Brevet FR3051130A1 — publié le 20171117

Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces par fonderie. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un système d'alimentation pour alimenter en métal fondu un moule pour fabriquer des pièces par fonderie à la cire perdue, notamment en configuration coulée source par gravité. De façon connue en soi, dans un procédé de fonderie à la cire perdue, on réalise tout d'abord un modèle en cire de la pièce à fabriquer, autour duquel on forme une carapace céramique formant un moule. Un métal fondu est ensuite coulé dans le moule, et on peut réaliser la solidification dirigée du métal pour obtenir, après retrait du moule, la pièce moulée. Ce procédé est avantageux pour fabriquer des pièces métalliques de forme complexe, et permet également d'obtenir des pièces ayant une structure monocristalline, en utilisant par exemple un germe ou un conduit sélecteur de grain. Lorsque le métal liquide remplit le moule par le bas sous l'effet seul de la gravité, on parle de « coulée source » par gravité. Dans ce cas, un système d'alimentation est généralement prévu pour alimenter le moule en métal fondu à partir d'un godet situé plus haut que le moule, et le moule peut être rempli progressivement de bas en haut. En coulée source, la vitesse du front de métal liquide entrant pour la première fois dans le moule au début de la coulée (on parle aussi du « premier jet de métal ») peut être élevée. Dans certains cas, cette vitesse peut atteindre 1,5 m/s. Ce phénomène peut engendrer des fuites, des inclusions de particules arrachées de la carapace céramique dans le moule, et, le cas échéant, la dégradation ou le déplacement d'un noyau présent dans le moule. On connait des systèmes d'alimentation comprenant un conduit d'alimentation pour acheminer le métal fondu dans un moule, le conduit étant muni d'un coude au niveau duquel il prend un virage suffisamment serré, par exemple à 90°, pour réduire la vitesse du premier jet de métal avant son arrivée dans le moule. Ces systèmes d'alimentation, bien qu'ils permettent de réduire la vitesse du premier jet, créent de nouveaux problèmes au niveau du coude. En effet, lorsque le premier jet de métal arrive avec une vitesse élevée au niveau du coude, il vient buter sur ce dernier en provoquant une surpression que l'on qualifie couramment de 3051130 2 coup de bélier. Ce phénomène peut provoquer le décrochage de particules céramiques au niveau du coude, et fragiliser le système d'alimentation qui peut alors être sujet à des fuites de métal fondu. Il existe donc un besoin pour disposer d'un système 5 d'alimentation pour acheminer un métal fondu dans un moule, qui ne présente pas les inconvénients précités. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels 10 inconvénients en proposant un système d'alimentation pour acheminer un métal fondu destiné à mouler une pièce, le système comprenant un canal d'alimentation en matériau céramique configuré pour permettre au métal fondu de s'écouler par gravité à l'intérieur dudit canal d'alimentation, ledit canal d'alimentation comprenant une première portion s'étendant dans 15 une première direction, et au moins une deuxième portion s'étendant dans une deuxième direction différente de la première direction, ladite deuxième portion étant disposée en aval de la première portion et étant reliée à la première portion par une jonction. Le système comprend en outre un canal d'amortissement comprenant une première extrémité 20 débouchant dans la jonction et une deuxième extrémité fermée, ledit canal d'amortissement prolongeant la première portion du canal d'alimentation. Le système d'alimentation selon l'invention peut être utilisé pour de la fonderie en configuration coulée source par gravité. En effet, le canal 25 d'alimentation est configuré pour permettre l'écoulement par gravité d'un métal fondu, par exemple en présentant une inclinaison suffisante, pour que le métal puisse ensuite cheminer jusqu'à l'intérieur d'un moule relié par exemple à la deuxième portion du canal d'alimentation. Le moule peut être alimenté depuis une extrémité inférieure de sorte que le métal puisse 30 le remplir de bas en haut. La jonction entre la première et la deuxième portion du canal d'alimentation permet de dévier le premier