Brevet FR2764829A1 — publié le 19981224

L'invention concerne un procédé servant à fabri- quer par fonderie une aube de turbo machine qui présente une pale et une emplanture constituée pour la mise en position par engagement de forme de la pale dans un rotor.5 Selon l'état de la technique les aubes de rotor de turbomachines, telles que par exemple des turbines à gaz ou des moteurs à réaction sont fabriquées par ce qu'on ap- pelle le procédé de coulée à la cire perdue (procédé de cou- lée de précision). Pour cela on fabrique un modèle en cire de l'aube et on constitue sur le modèle en cire une coquille de moule. Après le figeage de la coquille de moule on fond le modèle en cire et on effectue une coulée dans la cavité qui se forme de cette façon dans la coquille de moule, et qui correspond au contour voulu de l'aube. Après le figeage de la15 coulée on enlève la coquille de moule. Par ce procédé on peut obtenir en vérité un profil de pale de l'aube qui a une pre- cision et un état de surface en vérité suffisants, mais les anneaux de renforcement de la turbine et les emplantures des aubes doivent être usinées (rectifiés) compte tenu des exi- gences de précision plus élevées en ce qui concerne les sur- faces d'appui. Cet usinage additionnel forme une grande partie des coûts de fabrication des pièces neuves. Si l'on parvenait à rendre superflu cet usinage additionnel, cela constituerait un avantage décisif quant à la dépense et aux coûts de fabrication. Dans les années soixante dix on réussit à faire la démonstration par une technique d'essai que l'on pouvait obtenir une précision suffisamment élevée en coulant les aubes dans les rainures, constituées en forme de sapin, pour recevoir les emplantures d'aubes dans le rotor de la turbine. On rencontra toutefois ici un problème, celui d'une structure basaltique défavorable due au refroidissement ra- pide du disque du rotor relativement froid. Les aubes pou- vaient être enlevées du rotor après le refroidissement. Il n'y avait pas de liaison métallique du fait d'une peau d'oxyde qui se formait à la surface de l'emplanture de l'aube. L'invention a pour objet de fournir un procédé pour la fabrication par fonderie d'une aube de turbomachine, dans lequel il ne soit pas nécessaire d'effectuer un usinage coûteux après coup de l'emplanture de l'aube. Selon l'invention on prévoit dans un procédé de fabrication par fonderie d'une aube de turbomachine avec une pale et une emplanture d'aube constituée pour le positionne- ment par engagement de forme de la pale dans un rotor les sé- quences de fabrication suivante: a) la fabrication d'un modèle de cire de l'aube, l'emplanture de l'aube étant produite en remplissant une co- quille présentant le contour de l'emplanture de l'aube, b) la constitution d'une coquille de moule sur le modèle de cire de l'aube avec la coquille de l'emplanture, c) la fusion du modèle de cire après le figeage de la coquille du moule, d) la coulée de l'aube, e) l'enlèvement de la coquille du moule après le figeage de la pièce coulée. Un avantage du procédé selon l'invention est que les aubes présentent après la coulée y compris l'emplanture de l'aube la précision et les états de surface nécessaires, de telle sorte qu'un autre usinage après coup n'est pas né- cessaire ou en tout cas seulement dans une faible mesure. Un autre avantage est que les coquilles prévues pour la fabrica- tion de l'emplanture des aubes peuvent être fabriquées de fa- con économique en utilisant des matières bon marché et un procédé de fabrication avantageux. Selon une forme de réalisation de l'invention il est prévu que la coquiller présente un contour intérieur qui correspond au contour extérieur prévu de l'emplanture de l'aube et que la coquille après le figeage de la coulée soit enlevée avec la coquille du moule. La coquille peut être réutilisée et être utilisée plusieurs fois pour couler des emplantures d'aubes. La coquille que l'on peut réutiliser est fabri- quée de façon avantageuse en un alliage résistant à la cha- leur, et résistant suffisamment à l'oxydation. En variante à l'utilisation d'une coquille que l'on peut réutiliser, la coquille peut être une pièce à je- ter, que l'on utilise seulement une fois pour couler une em- planture d'aube. La coquille à jeter peut être fabriquée en un acier faiblement allié. En variante la coquille à jeter peut être fabriquée en une matière céramique. La coquille peut être fabriquée par injection, par estampage ou par extrusion. De façon avantageuse on enlève la coquille à une température de démoulage accrue. De façon avantageuse la coulée de l'aube a lieu dans une atmosphère légèrement oxydante. Ceci a l'avantage qu'il se forme à la surface de la pièce de coulée une peau oxydée, qui empêche une liaison de la matière entre la pièce de coulée et la coquille par soudage. Selon une autre forme de réalisation de l'inven- tion, on fabrique la coquille sous la forme d'une pièce de moule à paroi mince en une matière résistant