Brevet FR3071422A1 — publié le 20190329

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fonderie à la cire perdue. Elle concerne plus particulièrement un moule carapace destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce métallique par fonderie et son procédé de fabrication. De façon connue, dans un procédé de fonderie à la cire perdue, on réalise tout d'abord un modèle en cire de la pièce à fabriquer, puis on forme une carapace en céramique autour dudit modèle, et la cuisson de la carapace permet finalement d'obtenir le moule et d'éliminer la cire présente à l'intérieur. Pour former la carapace, on trempe le modèle en cire dans une barbotine comprenant généralement un liant et une poudre céramique, par exemple sous forme colloïdale, puis on le sable avec des particules céramiques (cette opération est aussi connue sous le nom de « stuccage ») et on le sèche. Les étapes successives de trempe et le stuccage sont généralement répétées plusieurs fois jusqu'à obtenir une épaisseur suffisante pour la paroi du moule carapace. Après cuisson, on peut couler directement un métal fondu dans le moule porté à température, laisser le métal se solidifier par refroidissement du moule, puis casser le moule carapace pour obtenir la pièce finale. Les moules carapaces doivent présenter des propriétés physiques et mécaniques suffisantes leur permettant de résister au choc thermique induit par la coulée du métal, de résister aux contraintes mécaniques induites par cette coulée, de conserver une tenue au fluage à haute température, tout en étant plus fragile à faible température pour permettre la solidification du métal et l'élimination du moule. Le problème des céramiques utilisées pour fabriquer les moules carapace est qu'elles présentent une résistance mécanique (notamment une contrainte à la rupture) élevée à basse température qui est responsable de l'apparition de grains recristallisés et/ou de criques lorsque le métal se solidifie, ce qui diminue les propriétés mécaniques de la pièce finale et n'est donc pas souhaitable. 2 Il existe donc un besoin pour un moule carapace qui présente des propriétés mécaniques mieux adaptées au procédé de fonderie à la cire perdue. 5 Objet et résumé de l'invention La présente invention propose donc à cet effet un moule carapace destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce métallique par fonderie, le moule comprenant une cavité de coulée délimitée par une paroi qui comprend dans son épaisseur : 10 - une première couche de renfort en céramique dans laquelle sont présentes des premières particules en céramique, - au moins une deuxième couche de renfort en céramique, recouvrant la première couche, dans laquelle sont présentes des particules creuses en céramique, et 15 - une troisième couche de renfort en céramique, recouvrant la deuxième couche, dans laquelle sont présentes des deuxièmes particules en céramiques, distinctes des particules creuses. Le moule carapace selon l'invention est ainsi remarquable par la présence, dans une couche intermédiaire de sa paroi, de particules 20 creuses en céramique. Ces particules creuses permettent de modifier les propriétés physiques et mécaniques du moule de façon à les rendre mieux compatibles avec la coulée d'un métal fondu. Plus précisément, les particules creuses agencées de la sorte permettent de diminuer la résistance mécanique du moule à basse température (notamment sa 25 contrainte à la rupture), tout en préservant sa stabilité dimensionnelle et ses propriétés à haute température de résistance au fluage et au choc thermique. Ces particules creuses permettent en outre de faciliter l'étape d'élimination du moule après la coulée (cette étape est aussi couramment appelée « décochage ») consistant à casser ou briser le moule. Cette plus 30 grande fragilité à basse température réduit également l'apparition de grains recristallisés et/ou de criques au moment de la solidification du métal. Selon l'invention, les particules creuses en céramique ne sont présentes que dans une couche intermédiaire de la paroi du moule et non 35 dans la couche interne ou externe du moule. On notera que les premières et deuxièmes particules céramiques peuvent être ici pleines, par 3 opposition aux particules creuses. Cette caractéristique avantageuse permet de réduire l'impact que pourraient avoir les particules creuses en céramique sur les propriétés du moule à haute température, notamment sa perméabilité et sa stabilité dimensionnelle. Un moule carapace 5 comprenant uniquement des particules creuses en céramique dans toute l'épaisseur de sa paroi (à l'exception éventuellement d'une couche interne de contact) peut être en effet sujet à des fuites, modifie significativement ses propriétés thermiques, et fragilise le moule à haute température qui n'est plus stable dimensionnellement, notamment du fait d'une porosité 10 dans la carapace trop élevée. Dans un exemple de réalisation, les particules creuses peuvent comprendre de l'alumine ou de la mullite. De façon générale, on pourra utiliser des particules creuses comprenant un matériau céramique réfractaire. 