jet de métal entre les deux portions en vue de le ralentir avant qu'il n'atteigne le moule. L'invention propose un système d'alimentation remarquable en 35 ce qu'il comprend en outre un canal d'amortissement qui prolonge la première portion du canal d'alimentation. Le canal d'amortissement 305 1 1 30 3 débouche à une première extrémité dans la jonction du canal d'alimentation, et est borgne (c'est-à-dire fermé, ou obstrué) à une deuxième extrémité. Comme le canal d'amortissement prolonge la première portion du canal d'alimentation, le métal fondu s'écoulera 5 d'abord naturellement dans la première portion du canal d'alimentation, puis dans le canal d'amortissement qu'il viendra remplir, et enfin dans la deuxième portion du canal d'alimentation pour ensuite remplir un moule. Le canal d'amortissement du système selon l'invention permet d'amortir encore plus le premier jet de métal lorsqu'il arrive au niveau de 10 la jonction. En effet, les inventeurs ont montré à l'aide de simulations que la vitesse du premier jet de métal pouvait être réduite à moins de 0,4 m/s après la jonction en utilisant un système d'alimentation selon l'invention ; alors que dans une configuration équivalente avec un simple coude à 90° à la place du canal d'amortissement, cette vitesse peut atteindre 0,7 m/s. 15 Le canal d'amortissement permet ainsi de réduire l'effet de coup de bélier qui se produisait au niveau de la jonction. Le canal d'alimentation est moins fragilisé et le risque de décrochement de particules céramiques du canal d'alimentation est réduit. En outre, comme la vitesse d'arrivée du métal est réduite, le 20 remplissage d'un moule relié au système d'alimentation selon l'invention est plus équilibré. Les risques de déport ou de casse d'un noyau éventuellement présent dans le moule sont ainsi réduits. Enfin, quand le premier jet de métal atteint le canal d'amortissement, il reste au moins en partie piégé à l'intérieur. Ce premier 25 jet de métal transporte généralement des impuretés céramiques et des oxydes dont on cherche à éviter la présence au sein de la pièce moulée. Le canal d'amortissement permet ainsi de réduire la présence de ces éléments indésirables dans la pièce moulée. Dans un exemple de réalisation, le canal d'alimentation peut 30 présenter une section circulaire, la longueur du canal d'amortissement étant égale à au moins deux fois le diamètre du canal d'alimentation. Dans un exemple de réalisation, le canal d'amortissement peut comprendre une première portion s'étendant entre la première extrémité et une deuxième portion, la deuxième portion s'étendant entre la première 35 portion et la deuxième extrémité du canal d'amortissement, ladite deuxième portion étant située en contrebas de la première portion. Dans 3 0 5 1 1 3 0 4 cette configuration, la deuxième portion du canal d'alimentation permet d'augmenter l'effet de piège du premier jet de métal. En effet, comme cette deuxième portion est située en contrebas de la première portion, c'est-à-dire en-dessous, le métal sera forcé de rester dans le canal 5 d'alimentation à cause de la gravité. Dans un exemple de réalisation, la deuxième portion du canal d'amortissement peut s'étendre selon une direction sensiblement verticale, afin d'augmenter encore le piège du premier jet de métal. Dans un exemple de réalisation, le canal d'amortissement peut 10 présenter une section en demi-cercle. Dans un exemple de réalisation, la première et la deuxième directions sont orthogonales. Lorsque le canal d'alimentation comprend une seule deuxième portion, la jonction peut par exemple prendre la forme d'un coude avec un angle de 90°. Lorsque le canal d'alimentation 15 comprend deux deuxièmes portions, s'étendant par exemple selon la même direction, la jonction peut prendre la forme d'un « T » ; la barre verticale du T correspondant à la première portion, et la barre horizontale du T correspondant aux deux deuxièmes portions. Cette disposition permet aussi de réduire l'encombrement du système d'alimentation 20 lorsqu'il est intégré dans une installation telle que celle qui sera décrite ci- après. Dans un exemple de réalisation, la deuxième portion du canal d'alimentation et la première portion du canal d'amortissement sont dans un même plan horizontal. 