Brevet FR2957828A1 — publié le 20110930

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement celui de la fabrication des aubes de turbine pour ces turbomachines. Les aubes de turbine pour les turbomachines sont des pièces soumises en utilisation à de fortes contraintes thermiques et mécaniques qui nécessitent qu'elles soient refroidies pour supporter les conditions dans lesquelles elles fonctionnent. Pour cela les aubes sont creuses et un circuit de refroidissement par de l'air est mis en place à l'intérieur de l'aube. Ce circuit est organisé en plusieurs conduits qui partent du pied de l'aube, se développent à l'intérieur de cavités le long de la pale et qui débouchent par un trou pratiqué dans la paroi qui referme la tête de l'aube. Ce trou, appelé trou de dépoussiérage, étant positionné en partie haute de chaque cavité, sert également à éjecter les poussières qui circulent dans le circuit de refroidissement de l'aube et à éviter que celles-ci ne viennent obturer un trou de ventilation d'une paroi métallique de l'aube. De telles aubes, vue la complexité de leurs formes, sont réalisées par fonderie, selon une technique connue sous le nom de fonderie à la cire perdue. Au cours de cette opération la future partie intérieure des aubes est matérialisée par un noyau en céramique qui a vocation à être éliminé par voie chimique après la coulée du métal. Ces noyaux sont fixés dans un moule métallique d'injection qui permet d'obtenir un modèle en cire de l'aube, entourant le noyau. Ce modèle en cire est ensuite enrobé dans une carapace céramique qui sert à la coulée de l'aube une fois que le modèle en cire a été éliminé. Cette carapace permet d'obtenir l'épaisseur demandée pour les parois de l'aube. Ces noyaux sont de formes de plus en plus complexes, au fur et à mesure que qu'augmentent les spécifications exigées pour le refroidissement des aubes. Il est alors nécessaire de positionner ces noyaux avec une extrême précision dans le moule métallique d'injection. Le noyau est couramment réalisé en deux parties, une zone inférieure et une zone supérieure, la zone inférieure du noyau étant reliée à la zone supérieure par des tiges de liaison en quartz. Ces tiges ont principalement deux fonctions : d'une part, tenir entre elles les parties du noyau et rigidifier l'ensemble, et d'autre part participer à la réalisation de trous de dépoussiérage, dans la partie supérieure de l'aube. Ces tiges, qui ne sont pas éliminées lors de l'opération d'élimination chimique du noyau, restent sur l'aube, fichées dans les trous qu'elles ont vocation à générer dans sa paroi supérieure. Traditionnellement les tubes étaient réalisés en quartz, ce qui induit un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord ces tubes sont très fragiles car extrêmement fins, ce qui occasionne un taux important de rebut des pièces au cours de la production. Pour pallier cela il est souhaitable de remplacer les tubes en quartz par des tiges en alumine, qui ne présentent plus ce défaut de fragilité. Mais l'élimination de l'alumine nécessite le trempage de l'aube dans un bain de potasse, ce qui prend du temps et est néfaste pour l'environnement, et de plus qui nécessite la mise en place d'installations importantes pour pouvoir effectuer ce traitement. Il est donc important de trouver une méthode alternative 15 d'élimination des tiges de maintien du noyau à la suite des opérations de coulée du métal des aubes de turbine. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'élimination des tiges d'alumine utilisées lors de la coulée de la pièce, qui ne présente pas au moins 20 certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui soit fiable et bon marché et qui ne présente pas de risque pour l'environnement ou pour les opérateurs. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'aubes de turbine par la technique de fonderie dite à la cire perdue 25 comprenant la réalisation d'un noyau en céramique, d'un modèle de l'aube en cire et d'une carapace de moulage, ledit noyau réalisé en au moins deux parties, lesdites deux parties étant espacées de façon à réaliser une paroi de l'aube lors de la coulée du métal et étant reliées l'une à l'autre par des tiges de liaison positionnées de façon à réaliser des 30 trous dans ladite paroi de l'aube pour permettre la sortie de l'air de refroidissement des cavités internes de l'aube, caractérisé en ce que lesdites tiges sont réalisées en aluminium oxydé. La possibilité de choisir l'alumine pour la réalisation des tiges de maintien du noyau des