à la chaleur, en lui donnant un contour extérieur qui correspond au contour extérieur prévu de l'emplanture de l'aube et en la laissant après le figeage de la pièce coulée sur l'emplanture de l'aube, pour former la zone superficielle de celle-ci. L'avantage avec cela est que le contour extérieur de l'em- planture de l'aube est défini par le contour extérieur de la coquille dès avant la coulée de façon exacte, grâce à quoi on peut atteindre une précision encore plus élevée et un meilleur état de surface de l'emplanture de l'aube. La coquille qui forme la zone superficielle de l'emplanture de l'aube peut être fabriquée par injection. En variante la coquille qui forme la zone super- ficielle de l'emplanture de l'aube peut être fabriquée sous la forme d'un profil extrudé ou d'un profil laminé. De façon avantageuse la coquille qui forme la zone superficielle de l'emplanture de l'aube est fabriquée à partir d'une matière de coquille à grains fins. Selon une variante la coquille qui forme la zone superficielle de l'emplanture de l'aube peut être fondue avec la pièce coulée. Selon une autre variante il est prévu que la co- quille qui forme la zone superficielle de l'emplanture de l'aube est maintenue sur l'emplanture par engagement de forme, sans être fondue avec celle-ci. De façon avantageuse la coquille du moule peut être portée avec la coquille de l'emplanture avant de couler l'aube à une température accrue. De cette façon on évite la formation d'un joint indésirable dans la pièce moulée. Selon une forme de réalisation de l'invention il est prévu que l'emplanture de l'aube est constituée sous la forme d'un pied de sapin. En variante on constitue l'emplanture de l'aube sous la forme d'une queue d'aronde. Ceci a l'avantage que l'on peut éviter la précision élevée nécessaire dans la cons- titution de l'emplanture de l'aube sous la forme d'un pied de sapin du fait des nombreuses surfaces d'appui qui sont en même temps portantes, de telle sorte que le respect des tolé- rances est moins critique. Selon une configuration de l'invention il est prévu que le pied en forme de queue d'aronde soit constitué de telle façon qu'il soit maintenu par une rainure périphéri- que dans le disque du rotor qui porte les pales des aubes. L'invention va être décrite ci-après plus en dé- tail à partir d'un mode de réalisation, représenté sur les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 montre deux vues en coupe a) et b) à travers une aube de turbomachine fabriquée par fonderie se- lon un exemple de réalisation de l'invention, cette aube étant représentée coulée dans la coquille de moulage et la coquille de l'emplanture, - la figure 2 montre une vue en coupe à travers une coquille d'emplanture, comme celle que l'on utilise pour couler l'aube de turbomachine selon l'exemple de réalisation de l'invention, expliqué à partir de la figure 1, et - la figure 3 montre une vue en coupe à travers une aube de turbomachine, fabriquée par fonderie, selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention, aube qui est représentée déjà montée sur un rotor de turbomachine. Les figures la) et lb) montrent une coupe longi- tudinale, coupe A, ou une section transversale, coupe B, d'une aube 1 de turbomachine qui, selon le procédé conforme à l'invention est fabriquée par fonderie. L'aube 1 de turboma- chine comprend une pale 2 et une emplanture d'aube 3, qui sert au positionnement par engagement de forme de la pale 1 dans un rotor d'une turbomachine. La turbomachine peut par exemple être une turbine, une turbine à gaz, ou un moteur à réaction. L'emplanture d'aube 3 est, dans l'exemple de réali- sation représenté, constitué sous la forme d'un pied de sa- pin, dans lequel les surfaces d'appui de l'emplanture de l'aube reposent sur des surfaces d'appui correspondantes d'un évidement constitué dans le rotor de la turbomachine et fixent ainsi l'aube 1. La fabrication de l'aube 1 a lieu d'une manière telle que l'on fabrique d'abord un modèle en cire de l'aube 1. Le modèle en cire de l'emplanture de l'aube 3 est fabriqué en remplissant de cire une coquille 4a, qui présente les con- tours négatifs de l'emplanture de l'aube 3. Une telle co- quille est représentée en section transversale à la figure 2. Ceci sera expliqué ultérieurement encore plus en détail. Il est essentiel que la coquille 4a présente une forme négative exact de l'emplanture de l'aube 3 et son contour extérieur avec une précision et une qualité de surface élevées. Lors de la fabrication du modèle en cire de l'aube 1 le positionne- ment mutuel exact du modèle en cire de la pale 2 et de la co- quille 4a ou du modèle en cire, formé par celle-ci, de l'emplanture de l'aube 3 a une importance essentielle. Après la fabrication du modèle en cire de l'aube 1 on fabrique une coquille de moule 5 sur le modèle en cire, y compris la coquille de l'emplanture 4a. La coquille de moule 5 est fabriquée d'une manière appropriée à partir d'une matière appropriée, comme cela