Brevet FR2532570A1 — publié le 19840309

Perfectionnements aux noyaux céramiques de base non siliceuse pour moulages, et procédé de moulages La présente invention est relative à des noyaux céra- miques de base non siliceuse pour moulages et à un procédé de moulage. Pour le moulage de pièces creuses de moteurs à turbi- nes à gaz, par exemple des aubes et des pales de turbine, le matériau utilisé traditionnellement pour la réalisation des noyaux céramiques était la silice qui est à la fois très réfractaire et facile à extraire hors des pièces moulées par dissolution dans des solutions de bases caustiques Or, l'évolution récente dans le domaine des aubes et des pales pour turbines à gaz conduit à l'utilisation de pro- cédés de solidification orientée dans lesquels les noyaux céramiques sont soumis à des températures élevées pendant des durées beaucoup plus longues et on a constaté que les noyaux de silice peuvent alors se déformer, ce qui augmente d'une manière considérable, dans ces procédés de moulage, la pro- portion des pièces a mettre au rebut. On a donc été conduit à envisager, pour l'application de ces procédés, des produits de remplacement très réfrac- taires, par exemple Ilalumine O Le problème qui se pose pour les matéf 1 iux très réfractaires est celui de leur aptitude à être entraînés par dissolution Bien qu'une étude de la littérature chimique montre qu 'il est possible d'écrire la formule d'une réaction chimique qui indique que l'alumine est soluble dans des solutions de bases caustiques (voir, dans la collection des ouvrages de base de l'Institute of Ceramics, un ouvrage de W E Worral intitulé "Raw Materials", page 93), il est de fait que l'alumine que l'on peut trouver dans le commerce, qui est chauffée à haute température et rendue très dense, de mnanière à avoir la résistance mécanique et la réfractarité nécessaires au noyau d'un moulages n'a pas trouvé d'utilisation comme matériau constituant les noyaux en raison des difficultés qu'il y a à l'éliminer en quantité suffisant en pratique par dissolution. On a récemment essayé à plusieurs reprises, d'éliminer ces difficultés C'est ainsi, par exemple, que le brevet britannique N O 1 602 027 décrit un noyau en alumine consti- tué par une masse compacte comportant une partie intérieure spécialement préparée très poreuse qu'il est assez facile d'extraire hors d'un moulage en associant une dissolution à une destruction mécanique. Dans une autre solution, on a utilisé des noyaux cons- titués par un mélange d'alumine et de matériaux plus faciles à dissoudre, comme la silice ou la magnésie On a cependant cons- taté, au moins dans le cas de mélanges d'alumine et de silice que, contrairement a ce que l'on constat lorsqu'on n'utilise que de la silice, lorsque la proportion de silice est de 20 à %, la solubilité des noyaux diminue à mesure que la con- centration des sels augmente Donc, alors que la silice seule se dissout plus rapidement dans des bases plus concentrées et qu'il est connu qu'elle se dissout dans une base caustique an- hydre fondue un mélange de silice et d'alumine contenant la même quantité de chacune de ces substances ne peut pratique- ment pas être extrait hors de pièces moulées par dissolution dans des solutions de bases concentr 5 es Ce fait peut s'expli- quer par la formation d'alumino-silicates insolubles qui, dans les petites cavités de la pièce moulée, empêchent la solution de bases d'atteindre la surface du noyau. Dans sa demande de brevet britannique NI 80 32060, la Demanderesse décrit un procédé permettant d'extraire des noyaux d'alumine hors de moulages au moyen de solutions de bases caustiques, mais l'expérience a montré que l'alumine doit être particulièrement pure pour éviter la formation de composés insolubles qui retardent la dissolution Cependant, bien que l'alumine pure puisse se dissoudre, elle le fait assez lentement et, contrairement à ce qui se passe dans le cas de la silice, l'augmentation de la concentration des so- lutions de bases caustiques ne favorise sa dissolution que jusqu'à un certain point au-delà duquel la solubilité de l'alumine recommence à décroître et a la limite l'alumine est complètement insoluble dans les bases caustiques anhy- dres fondues. Le but de l'invention est de fournir le moyen d'aug- menter la solubilité d'un noyau Céramique constitué par des matériaux autres que la silice. Ce but est atteint, suivant l'invention, du-fait que l'on incorpore au matériau céramique une substance contenant un groupe donneur d'hydrogène et que le mat 6 rrau céramique est mis en contact avec une base caustique anhydre fondue. On entend par group donneur d'hydrogène un groupe-. chimique qui se dissocie pour libérer de l'hydrogène nais- sant pendant la dissolution, par exemple un groupe hydroxy- le, un hydrurie ou de l'eau chimiquement