Brevet FR2824554A1 — publié le 20021115

La présente invention se rapporte à un noyau céramique à base d'alumine poreux, cuit, imprégné d'oxyde d'yttrium pour améliorer la résistance au glissement du noyau à la température élevée de moulage utilisée pour mouler les matières métalliques, en particulier les superalliages réactifs et à une méthode pour améliorer la résistance au glissement du noyau par une telle imprégnation. Dans le moulage des pales et ailettes (surfaces portantes) des moteurs de turbines à gaz en utilisant des techniques équiaxiales conventionnelles pour produire des moulages à grain équiaxial et des techniques de solidification directionnelle (SD) pour produire des moulages à grain en colonne ou monocristallins, un noyau céramique cuit est placé dans un moule à manteau à revêtement pour former des passages internes de refroidissement dans la surface portante. Pendant le service dans le moteur de turbine à gaz, l'air de refroidissement est dirigé à travers les passages pour maintenir la température de la surface portante dans une gamme acceptable. Des noyaux céramiques verts (non cuits) sont typiquement formés à une configuration souhaitée du noyau par moulage par injection, moulage par transfert ou versement d'un matériau approprié pour un noyau céramique qui contient une ou plusieurs poudres de céramique, un liant fugitif comme une cire, du polypropylène, une polyoléfine, du silicate d'éthyle préhydrolysé et d'autres additifs dans une matrice pour noyau de forme appropriée. Quand le noyau vert est retiré de la matrice, il est soumis à une cuisson à température élevée (superambiante) en une ou plusieurs étapes pour éliminer le liant fugitif et fritter et renforcer le noyau pour une utilisation dans le moulage d'un matériau métallique comme un superalliage à base de nickel ou de cobalt. Par suite de l'enlèvement du liant et du matériau de charge fugitif s'il est présent, le noyau céramique cuit est poreux. Les noyaux céramiques poreux cuits utilisés dans le moulage à revêtement des surfaces portantes en superalliage creuses de moteur de turbine ont typiquement une forme de surface portante avec une région de bord de fuite de section transversale assez mince. Le brevet US 4 837 187 décrit un noyau céramique à base d'alumine formé, avant frittage, d'un mélange de particules d'alumine, de particules d'oxyde d'yttrium et d'un liant avec ensuite suppression du liant et frittage pour une utilisation dans le moulage avec revêtement de surfaces portantes creuses à partir de superalliages réactifs, comme des superalliages à base de nickel contenant de l'yttrium. Bien que de tels noyaux à base d'alumine aient été utilisés dans la production avec succès depuis des années, les noyaux peuvent présenter une tendance au glissement (se déplacer) aux hautes températures de moulage et aux temps prolongé à haute température impliqués dans le moulage SD des surfaces portantes en superalliage creuses à grain en colonne et monocristallins (par exemple 1480 à 1600 degrés C pendant 1/2 heure à 3 heures). En résultat les caractéristiques d'emplacement positif de la paroi du noyau et de contrôle sont typiquement prévues sous la forme de broches en platine et/ou de broches en alumine qui sont placées entre le noyau et la paroi du moule à manteau en céramique où le noyau est disposé en des emplacements sélectionnés pour maintenir la position du noyau relativement au moule à manteau et contrer la tendance du noyau à glisser à une haute température de moulage SD (grain en colonne et monocristallin) pendant longtemps. Le brevet US 5 580 837 décrit un noyau céramique à base d'alumine, formé avant frittage, d'un mélange de particules d'alumine, particules d'aluminate d'yttrium et d'un liant avec ensuite suppression du liant et frittage pour une utilisation dans un moulage à revêtement de réactifs, comme des superalliages à base de nickel contenant de l'yttrium. La présente invention a pour objet d'améliorer la résistance au glissement de tels noyaux à base d'alumine comme décrit dans les brevets ci-dessus à la température élevée de moulage utilisée pour mouler les matériaux métalliques comme, en particulier, les superalliages à base de nickel réactifs. