Brevet FR2976200A1 — publié le 20121214

L'invention concerne le domaine de la fabrication de pièces métalliques par un procédé de fonderie à la cire perdue et vise plus particulièrement la fabrication des moules carapaces de fonderie dans lesquels est coulé l'alliage métallique pour fondre les pièces. La fabrication de pièces telles que des aubages de turbomachines passe par la réalisation d'un modèle en cire ou autre matériau équivalent qui comprend une pièce interne formant un noyau de fonderie et figurant les cavités de l'aubage. On utilise pour former le modèle un moule d'injection pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d'une suspension de particules céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on cuit le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau. Grâce à un germe ou un sélecteur approprié et un refroidissement contrôlé, le métal se solidifie selon une structure voulue. 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 (DS), de solidification dirigée à structure monocristalline (SX) ou de solidification équiaxe (EX) respectivement. Les deux premières familles de pièces concernent des superalliages pour pièces soumises à de fortes contraintes tant thermiques que mécaniques dans le turboréacteur, comme les aubes de turbines HP. Si l'on veut obtenir une pièce présentant une santé métallurgique conforme aux spécifications, le moule carapace céramique doit lui aussi présenter une qualité satisfaisante. En effet, les défauts de la carapace céramique ont immanquablement une influence sur la qualité de la pièce métallique coulée. Par exemple, des fissures dans le moule carapace engendrent des fuites de métal sur la pièce coulée et des morceaux de céramique qui se détachent de la carapace forment dans la pièce coulée des inclusions de céramiques inacceptables. Le processus de la fabrication des moules carapaces céramiques est complexe, Il comprend la formation successive de plusieurs couches autour du modèle qui sont les couches de contact, 3 0 intermédiaire, de renfort et de glaçage ; il y a jusqu'a une dizaine de couches en tout. Pour chaque couche, on trempe le modèle en cire, en fait une grappe de modèles, dans une barbotine puis on applique sur la pellicule fluide déposée sur le modèle, des grains de matière céramique, de granulométrie choisie, par l'opération désignée par le terme stuccage. Ensuite on sèche la pièce, après chaque dépôt de couche, en la plaçant dans un flux d'air dont on contrôle la vitesse, le degré d'humidité et la température. Lorsque l'on a obtenu l'ensemble des couches de céramiques constitutives du moule carapace, 5 on effectue le séchage final de la carapace par balayage d'un flux d'air dont on contrôle également la température, l'humidité et la vitesse. La fabrication de la carapace est délicate en raison de l'apparition possible de défauts qui sont liés à des conditions de séchages inadéquates entraînant un séchage non uniforme des différentes 10 couches et n'atteignant pas certaines zones de la carapace ; les zones enfermées par exemple. L'invention a pour objectif d'éliminer les défauts. Selon l'art antérieur, un mode de séchage connu pour toutes les couches de la carapace est réalisé dans un tunnel de séchage à flux d'air unidirectionnel, l'air entrant par une extrémité du tunnel et 15 étant recueilli à l'autre extrémité. Les carapaces se déplacent de manière rectiligne dans le tunnel. Le dernier séchage est réalisé dans une installation qui peut être spécifique. Après séchage et avant l'opération de décirage des modèles par laquelle on chauffe la cire pour l'évacuer du moule, on passe la carapace au froid. 2 0 La cire se rétracte, ce qui facilite ensuite le décirage qui a lieu dans un autoclave. Selon cette technique connue, le flux d'air auquel la carapace est soumise ne permet pas de sécher uniformément et de manière satisfaisante l'ensemble de la carapace. Certaines zones de cette carapace, par exemple les zones enfermées sont improprement séchées. Il existe donc un 25 risque de dissolution de la couche précédente mal séchée par le trempé dans la barbotine destinée à la couche suivante. Cette dissolution peut engendrer des défauts dans la carapace et donc sur la pièce métallique coulée. Il est de plus nécessaire de réaliser un dernier cycle de séchage, long, jusqu'à 24 h selon les familles de carapaces. Le cycle de séchage tel que décrit ci-dessus puis le passage éventuel au froid avant décirage peut engendrer un arrachement de la céramique sous 30 l'effet de la rétractation de la cire. L'arrachement de la céramique engendre des défauts de type inclusions préjudiciables à la santé métallurgique de la pièce coulée. Par ailleurs, les conditions de séchage, étant imparfaites, peuvent engendrer des fissures dans le moule carapace qui elles mêmes engendrent des fuites de métal sur la pièce coulée. Une voie d'amélioration de la réalisation des carapaces a été envisagée ; elle vise à réduire le temps de séchage et consiste à ajouter un additif, par