellement un cristal de départ, et on applique des gradients de température de manière que toute la crois- sance du cristal progresse unidirectionnellement à partir d'un point de départ particulier Grâce aux supports du type envisagé par la présente invention, le matériau qui forme les supports se dissout rapidement, ce qui fait que la présence des supports n'interfère pas avec la croissance désirée du cristal Les chapelets et analogues utilisés dans l'art antérieur comprennent des parties qui s'étendent à l'intérieur du moule, et quand ces parties sont fondues il y a tendance que l'ouverture en résultant dans la paroi du moule provoque une zone de nucléation ou de recristallisation Ceci perturbe le modèle de croissance des grains, ce qui fait que les techniques de l'art antérieur ne peuvent pas être utilisées efficacement pour la formation des monocristaux et analogues. On comprendra que diverses modifications et variantes puissent être apportées à l'invention décrite ci-dessus sans s'écarter de son esprit. A il REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un article de métal moulé dans lequel est défini au moins un passage interne, du type consistant A prévoir au moins un noyau ( 12, 22, 26, 28, 30, 46, 54) dimensionné selon les dimensions dudit passage, à entourer le noyau d'un modèle ( 10) pouvant être éliminé, à former un moule en céramique ( 18, 34, 52, 62) autour du modèle ( 10), ce qui permet, lorsque le matériau du modèle est éliminé, de déterminer une cavité de moule ( 20, 32) o le noyau est positionné dans la cavité, à solidifier ledit moule, et à couler le métal dans la cavité pour former ledit article ainsi que le passage défini à l'intérieur, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre à prévoir un support ( 24, 36, 38, 42, 44, 48, 56) pour le noyau, ce support étant dimensionné pour correspondre à une dimension de paroi désirée pour l'article moulé, à positionner ledit support sur la surface du noyau, à former ensuite le matériau du modèle ( 10) autour du noyau ( 12, 22, 26, 28, 30, 46, 54), à former le moule de céramique ( 18, 34, 52, 62) autour du modèle ( 10), et à éliminer le matériau du modèle, le support ( 24, 36, 38, 42, 44, 48, 56) maintenant le noyau en position et lui interdisant tout déplacement au cours du retrait du modèle et au cours des opérations subséquentes de durcissement du moule et de moulage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support ( 36, 38, 42, 44, 48, 56) est dissout dans l'article métallique moulé après coulage du métal dans la cavité ( 32). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support ( 24) est constitué par un élément métallique. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support ( 24) est en platine. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir un support ( 42, 44) sur les côtés opposés du noyau ( 30). 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir un support ( 36) contre le bord d'un noyau ( 26). 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des noyaux ( 22) séparés sont disposés à une certaine distance les uns des autres dans la cavité ( 20), et en ce qu'un support ( 24) s'étend entre lesdits noyaux ( 22) pour les maintenir et leur interdire tout déplacement les uns par rapport aux autres. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'article en métal moulé est solidifié directionnellement. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit article en métal est constitué par un monocristal. 10. Support destiné à être utilisé pour la fabrication d'un article métallique moulé dans lequel est défini au moins un passage interne qui est prédéterminé en disposant au moins un noyau ( 12, 22, 26, 28, 30, 46, 54) dimensionné selon les dimensions du passage à l'intérieur d'un modèle ( 10) pouvant être éliminé, et à former un moule en céramique ( 18, 34, 52, 62) autour du modèle ( 10), ce grâce à quoi, lorsque le matériau du modèle ( 10) est éliminé, on obtient une cavité de moule ( 20, 32) et le noyau positionné à l'intérieur de la cavité, le support ( 24, 36, 38, 42, 44, 48, 56) étant dimension- ne pour correspondre à une dimension désirée de la paroi de l'article moulé, et ledit support étant positionné sur la surface du noyau pendant le formage du matériau du modèle ( 10) autour du noyau ( 12, 22, 26, 28, 30, 46, 54) et pendant le formage du moule de céramique ( 18, 34, 52, 62) autour du modèle ( 10) le support maintenant ainsi le noyau en position et lui interdisant tout déplacement pendant le retrait du modèle et pendant les opérations subséquentes de durcissement du moule et de moulage. 11 Support selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément ( 24) en fil métal- lique. 12. Support selon la revendication 11, caractérisé en ce que plusieurs noyaux ( 22) sont disposés à une certaine distance les uns des autres à l'intérieur de la cavitg ( 20), et en ce que l'élément ( 24) constitué par un fil métallique est enroulé entre au moins certains des noyaux ( 22) de manière A maintenir les noyaux adjacents et leur interdire tout déplacement les uns par rapport aux autres. 13. Support selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est apte A être dissout dans l'article m 6 tallique moulé après coulage du métal dans la cavité ( 32). 14. Support selon larevendication 13, caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément métallique. 15. Support selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est réalis 6 en platine.