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un noyau céramique à base d'alumine poreux, cuit, imprégné, à utiliser dans un moule dans le moulage de métaux fondus et alliages où le noyau est imprégné d'oxyde d'yttrium pour améliorer la résistance au glissement du noyau à la température élevée de moulage. Un autre mode de réalisation de l'invention implique l'imprégnation du noyau céramique à base d'alumine poreux, cuit, d'oxyde d'yttrium colloïdal ou autre agent d'imprégnation qui produira de l'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau pour améliorer la résistance au glissement du noyau. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on prévoit un noyau à base d'alumine poreux, cuit, imprégné, qui contient un agent d'imprégnation d'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau et qui présente une augmentation sensible de la résistance au glissement à la température élevée et aux longs temps de moulage en comparaison avec un noyau à base d'alumine poreux, cuit, non imprégné. L'agent d'imprégnation d'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau est de préférence présent en une quantité d'environ 1 % à environ 5 % en poids du noyau (en se basant sur le gain de poids du noyau imprégné séché) . L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel : - la figure unique est une vue en perspective d'un noyau céramique poreux, cuit, pour une surface portante de turbine à gaz qui peut être faite selon l'invention. L'invention prévoit un noyau céramique à base d'alumine imprégné, particulièrement utile dans le moulage des pales et ailettes (surfaces portantes) pour moteur de turbine à gaz creuses en utilisant des techniques conventionnelles équiaxiales et de solidification directionnelle (SD) à partir de matériaux métalliques réactifs, en particulier des superalliages à base de nickel réactifs. Par exemple, l'invention peut être mise en pratique pour mouler des superalliages à base de nickel réactifs qui contiennent de l'yttrium pour faire des moulages de surfaces portantes creuses. De tels superalliages à base de nickel réactifs contenant Y sont bien connus, par exemple en tant que superalliage à base de nickel General Electric Rene N5 et superalliage à base de nickel PWA 1487. L'invention n'est pas limitée à des noyaux en forme de surface portante car tout autre noyau céramique poreux cuit peut être fait par la mise en pratique de l'invention. Pour l'illustration et non pas la limitation, la figure montre un noyau céramique poreux cuit 10 à utiliser dans le moulage avec revêtement d'une pale de turbine à gaz creuse où le noyau a une configuration de passages internes de refroidissement à former dans le moulage de la pale. Le noyau 10 contient une région de racine 12 et une région de surface portante 14. La région de surface portante 14 comporte un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18. Des ouvertures ou fentes 20 de diverses configurations et dimensions peuvent être prévues à travers le noyau 10 pour former des parois allongées, des socles arrondis et autres caractéristiques à l'intérieur de la pale moulée comme on le sait bien. Dans un mode de réalisation de l'invention, le noyau céramique 10 est formé en préparant un mélange d'une matière de charge céramique et d'un liant comme décrit dans le brevet US 4 837 187 et dans son équivalent européen EP 0 294 305, auxquels on se référera pour une description plus précise. Par exemple, comme indiqué dans le brevet US 4 837 187, le mélange peut comprendre, avant frittage, environ 80 % à 86 % en poids d'une matière de charge céramique et environ 14 % à environ 20 % en poids d'un liant. La matière de charge céramique comprend environ 66 % à 95 % en poids de particules grossières et fines de A1203, environ 1 % à environ 20 % en poids de particules de Y203, environ 1 % à environ 5 % d'un agent d'inhibition de la croissance du grain (e. g. seulement MgO) et le reste étant un matériau de charge fugitive contenant du carbone, le tout comme décrit en détail dans les brevets US 4 837 187 et EP 0 294 305 cités ci-dessus. Le liant est de préférence un