25 L'invention vise également une installation pour fabriquer une pièce moulée à partir d'un métal fondu, l'installation comprenant : - au moins un système d'alimentation tel que celui présenté plus haut, et - au moins un moule relié à la deuxième portion du canal 30 d'alimentation du système d'alimentation de sorte qu'un métal fondu puisse cheminer depuis le système d'alimentation jusque dans le moule. L'installation peut comprendre en outre un conduit sélecteur de grain relié au système d'alimentation d'une part et au moule d'autre part. Un conduit sélecteur de grain permet notamment de mouler des pièces 35 qui, après solidification dirigée, présentent une structure monocristalline. 3 0 5 1 13 0 5 Les moules peuvent être adaptés pour mouler des aubes de turbine de turbomachine aéronautique. Une telle installation peut être fabriquée en céramique à partir d'un modèle en cire de ladite installation. L'installation peut constituer 5 alors un unique élément en céramique. L'invention vise enfin un procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu, le procédé comprenant les étapes suivantes : - le remplissage d'un moule avec un métal fondu en introduisant 10 un métal fondu dans un système d'alimentation d'une installation telle que celle présentée précédemment, et - la solidification dirigée du métal présent dans le moule de façon à obtenir la pièce moulée. 15 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : 20 - la figure 1 montre une installation pour la fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu, - les figures 2A et 2B sont des vues agrandies de l'installation de la figure 1 au niveau d'un système d'alimentation, - les figures 3 et 4 montrent d'autres exemples de systèmes 25 d'alimentation selon l'invention, et - la figure 5 montre un ordinogramme représentant les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce moulée mettant en oeuvre une installation selon l'invention. 30 Description détaillée de l'invention La présente invention va maintenant être décrite dans son application à la fabrication d'aubes de turbine de turbomachine aéronautique par fonderie en coulée source par gravité. La présente invention permet avantageusement de réduire l'inclusion d'impuretés dans 35 la pièce moulée due notamment à une arrivée trop brusque du métal à l'intérieur du système d'alimentation des moules, tout en réduisant 3051130 6 également la présence d'oxydes qui peuvent être transportés par le premier jet de métal dans le système d'alimentation. La figure 1 montre une installation 1 selon l'invention pour la fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu, par un procédé 5 de fonderie du type coulée source par gravité. Pour plus de lisibilité, la figure 1 montre seulement la moitié d'une installation selon l'invention, l'autre partie non représentée étant identique. Dans le présent exposé, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement de métal fondu au sein de 10 l'installation. L'installation 1 comprend tout d'abord un godet 2 par lequel un métal liquide peut être introduit dans l'installation 1. Le godet 2 surmonte un conduit central 3 vertical qui comprend un répartiteur 4 à proximité de son extrémité inférieure bouchée. Le répartiteur 4 de forme annulaire 15 autour du conduit central 3 permet de répartir le métal introduit dans l'installation 1 entre une pluralité de systèmes d'alimentation 5. Chaque système d'alimentation 5 peut être muni d'un filtre 6 qui permet d'éliminer une partie des impuretés éventuellement présentes dans le métal liquide entrant dans le système d'alimentation 5. Chaque système 20 d'alimentation 5 est relié par l'intermédiaire de canaux qui seront décrits ultérieurement à des moules 7 par l'intermédiaire de conduits sélecteurs de grain 8. De façon connue en soi, les conduits sélecteurs de grain 8 permettent de réaliser des pièces monocristallines après solidification dirigée. Les moules 7 sont ici adaptés pour fabriquer des aubes de turbine 25 pour turbomachine aéronautique, c'est-à-dire qu'ils ont la forme de telles aubes. On notera que l'installation est ici posée sur une sole 10 horizontale prévue pour supporter l'ensemble de l'installation 1 tout au long du procédé de fabrication qui sera décrit ultérieurement. La sole 10 peut être prévue pour faire germer les premiers grains de métal. 