Brevet FR2874186A1 — publié le 20060217

La présente invention concerne le domaine des turbines, en particulier celui des turbines de moteurs à turbine à gaz, et vise un procédé de fabrication par moulage à cire perdue de pièces, notamment des aubes, comprenant des cavités destinées à la circulation de fluides de refroidissement. Les aubes de turbines qui sont soumises à des contraintes thermiques élevées comprennent des moyens de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur, généralement de l'air dans le cas d'un moteur à turbine à gaz, à l'intérieur de cavités ménagées à l'intérieur de la pale. Par ailleurs les aubes de turbines sont maintenant généralement fabriquées par moulage à cire perdue. Cette technique consiste à réaliser un modèle en cire ou autre matériau provisoire équivalent, de la pièce que l'on veut mouler. On enveloppe le modèle dans un moule carapace en céramique. Celui-ci est fabriqué par des trempages successifs du modèle dans des barbotines contenant une matière céramique et le stucage de la couche formée entre chaque trempage. On sèche le moule; on élimine la cire qu'il contient par une première cuisson à une température adaptée puis on fait cuire le moule à une température élevée pour lui conférer la résistance nécessaire à la coulée. Il reste alors l'image du modèle en creux dans laquelle on coule le métal en fusion. Après refroidissement, on casse le moule pour dégager la pièce. Celle-ci subit ensuite un simple traitement de finition. Lorsque la pale comprend des cavités pour la circulation du fluide de refroidissement, il faut incorporer dans le modèle un ou plusieurs noyaux. Cette phase du procédé comprend d'abord la fabrication séparée du ou des noyaux par moulage d'une matière céramique consolidée par un liant, leur assemblage le cas échéant, et la mise en place du ou des noyaux dans un moule à cire. On moule ainsi un modèle par injection de cire dans le moule à cire; le modèle forme la réplique de la pièce à obtenir. On a représenté sur la figure 1, en coupe perpendiculaire à l'axe de la pièce, un moule à cire 10 dont la paroi interne est l'image de la pièce à obtenir. Ce moule est ici en deux parties 10A et 10B. On a disposé dans ce moule un noyau 13. Le noyau ici est composé d'une pluralité de branches 13A à 13G parallèles entre elles et rattachées à une racine commune. Les branches définissent entre elles des espaces qui formeront des cloisons après coulée du métal. Pour assurer le calage du noyau à l'intérieur du moule, on prévoit actuellement des petits cônes 15 en matière plastique. La fonction de ces cônes est de maintenir un espace entre les parois du noyau et la paroi interne du moule. Quand on injecte la cire, on évite ainsi que, par un déplacement inopportun du noyau, la couche formée soit irrégulière. L'étape suivante consiste à former un moule céramique autour du modèle obtenu après son extraction du moule 10. Les cônes ne sont plus suffisants pour garantir la qualité de la pièce car ils sont entraînés avec la cire au moment du décirage du moule. Afin d'assurer un positionnement correct du noyau dans le i.0 moule carapace et éviter qu'il ne soit déplacé au moment de la coulée du métal en fusion, on adapte des tiges sur le modèle comme on le voit sur la figure 2. Cette figure représente le modèle en cire à l'intérieur du moule carapace 12 en matière céramique. Ces tiges 16 sont placées ici dans la zone proche du bord de fuite, au travers de la couche de cire 17, en appui contre une face du noyau 13. is Ces tiges sont en platine et sont fondues au moment de la coulée de l'alliage en fusion. Tout autre matériau autre que le platine et remplissant la même fonction est possible. Pour maintenir en place les tiges 16 pendant les opérations de réalisation du moule carapace, on ajoute des bourrelets en cire 18 autour des tiges. Ces bourrelets sont noyés dans la paroi du moule carapace 12 ainsi que la partie extérieure des tiges 16. Lorsque la cire a été éliminée du moule, on coule le métal en fusion qui remplit l'espace entre les parois du moule et celles du noyau. Les tiges sont dissoutes dans le métal. On élimine après un refroidissement approprié, les éléments constituant le noyau pour obtenir la ou les cavités. On obtient la pièce représentée à la figure 3. Dans la phase de finition on doit éliminer les bourrelets 18' qui se sont formés à la surface de l'aube. Lorsque cette opération est manuelle, elle ne peut être complètement maîtrisée, ce qui peut provoquer une dispersion importante des épaisseurs de paroi et entraîner un taux de rebut élevé. Les tolérances particulièrement resserrées sur les épaisseurs de paroi dans ces zones ne laissent pas beaucoup de marge. On observe aussi que le procédé ne permet pas d'obtenir une qualité de pièce optimale. La zone critique de la pale de l'aube n'est ni parfaitement située dans son environnement ni immobilisée lors de l'injection de la cire; un défaut 1.5 30 de position peut être déjà observé à ce stade de la fabrication. Ceci cumulé à la perte de matière lors de l'opération de finition augmente les risques de ne pas obtenir un produit de qualité satisfaisante. D'autre part les bourrelets, en étant ancrés dans la carapace céramique, sont le siège de contraintes mécaniques lors du retrait du métal qui peuvent générer des grains recristallisés au moment du traitement thermique. La pièce doit alors être rebutée. lo On note aussi que l'opération de pose des picots de platine et des bourrelets sur le modèle en cire est longue et délicate. Enfin, l'opération de meulage et d'élimination des bourrelets a un coût qu'il serait souhaitable d'éviter. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de maîtriser les épaisseurs de parois, en particulier dans les zones critiques à épaisseur faible, notamment dans le bord de fuite de la pale. Conformément à l'invention, le procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pièce, telle qu'une aube de turbine, comportant au moins une cavité selon lequel, on fabrique un noyau en matière céramique reproduisant ladite cavité, on introduit le noyau dans un moule à cire, on réalise un modèle en cire de la pièce avec le noyau par injection de cire dans le moule, on forme un moule carapace en matière céramique à partir du modèle en cire, on élimine la cire, et on coule le métal en fusion dans le moule carapace, est caractérisé par le fait que l'on place sur le noyau au moins un élément formant entretoise entre la paroi du noyau et la paroi interne du moule à cire, avant injection de la cire dans le moule, l'élément étant en contact avec ladite paroi du moule. Grâce à cette solution, on obtient dès la coulée des parois intrados et extrados ne nécessitant pas d'usinage. On conserve entièrement l'intégrité du modèle issu du moule après injection. Par ailleurs, les épaisseurs sont garanties par les éléments rapportés, de l'injection de cire jusqu'à la coulée de façon plus précise. On diminue le temps de mise en oeuvre et de finition tout en améliorant la qualité du produit fini. Conformément à une autre caractéristique, on ménage une cavité dans la paroi du noyau pour loger l'élément formant entretoise. Cette cavité est de préférence borgne, et peut être obtenue au moment de la formation du noyau ou bien être usiné. lo De préférence, l'élément formant entretoise a une forme allongée, comme une tige ou une aiguille, et est placé sur le noyau en étant couché dans le sens de sa longueur. Cet élément peut avoir une section circulaire ou bien polygonale, notamment carrée, rectangulaire ou hexagonale. Il prend appui à la fois sur la paroi du noyau et contre la paroi interne du moule à cire. Conformément à une autre caractéristique, le noyau comporte des entailles en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, et au moins un élément est logé dans une entaille. Conformément à une autre caractéristique, le noyau comporte des entailles en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, et au moins un élément est disposé selon une direction parallèle aux entailles. Conformément à une autre caractéristique, le noyau comporte des entailles en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, et au moins un élément est disposé de manière à former un angle, notamment droit, par rapport aux dites entailles. L'invention porte également sur une pièce obtenue selon le procédé, avec au moins un perturbateur d'écoulement de fluide à l'intérieur de la pièce, formé à partir d'un logement d'un des dits éléments. L'invention s'applique en particulier à la fabrication d'une aube mobile ou statorique de turbine selon lequel on dispose au moins un élément sur l'intrados et un élément sur l'extrados. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention. Cette se réfère aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 à 3 montrent des étapes de fabrication d'une aube selon l'art antérieur, - la figure 4 montre en coupe perpendiculaire à l'axe, un montage conforme à l'invention d'un noyau d'aube dans le moule à cire, la figure 5 montre une vue partielle face à la paroi du noyau en céramique avec différentes positions des éléments formant entretoise, - la figure 6 montre l'aspect de la pièce en coupe perpendiculaire à son axe après coulée et suppression du noyau céramique. En se reportant directement à la figure 4, on voit le modèle de la pièce qui est une aube de même profil que celle de l'art antérieur présenté plus haut. On retrouve le noyau 13 logé dans les deux moitiés 10A et 10B du moule à cire 10. Le noyau 13 est enrobé d'une pellicule de cire 17 qui a été injectée dans le moule et qui occupe tous les espaces vides entre les différents éléments du noyau d'une part et entre le noyau et la paroi intérieure du moule d'autre part. Conformément à l'invention, on a disposé des éléments entretoises 20, en platine, à la formation du modèle dans le moule. Le platine peut être remplacé par un autre matériau suivant la nature du métal utilisé pour la coulée. Ces éléments sont noyés dans l'épaisseur de la pellicule de cire 17. Ils affleurent la surface extérieure de la pellicule de cire, après extraction du modèle. Ces éléments 20 sont disposés notamment sensiblement au même endroit que dans la solution de l'art antérieur, ici vers le bord de fuite de l'aube. On a représenté sur la figure 5 différents emplacements possibles des éléments 20. Le noyau est montré partiellement sur une face. Il est composé de plusieurs parties 13A à 13G assemblées côte à côte. Ces parties sont reliées entre elles par une extrémité. On distingue des entailles sensiblement transversales 130, certaines sont perpendiculaires à l'axe longitudinal