exemple un latex, dans les barbotines pour la formation de couches de renfort. Le latex permet d'augmenter l'élasticité de la carapace et ses propriétés mécaniques telle que sa résistance à cru. Cependant, l'ajout d'un additif supplémentaire complique le suivi et l'analyse de la composition des barbotines. L'emploi d'additif ne permettant pas d'atteindre la réduction de temps de séchage escomptée, cette voie n'a pas été retenue. Une attention toute particulière a été portée à la manière dont le flux d'air dans le tunnel de séchage des carapaces vient aborder et sécher la carapace. Conformément à l'invention, le procédé de fabrication d'un moule carapace de fonderie à la cire perdue, de pièces telles que des aubes de turbomachine, comprend la formation de couches successives par trempage d'un modèle en cire dans une barbotine de particules céramiques en suspension dans un milieu aqueux suivi d'un stuccage de la barbotine déposée. Chaque couche est séchée dans un flux d'air forcé avant trempage à nouveau pour la formation de la couche suivante. Ce procédé est caractérisé par le fait que la carapace, dans le flux d'air forcé, est mise en rotation autour d'un axe transversal par rapport à la direction du flux d'air forcé, ce dernier étant oscillant. Selon une autre caractéristique, la carapace est entraînée dans un tunnel perpendiculairement à son axe de rotation et est soumise dans son déplacement à des flux d'air de séchage oscillants autour d'axes parallèles à l'axe de rotation de la carapace. Par la solution de l'invention on peut optimiser le flux d'air auquel est soumise la carapace. Elle est soumise à un flux d'air forcé qui l'enveloppe et en sèche uniformément l'ensemble. Toutes les zones de la carapace et même ses zones enfermées sont atteintes par le flux d'air forcé sous l'effet conjugué d'éléments des tunnels de séchage : des moyens d'entraînement des flux en un mouvement oscillatoire autour d'un axe, vertical par exemple et des carapaces tournant sur elles- mêmes selon un autre axe vertical auquel elles sont suspendues. Il est convenu qu'afin d'obtenir le taux d'humidité et la température souhaités dans le tunnel de séchage, le flux d'air est constamment traité. La solution retenue a permis de supprimer le dernier séchage final habituel qui durait 24 heures environ et à le remplacer par un séchage beaucoup plus court et ce pour les carapaces destinées aux alliages équiaxes, à solidification dirigée ou monocristallins. De préférence, le séchage est effectué en plusieurs stations, la vitesse du flux d'air dans chaque station étant augmentée entre la première et la dernière station. En disposant des stations distinctes le long du parcours des carapaces on permet d'optimiser le séchage en fonction de l'état de séchage en chaque station. Par ailleurs, on adapte le séchage à l'épaisseur de la carapace ; ainsi la vitesse du flux d'air est augmentée entre le séchage de la première couche et la couche finale de la carapace. Plus particulièrement, les vitesses sont choisies entre 2 et 15 mis. Conformément à une autre caractéristique, l'humidité relative des flux d'air de séchage est 15 réduite entre le séchage de la première couche et celui de la couche finale. De préférence, la température du flux d'air est maintenue constante pendant le séchage d'une couche et aussi pour le séchage des différentes couches. La température de l'air est choisie inférieure à 35°C. De préférence, la température est choisie entre 20 et 30°C. Le flux d'air est 2 0 constamment traité pour obtenir le taux d'humidité relative et la température souhaités. L'air sort d'une bouche d'arrivée et est repris par une autre bouche. En effet, selon la nature de la cire utilisée pour réaliser les modèles, il est important que la température du modèle ne dépasse pas une certaine valeur pour éviter les déformations résultant 25 d'une dilatation de la matière. C'est le cas lorsque la cire est synthétique ; il est alors souhaitable pour assurer l'intégrité du moule carapace pendant les opérations de traitement de celui-ci alors qu'il enferme encore le modèle de ne pas dépasser la température de 35°C et de préférence 30°C pour l'air de séchage. En régulant la température de l'air de séchage à une valeur inférieure à 30 -35°C, on permet aux modèles en cire de rester stables dimensionnellement tout le long des 30 étapes de la fabrication des moules. Une telle solution se distingue de la solution enseignée par le brevet EP 1.645.348 où l'on assure le séchage par le balayage de la pièce par un flux d'air d'hygrométrie contrôlée et par le chauffage au moyen de rampes à rayonnement infrarouge. Conformément à une autre caractéristique, outre la maîtrise des paramètres de température, d'humidité et de vitesse d'air dans le tunnel de séchage et ce après que la carapace a été séchée et afin d'éviter les reprises éventuelles d'humidité, le séchage peut être complété par un passage sous vide primaire d'une durée de 30 minutes environ, juste avant l'étape de décirage. Ainsi