30 D'amont en aval, un métal liquide peut cheminer dans les parties suivantes sous l'effet de la gravité : le godet 2, le conduit central 3, le répartiteur 4, un système d'alimentation 5, un conduit d'alimentation 8 et un moule 7. Un moule 7 est ainsi rempli de bas en haut, le conduit sélecteur de grain 8 pouvant être relié au moule 7 au niveau d'une partie 35 inférieure du moule 7. 305 1 1 30 7 Les figures 2A et 2B montrent de façon plus détaillée un système d'alimentation 5 selon l'invention. Le système d'alimentation 5 comprend un canal d'alimentation 51 agencé pour qu'un métal fondu puisse cheminer par gravité le long du canal 51. Le canal d'alimentation 5 51 comprend une première portion 51a qui s'étend depuis le répartiteur 4 jusqu'au niveau de la sole 10 selon une première direction A (figure 2B) qui est ici inclinée par rapport à l'horizontale. La première portion 51a du canal d'alimentation 51 présente ici une section circulaire. Le canal d'alimentation 51 comprend en outre deux deuxièmes 10 portions 51b qui sont reliées à l'aval de la première portion 51a au niveau d'une jonction 52. Les deux deuxièmes portions 51b s'étendent selon des directions différentes de la première direction A de la première portion 51a. Dans l'exemple illustré, les deuxièmes portions 51b s'étendent de part et d'autre de la jonction 52 selon une deuxième direction B 15 circonférentielle autour du conduit central 3. Au niveau de la jonction 52, le canal d'alimentation 51 prend ici la forme d'un T, la barre verticale du T correspondant à la première portion 51a et la barre horizontale correspondant aux deux deuxièmes portions 51b du canal d'alimentation 51. Chaque deuxième portion 51b du canal d'alimentation 51 est ensuite 20 reliée par un canal 53 à un conduit sélecteur de grain 8. Dans l'installation illustrée sur cette figure, chaque deuxième portion 51b du canal d'alimentation 51 est reliée à une deuxième portion 51b d'un système d'alimentation 5 voisin de sorte que l'ensemble des deuxièmes portions 51b de l'installation 1 forme un conduit circulaire reposant sur la sole 10 25 autour du conduit central 3. Les deuxièmes portions 51b du canal d'alimentation 51 présentent ici une section en demi-cercle. Dans une variante non illustrée, chaque deuxième portion 51b du canal d'alimentation peut ne pas être reliée à une deuxième portion 51b d'un système d'alimentation 5 voisin. 30 Selon l'invention, le système d'alimentation 5 comprend en outre un canal d'amortissement 54 qui prolonge la première portion 51a du canal d'alimentation 51 au niveau de la jonction 52. Le canal d'amortissement 54 débouche à une première extrémité 54a (figure 2B) dans la jonction 52, et est borgne ou obstrué à une deuxième extrémité 35 54b. Dans l'exemple illustré, le canal d'amortissement 54 présente une section en demi-cercle de rayon R ayant une portion plate prévue pour 3051130 8 reposer sur la sole 10. Pour conserver une section constante entre le canal d'alimentation et le canal d'amortissement, le rayon R peut être tel que R= (L1/2)V2'. Le canal d'amortissement 54 s'étend selon une direction Ç qui 5 est ici horizontale. Les directions A, B et C des portions 51a, 51b et du canal 54 sont les directions qu'ils suivent à proximité immédiate de la jonction 52. Dans cet exemple, les projections des directions A et C sur la sole 10 sont confondues, et les directions B et C sont orthogonales entre elles au niveau de la jonction 52. 10 On notera que le fait que le canal d'amortissement 54 prolonge la première portion 51a du canal d'alimentation 51 ne signifie pas nécessairement que les directions A et C sont identiques. Le prolongement de la première portion 51a par le canal d'amortissement 54 permet au premier jet de métal fondu de se diriger vers le canal d'amortissement 54 15 lorsqu'il pénètre dans le système d'alimentation 5. Le trajet d'un métal liquide à l'intérieur de l'installation 1 est représenté schématiquement par des flèches pleines sur la figure 2A. La figure 3 montre un système d'alimentation 5' selon un autre mode de réalisation de l'invention. Comme précédemment, le système 20 d'alimentation 5' comprend un canal d'alimentation 151 doté d'une première portion 151a prolongée à l'aval par un canal d'amortissement 154 et de deux