Brevet FR2954193A1 — publié le 20110624

Procédé de fonderie à la cire perdue La présente invention porte sur la fabrication de pièces telles que des aubages métalliques à géométries complexes selon la technique connue sous la désignation de fonderie à cire perdue. Pour la fabrication des aubages de turboréacteurs, tels que les pièces de rotor, de stator ou bien de structure selon cette technique, on réalise d'abord un modèle en cire ou un autre matériau équivalent facilement éliminable par la suite. Le cas échéant on regroupe plusieurs modèles en une grappe. On confectionne autour de ce modèle un moule céramique par des trempages successifs dans des barbotines. On trempe le modèle dans une première barbotine pour former une première couche de matière au contact de sa surface. On saupoudre de particules minérales (appelées par la suite sable ou stucco) la surface de cette couche afin de la renforcer et de faciliter l'accrochage de la couche suivante. On sèche l'ensemble. Ces deux opérations constituent l'une le stucage, l'autre le séchage. On répète l'opération de trempage associée au saupoudrage de sable et de séchage de manière à obtenir une carapace formée d'une pluralité de couches. Les barbotines sont de compositions éventuellement différentes. Elles sont composées de particules minérales, notamment de granulométrie correspondant à celle d'une farine, d'alumine, de mullite, de zircon ou autre, avec un liant colloïdal minéral et des adjuvants, le cas échéant, en fonction de la rhéologie souhaitée. Ces adjuvants permettent de maîtriser et de stabiliser les caractéristiques des différents types de couches tout en s'affranchissant des effets des différentes caractéristiques physico-chimiques des matières premières constituant les barbotines. Il peut s'agir d'un agent mouillant, d'un fluidifiant ou d'un texturant en fonction pour ce dernier de l'épaisseur désirée pour le dépôt sur le substrat. On procède ensuite au décirage du moule carapace qui est une opération par laquelle on élimine le modèle, généralement en cire, en portant le moule à la température de dégradation de celle-ci. Après élimination du modèle, il reste le moule céramique cru dont la cavité reproduit tous les détails du modèle d'origine. On fait subir au moule un traitement thermique à haute température qui lui confère les propriétés mécaniques nécessaires pour la suite de la fabrication des pièces. Le moule carapace est ainsi prêt pour la fabrication de la pièce par coulée de métal en fusion. Après contrôle de l'intégrité interne et externe du moule carapace, l'étape suivante consiste à couler un métal en fusion dans la cavité du moule puis à le solidifier. Dans le domaine de la fonderie à cire perdue, on distingue actuellement plusieurs techniques de solidification et plusieurs techniques de coulée, selon la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée. Il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire, de solidification dirigée à structure monocristalline ou encore de solidification équiaxe. Les deux premières familles de pièces concernent des pièces en superalliage soumises à de fortes contraintes, tant thermiques que mécaniques, comme les aubes de turbine HP. Après la coulée de l'alliage, on casse la carapace par décochage de manière à libérer la pièce métallique, et on en parachève la fabrication. Un tel procédé permet une très bonne maîtrise des dimensions des pièces ainsi que de leur état de surface. Le procédé conduit à la création de moules avec des parois dont la compacité, si elle est trop importante, peut entraîner une trop forte résistance mécanique de ces moules à même d'induire, d'une part, des défauts sur les pièces pendant l'étape de refroidissement du métal dans le moule et, d'autre part, des difficultés pour détruire le moule au moment du décochage. Certains défauts ont pour origine un dépassement local de la contrainte à la rupture du métal au cours du refroidissement et sont dus à une différence entre les coefficients de dilatation du métal et de la carapace. Le coefficient de dilatation du métal étant supérieur à celui de la carapace, la carapace peur empêcher le retrait naturel du métal lors de son refroidissement, notamment dans la zone où la pièce présente une forte courbure concave. D'autres défauts peuvent aussi apparaître lors du refroidissement du métal quand, à une certaine température, la contrainte dans le métal dépasse sa limite d'élasticité. A la température considérée, dans la mesure où la fissuration de la carapace est encore faible, cette dernière exerce un effort sur le métal. Certains défauts, apparaissant après recuisson, peuvent aussi être initiés lors du décochage. Quand celui-ci est effectué par application de jets d'eau à haute pression, une contrainte est exercée sur le métal lorsqu'il se produit une collision entre un morceau de la carapace décochée et la pièce