Brevet FR3096911A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Moule de fonderie amélioré pour la formation de noyaux céramiques d'aubes de turbine Domaine technique [0001] Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines, et concerne plus pré- cisément les techniques de remplissage de moule de noyaux de fonderie pour la réalisation de noyaux en vue de la réalisation de composants de turbomachines. Technique antérieure [0002] La réalisation de noyaux céramique pour la formation de composants de tur- bomachine, et plus précisément pour la formation d'aubes de turbine haute pression et de distributeurs haute pression de turbomachine pose une problématique liée notamment à la géométrie spécifique de telles pièces. [0003] Les noyaux en céramique sont communément produits par injection en moyenne ou haute pression. Une pâte comprenant une charge céramique incorporée dans un liant polymère est injectée dans un moule, permettant ainsi de produire un corps cru. Après démoulage, ce dernier est ensuite cuit, ce qui permet de réaliser des étapes de déliantage et frittage, consistant respectivement en l'élimination du liant et la consolidation du noyau. À l'issue de ces étapes, la cire formant le modèle de la pièce métallique est injectée autour du noyau, ce dernier permettant ainsi de délimiter la cavité interne à la pièce. [0004] Les géométries de noyaux les plus récentes comprennent des bords de fuite incluant des dents étroites et très fines, par exemple jusqu'à 0,4 mm. Sur ce type de géométries, des fissures menant à la casse des noyaux ont été observées d'une manière quasi-systématique, notamment après la cuisson du noyau. Elles sont souvent localisées dans les dents du bord de fuite, ou à proximité immédiate de ces dernières. Il a été supposé que l'un des phénomènes contribuant à ces fissurations/casses est la séparation des phases (liant et céramique) au cours de l'injection de la pâte durant le remplissage de la cavité sous pression. Des injections interrompues ont montré la formation de jets libres dans ces dents, ce qui peut s'avérer être préjudiciable à la qualité des jonctions de fronts et à l'homogénéité de la distribution spatiale de liant/céramique, une fois que la matière a traversé les dents. Il a également été supposé que cela soit lié à la géométrie locale, qui est caractérisée par des passages où la surface d'échange avec le moule rapportée au volume augmente rapidement, ce qui entraîne un refroidissement rapide de la pâte, et donc, potentiellement, la formation de jonctions fragiles, ainsi que par une forme pouvant localement, favoriser les écoulements convergents, ces derniers venant augmenter le risque d'une augmentation mal contrôlée de la vitesse 2 d'écoulement de la pâte. D'autre part, le refroidissement local, potentiellement rapide, peut être atténué en augmentant la vitesse de passage de la pâte, mais ceci vient alors accentuer le problème de ségrégation. Exposé de l'invention [0005] Le présent exposé vise ainsi à répondre au moins partiellement aux problématiques mentionnées précédemment. [0006] Le présent exposé concerne ainsi un moule pour la réalisation d'un noyau céramique par injection d'une composition céramique, le moule comprenant un corps clans lequel est formée une empreinte de noyau de fonderie, ladite empreinte comprenant une cavité primaire et une cavité secondaire reliées par une pluralité de segments permettant un passage de fluide entre la cavité primaire et la cavité secondaire, la cavité primaire définissant des évidements d'une aube de turbomachine, ledit moule étant caractérise en ce qu'il comprend un bras primaire configure de manière à permettre une injection de composition céramique dans la cavité primaire, et un bras secondaire configure de manière à permettre une injection de composition céramique dans la cavité secondaire, et en ce que le rapport entre le volume de la cavité primaire et le volume de la cavité secondaire est égal à plus ou moins 15% au rapport entre le volume du bras primaire et le volume du bras secondaire. [0007] Selon un exemple, le rapport entre la surface de contact du bras primaire avec le corps du moule par rapport au volume du bras primaire est égal à plus ou moins 20% au