Brevet FR2851182A1 — publié le 20040820

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer un support d'enfournement céramique utilisé dans la fabrication de noyaux céramiques pour la coulée de matériaux métalliques fondus. La plupart des fabricants de turbo-moteurs à combustion évaluent les pales de turbines à investissement perfectionné coulées selon une coulée de précision (par exemple une ailette ou une aube de turbine), qui incluent des canaux imbriqués d'air de refroidissement pour 10 améliorer l'efficacité du refroidissement interne des pales, de manière à permettre une poussée plus forte du moteur et fournir une durée de vie satisfaisante des pales. Des passages intérieurs de refroidissement sont formés dans les pales coulées moyennant l'utilisation d'un ou de 15 plusieurs noyaux céramiques en forme de pales, disposés dans un moule à coque céramique, le métal fondu étant coulé dans le moule autour du noyau. Une fois que le métal fondu s'est solidifié, on retire le moule et le noyau en laissant subsister une pale coulée comportant un ou plusieurs 20 passages intérieurs, dans lesquels les noyaux étaient situés antérieurement. Le noyau céramique est constitué de façon typique en utilisant un composé céramique plastifié, comprenant de la poudre céramique, un liant et différents additifs. Le 25 composé céramique est moulé par injection, moulé par transfert ou introduit à une température élevée dans une matrice ou un moule à noyau. Lorsqu'on retire le noyau à vert (non cuit) de la matrice ou du moule, on le place de façon typique sur un support d'enfournement céramique rigide pour 30 qu'il refroidisse à la température ambiante avant les opérations de finition et de calibrage du noyau et la cuisson à une température de frittage élevée. Le noyau céramique à vert est cuit sur le support d'enfournement céramique à une température élevée (supérieure à la 35 température ambiante) en une ou plusieurs étapes de manière à fritter et renforcer le noyau pour son utilisation lors de la coulée d'un matériau métallique, comme par exemple un super alliage à base de nickel ou à base de cobalt. Le brevet U.S. 6 403 020 décrit un noyau céramique à vert 5 disposé sur un support d'enfournement rigide pendant la cuisson. Les brevets U.S. 5 014 763 et 6 347 660 décrivent un noyau céramique à vert disposé entre les supports d'enfournement céramiques supérieur et inférieur pendant la cuisson. Le support d'enfournement rigide est utilisé pendant la cuisson de manière à maintenir des tolérances sur les dimensions du noyau céramique étant donné que toute déformation du contour du support d'enfournement peut affecter de façon nuisible les tolérances sur les 15 dimensions pouvant être obtenues pendant la cuisson d'un noyau céramique sur ce support d'enfournement. Par exemple, une déformation du contour du support d'enfournement peut conduire au fait que le noyau céramique à vert touche d'une manière incorrecte le support d'enfournement céramique de 20 sorte que des variations des dimensions d'un noyau céramique à l'autre se produisent dans un cycle de production. La présente invention fournit un procédé pour fabriquer un support d'enfournement céramique utilisé dans 25 la fabrication d'un noyau céramique destiné à être utilisé dans la coulée de matériaux métalliques fondus. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à former un mélange comprenant des particules céramiques et un liant sous la forme d'un support d'enfournement 30 céramique à vert, placer ledit support d'enfournement céramique à vert sur un élément de support de telle sorte que des moyens d'introduction d'air sont prévus de manière à permettre l'accès d'air à une surface dudit support d'enfournement adjacente audit élément de support et 35 enflammer un constituant volatil dudit liant dudit support d'enfournement céramique, pendant que ledit support d'enfournement est situé sur ledit élément de support. Un constituant volatil du liant, du support d'enfournement à vert, comme par exemple d'alcool, est enflammé sur des 5 surfaces extérieures du support d'enfournement pour brler au moins une partie du constituant volatil d'une manière qui réduit la fissuration de surface et augmente la solidité à vert du support d'enfournement céramique. L'introduction d'air permet à l'air ambiant d'atteindre la 10 surface inférieure du support d'enfournement à vert au voisinage de l'élément de support ainsi qu'au niveau de la surface supérieure du dispositif d'enfournement à vert, de telle sorte que le constituant volatil du liant est au moins partiellement brlé à la fois au niveau des surfaces 15 supérieure et inférieure du support d'enfournement à vert de manière à réduire la fissuration de surface et augmenter la solidité à vert du support d'enfournement céramique. L'utilisation de l'élément de support de cette manière conduit à une réduction importante de la déformation du 20 contour du support d'enfournement à vert, pendant l'opération d'application de la flamme. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit élément de support inclut lesdits moyens d'introduction d'air. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens d'introduction d'air comprennent une pluralité de trous traversant une épaisseur dudit élément de support. Selon une autre caractéristique de l'invention, 30 lesdits moyens d'introduction d'air comprennent au moins une rainure sur une surface dudit élément de support, qui forme un passage d'introduction d'air lorsque ledit support d'enfournement céramique à vert est placé sur ladite surface dudit élément de support. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit élément de support comprend une plaque de support métallique. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit support d'enfournement inclut une surface inférieure 5 plane qui est en appui sur ledit élément de support Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit support d'enfournement inclut une surface supérieure possédant un profil de pale. Selon une autre caractéristique de l'invention, 10 ledit élément de support portant ledit support d'enfournement céramique est disposé dans une hotte de combustion pour la combustion du constituant volatil dudit liant. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit liant comprend du silicate d'éthyle hydrolyse. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit mélange inclut un catalyseur basique, qui réticule ledit silicate d'éthyle hydrolysé. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront de la description donnée 20 ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un support d'enfournement céramique disposé sur une plaque de support comportant des passages d'introduction d'air 25 conformément à une forme de réalisation de l'invention; - la figure 2A est une vue en plan ou de dessus de la plaque de support montrant des trous d'introduction d'air s'étendant sur l'épaisseur de la plaque de support; - la figure 2B est une vue en élévation du 30 support d'enfournement sur la plaque de support, montrant des trous d'introduction d'air qui s'étendent à travers l'épaisseur de la plaque de support; - la figure 3A est une vue en plan ou de dessus de la plaque de support montrant des rainures d'introduc35 tion d'air formées dans la surface de la plaque de support; - la figure 3B est une vue en élévation du support d'enfournement sur la plaque de support, montrant des rainures d'introduction d'air formées dans la surface de la plaque de support; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un support d'enfournement céramique sur la plaque de support, qui est placé sur un convoyeur à rouleaux d'une hotte de combustion; et - la figure 5 est une vue en coupe transversale 10 d'un noyau céramique disposé sur un support d'enfournement céramique cuit, agencé conformément à une forme de réalisation de l'invention. On va décrire ci-après l'invention uniquement à titre d'illustration en référence à la fabrication d'un 15 support d'enfournement céramique 10, représenté sur la figure 1, fabriqué au moyen d'une technique classique de moulage par coulée, selon laquelle un composé céramique plastifié est introduit dans une matrice ou un moule (non représenté). L'invention n'est pas limitée à un support 20 d'enfournement céramique formé au moyen du procédé de moulage par coulée, et peut être mise en oeuvre pour des supports d'enfournement céramiques formés à l'aide d'autres procédés incluant, sans aucune limitation, le moulage par injection et le moulage par transfert. Le moulage classique 25 par coulée d'un support d'enfournement implique le mélange d'une ou de plusieurs farines céramiques (par exemple farines d'alumine, de silice, de zircon et/ou de zircone), un liant liquide tel qu'un liant liquide formé de silicate d'éthyle durci par voie catalytique, qui contient un 30 constituant d'alcool volatil et d'autres additifs, la coulée du mélange dans un moule ou une matrice ayant la forme du support d'enfournement céramique, la cuisson du mélange, puis le retrait du support d'enfournement céramique à vert 10 hors du moule ou de la matrice. Les poudres céramiques particulaires, des liants ou des additifs pour fabriquer