système liant à base de cire thermoplastique ayant un faible point de fusion décrit en détail dans les brevets US 4 837 187 et EP 0 294 305. A titre d'exemple seulement, le système du liant peut se composer de 91 % à 96 % en poids d'un système de cire, d'environ 1 % à environ 6 % en poids d'un agent anti-ségrégation et d'environ 1 % à environ 5 % en poids d'un agent dispersant. Le noyau céramique peut être formé par moulage par injection conventionnel, moulage par transfert ou versement employé pour produire les noyaux céramiques verts. Par exemple seulement, dans le moulage par injection d'une forme de noyau céramique, un mélange poudre céramique fluide/liant est chauffé à 80 jusqu'à 125 C et est injecté dans une matrice pour noyau en acier ayant une cavité de moulage ayant la configuration souhaitée du noyau. Des pressions d'injection dans la gamme de 13,7 bars à 137 bars sont utilisées pour pressuriser le mélange céramique fluide/liant dans la cavité de moulage définie par les matrices. Les matrices peuvent être refroidies, maintenues à température ambiante ou légèrement chauffées selon la complexité de la configuration souhaitée du noyau. Quand le mélange céramique/liant se solidifie dans la matrice, la matrice est ouverte et le noyau céramique vert, non cuit, est retiré pour un traitement thermique pour éliminer le liant fugitif et fritter le noyau céramique vert pour former un noyau céramique poreux cuit 10 à utiliser dans le procédé de moulage à revêtement en cire perdue bien connu. Le frittage permet d'obtenir la consolidation des particules de poudre céramique en chauffant pour impartir la résistance au noyau pour une utilisation dans le procédé de moulage avec revêtement. Le frittage du noyau céramique vert est obtenu par un traitement thermique à une température élevée en se basant sur les conditions des poudres céramiques employées. Les brevets US 4 837 187 et EP 0 294 305, auxquels on se référera pour plus de détails, décrivent la précuisson et le frittage du noyau céramique à base d'alumine où le frittage est entrepris pendant environ 48 heures en utilisant une vitesse de chauffage d'environ 60 C à environ 120 C par heure jusqu'à une température de frittage dans la gamme d'environ 1600 à 1700 C. Pendant le frittage, la charge fugitive contenant du carbone est brûlée hors du noyau et laisse un réseau interconnecté de porosité dans le noyau fritté . Subséquemment au frittage, le noyau céramique a une microstructure caractérisée par la présence de particules de A1203 n'ayant sensiblement pas réagi, ayant une composition polycristalline consistant essentiellement en 3Y203 : 5 A1203 sur les surfaces des particules de A1203. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le noyau céramique 10 est formé en préparant un mélange de particules d'aluminate d'yttrium, de particules d'alumine et d'un matériau liant avec ensuite moulage par injection et frittage pour former un noyau à base d'alumine poreux cuit, comme décrit dans le brevet US 5 580 837 auquel on se référera pour obtenir plus de détails. L'invention implique l'imprégnation d'un noyau céramique à base d'alumine poreux, cuit, fait selon le brevet US 4 837 187 ; 5 580 837 et toute autre technique où le noyau est fait d'un mélange qui consiste essentiellement en particules d'alumine dans un matériau liant ou en particules d'alumine et particules contenant de l'yttrium, comme par exemple uniquement de l'aluminate d'yttrium, dans un matériau liant. La technique particulière de formation du noyau comme un moulage par injection, un moulage par transfert et un versement et la technique particulière de traitement thermique ne font pas partie de l'invention, car des techniques conventionnelles de moulage du noyau et des techniques conventionnelles de traitement thermique peuvent être utilisées pour produire le noyau céramique à base d'alumine cuit, poreux, qui est traité selon l'invention. La présente invention renforce de tels noyaux à base d'alumine poreux, cuits 10 par imprégnation des noyaux pour produire un film d'oxyde d'yttrium s'imprégnant dans les pores du noyau poreux, cuit. Le noyau céramique à base d'alumine poreux, cuit