15 Dans un exemple de réalisation, les premières et/ou les deuxièmes particules en céramique peuvent être en un matériau choisi parmi les suivants : alumine, silice, zircone, zircon, Yttrine, mullite, silicoaluminates (par exemple la molochite) et leur mélange. De façon générale, on pourra utiliser des deuxièmes et/ou des particules creuses 20 comprenant un matériau céramique réfractaire. Dans un exemple de réalisation, les premières et les deuxièmes particules en céramique peuvent être identiques. Dans un exemple de réalisation, le moule peut comprendre en outre une couche de contact en céramique au contact de la première 25 couche et destinée à être au contact d'un métal fondu, ladite couche de contact comprenant des troisièmes particules en céramique présentant une taille inférieure à celles des première et deuxième particules. Dans le présent exposé, on entend par « taille » la taille D50 des particules. Cette disposition permet d'obtenir un bon état de surface à l'intérieur de la 30 cavité du moule, réduisant encore les risques d'apparition de grains recristallisés/crique et améliorant l'état de surface de la pièce moulée. Dans un exemple de réalisation, la taille des particules creuses en céramique peut être comprise entre 1 pm et 1000 pm, voire entre 100 pm et 1000 pm, ou encore entre 200 pm et 500 pm. 4 Dans un exemple de réalisation, la deuxième couche de renfort en céramique peut présenter une épaisseur comprise entre 1 mm et 4 mm. La deuxième couche de renfort peut présenter une épaisseur comprise entre 1 mm et 2 mm. 5 Dans un exemple de réalisation, la deuxième couche de renfort peut présenter une épaisseur au moins égale à deux fois l'épaisseur de la première couche de renfort. L'invention vise encore, selon un autre aspect, un procédé de fabrication d'un moule tel que celui- présenté ci-avant, le procédé 10 comprenant successivement : - le dépôt sur un modèle en cire de la pièce d'une première poudre céramique et des premières particules, - le dépôt sur le modèle en cire d'une deuxième poudre céramique et des particules creuses, 15 - le dépôt sur le modèle en cire d'une troisième poudre céramique et des deuxièmes particules, - l'élimination de la cire afin d'obtenir un moule cru, - la cuisson du moule cru afin d'obtenir le moule carapace. Dans un exemple de réalisation, le dépôt de la poudre peut 20 s'effectuer à partir d'une suspension ou barbotine (par trempage), et le dépôt de particules creuses ou non peut s'effectuer par sablage, c'est-à-dire application des particules sur le modèle préalablement trempé dans la barbotine. Le dépôt des particules creuses peut également être réalisé par la méthode de lit fluidisé. Dans un exemple de réalisation, l'élimination de 25 la cire peut être réalisée dans un autoclave et la cuisson du moule cru peut être réalisée dans un four de cuisson, différent de l'autoclave. En variante, l'élimination de la cire et la cuisson du moule cru peuvent être réalisées dans le même four de cuisson. Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer un moule 30 carapace destiné à mouler une aube de turbomachine aéronautique en métal. L'invention vise enfin l'utilisation d'un moule tel que celui présenté ci-avant pour fabriquer une pièce métallique. Brève description des dessins 35 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 5 annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe de la paroi d'un moule carapace selon un mode de réalisation de l'invention, 5 - la figure 2 est un ordinogramme illustrant les principales étapes d'un procédé de fabrication d'un moule selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une aube de turbine de turbomachine aéronautique que l'on peut fabriquer à l'aide 10 d'un moule carapace selon l'invention. Description détaillée de l'invention La figure 1 montre une vue très schématique en coupe d'un moule carapace 1 selon l'invention, et plus précisément de