du noyau d'autres forment un angle déterminé par rapport à cet axe. Ces entailles 130 forment des cavités pour le métal en fusion. Après coulée du métal des reliefs à l'intérieur des canaux sont ainsi formés. Ils ont une fonction de perturbateur d'écoulement du fluide de refroidissement qui circule à l'intérieur des cavités de la pièce. Les éléments 20 ont de préférence une forme allongée et sont collés dans un logement qui a été préalablement ménagé sur les parois du noyau. En fonction des besoins, et de la géométrie, on peut disposer un seul élément, isolé, par exemple comme celui représenté en 21. Cet élément 21 est disposé transversalement par rapport à la partie 13 du noyau sur lequel il est placé. La longueur de l'élément 21 est inférieure à la largeur de la partie 13. L'élément peut être placé plutôt vers l'extrémité haute de la pièce éloignée du pied, comme l'élément 23 ou 24. Dans le cas de la position 23, on a creusé le logement dans l'entaille même du perturbateur de flux. L'élément peut aussi être placé dans le sens de l'axe de la pièce, une aube par exemple, comme on le voit dans les positions 22 ou 25. Dans la position 22, il est placé perpendiculairement entre deux entailles adjacentes, 1302 et 1303. Dans la position 25, il chevauche en travers l'une des entailles 1304. Dans la position 26, l'élément est placé parallèlement à une entaille 1305, elle-même étant inclinée par rapport à l'axe. La position 27 montre un chevauchement de l'entaille 1306 comme pour la position 25. Selon une autre variante, on colle l'élément sur la surface sans modification de celle-ci Sur la figure 4, on a représenté un élément à section ronde, mais cela n'est pas la seule forme qui convient. Son épaisseur est adaptée à celle de la paroi dans laquelle elle est noyée. Sur la figure 6, on a représenté, la pièce une fois finie. Les éléments en platine se sont dissous dans le métal au moment de la coulée. On constate qu'il n'a pas été nécessaire de meuler la surface de la pièce. Elle ne comporte aucune excroissance. On trouve une surépaisseur 190 de la paroi 19 de la pièce, à l'intérieur de la cavité 13' de la pale correspondante de la partie du noyau sur laquelle on a formé le logement de l'élément 20. Il a été vérifié que cette excroissance n'affectait en rien les caractéristiques de l'aube. Conformément à un autre aspect de l'invention, cette excroissance constitue elle-même un perturbateur. On peut ainsi tirer avantage de la contrainte technique imposée par le moulage. On a décrit la méthode pour des aubes de turbine creuses. Cependant l'invention s'applique à tout type de pièce creuse qui comporte des épaisseurs de paroi fines et difficiles à maîtrise. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pièce, telle qu'une aube de turbine, comportant au moins une cavité selon lequel, on fabrique un noyau (13) en matière céramique reproduisant ladite cavité, on introduit le noyau (13) dans un moule à cire (10), on réalise un modèle en cire de la pièce avec le noyau par injection de cire (17) dans le moule, on forme un moule carapace (12) en matière céramique à partir du modèle en cire, on élimine la cire, et on coule le métal en fusion dans le moule carapace, caractérisé par le fait que l'on place sur le noyau au moins un élément (20, 21 à 27) formant entretoise entre la paroi du noyau et la paroi interne du moule à cire, avant injection de la cire dans le moule, l'élément venant en contact avec ladite paroi du moule. 2. Procédé selon la revendication précédente selon lequel on ménage une cavité, de préférence borgne, dans la paroi du noyau pour loger l'élément formant 20 l'entretoise (20). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dont l'élément (20) est en forme de tige ou d'aiguille et est placé sur le noyau (13) couché dans le sens de sa longueur. 4. Procédé selon la revendication précédente dont l'élément (20) en forme de tige a une section circulaire. 5. Procédé selon la revendication 4 dont l'élément en forme de tige a une section polygonale, notamment carrée, rectangulaire ou hexagonale. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dont le noyau (13) comporte des entailles (130) en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, au moins un élément (23) étant logé dans une entaille (1301) 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dont le noyau comporte des entailles (130) en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, au moins l'un des éléments (24, 26) étant disposé selon une direction parallèle aux entailles (1301, 1305). 8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dont le noyau comporte des entailles (130) en surfaces pour constituer des perturbateurs d'écoulement de fluide dans la pièce, au moins l'un (22, 25, 27) des éléments étant disposé de manière à former un angle, notamment droit, par rapport aux dites entailles. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la pièce étant une aube lo mobile ou statorique de turbine selon lequel on dispose au moins un élément (20) sur le noyau du côté de l'intrados et un élément (20) sur le noyau du côté de l'extrados. 10. Pièce obtenu selon le procédé de l'une des revendications 1 à 9 avec au moins 15 un perturbateur d'écoulement de fluide à l'intérieur de la pièce, formé à partir d'un logement d'un des dits éléments.