Brevet FR3056994A1 — publié le 20180406

Four de cristallisation pour la production d'aubes de turboréacteur avec écran thermique embarqué L'invention a trait à la fabrication des composants - et plus précisément des aubes - de turboréacteurs. Une aube de turboréacteur comprend un pied, par lequel elle est fixée sur une virole, une plateforme élargie qui surmonte le pied, et une pale profilée qui s'étend à partir de la plateforme et qui présente une forme complexe nécessitée par sa fonction motrice, cf. par ex. la 10 demande de brevet européen EP1653047 au nom de la demanderesse. Une aube est généralement réalisée dans un superalliage qui lui confère à la fois une bonne résistance à la fatigue mécanique et une bonne résistance à la fatigue thermique. C'est pourquoi, pour fabriquer une telle aube, on a généralement 15 recours à un procédé de fonderie à la cire perdue. Dans un tel procédé, on coule plusieurs aubes dans un moule en céramique formant une série (appelée grappe) de cavités chacune à l'empreinte d'une aube, au sein d'un four de cristallisation permettant la mise en oeuvre d'une technique de solidification dirigée dite « procédé 20 Bridgman », décrite notamment dans la demande de brevet européen EP0775766 (Commissariat à l'énergie atomique). Le four de cristallisation comprend une enceinte chauffante définissant une chambre interne subdivisée en deux zones superposées, à savoir une zone chaude (maintenue à une température 25 supérieure à la température de fusion du superalliage) et une zone froide (maintenue à une température inférieure à la température de solidification du superalliage), avec un écran thermique périphérique solidaire de l'enceinte et qui s'étend transversalement dans la chambre entre la zone chaude et la zone froide. 30 Le superalliage est versé dans le moule alors que celui-ci se trouve, initialement, dans la zone chaude. Puis le moule est déplacé vers la zone froide pour permettre la solidification de la grappe. Il existe entre la zone chaude et la zone froide de la chambre interne du four un fort gradient de température qui permet d'obtenir 35 dans la matière de l'aube un front de solidification bien localisé dont dépendent les caractéristiques métallurgiques du métal solidifié, et donc les performances ultérieures de l'aube. 3056994 2 L'idéal serait de maîtriser la valeur du gradient thermique (et donc du front de solidification) par les seules régulations thermiques des zones chaude et froide. Mais il faut cependant bien admettre que la conduction thermique, ainsi que les transferts radiatifs dans le four 5 affectent le gradient et altèrent le profil du front de solidification, malgré la présence de l'écran thermique. Il a été proposé de monter un écran thermique embarqué directement sur le moule, pour stabiliser le gradient thermique lorsque le front de solidification parvient au niveau de l'écran embarqué. Mais un tel écran embarqué pose un autre problème : il crée une zone froide sous-jacente, qui déstabilise le front de solidification dès lors que celui-ci se trouve sous l'écran. Tout compte fait, la présence de l'écran thermique embarqué peut entraîner des défauts de fonderie, notamment sur la zone de la pièce (en l'espèce l'aube) située sous l'écran thermique, des essais ayant montré une fréquente déstabilisation du front de solidification, c'est-à-dire que la partie de la pièce située vers l'intérieur de la grappe tend à se solidifier avant la partie de la pièce située vers l'extérieur de la grappe. Le phénomène est encore aggravé, dans le cas des alliages de deuxième génération (comprenant environ 3% de Rhénium), par l'apparition d'un défaut appelé « freckle », qui se présente sous forme de chaînes de grains équiaxes surfaciques. Ce défaut est connu de longue date, cf. par ex. R. Schadt et al., « New aspects of Freckie formation during single crystal solidification of CMSX-4 », in Superalloys 2000, T.M. Pollock, 2000, mais il n'a pas encore été correctement traité dans