le dispositif de support d'enfournement céramique 10 peuvent être choisis parmi les matériaux classiques disponibles et utilisés à cet effet et ne font pas partie de la présente invention. A titre 5 d'illustration et sans aucun caractère limitatif, le liant peut comporter un liant organométallique tel que du silicate d'éthyle hydrolysé contenant un alcool volatil, comme par exemple de l'isopropanol. Le catalyseur pour un tel liant peut comporter un catalyseur de base, tel que de 10 l'hydroxyde d'ammonium ou de la morpholine, qui entraîne une réticulation du silicate d'éthyle hydrolysé pour produire une structure de gel qui durcit dans le moule ou dans la matrice pour y former un support d'enfournement céramique à vert. Le support d'enfournement céramique à vert 10 comprend une surface profilée Si tournée vers le haut et une surface inférieure plane S2. La surface Si possède un profil ou un contour désiré présélectionné complémentaire de celui d'un noyau céramique à vert 40, figure 5, devant 20 être cuit sur le support d'enfournement céramique 10 comme décrit ciaprès. Par exemple, la surface Si du support d'enfournement est représentée comme possédant un contour de pale présélectionné pour recevoir une partie de pale 40a du noyau céramique à vert 40, figure 5. La surface Si du 25 support d'enfournement possède de façon typique un contour de surface plane, en ce que la surface n'inclut aucun détail de surface, comme par exemple des pieds de support, des dispositifs de production de turbulences et analogues, qui peuvent être présents dans la région 40a de pale du 30 noyau céramique 40. Conformément à une forme de réalisation de l'invention, le support d'enfournement céramique à vert 10 est ensuite placé sur un élément de support 20, figures 2A, 2B, représenté à titre d'illustration et n'ayant qu'un 35 caractère limitatif sous la forme d'une plaque de support 21 étant donné que l'élément de support peut posséder une autre forme que celle de la plaque 20 représentée. Le support d'enfournement céramique à vert 10 peut être positionné sur l'élément de support 20 à la suite du 5 retrait de la matrice ou du moule et de façon typique après refroidissement à la température ambiante, bien que l'invention ne soit pas limitée à cela. Sur la figure 2A, on a représenté la plaque de support 21 comprenant une pluralité de trous 21a qui s'étendent sur son épaisseur. A 10 titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, les trous peuvent posséder chacun un diamètre aussi faible que 1,27 cm (0, 5 pouce) et être espacés par une distance centre-à-centre égale à 5,08 cm (2 pouces) ou à 15,24 cm (6 pouces). Les trous 21a forment des moyens d'introduction 15 d'air permettant à l'air ambiant situé dans une hotte de combustion 30, figure 4, d'atteindre et d'accéder à la surface inférieure S2 du support d'enfournement céramique à vert 10. Sur les figures 3A, 3B, on a représenté la plaque 20 de support 21 comprenant une pluralité de rainures 21b, à la place de trous 21a, qui s'étendent d'un bord à l'autre en travers de la surface supérieure 21s de la plaque, sur laquelle le support d'enfournement céramique à vert est placé, bien qu'une seule rainure puisse être utilisée dans 25 la mesure o elle est configurée pour permettre l'accès à l'air en travers de la surface inférieure 52 du support d'enfournement 10. A titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, les rainures peuvent posséder une largeur de 0,95 cm (3/8 de pouce) et peuvent avoir une 30 profondeur de 0,63 cm (1/4 de pouce) et être espacées les unes des autres de 5, 08 cm (2 pouces) . La ou les rainures 21b forme(nt) un ou des passages d'introduction d'air 21c entre le support d'enfournement 10 et la plaque de support 20 lorsque le support d'enfournement est placé sur la 35 plaque de support. La ou les rainures 21b forme(nt) au moins un moyen d'introduction d'air permettant à l'air ambiant situé dans une hotte de combustion 30, figure 4, d'atteindre et d'accéder à la surface inférieure 52 du support d'enfournement céramique à vert 10. Sinon, au lieu 5 ou en plus de prévoir les trous 21a ou les rainures 21b dans l'élément de support 20, le support d'enfournement céramique 10 peut posséder une surface inférieure S2 formée dans le moule ou la matrice avec une ou plusieurs rainures ou d'autres caractéristiques de surface de manière à former 10 un passage d'entrée d'air entre le support d'enfournement et l'élément de support 20, lorsque le support d'enfournement est placé sur ce dernier. L'élément de support 20 comporte de préférence une plaque métallique 21 en