métallique. La présente invention a pour objet la réalisation d'un moule carapace qui évite les problèmes rencontrés lors de la phase de refroidissement et/ou de décochage avec les moules de l'art antérieur. Le procédé, conforme à l'invention, de fabrication d'un moule carapace de fonderie à la cire perdue, à partir d'un modèle en cire, comprend un trempage du modèle dans une barbotine, un dépôt de particules de sable sur la pellicule formée par la barbotine sur le modèle et un séchage de la pellicule recouverte des particules de sable, ensemble d'opérations que l'on répète de manière à former une pluralité de couches, ledit moule carapace étant ensuite chauffé notamment pour sa consolidation. Le procédé est caractérisé par le fait que l'on incorpore à au moins l'une desdites couches un agent porogène qui génère des pores dans ladite couche lorsque celle-ci est chauffée, de manière à obtenir après consolidation du moule au moins une couche poreuse de résistance mécanique réduite par rapport aux autres couches de la paroi du moule. La couche de moindre résistance est ainsi apte à s'écraser lorsqu'elle est soumise aux contraintes générées pendant la phase de refroidissement du métal. Le volume libéré permet au métal de ne pas être soumis en retour à des contraintes de la part du moule. On réduit de cette façon les sources de défauts dans la pièce en métal. En outre lors de l'opération de décochage, les éléments du moule se détachent plus aisément ; le décochage en est globalement facilité. Conformément à une autre caractéristique, le moule comprenant N couches, la couche N=1 étant de contact avec le modèle, et la couche N=2 étant dite intermédiaire, on incorpore l'agent porogène à au moins l'une des couches ou à plusieurs couches déposées après les couches N=1 et N=2. En fonction du résultat à obtenir et de la résistance globale du moule, on peut former une ou plusieurs couches poreuses de moindre résistance. Selon un mode de réalisation particulier, on incorpore l'agent porogène à au moins l'une des couches N= 3 à 6. Conformément à un mode de réalisation, l'agent porogène est incorporé à ladite couche poreuse avec les particules de sable ou stucco avec lesquelles on recouvre la pellicule de barbotine formée par trempage. On incorpore l'agent porogène, lui-même notamment sous forme particulaire, plus particulièrement dans un rapport en volume, porogène/sable variable compris entre 1/4 et 1 Conformément à une variante de réalisation, l'agent porogène est incorporé à ladite couche poreuse avec la pellicule de barbotine. Il constitue alors un mélange avec la barbotine dans laquelle on trempe le modèle. 10 Pour la mise en oeuvre du procédé, l'agent porogène comprend avantageusement des particules, notamment d'origine végétale, qui sont pyrolysées pendant les étapes de chauffage. Les étapes de chauffage comprenant un chauffage du moule à une 15 température de décirage de ce dernier, et une étape de frittage du moule, éventuellement précédée d'un préfrittage, à une température supérieure à celle du décirage, l'agent porogène est choisi pour de préférence résister à la température de décirage et générer lesdits pores en étant dégradé durant le traitement thermique de consolidation du moule, durant le cycle de 20 frittage du moule, éventuellement lors du cycle de préfrittage (du moule. Conformément à une autre caractéristique, l'agent porogène présente une hydrophilie suffisante pour être mouillé par la barbotine de formation de la couche poreuse. Par exemple, l'agent porogène est d'origine végétale et pyrolysable, et comprend notamment des graines de pavot ou des noyaux et des coques de fruits concassés. 30 Les particules de l'agent porogène convenant à cette fonction ont une granulométrie comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm. Plus particulièrement la taille de l'agent porogène dépend de son mode d'application : quand l'agent est introduit par saupoudrage sa taille est au moins égale à 50% de celle du sable, quand il est introduit dans la barbotine c'est la taille de la 35 charge présente dans cette dernière qui fait référence. On décrit ci-après l'invention plus en détail, en relation avec la figure unique qui illustre la succession des différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce par fonderie à la cire perdue. 