la fabrication des aubes de turboréacteurs. On a également constaté, dans certaines géométries d'écrans, une germination cristalline parasite dans le métal, qui résulte de la présence de zones froides localisées générées par les écrans Cette germination parasite affecte la structure cristalline globale de l'aube qui, n'étant pas monocristalline, doit être mise au rebut. Un premier objectif de la présente invention est par conséquent d'améliorer la qualité des aubes de turbomachines. Un deuxième objectif est d'augmenter le taux de pièces sans défaut parmi l'ensemble de la production. Un troisième objectif est, plus précisément, d'améliorer les conditions de fabrication des aubes en superalliage au sein d'un four de 3056994 3 cristallisation, en minimisant l'apparition de défauts lors de la solidification du superalliage. A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un four de cristallisation pour la production d'une série d'aubes de turboréacteur en 5 superalliage, ce four comprenant : Une enceinte chauffante définissant une chambre interne subdivisée en une zone chaude et une zone froide superposées ; Au moins un écran thermique périphérique solidaire de l'enceinte et s'étendant transversalement dans la chambre entre la zone 10 chaude et la zone froide ; Un plateau support mobile en translation verticale dans la chambre ; Un moule en céramique à l'empreinte des aubes, monté sur le plateau support et qui comprend une série de cavités de moulage 15 chacun à l'empreinte d'une aube, réparties en cercle, Un écran thermique embarqué, entrelaçant le moule et comprenant : o une couronne centrale disposée dans un volume interne du moule délimité extérieurement par les cavités de moulage des 20 aubes, et o une série de branches qui rayonnent à partir de la couronne centrale et s'étendent entre les cavités de moulage. Cette architecture permet de diminuer le risque d'apparition de freckles, grâce à une stabilisation du gradient thermique dans le four 25 (et donc du front de solidification dans le superalliage). Selon un mode particulier de réalisation, chaque branche de l'écran thermique embarqué va s'élargissant depuis une extrémité interne par laquelle la branche se raccorde à la couronne centrale, jusqu'à une extrémité externe libre. 30 Le moule peut comprendre un tube central qui s'étend verticalement dans le volume interne. Dans ce cas, la couronne présente avantageusement un trou central au travers duquel s'étend le tube central. La couronne centrale présente par ex. une forme en cloche ; selon 35 un mode particulier de réalisation, la couronne centrale comprend une paroi tronconique qui va en s'évasant depuis un bord supérieur auquel 3056994 4 se raccordent les branches, et une collerette qui s'étend de manière circonférentielle à partir d'un bord inférieur de la portion tronconique. Il est proposé, en deuxième lieu, un procédé de fabrication d'une série d'aubes de turboréacteur en superalliage, au sein d'un four de 5 cristallisation tel que présenté ci-dessus, qui comprend les opérations suivantes : Positionnement du moule dans la zone chaude de l'enceinte ; Coulée d'un superalliage en phase liquide dans le moule ; Descente progressive du moule vers la zone froide. 10 Ce procédé comprend avantageusement une phase préalable de préparation conjointe du moule et de l'écran thermique embarqué, incluant : le formage d'un coeur pour le moule et d'un coeur pour l'écran thermique embarqué en matière(s) fusible(s) à basse température 15 (notamment en cire pour le coeur de moule et dans un polymère thermoplastique pour le coeur d'écran), et la mise en forme finale du moule et de l'écran thermique embarqué par revêtement de leurs coeurs au moyen d'une céramique réfractaire. 20 De préférence, le formage au moins du coeur pour l'écran thermique embarqué est réalisé par fabrication additive. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : 25 la FIG.1 est une vue en coupe verticale d'un four de cristallisation pour la production d'une série d'aubes de turboréacteur, qui comprend une enceinte et un moule logé à l'intérieur de celle-ci ; la FIG.2 est une vue en coupe en perspective montrant le moule dans lequel un écran thermique est entrelacé ; 30 - la FIG.3 est une vue en perspective de l'écran thermique ; la FIG.4 est une vue en coupe, en perspective, de l'écran thermique. Sur la FIG.1 est représenté un four 1 de cristallisation pour la production d'aubes de turboréacteur. Une aube de turboréacteur 35 comprend classiquement une pale, un pied par lequel l'aube est 3056994 5 destinée à être montée à la périphérie d'une virole du turboréacteur, et, à la jonction entre la pale et le pied, une plateforme élargie. Les aubes sont fabriquées par moulage à la cire perdue à partir d'un superalliage (comprenant au moins l'un des composants suivants : 5 nickel, cobalt, titane, aluminium), et de préférence d'un superalliage de deuxième génération (c'est-à-dire un superalliage comprenant une proportion de rhénium supérieure ou égale à 3%). Le four 1 comprend, en premier lieu, une enceinte 2 chauffante qui définit une chambre 3 interne. Cette chambre 3 interne s'étend 10 sensiblement suivant un axe X principal vertical. La chambre 3 est subdivisée en deux zones 4, 5 superposées, à savoir une zone 4 chaude et une zone 5 froide sous-jacente. Chaque zone 4, 5 est régulée thermiquement au moyen de suscepteurs 6, 7 à induction (typiquement en graphite), à savoir : 15 pour la zone 4 chaude, une série de suscepteurs 6 supérieurs qui tapissent une paroi interne de l'enceinte 2 et sont agencés ou réglés pour maintenir la zone 4 chaude à une température supérieure à la température de liquidus du superalliage, et pour la zone 5 froide, une série de suscepteurs 7 inférieurs qui 20 tapissent également la paroi interne de l'enceinte 2 et sont agencés ou réglés pour maintenir la zone 5 froide à une température inférieure à la température de solidus du superalliage. Le four 1 comprend, en deuxième lieu, au moins un premier écran 8 thermique périphérique, fixe, solidaire de l'enceinte 2 et s'étendant 25 transversalement dans la chambre 3 entre la zone 4 chaude et la zone 5 froide de sorte à réaliser entre elles un gradient thermique - c'est-à- dire une variation de la température - suivant l'axe X principal de la chambre 3. Dans l'exemple illustré, le four 1 comprend un deuxième écran 8' 30 thermique périphérique, également fixe, qui s'étend dans la zone 4 chaude qu'il subdivise en une partie 4A supérieure et une partie 4B inférieure et qui permet, au sein de la zone 4 chaude, de réaliser un gradient thermique secondaire alors même que la température y est partout supérieure à la température de solidus. 35 Le four 1 comprend, en troisième lieu, un plateau 9 support, mobile en translation verticale dans la chambre 3. Selon un mode de 3056994 6 réalisation, ce plateau 9 support est monté sur un vérin 10 dont une tige est visible sur la FIG.1. Le four 1 comprend, en quatrième lieu, un moule 11 en céramique à l'empreinte d'une série (ou grappe) d'aubes à fabriquer. Ce moule 11 5 est monté sur le plateau 9 support. Comme illustré sur les FIG.1 et FIG.2, le moule 11 comprend une pluralité de cavités 12 de moulage chacune à l'empreinte d'une aube, réparties en cercle et qui délimitent entre elles un volume 13 interne. Dans l'exemple illustré, le moule 11 comprend une douzaine de cavités 10 12 de moulage mais ce nombre n'est fourni qu'à titre illustratif. Chaque cavité 12 comprend une partie 14 inférieure, qui correspond à la pale de l'aube, une partie 15 intermédiaire, qui correspond à la plateforme, et une partie 16 supérieure qui correspond au pied de l'aube. 15 Comme on le voit bien sur la FIG.2, les cavités 12 reposent sur le plateau 9 support par l'intermédiaire de jambages 17. Selon un mode particulier de réalisation illustré sur les dessins, et plus particulièrement sur les FIG.1 et FIG.2, le moule 11 et le plateau 9 support forment conjointement une pièce monobloc. 