le choix de ces conditions de séchage permet : - de fabriquer des carapaces à partir de barbotines composées de silice colloïdale avec ou sans additif. - de fabriquer une carapace en moins de 16 heures entre le premier trempé et le décirage des modèles en cire. - d'utiliser pour le dernier séchage le tunnel de séchage des couches précédentes (couche de contact, couche intermédiaire et couche de renfort) et non un équipement spécialement dédié au dernier séchage. L'invention porte également sur le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, il comprend un tunnel avec une pluralité de stations de séchage le long d'un chemin susceptible d'être parcouru par les carapaces à sécher, chaque station comprenant au moins un ventilateur monté oscillant autour d'un axe transversal par rapport audit chemin. Conformément à une autre caractéristique il comprend un moyen d'entraînement des carapaces à l'intérieur du tunnel le long dudit chemin et un moyen d'entraînement en rotation des carapaces autour d'un axe transversal par rapport au chemin. 25 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention, en référence aux dessins sur lesquels : La figure 1 est un exemple de carapace que le procédé de l'invention vise à réaliser ; La figure 2 montre schématiquement comment le flux d'air est créé autour de la carapace 3 0 à sécher ; La figure 3 montre schématiquement l'agencement des stations à l'intérieur d'un tunnel de séchage La figure 4 montre l'amplitude d'oscillation des ventilateurs par rapport à l'axe du tunnel de séchage.20 La figure 1 présente un exemple de carapace céramique 10 formant une grappe de plusieurs moules pour la fabrication d'aubes de turbomachine. La carapace enveloppe ici des modèles en cire de distributeurs. Cette carapace est fabriquée comme on l'a expliqué plus haut, couche après couche. Chaque couche est obtenue par trempage dans une barbotine de particules céramiques, suivi d'un stuccage céramique. Le stuccage est l'opération qui consiste à déposer des particules céramiques de granulométrie choisie sur la couche qui a été retenue sur le modèle par trempage. On comprend qu'une telle pièce par la présence de zones difficilement accessibles soit délicate à sécher. Le dispositif permettant de mettre en oeuvre le flux d'air forcé autour de la carapace afin de la sécher uniformément est décrit sur la figure 2. L'installation de séchage comprend un tunnel 100 qui est une enceinte de forme allongée, représentée partiellement sur la figure 2, à l'intérieur duquel les carapaces sont entraînées pour venir en position par un mécanisme approprié. Ce mécanisme comprend par exemple un rail sur lequel circulent des chariots 11 auxquels sont suspendues les carapaces 10, un moteur 12 entraîne en rotation les carapaces autour de leur axe vertical 30. La figure 2 montre le tunnel en coupe verticale et transversale par rapport au chemin parcouru par les carapaces. A l'intérieur de 2 0 cette enceinte, des ventilateurs 20 sont placés de part et d'autre d'un chemin pour les carapaces 10. Chaque carapace est située près d'un ou plusieurs ventilateurs 20. Sur cette figure 2, deux ventilateurs 20 sont placés de part et d'autre de la carapace 10 en cours de séchage. Le flux d'air 70 propulsé par ces ventilateurs est orienté transversalement et permet d'envelopper la carapace. Afin d'optimiser le séchage, la carapace 10 effectue un mouvement continu de rotation 25 selon son axe vertical 30. Les ventilateurs 20 effectuent un mouvement de rotation partiel et oscillant autour d'un axe vertical 40. Les ventilateurs peuvent effectuer leur mouvement oscillant soit de manière synchronisée soit de manière non synchronisée. Est indiqué sur la figure 2, le circuit de l'air dans le tunnel à une station. L'air traité préalablement 70 sort d'une bouche d'arrivée d'air 50, située d'un côté du chemin des carapaces. Les deux ventilateurs créent des 30 flux d'air oscillants en direction de la carapace 10. Cet air est ensuite repris par une bouche de sortie d'air 60 située de l'autre côté par rapport à la bouche d'air 50. On a représenté schématiquement sur la figure 3, vu de dessus, le circuit des carapaces à l'intérieur d'un tunnel de séchage 100. Les carapaces suivent un parcours en U, d'axe 80, entre une entrée 101 et une sortie 102, pourvues de portes appropriées. Le parcours comprend ici cinq stations comprenant chacun des ventilateurs de brassage de l'air à l'intérieur du tunnel. Les ventilateurs ne sont pas représentés sur ce schéma. Les stations sont commandées indépendamment les unes des autres de manière à ce que les vitesses de l'air de séchage soient adaptées à l'état de la carapace passant dans la station, en particulier à la couche en cours de séchage. C'est ainsi que la vitesse de l'air est augmentée entre les stations d'entrée et de sortie. La figure 4 illustre de manière schématique l'amplitude d'oscillation des ventilateurs 20 par rapport à l'axe longitudinal 80 du tunnel de séchage. Les ventilateurs 20 sont schématisés