25 40 Etape A, la cire, on désigne par ce terme également tout matériau qui remplit la même fonction qu'une cire, est injectée dans des moules 2 reproduisant la forme de la pièce désirée. Etape B, les modèles 3 obtenus sont assemblés en grappes 4 autour d'un axe qui constitue ultérieurement le canal d'alimentation du métal en fusion. Etape C, ces grappes en cire 4 sont lavées dans un bain 5, afin, d'une part, de les nettoyer de toutes les impuretés et, d'autre part, d'assurer un bon mouillage de la cire par la première couche déposée. Etape D, les grappes 4 sont successivement enrobées par trempage dans une barbotine 6, D1, et égouttées, D2, puis recouvertes, D3, d'un stucco 7 - ce terme est la désignation du sable dans le domaine - et séchées pour former une couche. L'étape D est répétée pour former plusieurs couches et obtenir l'épaisseur désirée. Les couches n'étant pas toutes de même nature, plusieurs barbotines avec des compositions différentes sont utilisées. Le stucco 7 permet, d'une part, à la barbotine de s'accrocher sur la couche précédente et, d'autre part, de donner une tenue à la carapace. On applique le stucco à l'aide soit d'une saupoudreuse soit d'un lit fluidisé. Le saupoudrage consiste à faire tomber le stucco sur les grappes à travers un tamis vibrant qui crée ainsi un flux uniforme sous lequel les grappes suivent des mouvements bien définis. Dans le cas du lit fluidisé, les particules de stucco sont introduites à contre courant du débit d'air. Les grappes 4 sont introduites dans ce lit fluidisé et se recouvrent de stucco. Une fois la totalité des couches déposées un séchage final, D4, est effectué. Etape E, l'opération dite de décirage permet le départ de la cire sans dilatation significative de celle-ci et donc sans contrainte sur les carapaces. L'utilisation d'un autoclave (enceinte permettant une montée en température et en pression de vapeur d'eau) permet de faire fondre la cire d'abord à l'interface avec la carapace. Cette cire fondue s'écoule avant que l'ensemble ne se dilate. Etape F, une fois la cire éliminée, les moules 8 sont frittés à haute température, F1 à F3. Etape G, après vérification de la viabilité des moules 8 au regard de la coulée du métal, celui-ci est fondu à la température requise. Le métal 9 est coulé dans le moule 8 puis, après refroidisement, les pièces subissent un traitement de finition et de contrôle, G1 et G2. La carapace fortement fragilisée par les contraintes thermomécaniques induites par la coulée du métal et par sa solidification se fragmente sous l'effet des vibrations imposées par un choc mécanique. Les fragments adhérents sont ôtés par projection d'eau sous haute pression. Divers contrôles dimensionnels et métallurgiques sont effectués sur chaque pièce. La dernière étape consiste en la finition des pièces. Elle concerne notamment la découpe, le polissage ou encore le fraisage. Si la carapace du moule 8 est trop dure ou trop résistante elle est susceptible d'être responsable de la formation de défauts sur la pièce métallique. Conformément à l'invention, on modifie le procédé ci-dessus en créant au moins une couche que l'on qualifie de sacrificielle. Celle-ci est constituée de telle façon qu'elle présente une résistance mécanique plus faible que les autres couches et est ainsi apte à s'écraser ou se déformer lors de l'étape de refroidissement de la pièce. Acceptant sans fragmentation les contraintes qui lui sont appliquées, elle permet une diminution des défauts induits. On obtient ce résultat en rendant la (ou les) couche(s) sacrificielle(s) poreuse(s). La présence de cette porosité au sein de la carapace fragilise fortement les premières couches du moule durant le refroidissement du métal en les isolant du reste de la céramique. Dans cette configuration, sans être lié par cette théorie cependant, il apparaît que les premières couches se fissurent avant d'exercer une contrainte importante sur le métal lors de son retrait. On constate, en tout état de cause, une diminution du nombre de défauts induits sur les pièces métalliques. L'intérêt du porosage est de permettre à la fois la déformation de la partie interne de la carapace du fait de la plus faible résistance à la compression de la (ou les) couche(s) sacrificielle(s) et, la fragmentation de la carapace pendant le refroidissement (fragmentation est mieux que fissuration car une pièce fissurée peut garder son intégrité si les fissures restent localisées), c'est-à-dire de céder là où, du fait de sa forme, la pièce métallique exerce une contrainte de traction ou de cisaillement sur la céramique pendant le refroidissement.40 Pour créer cette couche sacrificielle, un premier mode de mise en oeuvre de l'invention consiste à introduire l'agent porogène avec le stucco lors de l'étape de sablage, par saupoudrage ou dans le lit fluidisé, de l'une ou de plusieurs des couches, notamment N=3 et/ou N=4. Dans ce cas, les couches N=1 de contact et N=2 intermédiaire sont formées par trempage et sablage selon le cycle classique. Les couches 3 et 4 sont enrobées par trempage également selon le cycle de production classique mais le sablage s'effectue avec un mélange de l'agent porogène avec le stucco. Les couches suivantes sont formées de façon classique avec un stucco conventionnel. Plus généralement on peut introduire l'agent porogène dans une ou plusieurs couches autres que les deux premières, par exemple 3, 4 ou 5 (ou plus, la carapace peut comporter plus de 6 couches de