liée. La substance qui contient le groupe donneur d'hydrogène doit, de plus', retenir le groupe aux températures de fabri- cation et d'utilisation du noyau céramique. L'expérience montre que la silice contient des traces d'eau même après avoir été soumise à une fusion électrique et que de faibles additions de silice, par exemple de 2 à 39 % O en poids, à un matériau céramique non siliceux, insoluble dans les bases caustiques anhydres fondues rendent ce maté- riau céramique facilement soluble dans la base anhydre On aboutit donc au résultat surprenant que l'addition d'une faible quantité *de silice à un noyau d'alumine, qui rendrait l'alumine moins soluble dans une solution de base caustique la rend facilement -soluble dans une base caustique anhydre fondue On peut supposer que l'hydrogène libéré par le-groupe donneur d'hydrogène agit comme catalyseur ou réagit de quel- que manière avec l'alumine et la base pour donner un composé soluble dans la base. L'idée essentielle de l'invention, qui est d'incorpo- rer un groupe donneur d'hydrogène dans le matériau céramique lui-même, est applicable à des matériaux céramiques de base non siliceuse autres que J'alumine. Les bases caustiques qu'il y a lieu d'utiliser suivant l'invention, sont de préférence les hydroxydes de sodium, de potassium ou de lithium ou des mélanges de ces substances, On peut cependant utiliser également d'autres hydroxydes d'éléments appartenant au même groupe de la classification périodique des éléments. Pour confirmer la découverte, on a préparéplusieurs éprouvettes à partir d'une poudre d'alumine chauffée à une température supérieure a 1600 C La poudre a été mélangée à environ 2 à 3/o en poids de poudre de silice et l'on en a fait des barres de 2 mm x l Omm x l O Omm par un procédé clas- sique consistant à ajouter au mélange un liant résineux et à l'injecter dans une matrice Les barres ont ensuite été chauffées à 15000 C pour réaliser un produit réfractaire de grande résistance mécanique. Les barres ont été plongées dans un mélange liquide constitué par 40 % d'hydroxyde de sodium anhydre fondu et % d'hydroxyde de potassium anhydre fondu, à 2001 C environ, et en l'espace de 15 minutes, 10 mm de-barre s'étaient dis- sous. Des barres de même longueur, constituées par de l'alu- mine chauffée a haute température ont été plongées dans le même mélange de bases caustiques anhydres fondues et aucune dissolution décelable n'a été observée au bout de quatre heures. La proportion optimale de silice a ajouter à l'alumine peut varier de 1/2 % à 10 % en poids, mais il est préférable de rester au voisinage de la limite inférieure, par exemple entre 2 et 3 %, puisque la présence d'une trop grande quanti- té de silice en présence d'aluminium peut provoquer la for- mation d'alumino silicates insolubles qui ne peuvent que retarder la dissolution Un autre avantage de l'utilisation d'une faible addition de silice réside dans le fait qu'elle a pour effet d'augmenter la résistance mécanique d'un noyau d'alumine préformé chauffé à basse température. Il est évident que le taux de mélange des bases peut être modifié depuis l'hydroxyde de sodium pur jusqu'à l'hy- droxyde de potassium pur de manière a obtenir les meilleurs résultats et que la température du bain peut également être modifiée de-manière à obtenir le résultat optimal dans cha- que case REVEN Di CATIONS 1. Procédé de moulage, caractérisé en ce qu'il com- porte les opérations successives suivantes: fabrication d'un noyau contenant 90 à 99,5 % en poids d'un premier matériau céramique de base non siliceuse asso- cié à 10 % à 0,5 %, en poids d'un deuxième matériau contenant un groupe donneur d'hydrogène, -introduction du noyau dans un moule de fonderie, coulée du matériau devant constituer la pièce mou- lée dans le moule de manière à entourer le noyau et soli- dification ultérieure de ce matériau pour la réalisation de la pièce à mouler, extraction de la pièce moulée hors du moule et mise en contact du noyau avec une base caustique anhydre fonduede manière à faire sortir par dissolution le noyau hors de la pièce. 2. Procédé de moulage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le premier matériau-céramique de base non siliceuse est de l'alumine. 3 Procédé de moulage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le deuxième matériau est de la silice. 4. Procédé de moulage selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la teneur en silice varie entre 2 % et 3 % en poids. 5 Procédé de moulage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le donneur d'hydrogène est de ll'eau. 6. Procédé de moulage selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le donneur d'hydrogène est un groupe hy- droxyle ou hydrure. 7 Noyau de fonderie fabriqué par mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications i à 6.