par des traits pleins. Ils oscillent entre deux positions extrêmes inclinées par rapport à l'axe 80 du tunnel. L'angle des positions extrêmes peut aller de + ou - 15° jusqu'à + ou - 45° par rapport à l'axe 80. Les paramètres de séchage final sont les suivants et varient de façon sensible par rapport au 2 0 séchage inter couches : - Vitesse d'air comprise entre 2 et 12 mis. - Température de l'air comprise entre 20 et 35 °C. - Humidité relative (en%) : 5 à 70% 2 5 - Temps de séchage compris en Oh30 et 5h00. - La vitesse d'oscillation des ventilateurs varie de 3 à 8 oscillations par minute. - Amplitude de l'oscillation : +/- 15 degrés à +/- 45 degrés par rapport à l'axe du tunnel (cf: figure 4). - Distance entre les ventilateurs et la grappe 10 : 50 mm à 400 mm. 30 Le tunnel avec les différentes stations permet d'adapter les conditions de température de vitesse et d'hygrométrie pour chacune des couches et ainsi définir les meilleurs paramètres de séchage de chaque couche puis du séchage final. Par exemple pour le séchage de grappes de modèles telles qu'illustrées sur la figure 1, on définit les paramètres selon les indications suivantes. Pour la première couche, la vitesse du flux d'air mis en mouvement par les ventilateurs est 5 faible, de l'ordre de 2 mis et croît légèrement d'une station à l'autre entre l'entrée du tunnel et sa sortie. Pour les couches suivantes, on augmente légèrement la vitesse de l'air à l'entrée du tunnel, tout en conservant un gradient de vitesse des flux à chaque station entre l'entrée et la sortie. Lorsque les premières couches sont bien formées, il est possible d'augmenter la vitesse sans perturber les couches. L'humidité relative est élevée pour les premières couches, supérieure à 50% et est réduite pour 15 les couches suivantes. La température de l'air est maintenue constante à une valeur entre 20 et 35°C. La solution de l'invention évite notamment l'ajout d'un additif de séchage. Cependant 2 0 l'incorporation de tels additifs n'est pas exclue par le procédé. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un moule carapace de fonderie à la cire perdue, de pièces telles que des aubes de turbomachine, comprenant la formation de couches successives chacune étant obtenus par trempage d'un modèle en cire dans une barbotine de particules céramiques en suspension dans un milieu aqueux suivi d'un stuccage de la barbotine déposée, chaque couche étant séchée dans un flux d'air forcé (70) avant trempage à nouveau pour la formation de la couche suivante, caractérisé par le fait que la carapace (10), dans le flux d'air forcé (70), est mise en rotation autour d'un axe (30) transversal par rapport à la direction du flux d'air forcé ce dernier étant oscillant. 2. Procédé selon la revendication précédente selon lequel la carapace (10) est entraînée dans un tunnel (100) perpendiculairement à son axe de rotation (30) et est soumise dans son déplacement à des flux d'air de séchage oscillants autour d'axes (40) parallèles à l'axe de rotation (30) de la carapace. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon lequel le séchage de chaque couche est effectué en plusieurs stations, la vitesse du flux d'air (70) dans chaque station 2 0 étant augmentée entre la première et la dernière station. 4. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel la vitesse du flux d'air (70) est augmentée entre le séchage de la première couche et la couche finale de la carapace. 25 5. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel, dans chaque station, le flux d'air (70) est traité pour obtenir le taux d'humidité relative et la température souhaités, l'air sortant d'une bouche d'arrivée (50) et étant repris par une autre bouche (60). 6. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4 dont les vitesses sont choisies entre 2 et 15 30 mis. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel l'humidité relative des flux d'air de séchage est réduite entre le séchage de la première couche et celui de la couche finale. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel la température du flux d'air est maintenue constante pendant le séchage d'une couche et aussi pour le séchage des différentes couches. 9. Procédé selon la revendication précédente dont la température est choisie entre 20 et 35°C. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant un passage sous vide 10 primaire juste avant l'étape ultérieure de décirage. 11 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un tunnel (100) avec une pluralité de stations de séchage le long d'un chemin susceptible d'être parcouru par les carapaces (10) à sécher, chaque station comprenant au 15 moins un ventilateur (20) monté oscillant autour d'un axe (40) transversal par rapport audit chemin. 12. Dispositif selon la revendication précédente comprenant un moyen d'entraînement des carapaces (10) à l'intérieur du tunnel le long dudit chemin et un moyen d'entraînement en 2 0 rotation des carapaces autour d'un axe transversal par rapport au chemin.5