sa paroi 2. La 15 paroi 2 délimite la cavité de coulée du moule 1 à l'intérieur de laquelle un métal liquide est destiné à être introduit. La paroi 2 est généralement en céramique. La paroi 2 est ici constituée d'une pluralité de couches distinctes. Dans l'exemple illustré, la paroi 2 comprend quatre couches successives depuis l'intérieur I (correspondant à la cavité du 20 moule) vers l'extérieur E du moule 1 : une couche de contact 10, une première couche de renfort 20, une deuxième couche de renfort 30, et une troisième couche de renfort 40. Les couches 10, 20, 30, 40 sont ici au contact les unes des autres. De manière générale, les couches 10, 20, 30, 40 comprennent une matrice céramique dans laquelle sont présentes des 25 particules ou inclusions qui peuvent être communes à, ou à cheval entre, deux couches consécutives. Les particules céramiques jouent le rôle d'éléments de renfort dans chaque couche et entre des couches successives, elles contribuent ainsi aux bonnes propriétés mécaniques du moule 1. 30 La couche de contact 10 en céramique, optionnelle, comprend une matrice céramique 12 dans laquelle sont présentes des particules 14 en céramique (troisièmes particules en céramique). La couche de contact 10 peut présenter une épaisseur Ec comprise par exemple entre 200 pm et 2000 pm. Toutes les particules 14 de la couche de contact 10 peuvent 35 être pleines. 6 La première couche de renfort 20 en céramique recouvre la couche de contact 10 et comprend une matrice céramique 22 dans laquelle sont présentes des particules 24 en céramique (premières particules en céramique). La première couche de renfort 20 peut 5 présenter une épaisseur Er1 comprise par exemple entre 500 pm et 2000 pm. Toutes les particules 24 comprises dans la première couche de renfort 20 peuvent être pleines. Dans une variante non illustrée, la première couche de renfort 20 peut comprendre plusieurs sous-couches afin d'en contrôler l'épaisseur. 10 La deuxième couche de renfort 30 recouvre la première couche de renfort 20 et est ici constituée de deux sous-couches 31 de composition identique. La présence de ces sous-couches 31 est due au procédé de fabrication du moule par trempe-stuccage, c'est-à-dire que la couche 30 est fabriquée, dans l'exemple illustré, en deux étapes de 15 trempe-stuccage. Bien entendu, la deuxième couche de renfort 30 peut comprendre plus de deux sous-couches. La deuxième couche de renfort 30 en céramique comprend une matrice céramique 32 dans laquelle sont présentes des particules creuses 34 en céramique. La deuxième couche de renfort 30 peut présenter une épaisseur Erg comprise par exemple entre 20 1 mm et 4 mm. La deuxième couche de renfort 30 peut comprendre seulement des particules creuses 34 en céramique dans la matrice 32, ou un mélange de particules creuses 34 et de particules pleines en céramique. Par exemple, la deuxième couche de renfort 30 peut comprendre majoritairement en nombre des particules creuses 34, c'est-à- 25 dire plus de 50% en nombre de particules creuses par rapport à des particules pleines. La troisième couche de renfort 40 recouvre la deuxième couche de renfort 30. Dans une variante non illustrée, la troisième couche de renfort 40 peut, au même titre que la deuxième couche de renfort, être 30 constituée de plusieurs sous-couches afin d'en contrôler l'épaisseur. Elle constitue, dans l'exemple illustré, une couche externe de la paroi 2 du moule 1. La troisième couche de renfort 40 comprend une matrice céramique 42 dans laquelle sont présentes des particules 44 en céramique (deuxièmes particules en céramique). La troisième couche de renfort 40 35 peut présenter une épaisseur Er3 comprise par exemple entre 1 mm et 4 mm. Toutes les particules 44 comprises dans la troisième couche de 7 renfort 40 peuvent être pleines. Dans tous les cas, les particules 44 sont distinctes des particules creuses 34. Les particules 14, les premières 24 et deuxièmes 44 particules en céramique peuvent être identiques, et par exemple être obtenues à 5 partir d'un sable céramique. En variante, les particules 14, 24 et 44 peuvent être différentes. Dans l'exemple illustré, les particules 14, 24 et 44 sont pleines, par opposition aux particules « creuses » 34 de la deuxième couche 30 de renfort. Les particules 14, 24 et 44 peuvent comprendre par exemple de l'alumine, de la silice, de la mullite, de la 10 zircone, du zircon, de l'Yttrine, un silico-aluminate (type molochite), ou un mélange de ces matériaux. On notera que les particules 14 de la