Brevet FR2652299A1 — publié le 19910329

La présente invention concerne la fabrication d'objets creux et plus particulièrement le remplissage et l'obturation étanche d'objets creux avec de la mousse afin d'empêcher que des agents contaminants ne pénètrent dans l'objet creux au cours d'un traitement subséquent. Bien que l'invention soit décrite à propos d'ailettes et d'aubes de turbomoteurs, elle ne doit être en aucune façon limitée à cette application. Le procédé peut être aisément utilisé avec n'importe quel objet creux qui n'est pas affecté d'une manière néfaste par le matériau de remplissage et qui peut résister au processus d'élimination de ce matériau. De nombreux composants d'un turbomoteur ont une forme complexe. Les ailettes et aubes comportent souvent un noyau creux pourvu de cavités formées pour le passage d'air de refroidissement. Pendant la fabrication de tels composants, des agents contaminants tels que des éléments métalliques lourds, des produits chimiques de traitement, de la poudre abrasive, des grains de grenaillage, un matériau de revêtement (formant barrière thermique, abrasive, érodable) et des copeaux métalliques, entre autres choses, peuvent être piégés dans les cavités du noyau. L'élimination de ces agents contaminants, si toutefois cela est possible, constitue un travail long et fastidieux, fréquemment exécuté manuellement. Souvent des particules logées dans le composant ne peuvent pas être éliminées par des procédés conventionnels, ce qui se traduit par des composants rejetés et réusinés. Un but de la présente invention est de fournir un procédé permettant d'améliorer le rendement de fabrication en évitant que des agents contaminants indésirables ne pénètrent dans des objets creux. La présente invention est relative au remplissage de cavités présentes dans des objets creux, telles que les cavités complexes dans une ailette ou une aube de turbine, Après le moulage et avant une autre étape de fabrication ou de revêtement (appelée ci-après "fabrication" d'une manière générale) afin d'éviter une contamination. Ceci est réalisé en remplissant les cavités au moyen d'un matériau polymère dilatable. Le matériau de remplissage se dilate rapidement dans les cavités, ce qui amène les cavités internes reliées à la surface à être remplies. Le matériau de remplissage est durci en l'exposant à l'air, à la température ambiante. Pendant le durcissement le matériau de remplissage devient une structure rigide à cellules fermées qui est intimement liée aux surfaces internes du composant rempli. Le matériau de remplissage peut être éliminé par diverses techniques, par exemple en chauffant les objets remplis, en provoquant une dégradation du matériau de remplissage, sa gazéification, et sa dissipation, et en le dissolvant au moyen d'un solvant. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue schématique d'une installation mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention. La figure 2 est une vue en perspective, partiellement en coupe, de la poche de distribution utilisée pour canaliser le matériau de remplissage vers et dans une ailette de turbine, et de cette ailette de turbine elle-même. La figure 2A est une vue en perspective partiellement en coupe, d'une ailette de turbine et d'une poche de distribution qui ont été assemblées en vue de leur utilisation suivant l'invention. La figure 3 est une vue en perspective schématique illustrant l'utilisation d'une infiltration sous pression négative dans le procédé suivant l'invention. Pendant la fabrication d'ailettes et d'aubes de turbine, leurs cavités internes peuvent être contaminées. Après la fabrication les agents contaminants doivent être éliminés du composant ce qui constitue en général un travail manuel fastidieux. Une solution possible de ce problème consiste à empêcher la contamination. La contamination des composants peut être évitée en bouchant d'une manière étanche, avant la fabrication, les cavités complexes du noyau qui communiquent avec la surface. L'obturation de ces cavités, suivant l'invention, a pour avantage non seulement qu'elle empêche la contamination, elle accroît l'intégrité des composants, elle diminue le temps de travail et elle réduit l'importance de la décontamination après fabrication, mais encore qu'elle réduit le réusinage et les rejets des composants. Egalement, après l'élimination du matériau de remplissage, si un traitement