peut être imprégné d'oxyde d'yttrium colloïdal du commerce ou de tout autre agent d'imprégnation qui imprègne les pores du noyau d'oxyde d'yttrium et est séché pour améliorer sensiblement la résistance au glissement du noyau à la température élevée de moulage et pendant le temps de moulage, en particulier ceux utilisés dans le moulage SD de superalliages de nickel réactif pour produire des moulages à grain en colonne et monocristallins. Pour l'illustration et sans limitation, un oxyde d'yttrium colloïdal préféré est disponible en tant qu'oxyde d'yttrium coloïdal Nyacol chez Nano Technologies Inc., Ashland, MA. Cet oxyde d'yttrium colloïdal du commerce contient 14 % en poids d'oxyde d'yttrium solide le reste étant de l'eau et de l'acide acétique. L'invention peut être mise en pratique en utilisant une solution aqueuse ou organique en tant qu'agent d'imprégnation, où la solution contient des sels d'yttrium ou des matières organiques d'yttrium métallique qui se déposent dans les pores du noyau pour former un précurseur d'oxyde d'yttrium qui formera de l'oxyde d'yttrium dans les pores pendant le stade de préchauffage au moule de l'opération de moulage. Une telle solution peut comprendre de l'acétate d'yttrium, du nitrate d'yttrium, du carbonate d'yttrium, de l'alcoolate d'yttrium ou autres précurseurs d'oxyde d'yttrium. Le noyau à base d'alumine poreux, cuit, est séché après imprégnation pour éliminer la phase liquide de l'agent d'imprégnation. A cette fin, le noyau imprégné peut être séché à l'air ambiant à température ambiante ou dans un four en utilisant de l'air forcé superambiant, par exemple à 82 jusqu'à 93 C pendant un temps suffisant pour sécher totalement le noyau. Le noyau à base d'alumine poreux, cuit, imprégné selon l'invention comprend des solides d'yttrium en tant que film dans les pores du noyau. Le noyau poreux, cuit, imprégné présente une augmentation sensible de la résistance au glissement à la température élevée de moulage et pendant le temps du moulage, en comparaison avec un noyau à base d' alumine poreux cuit non imprégné. Les solides d'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau sont de préférence présents en une quantité d'environ 1 % à environ 5 % en poids du noyau, les solides d'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau étant basés sur un gain de poids du noyau imprégné séché. Les exemples qui suivent sont offerts pour illustrer l'invention sans la limiter. Des noyaux à base d'alumine poreux, cuits pour une pale de moteur de turbine à gaz premier stade et des barres de test de noyau à base d'alumine poreux, cuits ont été faits selon l'enseignement du brevet US 4 837 187. Les barres de test de noyau avaient des dimensions de 127 mm de long, 12,7 mm de large et 6,35 mm d'épaisseur. Six noyaux poreux cuits et douze barres de test de noyau à base d'alumine poreuses cuites ont été imprégnés d'oxyde d'yttrium en utilisant le sol d'oxyde d'yttrium à 14 % en poids (colloïde) commercialisé en tant qu'oxyde d'yttrium colloïdal Nyacol et décrit ci-dessus. Les noyaux et les barres de test ont été imprégnés par immersion dans l'oxyde d'yttrium colloïdal à pression ambiante pendant 2 minutes avec ensuite purge à l'air en utilisant de l'air comprimé d'atelier à 2,07 bars pour éliminer l'oxyde d'yttrium colloïdal en excès de la surface et séchage au four à 82 C pendant 1 heure. Ces barres de test du noyau sont désignées par "A" au Tableau I ci-dessous. Six noyaux poreux, cuits et douze barres de test du noyau à base d'alumine poreuses cuites ont été imprégnés d'alumine en utilisant un sol d'alumine à 15 % en poids (colloïde) fait en diluant de l'alumine colloïdale Bluonic A du commerce de Wesbond Corportion, Wilimington, DE. Par exemple, on a dilué 3 parties d'alumine colloïdale Bluonic A du commerce en utilisant une partie d'eau désionisée pour obtenir l'alumine colloïdale à 15 % en poids. Les noyaux et les barres de test ont été imprégnés par immersion dans l'alumine colloïdale à 15 % en poids à pression ambiante pendant 2 minutes avec ensuite une purge à l'air en utilisant de l'air comprimé d'atelier à 2,07 bars pour éliminer l'alumine colloïdale en excès de