aubes associée à son élimination par voie 35 physique et non plus chimique, représente un gain important tant en termes de coût du processus de fabrication qu'en termes de respect de l'environnement. Dans un mode particulier de réalisation le procédé comprend une première étape d'élimination de la tige qui consiste à effectuer une flexion de la partie de la tige faisant saillie à l'extérieur de ladite paroi jusqu'à obtention de sa rupture au niveau du trou. Cette opération est extrêmement simple et peu coûteuse à réaliser puisqu'elle s'effectue avec un simple pince. Dans un mode complémentaire de réalisation le procédé comprend une seconde étape d'élimination de la tige qui consiste à amener un poinçon cylindrique ayant un diamètre inférieur à celui de ladite tige, en contact avec la section de ladite tige, à l'orienter ledit poinçon dans l'axe du trou et à appliquer une pression sur ledit poinçon. L'élimination de la partie inférieure de la tige par cette méthode ne nécessite que l'application d'un coup sec sur la tige qui se décolle de la paroi du fait de l'absence de collage ou de soudage par diffusion de l'alumine avec le métal de l'aube. Avantageusement le procédé comprend une étape supplémentaire de contrôle de l'évacuation de ladite tige par le trou d'entrée de l'air de refroidissement dans la cavité correspondante. L'invention porte également sur un outil de positionnement pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit ci-dessus, d'un poinçon par rapport à un trou réalisé sur une paroi d'une aube et destiné à permettre la sortie de l'air de refroidissement des cavités internes de l'aube, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un perçage cylindrique et au moins un moyen d'extraction porteur dudit poinçon apte à coulisser dans ledit perçage, l'outil comportant en outre au moins un moyen de référencement de sa position par rapport à celle de ladite aube permettant d'aligner la direction du perçage avec l'axe du trou. L'outil revendiqué permet d'appliquer la pression nécessaire à l'arrachement de la tige d'alumine de façon précise selon la direction du trou à perforer. De façon préférentielle ledit moyen de référencement est constitué par une jupe s'étendant du côté de la saillie dudit poinçon, ledit outil étant destiné à être mis en place sur une aube comportant une forme en baignoire au niveau de sa tête et ladite jupe étant apte à positionner ledit outil par coopération avec les parois de ladite baignoire. Avantageusement le moyen d'extraction est un piston cylindrique coulissant dans un canon creusé dans ledit outil et sur lequel est fixé un poinçon cylindrique de même axe et de diamètre inférieur à celui dudit piston. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une aube de turbine haute pression d'une turbomachine, au cours de son processus de 15 réalisation ; - la figure 2 est une vue en perspective de la partie supérieure d'une aube identique à celle de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont des vues de face de deux variantes d'un support d'extracteur de tige d'alumine, selon un mode de réalisation 20 de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe d'un support d'extracteur pour l'élimination de tiges d'alumine selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 6 à 9 sont des vues en coupe d'une tête d'aube de 25 turbine aux différentes étapes de l'élimination des tiges d'alumine à l'aide d'un support d'extracteur selon un mode de réalisation de l'invention. En se référant aux figures 1 et 2, on voit une aube de turbine haute pression 1 en cours d'élaboration par un procédé de fonderie à la cire perdue. Dans l'état représenté le métal de l'aube a été coulé, faisant 30 suite à l'élimination de la cire, et le noyau en céramique a déjà été dissous, par un traitement chimique approprié. L'aube 1 présente, au niveau de sa tête 2, une forme creuse ou baignoire 3, du fait que les parois d'intrados et d'extrados de l'aube se prolongent au-delà de la paroi supérieure 4 qui referme les cavités internes de refroidissement. Des 35 tiges en aluminium oxydé ou alumine 5 s'étendent vers l'extérieur de la baignoire 3, en étant fichées dans des trous de dépoussiérage 6, non visibles sur les figures. La figure 3 montre un extracteur 7 composé d'un corps cylindre 8 et d'un poinçon 9 fixé à une des extrémités du corps cylindrique 8. Le 5 poinçon est lui aussi cylindrique, mais d'un diamètre très petit par rapport au corps 8 et, en tout état de cause inférieur au diamètre des tiges d'alumine 5 à