de fabrication subséquent exige l'exposition de l'objet à des agents contaminants, par exemple lors d'un réusinage, le composant peut être de nouveau rempli. D'importants facteurs qui interviennent pour le choix du matériau de remplissage sont la densité, la qualité de la liaison, le temps de durcissement, le temps et le procédé d'élimination et les effets sur le composant. La densité affecte l'aptitude du matériau de remplissage à l'expansion; lorsque la densité augmente, cette aptitude diminue. La densité ou masse volumique préférée va d'environ 560 kg/m3, une gamme allant d'environ 160 kg/m3 - environ 240 kg/m3 étant plus particulièrement préférée. La liaison intime entre le matériau de remplissage et les surfaces internes des cavités, (à l'endroit o les cavités communiquent avec la surface) empêche que de très fines particules ne viennent se loger dans les cavités entre le matériau de remplissage et le composant. Les durées de durcissement et d'élimination sont importantes pour des raisons de mise en oeuvre pratiques; en effet une durée plus courte augmente la productivité. Une mise en place et une élimination aisées du matériau de remplissage et pour celui-ci une substance qui n'affecte pas l'intégrité du composant, sont également désirables. Une mise en place et une élimination aisées du matériau augmentent la productivité lors de la fabrication. La mise en place ou le remplissage est principalement réalisé en alimentant par gravité l'objet (voir la figure 1) ou, ainsi qu'il est représenté sur la figure 3, par infiltration sous pression négative, suivant le composant. Diverses techniques d'élimination du matériau de remplissage peuvent être employées, telles que la dissolution au moyen d'un solvant ou l'élimination thermique. Puisque l'élimination thermique est préférée, un aspect important du processus d'élimination est la température d'élimination, température qui est supérieure à n'importe quelle température présente sur le composant pendant sa fabrication. Dans le cas d'ailettes de turbine, par exemple, la température d'élimination est comprise de préférence entre environ 650 C et environ 9000C pour des matériaux thermodurcissables. Des températures plus élevées entraînent une réduction de la durée d'élimination mais elles peuvent aussi provoquer un endommagement du composant; des températures plus basses exigent une durée d'élimination plus grande et elles peuvent provoquer la formation de suies ou de cendres, à partir du matériau de remplissage, ce qui entraîne une contamination du composant. Un matériau tel qu'un matériau organique, qui est facilement introduit dans l'objet, rapidement durci et aisément dégradé, gazéifié et dissipé sous l'effet de la température, convient tout particulièrement. On peut utiliser divers matériaux polymères dilatables tels que des composés thermodurcissables, du polyuréthane à base de polyol ou de polyester combiné avec des résines à base d'isocyanate, et des polymères à base de composé thermoplastique ou de silicone combinés avec des agents moussants ou gonflants (appelés ci-après "agents moussants"), tel que l'azodicarbonamide, l'azodicarbonamide modifié, le ptoluènesulfonylsemicarbazide. Pour une utilisation dans des ailettes et aubes de turbine on préfère choisir le matériau connu sous le nom "STEPANFOAM" RM9124 (isocyanate/polyol), un composé thermodurcissable produit par la société Stepan Chemical Company Northfield, Illinois. Le "STEPANFOAM" a une densité de 224 kg/m3 et une durée de durcissement d'environ 10 minutes à la température ambiante. Un aspect important de l'opération de remplissage de composants d'une turbine en utilisant la présente invention est l'accumulation de matériau de remplissage sur la surface de l'objet. Ceci peut créer des problèmes lorsque le composant est encapsulé dans un moule, dans le but de protéger le composant et de le manipuler aisément, ou bien lorsqu'il est traité d'une autre façon. Si la surface du composant rempli est inégale par suite de la présence de morceaux de matériau de remplissage durci, l'ailette ne s'emboîte pas étroitement dans le moule l'enveloppant ou dans un autre outil. Par ailleurs, si le matériau en excès est enlevé, des cellules partielles se trouvent alors exposées en produisant des crevasses dans lesquelles des agents contaminants peuvent se loger. Puisque le matériau de remplissage en excès ne peut pas être enlevé