acier inoxydable (par exemple 15 acier inoxydable du type 304L) qui est poli avec précision ou usiné d'une autre manière de manière qu'au moins sa surface supérieure, qui supporte le support d'enfournement céramique à vert 10 présente un profil plat de précision, et par exemple comporte une différence de niveau totale 20 (différence entre le point le plus élevé et le point le plus bas de la surface supérieure) égale à 0,05 cm (0,02 pouce) ou moins. La plaque de support 21 peut posséder n'importe quelles dimensions appropriées comme par exemple à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, 25 une largeur de 35,56 cm (14 pouces) et une longueur 76,2 cm (30 pouces) . L'épaisseur de la plaque de support 21 se situe de façon typique dans la gamme allant de 0,95 cm (0,375 pouce) à 1,91 cm (0,75 pouce), bien que l'on puisse utiliser dans la pratique d'autres épaisseurs ou dimensions 30 pour la plaque. La plaque de support 21 peut être réalisée en un matériau autre que des matériaux métalliques. Ces autres matériaux incluent, sans qu'il n'y ait là aucune limitation, des matériaux céramiques frittés polis. Le support d'enfournement céramique à vert 10 est 35 placé sur l'élément de support 20 avant d'être placé dans une hotte de combustion 30, figure 4. Le constituant volatil du liant est enflammé sur une surface extérieure du support d'enfournement, au moyen de la mise en place d'un chalumeau à flamme nue à proximité du support 5 d'enfournement à vert après que le support d'enfournement à vert 10 (sur l'élément de support 20) a été placé dans la hotte de combustion. Le support d'enfournement céramique à vert 10 peut être disposé avec sa surface inférieure plate S2 sur l'élément de support 20 comme cela est représenté 10 sur la figure 4. La hotte de combustion comprend une hotte métallique classique 30a comprenant un conduit d'échappement 30b, par lequel les produits de combustion du constituant volatil du liant s'évacuent dans l'atmosphère ambiante. L'élément de support 20 sur lequel est disposé le support d'enfoncement céramique à vert 10, est placé sur un convoyeur à rouleaux B par son introduction dans (et son extraction hors de) la hotte de brlage 30. Le constituant volatile du liant est enflammé par mise en place temporaire 20 du chalumeau à flamme nue au voisinage d'une surface extérieure du support d'enfournement, après que le support d'enfournement 10 a été placé dans la hotte de brlage, de manière à brler une majorité de l'alcool volatil du liant pendant une durée (par exemple 20 minutes) pour réduire la 25 fissuration de surface et augmenter la résistance à vert du support d'enfournement céramique à vert, avant qu'il soit soumis à un traitement de cuisson à haute température dans un four séparé. Les moyens d'introduction d'air constitués par des trous 21a sur la figure 4, permettent à l'air 30 ambiant dans la hotte de combustion 30 d'atteindre la surface inférieure S2 du support d'enfournement à vert 10 en appui sur l'élément de support, ainsi que la surface supérieure libre ou non recouverte S1 du dispositif de support d'enfournement à vert 10 dans la hotte de brlage 35 de telle sorte qu'une majorité du constituant volatil du liant est brlée à la fois sur les surfaces supérieure et inférieure Sl, S2 du support d'enfournement à vert. L'utilisation du support 20 de la manière décrite conduit à une réduction importante de la déformation du contour du 5 support d'enfournement pendant l'opération de brlage à la flamme. Cette réduction entraîne à son tour une réduction des variations dimensionnelles des noyaux céramiques 40 cuits sur le support d'enfournement céramique à vert 10, figure 5. Une fois que le traitement initial de combustion dans la hotte de combustion 30 pour brler le constituant volatile du liant conformément à l'invention, le support d'enfournement céramique à vert 10 est placé sur une structure de four classique puis est soumis à une opération 15 de cuisson à haute température, qui renforce le support d'enfournement céramique 10 pour une utilisation ultérieure dans la fabrication d'un noyau céramique 40, figure 5, pour la coulée d'un matériau métallique. On peut faire cuire le support d'enfournement céramique à vert 10 dans un four 20 classique à une température de cuisson élevée supérieure à la température ambiante de manière à réunir par frittage les particules du noyau céramique et renforcer le support d'enfournement. Pour la cuisson d'un support d'enfournement céramique à vert à base de silice, la température maximale 25 de cuisson de ce support peut se situer dans la gamme de 