extraire. Les figures 4 et 5 montrent un support d'extracteur 10 équipé de deux extracteurs 7. Chaque extracteur est inséré dans un canon cylindrique creux 11 dont le diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre extérieur du corps 8, de façon que celui-ci puisse coulisser à l'intérieur du canon tout en restant orienté précisément dans l'axe du canon 11. De manière générale, les canons sont orientés dans l'espace selon une direction qui correspond à l'orientation de l'axe d'un des trous de dépoussiérage 6 de la tête 2 de l'aube. Dans l'exemple de la figure 4 les canons 11 sont orientés tous deux selon une direction qui sera, une fois le support d'extracteur 7 installé sur l'aube 1, perpendiculaire à la paroi supérieure 4 de l'aube, alors que sur la figure 5, un des canons est orienté en biais, selon une direction qui correspond à l'orientation de l'axe d'un des trous de dépoussiérage 6 de la tête 2 de l'aube ; ici l'axe du trou de dépoussiérage n'est pas perpendiculaire à la paroi supérieure 4 de l'aube. Sur la partie inférieure du support d'extracteur 10 apparaît une jupe 12 de forme cylindrique, de faible hauteur, dont la directrice du cylindre reproduit la forme interne de la baignoire 3 de la tête de l'aube 1. Cette configuration a pour objet de pouvoir poser le support d'extracteur 10 sur la tête 2 de l'aube 1 et de le positionner de façon qu'il s'ajuste précisément dans la baignoire 3. Les figures 4 et 5 montrent également l'extrémité des poinçons 9 des deux extracteurs 7 qui dépassent de la jupe 12. La figure 6 montre une tête d'aube de turbine 2 après sa coulée et après l'élimination de son noyau en céramique. Les tiges d'alumine 5 sont encore présentes, fichées dans les trous 6 de la paroi supérieure 4 de l'aube 1. Ces trous 6 sont positionnés à l'extrémité de cavités 13 délimitées par des parois internes 14 attachées à la paroi supérieure 4 et aux parois latérales, d'extrados et d'intrados, de l'aube 1. La figure 7 représente la même tête d'aube, les tiges d'alumine 5 ayant été cassées pour leur partie dépassant de la paroi supérieure 4, une seconde partie restant attachée à cette paroi et s'étendant à l'intérieur des cavités 13. Sur la figure 8 est représentée une tête d'aube 2, dans une configuration identique à celle de la figure 7, et sur laquelle est déposé un support d'extracteur 10. Celui-ci est porté par la tête d'aube 2 grâce à sa jupe 12 qui s'encastre dans la baignoire 3 de l'aube 1. Les extracteurs 7 sont en position d'attente, c'est à dire maintenus en partie haute dans le support 10 de façon que les poinçons 9 ne viennent pas en contact avec la paroi supérieure 4 de l'aube. La figure 9 représente les mêmes éléments, le support d'extracteur 10 étant toujours positionné sur la baignoire 3 de la tête de l'aube, mais dans une configuration où les extracteurs 7 ont été enfoncés dans le support 10 et où les poinçons 9 s'étendent désormais en-dessous de la paroi supérieure 4. Les morceaux de tiges d'alumine 5 restant ont été détachés de la paroi supérieure 4 et tombent à l'intérieur des cavités 13. On va maintenant décrire le déroulement du processus d'élimination des tiges d'alumine, selon un mode de réalisation de 20 l'invention. L'aube 1 est positionnée dans un outillage de maintien, tel qu'un étau dans lequel son pied est enserré, en position sensiblement verticale. L'opérateur prépare tout d'abord des extracteurs 7, en nombre égal à celui des tiges d'alumine dépassant dans la baignoire 3 de l'aube. 25 Pour cela il attache, de façon classique, des poinçons 9 à l'extrémité du corps 8. Les poinçons peuvent, par exemple, être constitués par des forets usagés et sont choisis avec un diamètre inférieur à celui des trous de dépoussiérage 6, de sorte qu'ils puissent passer sans blocage au travers de ces trous. 30 L'opérateur commence par casser la partie des tiges d'alumine 5 qui dépasse du fond de la baignoire 3 de la tête de l'aube 1, à l'aide d'une pince classique. La très petite taille de ces tiges fait qu'il n'a aucune difficulté à réaliser cette opération. Il installe ensuite les extracteurs 7 dans le support d'extracteur 10, au travers des canons 11, puis il 35 positionne celui-ci dans la baignoire 3 de la tête de l'aube 1. Il s'assure pour cela que la jupe 12 du support d'extracteurs s'emboîte parfaitement dans ladite baignoire, ce qui garantit un bon alignement des canons 11, et par suite des poinçons 9, avec les tiges 5 à éliminer. Il ne lui reste plus qu'à frapper la tête des extracteurs 7 à l'aide d'un outil