aisément, il est désirable d'avoir une surface relativement lisse après durcissement, de telle façon que les cavités soient obturées d'une manière étanche et que l'ailette/aube puisse être enfermée dans le dispositif l'enveloppant. Ceci est réalisé soit en enveloppant l'ailette/aube dans du papier de moulage ou encore en utilisant un moule, tel qu'un moule à forme auto- adaptable ou un coussin gonflable, qui épouse la forme externe de l'objet de telle façon que tous les passages, à l'exception de l'un d'entre eux, assurant une communication entre la surface et les cavités internes soient recouverts. Le matériau de remplissage thermodurci en excès ne peut pas être coupé, usiné ou éliminé de n'importe quelle façon connue pour permettre un emboîtement approprié dans un moule d'encapsulation, puisque les cellules partielles qui se trouvent alors exposées, peuvent collecter et retenir des agents contaminants. Cependant un matériau de remplissage thermoplastique peut être refondu ou lissé de telle façon que les cellules partielles soient éliminées. La figure 1 est un schéma illustrant un procédé et un appareil pour la mise en oeuvre de la présente invention. Des conteneurs 10 et 20, à la température ambiante, sous une atmosphère d'azote, contiennent respectivement de l'isocyanate et du polyol. Des tuyaux 15 entre les conteneurs 510,20 et une cuve de mélange 30, ainsi que cette cuve de mélange 30 elle-même sont maintenus à une température d'environ 40 C afin d'empêcher que l'équipement n'absorbe de la chaleur. La réaction entre le polyol et l'isocyanate est exothermique. Si la température varie, il y a un changement notable de viscosité qui affecte le débit. Du "STEPANFOAM" , constituant le matériau de remplissage provenant de la cuve de mélange 30, est alimenté par gravité, à travers un orifice 40, vers et dans une ailette de turbine 50 qui est fixée dans un moule de même empreinte 55, ce matériau tombant dans une poche de distribution 60. Dans le cas d'objets ayant des cavités internes qui ont un petit nombre de liaisons avec la surface, le processus est modifié en utilisant une infiltration sous pression négative afin d'être sûre que tous les passages de communication avec la surface sont obturés d'une manière étanche. Les objets sont placés dans une chambre 100 à pression négative (voir la figure 3) la poche de distribution demeurant à l'extérieur de la chambre 100. Comme dans le cas de la figure 1, le matériau de remplissage est introduit, par l'intermédiaire de la poche 60, dans l'ailette 50. Les forces dues à la pression négative contraignent le matériau de remplissage à obturer de manière étanche les petits passages de communication avec la surface. Le processus de brûlage, prévu pour l'élimination de la mousse de remplissage à partir de l'objet, amène le matériau de remplissage à se dégrader, à se gazéifier et à se dissiper. Par exemple dans le cas d'ailettes de turbine remplies avec du "STEPANFOAM", le processus de brûlage est réalisé en portant tout d'abord l'ailette à la température désirée, à une vitesse de 9 C/min, jusqu'à ce qu'elle atteigne 700 C. On maintient ensuite l'ailette à 700 C pendant 30min dans une chambre à travers laquelle circule un débit d'air égal à trois fois le volume de la chambre par minute. Le gaz d'échappement provenant de ce cycle est transmis à un second brûleur à une température de 1000 C, pendant 2 secondes, afin de brûler le gaz restant. Tandis que l'ailette se trouve être chauffée jusqu'à 700 C, le composé organique brûle en donnant du gaz et des cendres. A 700 C les cendres sont brûlées en produisant de l'eau, du cyanure d'hydrogène, de l'oxyde de carbone et du dioxyde de carbone, parmi d'autres produits possibles. Le second brûleur brûle le cyanure d'hydrogène et une partie de l'oxyde de carbone en laissant le gaz d'échappement dans un état inoffensif pour l'environnement. L'un des avantages de l'utilisation d'un agent moussant est révélé pendant le processus d'élimination. Tandis que le matériau de remplissage est sur la voie de la dégradation, ce matériau se dilate et les cellules, produites initialement par l'agent moussant, absorbent la dilatation de la matrice. Si un agent moussant n'était pas employé, la dilatation de la matrice pourrait provoquer des dommages à l'objet. On précisera maintenant la présente invention à l'aide des exemples suivants donnés à titre illustratif. Exemple 1 La procédure suivante peut être utilisée pour remplir une ailette de turbine en superalliage à base de nickel avec la mousse de remplissage du type "STEPANFOAM" (voir la figure 1). 