est habituel dans le procédé de moulage à la cire perdue ou du moulage de précision. Après le figeage de la coquille du moule 5 on fond complètement le modèle en cire de l'aube 1 et on forme de cette façon une ca- vité dans la coquille du moule 5, qui correspond à la forme négative de l'aube 1 à fabriquer. Ensuite a lieu la coulée de l'aube 1. La coulée a lieu en soi à son tour de la manière habituelle comme cela est d'usage courant dans le moulage de précision. Après le figeage de la coulée, on enlève la co- quille du moule 5. De cette manière l'aube de turbomachine 1 est pratiquement fabriquée à sa dimension finale avec une précision et une qualité de surface suffisantes de telle sorte qu'il n'est pas nécessaire de procéder à un usinage après coup ou en tout cas seulement à une légère rectifica- tion. La coquille 4a de l'emplanture, représentée à la figure 2, qui est utilisée pour la fabrication par fonderie d'une aube 1 de turbomachine, comme celle qui est représentée sur les figures la) et lb), présente un contour intérieur qui correspond au contour extérieur prévu de l'emplanture 3. La coquille de l'emplanture 4a est enlevée après le figeage de la coulée en même temps que la coquille de moule 5. La co- quille 4a peut être réutilisée et de cette façon être utili- sée plusieurs fois pour couler des emplantures d'aube 3, ou elle peut être une pièce à jeter et n'être seulement utilisée qu'une fois pour couler une emplanture d'aube 3. Dans le cas o la coquille 4a doit être réutilisable, elle doit être réa- lisée en une matière qui est suffisamment résistante du point de vue thermique et mécanique à des coulées répétées, Comme matière pour la coquille 4a on dispose d'un alliage suffisam- ment résistant à la chaleur, et résistant à l'oxydation. Quand la coquille 4a par contre n'est prévue que pour une seule utilisation, on peut utiliser une matière meilleure marché qui est économique pour une fabrication en série selon un nombre de pièces d'une grandeur correspondante, et qui of- fre néanmoins une résistance, une précision et une qualité de surface suffisante pour une coulée réalisée une seule fois. Pour cela on dispose d'aciers faiblement alliés ou de cérami- ques. La coquille 4a peut être fabriquée par coulée par in- jection, par estampage ou par extrusion, la précision et la qualité de la surface de la pièce étant importantes. Avant la coulée on met la coquille de moule 5 et la coquille de l'emplanture 4a à une température élevée ap- propriée, qui évite la formation de joints indésirables et ensuite on coule de la manière habituelle. Après le figeage de la pièce coulée, on enlève la coquille 4a, en même temps que la coquille de moule 5 à une température de démoulage ap- propriée, la coquille d'emplanture 4a devant être enlevée sans destruction dans une coquille réutilisable, alors que par contre dans le cas d'une coquille d'emplanture 4a, qui n'est utilisable qu'une seule fois, celle-ci peut être aussi détruite lors du démoulage. Le démoulage de la coquille dé- pend d'un réglage approprié de la température et de l'atmo- sphère avant et pendant le processus de coulée. Une atmosphère légèrement oxydante permet l'extraction de la pièce coulée de la coquille, car une peau oxydée se formant sur la pièce coulée évite une liaison des matières par sou- dage. La figure 3 montre en coupe transversale une aube de turbomachine qui a été fabriquée selon un autre exemple de réalisation du procédé de coulée d'après l'invention. A la place d'une coquille qui présente un contour intérieur cor- respondant au contour extérieur prévu de l'emplanture 3 de l'aube 1 de turbomachine et que l'on enlève en même temps que la coquille du moule 5 après le figeage de la pièce coulée, on utilise ici une coquille 4b qui présente un contour exté- rieur correspondant au contour extérieur prévu de l'emplan- ture d'aube 3 et qui reste sur la pièce coulée après son figeage, pour former la zone superficielle de l'emplanture d'aube 3. Pour cela la coquille 4b est fabriquée comme une pièce de moulage à paroi mince à partir d'une matière résis- tant à la chaleur et elle est usinée sur sa surface exté- rieure avec une précision et une qualité de surface35 correspondante, pour satisfaire aux exigences requises en ce qui concerne la précision et la qualité de surface de l'em- planture d'aube 3. Cette emplanture d'aube 3 est, dans l'exemple de réalisation, représenté en s'écartant de l'exem- pie de réalisation précédent, fabriqué en forme de queue d'aronde qui est introduite dans un évidement correspondant sur le pourtour du rotor 6 de la turbomachine. La coquille 4b qui forme la zone superficielle de l'emplanture 3 de l'aube peut être fabriquée par coulée par injection ou par extrusion ou par laminage en tant que pièce profilée. De façon avanta- geuse la coquille 4b est réalisée en une matière de coquille à grains fins. On peut effectuer la coulée de l'aube 1 de telle manière que le corps de l'emplanture de la pièce coulée soit fondu avec la coquille 4b, qui forme la zone superfi- cielle de l'emplanture 3. En variante on peut effectuer aussi la coulée d'une manière telle que la coquille 4b, qui forme la zone superficielle de l'emplanture 3 de l'aube, ne soit pas fondue avec le corps de coulée. Dans ce cas on maintient la coquille 4b par engagement de forme sur la pièce de cou- lée. Dans le cas o l'emplanture 3 de l'aube a été constituée sous la forme d'une queue d'aronde, on a la possi- bilité de constituer les évidements sur le rotor 6, qui re- çoivent les emplantures en forme de queue d'aronde des aubes 1 de la turbine sous la forme d'une rainure périphérique, ce qui réduit davantage les coûts de fabrication. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé pour la fabrication par fonderie d'une aube de turbomachine (1) avec une pale (2) et une emplanture d'aube (3), constituée pour le positionnement par engagement de forme de la pale (2) dans un rotor, caractérisé par les séquences suivantes: a) fabrication d'un modèle en cire de l'aube (1), l'emplan- ture (3) de l'aube étant produite en remplissant une coquille (4a; 4b), qui présente le contour de l'emplanture de l'aube, b) constitution d'une coquille de moule (5) sur le modèle en cire de l'aube (1) avec la coquille de l'emplanture (4a; 4b), c) fusion complète du modèle en cire après le figeage de la coquille de moule (5), d) coulée de l'aube (1), e) enlèvement de la coquille de moule (5) après le figeage de la pièce coulée. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que * la coquille (4a) présente un contour intérieur qui corres- pond au contour extérieur prévu de l'emplanture (3) de l'aube, et * la coquille (4a) est enlevée avec la coquille de moule (5) après le figeage de la pièce coulée. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la coquille (4a) peut être réutilisée et être utilisée plu- sieurs fois pour couler des emplantures d'aube (3). 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la coquille (4a) qui peut être réutilisée est réalisée en un alliage résistant à la chaleur, et qui résiste suffisamment à l'oxydation. ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la coquille (4a) est une pièce à jeter et n'est utilisée qu'une seule fois pour couler une emplanture d'aube (3). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la coquille à jeter (4a) est fabriquée en un acier faiblement allié. 7 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la coquille à jeter (4a) est fabriquée en une matière cérami- que. 8 ) Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la coquille (4a) est fabriquée par coulée par injection, es- tampage ou extrusion. 9 ) Procédé selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la coquille (4a) est enlevée à une température de démoulage accrue. ) Procédé selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la coulée de l'aube (1) a lieu dans une atmosphère légèrement oxydante. 11 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coquille (4b) est fabriquée comme une pièce de moule à pa- roi mince en une matière résistant à la chaleur et présente un contour extérieur qui correspond au contour extérieur pré- vu de l'emplanture (3) de l'aube et reste sur celui-ci après le figeage de la pièce coulée pour former la zone superfi- cielle de l'emplanture (3) de l'aube. 12 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la coquille (4b) qui forme la zone superficielle de l'emplan- ture (3) de l'aube, est fabriquée par moulage par injection. 13 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la coquille (4b), qui forme la zone superficielle de l'em- planture (3) de l'aube, est fabriquée comme un profilé extru- dé ou un profilé laminé. 14 ) Procédé selon la revendication 11, 12 ou 13 caractérisé en ce que la coquille (4b) qui forme la zone superficielle de l'emplan- ture (3) de l'aube, est fabriquée en une matière de coquille à grains fins. ) Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la coquille (4b) qui forme la zone superficielle de l'emplan- ture (3) de l'aube, est fondue avec la pièce coulée. 16 ) Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la coquille (4b) qui forme la zone superficielle de l'emplan- ture (3) de l'aube, est maintenue sur l'emplanture par enga- gement de forme, sans être fondue avec celle-ci. 17 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la coquille de moule (5) avec la coquille d'emplanture (4a; 4b) est portée à une température accrue avant la coulée de l'aube (1). 18 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'emplanture (3) de l'aube est constituée sous la forme d'un pied de sapin. 19 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'emplanture (3) de l'aube est constituée sous la forme d'une queue d'aronde. ) Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le pied en forme de queue d'aronde est constitué de telle fa- çon qu'il soit maintenu par une rainure périphérique dans le disque de rotor.