stucco) et dans des proportions différentes. Les conditions de séchage de chaque couche sont identiques à celles appliquées en production conventionnelle, dans un séchoir tunnel par exemple. Les carapaces une fois séchées sont décirées puis préfrittées et/ou frittées selon un cycle thermique, proche de celui de la production conventionnelle, qui intègre cependant une montée en température plus lente jusqu'à 600°C environ afin de permettre l'élimination sans dommage de l'agent porogène. Les carapaces sont enfin frittées, Etape F, selon le cycle thermique classique. Dans la mesure où la montée en température est lente jusqu'à 500-600°C, le préfrittage et le frittage peuvent être réalisés au cours du même cycle thermique. Avantageusement, on utilise un agent porogène qui répond aux critères suivants : il respecte la sécurité des opérateurs et de l'environnement, il résiste au décirage ; notamment il ne doit pas être éliminé lors de l'élimination de la cire, il n'est pas soluble dans l'eau, il est hydrophile de façon à ce que la barbotine puisse le mouiller afin d'obtenir une bonne adhérence entre les couches. On a procédé à des essais avec des particules végétales : un premier agent porogène était constitué de graines de pavot, un second agent porogène était constitué de noyaux et de coques de fruits concassés. Les graines de pavot, de taille moyenne millimétrique, sont environ deux fois plus grosses que les grains de stucco conventionnels ; les noyaux et coques de fruits ont une taille moyenne légèrement inférieure au millimètre. L'introduction de l'un ou l'autre de ces agents porogènes en couches 3 et 4 augmente de façon significative la porosité des moules obtenus. Les proportions testées étaient : de 25% volumique de porogène et 75 % volumique de stucco, d'une part, et de 50/50, d'autre part . L'agent porogène est incorporé à ladite couche poreuse avec les particules de sable, notamment dans un rapport en volume porogène / stucco de 1/4 à 1, ou dans un rapport en volume de 1/3 à 1 en fonction de la nature du porogène. Revendications1. Procédé de fabrication d'un moule carapace (8) de fonderie à la cire perdue, à partir d'un modèle (3) en cire, comprenant une étape de trempage du modèle dans une barbotine (6), de dépôt de particules (7) de sable sur la pellicule de barbotine qui recouvre le modèle et de séchage de la pellicule recouverte des particules de sable, que l'on répète de manière à former une pluralité de couches, ledit moule carapace (8) étant ensuite chauffé notamment pour sa consolidation, caractérisé par le fait que l'on incorpore à au moins l'une desdites couches un agent porogène qui génère des pores dans ladite couche lors d'une étape de chauffage suivant la formation des couches, de manière à obtenir au moins une couche poreuse de résistance mécanique réduite par rapport aux autres couches de la paroi du moule (8). 2. Procédé selon la revendication précédente, d'un moule comprenant N couches, la couche N=1 étant de contact avec le modèle, et la couche N=2 étant dite intermédiaire, selon lequel on incorpore l'agent porogène dans l'une au moins des couches déposées après les couches N=1 et N=2. 3. Procédé selon la revendication précédente selon lequel on incorpore l'agent porogène dans au moins l'une des couches N=3 à 6 et plus particulièrement N= 3 et/ou 4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, l'agent porogène étant incorporé avec les particules (7) de sable, par saupoudrage, notamment dans un rapport en volume de 1/4 à 1. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, l'agent porogène étant incorporé à ladite couche poreuse avec la pellicule de barbotine, en constituant alors un mélange avec la barbotine dans laquelle le modèle est trempé. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, l'agent porogène comprenant des particules, notamment d'origine végétale, qui sont pyrolysées par la chaleur pendant les étapes de chauffage. 35 7. Procédé selon la revendication précédente, les étapes de chauffage comprenant un chauffage à la température de décirage du moule, et une étape (F) de consolidation du moule (8) à une température supérieure à celle du décirage, selon lequel l'agent porogène résiste à la température de décirage et génère lesdits pores en étant dégradé pendant le traitement thermique de consolidation du moule. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dont l'agent porogène est d'origine végétale pyrolysable et comprend notamment des graines de pavot ou des noyaux et des coques de fruits concassés. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8 dont les particules ont une granulométrie moyenne comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm. 10.Procédé selon l'une des revendications précédentes dont l'agent porogène présente une hydrophilie suffisante pour être mouillé par la barbotine de formation de la couche poreuse.