8710C à 1148-C (1600 à 21000F) pendant une durée qui dépend de la composition du support d'enfournement. A titre d'exemple uniquement, pour un support d'enfournement en silice, après le traitement initial de brlage, on peut 30 fritter le support d'enfournement à 11480C (2100 degrés F) en un cycle de 24 heures. La cuisson peut être exécutée dans un air atmosphérique dans le four. Le support d'enfournement 10 est soumis de façon typique à un cycle de cuisson classique mettant en oeuvre un étage de chauffage, 35 un étage de température de cuisson maintenue au maximum et un étage de refroidissement pendant une période d'agrégation de plusieurs heures à plusieurs jours. La cadence de chauffage jusqu'à la température de cuisson maximale est de façon typique comprise entre environ 10 à 5 environ 150 degrés C par heure pour un support d'enfournement à base de silice, et ce uniquement à titre d'illustration. A titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, on peut utiliser le support d'enfournement 10 céramique 10 pour la cuisson d'un noyau de céramique 40 de moulage d'un métal, figure 5, qui est utilisé dans la coulée à investissement d'une pale de turbine à gaz, comme par exemple une ailette et une aube de turbine à gaz. De telles pales sont de façon typique réalisées selon une 15 coulée d'investissement en utilisant des super-alliages à base de nickel et des super-alliages à base de cobalt et sont coulés de manière à présenter une microstructure de grains équi-axes ou une microstructure solidifiée de façon directionnelle, comprenant des grains colonnaires ou un 20 monocristal. Le noyau céramique 40 forme un ou plusieurs passages de refroidissement internes dans la pale comme cela est bien connu. La figure 5 représente le noyau de céramique à vert 40 de coulée d'un métal, qui est disposé sur le noyau 25 céramique 40 pour renforcer le noyau 40 pour son utilisation dans la coulée d'un matériau métallique fondu dans un moule céramique (non représenté), dans lequel le noyau 40 est disposé d'une manière classique. Il apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la 30 technique que des variantes peuvent être apportées aux formes de réalisation de l'invention décrites sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer un support d'enfournement céramique (10), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à former un mélange comprenant des 5 particules céramiques et un liant sous la forme d'un support d'enfournement céramique à vert (10), placer ledit support d'enfournement céramique à vert sur un élément de support (21) de telle sorte que des moyens d'introduction d'air (21a, 21b) sont prévus de manière à permettre l'accès 10 d'air à une surface dudit support d'enfournement (10) adjacente audit élément de support (21) et enflammer un constituant volatil dudit liant dudit support d'enfournement céramique, pendant que ledit support d'enfournement (10) est situé sur ledit élément de support 15 (21). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de support (21) inclut lesdits moyens d'introduction d'air (21a, 21b). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé 20 en ce que lesdits moyens d'introduction d'air comprennent une pluralité de trous (21a) s'étendant sur une épaisseur dudit élément de support (21). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction d'air comprennent 25 au moins une rainure (21b) sur une surface dudit élément de support (21), qui forme un passage d'introduction d'air lorsque ledit support d'enfournement céramique à vert (10) est placé sur ladite surface dudit élément de support (21). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé 30 en ce que ledit élément de support (21) comprend une plaque de support métallique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support d'enfournement (10) inclut une surface inférieure plane qui est en appui sur ledit élément 35 de support (21). 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support d'enfournement (10) inclut une surface supérieure possédant un profil de pale. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé 5 en ce que ledit élément de support (21) portant ledit support d'enfournement céramique (10) est disposé dans une hotte de combustion (30) pour la combustion du constituant volatil dudit liant. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé 10 en ce que ledit liant comprend du silicate d'éthyle hydrolysé. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit mélange inclut un catalyseur basique, qui réticule ledit silicate d'éthyle hydrolysé. -_ - __ __ ---- , , - ,