du type marteau pour détacher les tiges 5 des trous 6 et les faire tomber à l'intérieur des cavités 13. Cette opération de séparation s'effectue relativement aisément puisque l'alumine est un matériau inerte qui ne subit pas de phénomène de collage aux parois du trou 6 lors de la coulée ni de soudage par diffusion avec le métal qui constitue l'aube 1. La tige d'alumine ne tient donc à la paroi supérieure 4 que par des forces de frottement et par la présence de micro-aspérités sur les deux pièces en contact. Un simple coup sec sur la tête de l'extracteur 7 suffit à vaincre ces forces et à envoyer les tiges dans la cavité 13. Il faut encore s'assurer que la tige 5 ne reste pas emprisonnée dans la cavité et qu'elle ne va pas perturber la circulation de l'air de refroidissement à l'intérieur de l'aube. Il convient de remarquer que les dimensions de la tige, tant en diamètre qu'en longueur, sont très faibles et donc que celle-ci a toute latitude pour se déplacer dans la cavité 13 et sortir par le trou d'admission de l'air de refroidissement de la cavité qui se trouve sous le pied de l'aube. L'opérateur, qui a placé pour cela un bac de récupération sous le pied de l'aube 1, peut vérifier en fin d'opération qu'un nombre de résidus de tiges égal au nombre de trous de dépoussiérage 6 se trouve bien dans ce bac de récupération. Au besoin un contrôle endoscopique peut être pratiqué pour vérifier l'absence de résidus de tiges dans les cavités de refroidissement de l'aube. On obtient ainsi un procédé rapide et peu coûteux d'élimination des tiges de maintien du noyau d'une aube fabriquée par la technique de fonderie à la cire perdue. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.35 REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'aubes de turbine (1) par la technique de fonderie dite à la cire perdue comprenant la réalisation d'un noyau en céramique, d'un modèle de l'aube en cire et d'une carapace de moulage, ledit noyau étant réalisé en au moins deux parties, lesdites deux parties étant espacées de façon à réaliser une paroi (4) de l'aube (1) lors de la coulée du métal et étant reliées l'une à l'autre par des tiges de liaison (5) positionnées de façon à réaliser des trous (6) dans ladite paroi (4) pour permettre la sortie de l'air de refroidissement des cavités internes (13) de l'aube (1), caractérisé en ce que lesdites tiges sont réalisées en aluminium oxydé. 2. Procédé selon la revendication 1 comprenant une première étape d'élimination de la tige (5) consistant à effectuer une flexion de la partie de la tige faisant saillie à l'extérieur de ladite paroi (4) jusqu'à obtention de sa rupture au niveau du trou (6). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 comprenant une seconde étape d'élimination de la tige (5) consistant à amener un poinçon cylindrique (9) ayant un diamètre inférieur à celui de ladite tige, en contact avec la section de ladite tige (5), à orienter ledit poinçon dans l'axe du trou (6) et à appliquer une pression sur ledit poinçon. 4. Procédé selon la revendication 3 comprenant une étape supplémentaire de contrôle de l'évacuation de ladite tige (5) par le trou d'entrée de l'air de refroidissement dans la cavité (13) correspondante. 5. Outil de positionnement pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, d'un poinçon (9) par rapport à un trou (6) réalisé sur une paroi (4) d'une aube (1) et destiné à permettre la sortie de l'air de refroidissement des cavités internes (13) de l'aube (1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un perçage cylindrique (11) et au moins un moyen d'extraction (7) porteur dudit poinçon apte à coulisser dans ledit perçage, l'outil comportant en outre au moins un moyen de référencement (12) de sa position par rapport à celle de ladite aube (1) permettant d'aligner la direction du perçage (11) avec l'axe du trou (6). 6. Outil selon la revendication 5 dans lequel ledit moyen de référencement est constitué par une jupe (12) s'étendant du côté de lasaillie dudit poinçon (9), ledit outil étant destiné à être mis en place sur une aube (1) comportant une forme en baignoire (3) au niveau de sa tête (2) et ladite jupe étant apte à positionner ledit outil par coopération avec les parois de ladite baignoire. 7. Outil selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le moyen d'extraction (7) est un piston cylindrique (8) coulissant dans un canon (11) creusé dans ledit outil et sur lequel est fixé un poinçon cylindrique (9) de même axe et de diamètre inférieur à celui dudit piston.