la surface et séchage au four à 82 C pendant 1 heure. Ces barres de test de noyau sont désignées par "B" au Tableau I. Six noyaux poreux, cuits et barres de test de noyau ont été imprégnés d'abord d'oxyde d'yttrium en utilisant un sol à 7 % en poids d' oxyde d'yttrium colloïde fait en diluant l'oxyde d'yttrium colloïdal à 14 % en poids du commerce ci-dessus (oxyde d'yttrium colloïdal Nyacol) avec de l'eau désionisée. Les noyaux et barres de test de noyau ont été imprégnés par immersion dans l'oxyde d'yttrium colloïdal à 7 % en poids à pression ambiante pendant 2 minutes avec ensuite une purge à l'air en utilisant de l'air comprimé d'atelier à 2,07 bars pour éliminer l'oxyde d'yttrium colloïdal en excès de la surface et séchage au four à 82 C pendant 1 heure. Les noyaux et barres de test de noyau ont alors été imprégnés d'alumine par immersion dans une alumine colloïdale à 7,5 % en poids à pression ambiante pendant 2 minutes avec ensuite purge à l'air en utilisant de l'air comprimé d'atelier à 2,07 bars pour éliminer l'alumine coloïdale en excès de la surface et séchage au four à 82 C pendant 1 heure. L'alumine colloïdale à 7,5 % a été faite par dilution de 3 parties de l'alumine colloïdale Bluonic A trouvée en rayon à 5 parties d'eau désionisée. Ces barres de test de noyau sont désignées par "C" au Tableau I. Les barres de test de noyau poreuses, cuites, imprégnées ont été testées pour le module de rupture (MOR) à 1520 C en utilisant une charge de flexion en quatre points selon la norme ASTM 674-77. On les a également testées pour la résistance au glissement à 1566 C en utilisant un test de glissement à la flexion et la dilatation thermique en utilisant un dilatomère Anter modèle 1161 commercialisé par Anter Corp., Pittsburgh, Pennsylvania. Les barres de test de noyau poreuses, cuites, non imprégnées (désignées par "Rien") ont été incorporées pour la comparaison. Le Tableau I donne les résultats de MOR (valeurs de MOR indiquées en kilogrammes par centimètre carré). Tableau I Barre de Nombre de barres MOR moyen Ecart standard test de test (kg/cm2) Rien 12 126 224 A 12 157 254 B 12 139 180 C 12 138 203 Il est apparent que l'imprégnation des barres de test de noyau poreuses, cuites avec de l'oxyde d'yttrium en utilisant l'oxyde d'yttrium coloïdal à 14 % en poids (voir a barres de test désignées par "A") a sensiblement amélioré MOR en comparaison avec MOR des barres de test de noyau "RIEN" non imprégnées. Les barres de test de noyau poreuses, cuites, imprégnées d'alumine ("voir barres de test désignées par "B") telles que décrites cidessus et avec l'oxyde d'yttrium avec ensuite de l'alumine (voir de barres de test désignées par "C") comme décrit ci-dessus ont sensiblement amélioré MOR en comparaison avec MOR des barres de test de noyau "RIEN" non imprégnées. Cependant, les barres de test de noyau imprégnées de 14 % en poids d'oxyde d'yttrium colloïdal ont montré la plus grande augmentation de résistance. Le Tableau II indique les résultats du glissement pour les barres de test de noyau imprégnées. Les valeurs de glissement sont en millimètres et le taux de glissement est en millimètres/heure. Tableau II Barre Glissement à Glissement après 1 Taux de glissement de test 1566 C heure de retenue à 1566 C Rien 2,92 10,9 8,46 A 4,09 5,86 1,80 B 6,02 8,99 2,97 C 4,72 7,14 2,39 La première colonne du Tableau II montre la déviation cumulative moyenne des barres de test après montée en rampe à 1566 C à 300 C/heure. Les barres de test ont été pesées de façon que la portée inférieure soit chargée à 10,5 kg/cm2 d'effort de traction au début du test. La deuxième colonne est la déviation cumulative après rampe de température et maintien 1 heure à 1566 C, ce qui simule une température de moulage SD typique pour des moulages à grain en colonne et monocristallins à laquelle le noyau est exposé pendant longtemps. La troisième colonne est le taux de déviation pendant la période de maintien d'une heure. Il est apparent que l'imprégnation des barres de test de noyau poreuses, cuites avec de l'oxyde d'yttrium utilisant l'oxyde d'yttrium colloïdal à 14 % en poids (voir barres de test désignées par "A") a sensiblement