20 Le moule 11 comprend par ailleurs un déversoir 18 central, en forme d'entonnoir, et un tube 19 central qui s'étend verticalement dans le volume 13 interne. Ce tube 19 central se raccorde, par une extrémité inférieure, au plateau 9 support ; le déversoir 18 prolonge verticalement le tube 19 central, à partir d'une extrémité supérieure de celui-ci. 25 Une série périphérique de canaux 20 radiaux relient la base du déversoir 18 aux cavités 12 de moulage pour alimenter celles-ci en superalliage lorsque celui-ci est versé sous forme liquide dans le déversoir 18. Selon un mode de réalisation illustré sur la FIG.2, le moule 11 peut 30 en outre être pourvu d'un collecteur 21 périphérique qui raccorde des parties 16 supérieures des cavités 12 pour assurer une bonne répartition de la matière, selon le principe des vases communicants. Le four 1 comprend, en cinquième lieu, un écran 22 thermique mobile, embarqué avec le moule 11. L'écran 22 thermique embarqué 35 entrelace le moule 11 et comprend une couronne 23 centrale et une série de branches 24. 3056994 7 La couronne 23 centrale est disposée dans le volume 13 interne du moule 11 ; les branches 24 rayonnent à partir de la couronne 23 centrale et s'étendent entre les cavités 12 de moulage. Plus précisément, et comme on le voit sur la FIG.2, chaque 5 branche 24 s'étend entre les parties 16 supérieures de deux cavités 12 de moulage adjacentes. Selon un mode de réalisation illustré sur les FIG.3 et FIG.4, chaque branche 24 va s'élargissant depuis une extrémité 25 interne par laquelle la branche 24 se raccorde à la couronne 23, jusqu'à une 10 extrémité 26 externe libre. Plus précisément, et comme illustré sur les FIG.3 et FIG.4, chaque branche 24 présente une portion 27 interne sensiblement cylindrique, et une portion 28 externe de forme évasée, qui s'étend dans le prolongement de la portion 27 interne et forme l'extrémité 26 externe 15 élargie de la branche 24. Cette forme élargie permet à chaque branche 24 de couvrir presque totalement l'interstice entre deux cavités 12 adjacentes. Il est souhaitable de très précisément contrôler le front de solidification lorsqu'il atteint la partie 16 supérieure de la cavité 12 de 20 moulage car le pied de l'aube présente, à sa jonction avec la plateforme, des formes complexes sujettes à certains défauts de cristallisation (notamment freckles et germination parasite) qui peuvent altérer la structure cristalline de l'aube, voire l'empêcher d'être monocristalline. 25 A cet effet, et selon un mode préféré de réalisation illustré sur la FIG.2, les branches 24 s'étendent au niveau des parties 16 supérieures des cavités 12 de moulage, de sorte à mieux contrôler (et plus précisément de stabiliser) le gradient thermique à la frontière de la zone chaude et de la zone froide (et donc du front de solidification au 30 niveau de la partie 16 supérieure de la cavité 12 de moulage). La couronne 23 centrale présente avantageusement un trou 29 central au travers duquel s'étend le tube 19 central du moule. Comme nous le verrons ci-après, la paroi du trou 29 et le tube 19 peuvent, au moins localement, fusionner à l'occasion de la fabrication de l'écran 22 35 et du moule 1. Par ailleurs, selon un mode de réalisation illustré sur la FIG.4, la couronne 23 centrale présente une forme en cloche et comprend, d'une 3056994 8 part, une paroi 30 tronconique, qui va en s'évasant depuis un bord 31 supérieur auquel se raccordent les branches 24, et, d'autre part, une collerette 32 qui s'étend de manière circonférentielle à partir d'un bord 33 inférieur de la paroi 30 tronconique. 