deuxièmes portions 151b. La première portion 151a et les deux deuxièmes portions 151b se rejoignent au niveau d'une jonction 152. Le canal d'amortissement 154 débouche également à sa première 25 extrémité 154a dans la jonction 152 et est borgne ou fermé à sa deuxième extrémité 154b. Dans cet exemple, le canal d'alimentation 151 et le canal d'amortissement 154 ne sont pas supportés par la sole 10 et présentent chacun une section circulaire de diamètre d. La première portion 151a du canal d'alimentation 151 s'étend selon une première direction A 30 horizontale, et le canal d'amortissement 154 s'étend selon une direction C qui est confondue avec la direction A. Les deux deuxièmes portions 151b du canal d'alimentation 151 s'étendent quant à elles de part et d'autre de la jonction 152 selon une deuxième direction B horizontale qui est orthogonale à la direction A au niveau de la jonction 152. Dans cet 35 exemple de réalisation, la longueur L du canal d'amortissement 154 peut être égale au moins à deux fois le diamètre d du canal d'amortissement 3051130 9 154, ce qui permet de conserver une section constante entre le canal d'amortissement 154 et le canal d'alimentation 151. La figure 4 montre un système d'alimentation 5" selon encore un autre mode de réalisation de l'invention. Comme précédemment, le 5 système d'alimentation 5" comprend un canal d'alimentation 251 doté d'une première portion 251a prolongée à l'aval par un canal d'amortissement 254 et de deux deuxièmes portions 251b. La première portion 251a et les deux deuxièmes portions 251b se rejoignent au niveau d'une jonction 252. Le canal d'amortissement 254 débouche également à 10 sa première extrémité 254a dans la jonction 252 et est borgne à sa deuxième extrémité 254b. Les deux deuxièmes portions 251b du canal d'alimentation 251 s'étendent de part et d'autre de la jonction 252 selon une deuxième direction B horizontale qui est orthogonale à la direction A au niveau de la jonction 252. 15 Dans cet exemple, le canal d'amortissement 254 comprend deux portions 254c et 254d, alors que les canaux 54 et 154 précédemment décrits comprennent une unique portion. La première portion 254c s'étend entre la première extrémité 254a et la deuxième portion 254d ; et la deuxième portion 254d s'étend entre la première portion 254c et la 20 deuxième extrémité 254d du canal d'amortissement 254. La première portion 254c du canal d'amortissement 254 s'étend selon une première direction A horizontale, et la première portion 251a du canal d'alimentation 251 s'étend selon une direction C confondue ici avec la direction A. La deuxième portion 254d du canal d'amortissement 254 25 s'étend quant à elle selon une direction D qui est ici verticale pour que cette deuxième portion 254d se trouve en contrebas de la première portion 254c. Cette disposition permet d'augmenter encore l'effet de piège du premier jet de métal grâce à la gravité. Dans cet exemple, la deuxième extrémité 254b du canal d'amortissement 254 se situe au niveau de la sole 30 10 de sorte que le canal d'amortissement 254 repose sur la sole 10. On notera que la direction D peut ne pas être verticale et simplement inclinée, toutefois l'effet maximal de piège du premier jet de métal est obtenu pour une direction verticale. Dans cet exemple, les canaux d'alimentation 251 et d'amortissement 254 présentent une section circulaire de diamètre d. 35 La longueur L de la première portion 254c du canal d'amortissement 254 peut être supérieure ou égale à deux fois le diamètre d. 3051130 10 On notera que dans tous les exemples précédents, le canal d'alimentation 51, 151, 251 comprend deux deuxièmes portions 51b, 151b, 251b, mais pourrait en comprendre seulement une, voire plus de deux. 5 L'installation 1 qui a été décrite précédemment peut être réalisée entièrement en matériau céramique, par exemple par un procédé de fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, un modèle de l'installation 1 en cire doit tout d'abord être fabriqué. Puis, ce modèle en cire est recouvert d'une carapace de céramique par trempes successives 10 dans une barbotine adéquate (trempe/stucage). La céramique est ensuite cuite et la cire retirée pour obtenir l'installation 1 en matériau céramique. La figure 5 illustre les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu mettant en oeuvre une installation 1 telle que celle décrite précédemment. La 15 première étape El du procédé consiste à remplir les moules 8 de l'installation 1 en versant un métal fondu dans l'installation. Pour ce faire, on peut verser le métal directement dans le godet 2 de l'installation 1, et il pourra cheminer par gravité jusqu'à remplir les moules 8. La deuxième étape E2 consiste à réaliser la solidification dirigée du métal présent dans 20 le moule, de façon à obtenir la pièce moulée. La solidification dirigée est réalisée dans un four adapté dans lequel on place l'installation. Le four permet de contrôler la croissance des grains cristallisés, afin d'obtenir par exemple des pièces monocristallines. Une fois la pièce solidifiée, on peut la décocher et procéder à des usinages de finition. 25 REVENDICATIONS1. Système d'alimentation (5 ; 5' ; 5") pour acheminer un métal fondu destiné à mouler une pièce, le système comprenant un canal d'alimentation (51 ; 151 ; 251) en matériau céramique configuré pour permettre au métal fondu de s'écouler par gravité à l'intérieur dudit canal d'alimentation, ledit canal d'alimentation comprenant une première portion (51a ; 151a ; 251a) s'étendant dans une première direction (A), et au moins une deuxième portion (51b ; 151b ; 251b) s'étendant dans une deuxième direction (B) différente de la première direction, ladite deuxième portion étant disposée en aval de la première portion et étant reliée à la première portion par une jonction (52 ; 152 ; 252), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un canal d'amortissement (54 ; 154 ; 254) comprenant une première extrémité (54a ; 154a ; 254a) débouchant dans la jonction et une deuxième extrémité (54b ; 154b ; 254b) fermée, ledit canal d'amortissement prolongeant la première portion (51a ; 151a ; 251a) du canal d'alimentation. 2. Système d'alimentation (5') selon la revendication 1, dans lequel le canal d'alimentation (151) présente une section circulaire, la longueur (L) du canal d'amortissement étant supérieure ou égale à deux fois le diamètre (d) du canal d'alimentation. 3. Système d'alimentation (5") selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le canal d'amortissement (254) comprend une première portion (254c) s'étendant entre la première extrémité (254a) et une deuxième portion (254d), la deuxième portion s'étendant entre la première portion et la deuxième extrémité (254b) du canal d'amortissement, ladite deuxième portion étant située en contrebas de la première portion. 4. Système d'alimentation (5") selon la revendication 3, dans lequel la deuxième portion (254d) du canal d'amortissement s'étend selon une direction (D) sensiblement verticale. 3051130 12 5. Système d'alimentation (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le canal d'amortissement (54) présente une section en demi-cercle. 5 6. Système d'alimentation (5' ; 5") selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première (A) et la deuxième (B) directions sont orthogonales. 7. Installation (1) pour fabriquer une pièce moulée à partir d'un 10 métal fondu, l'installation comprenant : - au moins un système d'alimentation (5 ; 5' ; 5") selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et - au moins un moule (7) relié à la deuxième portion (51b ; 151b ; 251b) du canal d'alimentation (51 ; 151 ; 251) du système 15 d'alimentation de sorte qu'un métal fondu puisse cheminer depuis le système d'alimentation jusque dans le moule. 8. Installation (1) selon la revendication 7, comprenant en outre un conduit sélecteur de grain (8) relié au système d'alimentation (5 ; 5' ; 20 5") d'une part et au moule (7) d'autre part. 9. Installation (1) selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans laquelle les moules (7) sont adaptés pour mouler des aubes de turbine de turbomachine aéronautique. 25 10. Procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu, le procédé comprenant les étapes suivantes : - le remplissage (El) d'un moule (7) avec un métal fondu en introduisant un métal fondu dans un système d'alimentation (5 ; 5' ; 5") 30 d'une installation (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, et - la solidification dirigée (E2) du métal présent dans le moule de façon à obtenir la pièce moulée.