couche de contact 10 présentent une taille (D50) inférieure à la taille des particules 24 et 44 des couches de renfort 20 et 40 de façon à obtenir un état de surface plus lisse pour la paroi 2 du côté de l'intérieur I du 15 moule 1. La couche de contact 10 peut présenter une épaisseur Ec inférieure à celle des autres couches 20, 30, 40. Les particules creuses 34 en céramique peuvent comprendre préférentiellement de la mullite ou de l'alumine. Ces particules creuses 34 peuvent présenter une taille (D50) comprise entre 100 pm et 1000 pm. 20 Dans l'exemple illustré, les particules creuses 34 prennent la forme de billes creuses en céramique, c'est-à-dire ayant une forme généralement sphérique. Les matrices 12, 22, 32, 42 des couches 10, 20, 30, 40 peuvent être identiques, ou en variante, comprendre des matériaux céramiques 25 différents. Chacune de ces matrices peut comprendre par exemple de l'alumine, de la silice, de la zircone, du zircon, de l'Yttrine, de la mullite, un silico-aluminate (type molochite), ou un mélange de ces céramiques. Un exemple de procédé de fabrication du moule 1 décrit précédemment va être présenté en lien avec l'ordinogramme de la 30 figure 2. Dans une première étape El, on dépose sur un modèle en cire de la pièce à mouler une poudre céramique et des particules 14, destinées à former la couche de contact 10 en céramique. Pour ce faire, on peut tremper le modèle en cire dans une barbotine de contact comprenant un 35 liant et la poudre céramique (aussi couramment appelée « farine ») du matériau destiné à former la matrice céramique 12 (opération de trempe). 8 Le liant peut être à base aqueuse ou organique. Une fois la trempe effectuée, le modèle en cire est sablé avec les particules 14. L'opération de sablage (ou stuccage) consiste à projeter du sable sur le modèle en cire trempé de façon à le faire adhérer à celui-ci. Une fois le sablage 5 terminé, le modèle est séché. Puis, dans une deuxième étape E2, on dépose sur le modèle en cire une première poudre céramique et des premières particules 24, destinées à former la première couche de renfort 20. De manière similaire à l'étape El, pour réaliser cette étape E2, on peut tremper le modèle en 10 cire dans une première barbotine de renfort comprenant un premier liant et la première poudre céramique destinée à former la matrice céramique 22. On sable ensuite le modèle trempé avec les premières particules 24 en céramique, et on sèche le modèle. Puis, dans une troisième étape E3, on dépose sur le modèle en 15 cire une deuxième poudre céramique et des particules creuses 34, destinées à former la deuxième couche de renfort 30. De manière similaire à l'étape El, pour réaliser cette étape E3, on peut tremper le modèle en cire dans une deuxième barbotine de renfort comprenant un deuxième liant et la deuxième poudre céramique destinée à former la matrice 20 céramique 32. On sable ensuite le modèle trempé avec les particules creuses 34 en céramique, et on sèche le modèle. En vue d'obtenir un moule 1 tel que celui illustré sur la figure 1, l'étape E3 peut être répétée pour obtenir une deuxième couche de renfort 30 qui est composée de deux sous-couches 31. 25 Puis, dans une quatrième étape E4, on dépose sur le modèle en cire une troisième poudre céramique et des deuxièmes particules céramiques destinées à former la troisième couche de renfort. De manière similaire à l'étape El, pour réaliser cette étape E4, on peut tremper le modèle en cire dans une troisième barbotine de renfort comprenant un 30 troisième liant et la troisième poudre céramique destinée à former la matrice céramique 42. On sable ensuite le modèle trempé avec les deuxièmes particules 44 en céramique, et on sèche le modèle. On peut ensuite tremper une dernière fois le modèle en cire dans la troisième barbotine puis le sécher avant de passer à l'étape suivante. 35 Dans une cinquième étape E5, on élimine la cire afin d'obtenir un moule cru. L'élimination de la cire peut être effectuée dans un 9 autoclave dédié ou dans le même four que celui qui sera utilisé pour la cuisson. Enfin, dans une sixième étape E6, on cuit le moule cru afin d'obtenir le moule carapace 1. La cuisson peut être réalisée dans un four 5 de cuisson. Les étapes El, E2, E3 et E4 peuvent être répétées autant de fois que nécessaire pour obtenir une épaisseur de couche désirée. Les barbotines utilisées dans chaque étape peuvent être identiques ou différentes. Chaque barbotine peut comprendre des additifs tels que de 10 l'anti-mousse, un bactéricide, un dispersant, etc. Les liants utilisés dans chaque étape peuvent être identiques ou différents. Les poudres céramiques utilisées dans chaque étape peuvent être identiques ou différentes. Une fois le moule carapace 1 cuit, il peut être utilisé pour 15 mouler une pièce métallique. Pour ce faire, on peut mettre à température le moule, puis couler le métal liquide, et refroidir l'ensemble de façon dirigée ou non. Une fois le refroidissement terminé, on peut réaliser le décochage du moule carapace, c'est-à-dire le briser, de façon à libérer la pièce métallique ainsi moulée. 