5 La couronne 23 a pour fonction de protéger les plateformes des aubes en cours de formage du courant froid issu de la zone froide et qui s'immisce dans le volume 13 interne du moule 11. Pour fabriquer une série d'aubes de turboréacteur en superalliage, au sein du four 1 qui vient d'être décrit, on procède comme suit. 10 On commence par positionner le moule 1 dans la zone 4 chaude, en réglant la position verticale du plateau 9 support au moyen du vérin 10. Puis on coule le superalliage en phase liquide dans le moule 1, en le versant dans le déversoir 18. Le superalliage s'écoule par les canaux 15 20 dans les cavités 12 de moulage qu'ils emplissent progressivement. Le collecteur 21 périphérique permet de correctement répartir le superalliage dans les différentes cavités 12. On descend ensuite progressivement le moule 1 vers la zone 5 froide. La présence de l'écran 22 thermique embarqué permet de mieux 20 contrôler le front de solidification lors de son passage dans le pied, et de diminuer le risque d'apparition de défauts de cristallisation dans les aubes, dont le taux de rebut se trouve ainsi diminué. Les branches 24 stabilisent le gradient thermique en le rendant plus vertical au passage de la zone 4 chaude à la zone 5 froide. 25 Le moule 1 est descendu jusqu'à s'étendre complètement dans la zone 5 froide pour permettre la solidification (et la cristallisation) complète des aubes, qui sont ainsi formées en grappe. Une fois le superalliage refroidi, on procède au décochage (c'est-à- dire à la destruction) du moule 1, par vibration ou par jet d'eau, puis au 30 dégrapage des aubes qui subiront ensuite des opérations manuelles de finition (meulage, polissage) avant de passer un contrôle de qualité (notamment aux rayons X) pour rejeter celles qui présenteraient des défauts (cavités, fissures). Avant la fabrication des aubes, il convient de prévoir une phase 35 préalable de préparation du moule 1 et de l'écran 22 thermique embarqué. 3056994 9 A cet effet, on forme un coeur pour le moule 1, et un coeur pour l'écran 22 thermique embarqué, tous deux en matière fusible à basse température (c'est-à-dire à une température inférieure, voire très inférieure à la température de fusion du superalliage dans lequel les 5 aubes sont fabriquées). Le coeur du moule 1 est avantageusement réalisé en cire ; quant au coeur de l'écran 22 thermique embarqué, peut, lui aussi, être réalisé en cire mais est de préférence réalisé dans un polymère thermoplastique (par ex. en polypropylène) qui, en comparaison avec la cire, permet de 10 réaliser des parties plus fines grâce à sa bonne tenue mécanique. On procède ensuite à la mise en forme finale du moule 1 et de l'écran 22 thermique embarqué par revêtement de leurs coeurs au moyen d'une céramique réfractaire. Cette mise en forme peut comprendre une première étape de trempe conjointe des coeurs dans 15 une ou plusieurs barbotine(s) de liant(s) réfractaire(s) pour former une sous-couche, suivie d'une deuxième étape de saupoudrage de la sous-couche au moyen d'un matériau réfractaire (par ex. du sable). La mise en forme comprend ensuite une troisième étape d'enrobage du matériau saupoudré au moyen d'un liant, puis une quatrième étape de cuisson 20 pour former autour des coeurs des carapaces qui constitueront respectivement le moule 1 et l'écran 22 thermique. Cette cuisson provoque la fusion des coeurs, l'écoulement de leurs matières constitutives (cire et plastique le cas échéant) sous forme liquide s'opérant par des conduits et orifices non détaillés ici. 25 Le coeur de l'écran 22 thermique embarqué, au moins, peut être formé par fabrication additive. Dans certaines machines de fabrication additives, qui comprennent une pluralité de buses pour le dépôt conjoint de plusieurs matières, il est envisageable de former conjointement par fabrication additive le coeur du moule 11 en cire et le 30 coeur de l'écran 22 thermique dans un polymère thermoplastique. D'autres techniques de fabrication peuvent être employées (notamment injection, usinage). Les carapaces de l'écran 22 thermique et du moule 1 fusionnent localement au niveau, respectivement, du tube 19 et de la paroi du trou 35 29, de sorte que l'écran 22 thermique est solidaire du moule 1 et est ainsi maintenu, par rapport à celui-ci dans la position verticale (et angulaire) souhaitée. Il est également