amélioré le taux de glissement en comparaison avec le taux de glissement des barres de test de noyau "RIEN" (non imprégnées). Par exemple, le taux de glissement a été réduit d'environ 78 % pour les barres de test désignées par "A" en comparaison avec les barres de test "Rien" (non imprégnées) . Les barres de test de noyau poreuses cuites imprégnées d'alumine (voir barres de test désignées par "B") comme décrit ci-dessus et avec de l'oxyde d'yttrium avec ensuite de l'alumine (voir barres de test désignées par "C") comme décrit ci-dessus ont présenté des taux sensiblement réduits de glissement en comparaison avec les barres de test de noyau "Rien" non imprégnées, bien que les réductions du taux de glissement ne soient pas aussi élevées que les réductions obtenues par les barres de test de noyau désignées par "A". Les noyaux imprégnés d'alumine ont présenté un fort glissement cumulatif (colonne 2 du Tableau 2) en dehors du cadre de l'invention. Les caractéristiques de dilatation thermique en dessous de 1500 C des barres de test de noyau désignées par "A", "B" et "C" et des barres de test de noyau "Rien" non imprégnées étaient comparables. Ainsi, l'imprégnation du noyau à base d'alumine poreux, cuit, avec de l'oxyde d'yttrium colloïdal et/ou de l'alumine comme décrit cidessus n'a pas affecté les caractéristiques de dilatation thermique. Les essais de moulage utilisant des noyaux de pales de turbine du premier stade selon l'invention ont été entrepris avec des techniques monocristallines standards pour produire 40 pales en superalliage à base de nickel monocristallin à deux noyaux. Les essais de moulage ont eu pour résultat une réduction de 50 % du nombre de moulages rejetés provoqués par un mouvement du noyau pendant le moulage. L'invention est avantageuse pour augmenter la résistance au glissement de noyaux à base d'alumine poreux, cuits, aux températures élevées de moulage et au longs temps. La résistance accrue au glissement du noyau peut réduire l'utilisation de broches en platine ou en alumine dans la préparation du noyau pour le moulage. Par ailleurs, la résistance accrue au glissement du noyau se transforme en un meilleur contrôle de l'épaisseur de paroi du moulage, donc des parois plus minces de moulage peuvent être spécifiées pour des surfaces portantes de turbine à gaz. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un noyau en céramique à base d'alumine poreux, cuit, à utiliser dans le moulage de matériaux métalliques fondus, caractérisé en ce qu'il consiste à imprégner ledit noyau d'oxyde d'yttrium pour améliorer la résistance au glissement du noyau à la température élevée de moulage. 2. Procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau précité est imprégné par son immersion dans de l'oxyde d'yttrium. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau est imprégné par son immersion dans un milieu comprenant un précurseur d'oxyde d'yttrium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau précité est fait d'un mélange de particules d'alumine, particules d'oxyde d'yttrium et un liant. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau précité est fait d'un mélange de particules d'alumine, particules contenant de l'yttrium et un liant. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend le séchage dudit noyau après imprégnation. 7. Noyau à base d'alumine poreux, cuit, imprégné, caractérisé en ce qu'il comporte un agent d'imprégnation d'oxyde d'yttrium dans les pores dudit noyau (10) et qu'il présente une augmentation sensible de résistance au glissement à une température élevée de moulage en comparaison avec un noyau à base d'alumine poreux, cuit, non imprégné. 8. Noyau selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'agent d'imprégnation d'oxyde d'yttrium dans les pores du noyau est présent en une quantité d' environ 1 % à environ 5 % en poids du noyau. 9. Noyau selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une microstructure comprenant des particules d'alumine et un constituant contenant de l'oxyde d'yttrium. 10. Noyau selon la revendication 9, caractérisé en ce que le constituant contenant de l'oxyde d'yttrium comprend 3Y203 : 5 A1203.