1.- On fixe, sur l'ailette de turbine 50, un moule à empreinte reproduisant le profil de l'ailette. 2.- On préchauffe l'ailette 50 à 55 C. 3.- On maintient les réactifs, à savoir la résine d'isocyanate dans le conteneur 10 et le polyol dans le conteneur 20, à la température ambiante, sous une atmosphère d'azote sec (afin de les empêcher de réagir avec l'eau présente dans l'air). 4.- On alimente les réactifs, à raison de 25 g/min, par l'intermédiaire des tuyaux 15, dans une cuve de mélange , en les maintenant tous les deux à 40 C, et on les mélange pour former du "STEPANFOAM". 5.- On alimente par gravité l'ailette 50 avec 4 grammes de "STEPANFOAM" provenant de la cuve de mélange 30, par l'intermédiaire de la poche de distribution 60. 6.- On laisse durcir le "STEPANFOAM" à l'air, à la température ambiante, pendant 10 minutes. 7.- On peut maintenant encapsuler l'ailette 50, par exemple avec un alliage à bas de point de fusion (ainsi qu'il est bien connu dans la technique), en vue de la fabrication. 8.- Après la fabrication on chauffe l'ailette 50 afin de provoquer la dégradation, la gazéification et la dispersion du matériau de remplissage. Ceci est réalisé en chargeant l'ailette dans un four et en augmentant lentement la température jusqu'à 700 C (à une vitesse d'environ 9 C/min), l'air dans la chambre étant échangé avec un débit égal à trois fois le volume de la chambre par minute. On maintient l'ailette à 700 C pendant 30 minutes puis on la refroidit aussi rapidement que possible. On notera que le gaz d'échappement provenant de ce cycle est transmis à un second brûleur, pendant 2 secondes, à une température de 1000 C, afin de brûler le cyanure d'hydrogène et l'oxyde de carbone, ce qui se traduit par l'émission d'un gaz d'échappement inoffensif pour l'environnement. EXEMPLE 2 La procédure suivante peut être utilisée pour remplir une ailette de turbine en superalliage à base de nickel avec un composé thermoplastique et de l'azodicarbonamide sous forme pulvérulente. 1.2- On fixe, sur l'ailette de turbine 50, un moule à empreinte reproduisant le profil de l'ailette. 2.- On broie le composé thermoplastique pour obtenir une fine poudre. 3.- On secoue 4,95 grammes du composé thermoplastique broyé avec 0,05 gramme d'azodicarbonamide (on utilise un rapport de 99:1). 4.- On verse les 5,00 grammes du mélange dans l'ailette 50 que l'on chauffe ensuite à 220 C pendant 30 minutes. 5.- On peut maintenant encapsuler l'ailette 50, par exemple avec un alliage à bas de point de fusion, en vue de la fabrication. 6.- Après la fabrication on chauffe l'ailette 50 afin de provoquer la dégradation, la gazéification et la dispersion du matériau de remplissage. Ceci est réalisé en il chargeant l'ailette dans un four et en augmentant lentement la température jusqu a 250 C (à une vitesse d'environ 9 C/min), l'air dans la chambre étant échangé avec un débit égal à trois fois le volume de la chambre par minute. On maintient l'ailette à 250 C pendant 30 minutes puis on la refroidit aussi rapidement que possible. On notera que le gaz d'échappement provenant de ce cycle est transmis à un second brûleur, pendant 2 secondes, à une température de 1000 C, afin de brûler le cyanure d'hydrogène et l'oxyde de carbone, ce qui se traduit par l'émission d'un gaz d'échappement inoffensif pour l'environnement. On notera que les procédés précités peuvent être également utilisés pour étancher une aube de turbine ou n'importe quel autre objet creux avec des composés polymères dilatables, tels qu'un polyuréthane/isocyanate à base de polyol et à base de polyester, ou bien encore avec un mélange d'un polymère à base de composé thermoplastique ou de silicone, et d'un agent moussant, en ajustant d'une manière correspondante les températures et les durées. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour exclure des agents contaminants d'objets creux pendant leur fabrication, ces objets étant traités par au moins un processus de fabrication et comportant au moins une cavité interne communiquant avec leur surface, caractérisé en ce que: a) on remplit la cavité avec un matériau polymère dilatable (35); b) on fait durcir ce matériau de manière à produire un matériau du type mousse à cellules fermées; c) on traite l'objet (50); et d) on élimine le matériau durci; le matériau durci obturant d'une manière étanche la cavité de l'objet creux (50) à l'encontre des agents contaminants. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on choisit le matériau polymère dilatable dans le groupe comprenant les composés thermodurcissables, les composés thermoplastiques mélangés avec un agent moussant et les polymères à base de silicone mélangés avec un agent moussant. 3.- Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'on choisit l'agent moussant dans le groupe comprenant l'azodicarbonamide, l'azodicarbonamide modifié et le p-toluènesulfonylsemicarbazide. 4.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on remplit l'objet en utilisant la gravité. 5.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on remplit l'objet en utilisant une infiltration sous pression négative. 6.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen pour éliminer le matériau durci est la chaleur si bien que cette chaleur amène le matériau à se dégrader, à se gazéifier et à se disperser. 7.- Objet destiné à être traité au cours d'au moins un processus de fabrication, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une cavité interne communiquant avec sa surface et qui est remplie d'un matériau polymère dilatable, ce matériau polymère dilatable pouvant être éliminé sous l'effet de l'application de la chaleur. 8.- Objet suivant la revendication 7 caractérisé en ce que le matériau polymère dilatable est choisi dans le groupe comprenant les composés thermodurcissables, les composés thermoplastiques mélangés avec un agent moussant et les polymères à base de silicone mélangés avec un agent moussant. 9.- Objet suivant la revendication 9 caractérisé en ce que l'agent moussant est choisi dans le groupe comprenant l'azodicarbonamide, l'azodicarbonamide modifié, le p-toluènesulfonylsemicarbazide. 10.- Procédé de fabrication d'objets creux, ces objets ayant au moins une surface communiquant avec reliée à une cavité interne, en utilisant un matériau polymère dilatable et un élément d'encapsulation, caractérisé en ce que: a) on utilise une poche de distribution (60) pour diriger le matériau polymère dilatable (35) vers et dans l'objet; b) on remplit la cavité au moyen du matériau polymère dilatable (35), la poche de distribution (60) étant utilisée pour diriger le matériau polymère dilatable (35) vers et dans la cavité; c) on fait durcir le matériau polymère dilatable de manière à produire un matériau du type mousse à cellules fermées; d) on loge l'objet dans l'élément d'encapsulation (55); e) on traite l'objet; f) on enlève l'élément d'encapsulation (55); g) on élimine le matériau polymère dilatable à l'état durci, le matériau durci obturant d'une manière étanche la cavité de l'objet creux à l'encontre d'agents contaminants tels que l'élément d'encapsulation, l'objet étant soumis au processus de fabrication tout étant encapsulé. 11.- Procédé suivant la revendication 10 caractérisé en ce que l'élément d'encapsulation est un alliage à bas point de fusion. 12.- Procédé de production d'une surface relativement lisse sur un composant, en faisant durcir postérieurement un matériau polymère dilatable ayant été alimenté par gravité vers et dans le composant, caractérisé en ce que: a) on utilise un moule (55); b) on fixe ce moule au composant (50), le moule (55) épousant sensiblement la forme du composant (50) afin d'empêcher que le matériau polymère dilatable en excès ne se rassemble en petits morceaux sur la surface du composant. 13.- Procédé suivant la revendication 12 caractérisé en ce qu'on choisit le moule dans le groupe comprenant un papier de moulage, un moule de forme auto-adaptable et un coussin gonflable. 14.- Procédé de production d'une surface relativement lisse sur un composant, en faisant durcir postérieurement un matériau polymère dilatable qui a été infiltré, sous une pression négative, dans le composant, caractérisé en ce que: a) on utilise un moule; b) on fixe ce moule au composant, le moule épousant sensiblement la forme du composant afin d'empêcher que le matériau polymère dilatable en excès ne se rassemble en petits morceaux sur la surface du composant. 15.- Procédé suivant la revendication 14 caractérisé en ce qu'on choisit le moule dans le groupe comprenant un papier de moulage, un moule de forme autoadaptable et un coussin gonflable.