20 Exemple On réalise un moule carapace en céramique pour fabriquer une aube 100 de turbine de turbomachine aéronautique telle que celle illustrée sur la figure 3. On utilise pour cela les éléments suivants : 25 - une barbotine de contact comprenant de l'alumine tabulaire (référence commerciale : Almatis -325 mesh) et de la silice colloïdale (référence commerciale : Ludox HS30), - une barbotine de renfort comprenant de l'alumine tabulaire (Almatis -325 mesh) et de la silice colloïdale (Ludox HS30), 30 - du sable de mullite présentant une granulométrie moyenne (D50) de 100 pm pour former les particules de la couche de contact, - du sable de mullite présentant une granulométrie moyenne (D50) de 500 pm pour former les particules des première et troisième couches de renfort, et 35 - des billes creuses d'alumine présentant une granulométrie moyenne (D50) de 500 pm pour la deuxième couche de renfort. 10 Le moule carapace est réalisé selon le procédé décrit ci-avant, en répétant une fois l'étape El, une fois l'étape E2, deux fois l'étape E3 et trois fois l'étape E4. La même barbotine de renfort est ici utilisée pour les étapes E2 à E4, c'est-à-dire pour les première, REVENDICATIONS1. Moule carapace (1) destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce métallique par fonderie, le moule comprenant une cavité de coulée 5 délimitée par une paroi (2) qui comprend dans son épaisseur : - une première couche de renfort (20) en céramique dans laquelle sont présentes des premières particules (24) en céramique, - au moins une deuxième couche de renfort (30) en céramique, recouvrant la première couche (20), dans laquelle sont présentes des 10 particules creuses (34) en céramique, et - une troisième couche de renfort (40) en céramique, recouvrant la deuxième couche (30), dans laquelle sont présentes des deuxièmes particules (44) en céramiques, distinctes des particules creuses. 15 2. Moule selon la revendication 1, dans lequel les particules creuses (34) comprennent de l'alumine ou de la mullite. 3. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans 20 lequel les premières (24) et/ou les deuxièmes (44) particules en céramique sont en un matériau choisi parmi les suivants : alumine, silice, zircone, zircon, yttrine, mullite, silico-aluminates, et leur mélange. 4. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans 25 lequel les première (24) et les deuxièmes (44) particules en céramique sont identiques. 5. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une couche de contact (10) en céramique au contact 30 de la première couche (20) et destinée à être au contact d'un métal fondu, ladite couche de contact comprenant des troisièmes particules (14) en céramique présentant une taille inférieure à celles des première (24) et deuxième (44) particules. 12 6. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la taille des particules creuses (34) en céramique est comprise entre 1 pm et 1000 pm. 7. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième couche de renfort présente une épaisseur (Er2) comprise entre 1 mm et 2 mm. 8. Procédé de fabrication d'un moule carapace (1) selon l'une 10 quelconque des revendications 1 à 7, le procédé comprenant successivement : - le dépôt sur un modèle en cire de la pièce d'une première poudre céramique et des premières particules (24), - le dépôt sur le modèle en cire d'une deuxième poudre 15 céramique et des particules creuses (34), - le dépôt sur le modèle en cire d'une troisième poudre céramique et des deuxièmes particules (44), - l'élimination de la cire afin d'obtenir un moule cru, et - la cuisson du moule cru afin d'obtenir le moule carapace (1). 20 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on fabrique un moule carapace destiné à mouler une aube (100) de turbomachine aéronautique en métal. 25 10. Utilisation d'un moule (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour fabriquer une pièce métallique.