envisageable de prévoir, lors de 3056994 10 la fabrication des coeurs, une structure spécifique destinée à assurer le maintien en position de l'écran 22 thermique embarqué par rapport au moule 11. De préférence, pour éviter le gaspillage de matière, le tube 19 est 5 obturé au moyen d'un bouchon 34, positionné sous l'embouchure des canaux 20 et au-dessus de l'écran 22, et qui bloque l'écoulement du métal vers la partie basse du tube 19 et vers l'écran 22. Pour faciliter le positionnement du bouchon 34, le tube 19 est avantageusement pourvu d'une restriction 35 interne contre laquelle le 10 bouchon 34 vient se poser. REVENDICATIONS1. Four (1) de cristallisation pour la production d'une série d'aubes de turboréacteur en superalliage, ce four (1) comprenant : Une enceinte (2) chauffante définissant une chambre (3) interne subdivisée en une zone (4) chaude et une zone (5) froide superposées ; Au moins un écran (7) thermique périphérique, solidaire de l'enceinte (2) et s'étendant transversalement dans la chambre (3) entre la zone (4) chaude et la zone (5) froide ; Un plateau (9) support mobile en translation verticale dans la chambre (3) ; Un moule (11) en céramique à l'empreinte des aubes, monté sur le plateau (9) support et comprenant une série de cavités (12) de moulage chacune à l'empreinte d'une aube, réparties en cercle et délimitant entre elles un volume (13) interne ; Ce four (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : Un écran (22) thermique embarqué, entrelaçant le moule (11) et comprenant : o une couronne (23) centrale disposée dans le volume (13) interne du moule (11), et o une série de branches (24) qui rayonnent à partir de la couronne (23) centrale et s'étendent entre les cavités (12) de moulage. 2. Four (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche (24) va s'élargissant depuis une extrémité (25) interne par laquelle la branche (24) se raccorde à la couronne (23) centrale, jusqu'à une extrémité (26) externe libre. 3. Four (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, le moule (11) comprenant un tube (19) central qui s'étend verticalement dans le volume (13) interne, la couronne (23) présente un trou (29) central au travers duquel s'étend le tube (19) central du moule (11). 4. Four (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne (23) centrale présente une forme en cloche. 3056994 12 5. Four (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couronne (23) centrale comprend une paroi (30) tronconique qui va en s'évasant depuis un bord (31) supérieur auquel se raccordent les branches (24) , et une collerette (32) qui s'étend de manière 5 circonférentielle à partir d'un bord inférieur de la portion tronconique. 6. Procédé de fabrication d'une série d'aubes de turboréacteur en superalliage, au sein d'un four (1) de cristallisation selon l'une des revendications précédentes, qui comprend les opérations suivantes : Positionnement du moule (11) dans la zone (4) chaude de 10 l'enceinte (2) ; Coulée d'un superalliage en phase liquide dans le moule (11) ; Descente progressive du moule (11) vers la zone (5) froide. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une phase préalable de préparation du moule (11) et de 15 l'écran (22) thermique embarqué, incluant : le formage d'un coeur pour le moule (11) et d'un coeur pour l'écran (22) thermique embarqué, en matière(s) fusible(s) à basse température, et la mise en forme finale du moule (11) et de l'écran (22) thermique 20 embarqué par revêtement de leurs coeurs au moyen d'une céramique réfractaire. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le coeur du moule (11) est fabriqué en cire. 9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, 25 caractérisé en ce que le coeur de l'écran (22) thermique embarqué est fabriqué dans un polymère thermoplastique. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le formage au moins du coeur pour l'écran (22) thermique embarqué est réalisé par fabrication additive. 30