rapport entre la surface de contact du bras secondaire avec le corps du moule par rapport au volume du bras secondaire. [0008] Selon un exemple, le bras primaire et le bras secondaire sont relies à un orifice d'injection commun du moule. [0009] Le bras primaire et le bras secondaire sont alors typiquement relies à une cavité d'alimentation, la cavité d'alimentation étant reliée à un orifice d'injection du moule. [0010] Selon un exemple, les segments comprennent une pluralité de segments présentant chacun une section ayant une dimension inférieure ou égale à Imm2. [0011] Selon un exemple, le bras primaire et le bras secondaire sont réalises dans un plan de joint du moule. [0012] Selon un exemple, le bras primaire et le bras secondaire présentent chacun une portion de section réduite au niveau de leur liaison avec la cavité primaire et la cavité secondaire respectivement. [0013] Le présent exposé concerne également un procédé de réalisation d'un insert céramique de fonderie pour la réalisation d'une aube de turbine, dans lequel - on fournit un moule tel que défini précédemment, 3 - on injecte une composition céramique dans le moule de manière à remplir la cavité primaire et la cavité secondaire via le bras primaire et le bras secondaire respectivement. [0014] Selon un exemple, on réalise une étape ultérieure de finition de l'insert céramique dans laquelle le matériau céramique correspondant au bras secondaire (ou au volume du bras secondaire) est supprimé. [0015] Le présent exposé concerne également un noyau céramique comprenant - un corps primaire et un corps secondaire reliés par une pluralité de dents, - un corps tertiaire s'étendant depuis une extrémité proximale du corps secondaire, - une branche primaire s'étendant depuis le volume primaire, - une branche secondaire s'étendant depuis une extrémité distale du corps secondaire, opposée à l'extrémité proximale, - une branche tertiaire, reliée à la branche primaire et à la branche secondaire et - une cheminée, s'étendant dans le prolongement de la branche tertiaire, dans lequel le rapport entre le volume du corps primaire et le volume du corps secondaire est égal à 15% près au rapport entre le volume de la branche primaire et le volume de la branche secondaire. Brève description des dessins [0016] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. [0017] [fig.11 La figure 1 présente un exemple de noyau de fonderie réalisé au moyen d'un moule et d'un procédé selon un aspect de l'invention. [0018] [fig.21 La figure 2 illustre une étape de remplissage du moule selon un aspect de l' invention. [0019] [fig.31 La figure 3 illustre une étape de remplissage du moule selon un aspect de l' invention. [0020] [fig.41 La figure 4 illustre une étape de remplissage du moule selon un aspect de l' invention. [0021] Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. Description des modes de réalisation 100221 On représente schématiquement sur les figures une vue d'un moule 1, qui est ici re- présenté selon un plan de coupe du moule I. Le moule 1 peut avoir une forme de parallélépipède rectangle, étant entendu qu'une telle représentation n'est pas limitative, et que le moule peut présenter toute forme adaptée notamment en fonction de la géométrie du noyau associé. [0023] Le moule 1 comprend un corps 10 présentant un évidement 2 interne définissant une empreinte d'un noyau de fonderie. Les figures représentent cet évidement 2 via le noyau de fonderie correspondant. Il aurait en effet été peu lisible de représenter un moule de fonderie, qui est par nature fermé. Les figures représentant ainsi le noyau de fonderie associé à chaque moule 1, ces noyaux étant les volumes complémentaires à l'évidement 2 interne du moule 1 considéré. Le moule 1 est un moule d'injection, typiquement un moule utilisé pour injecter des pâtes céramiques. [0024] Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'évidement 2 forme une empreinte 20 dé- finissant la géométrie d'un noyau. Dans l'exemple illustré sur les figures, l'empreinte 20 comprend un volume primaire 20A et un volume secondaire 20B reliés par une pluralité de segments 20C assurant un passage de fluide entre le volume primaire 20A et le volume secondaire 20B. [0025] Le volume primaire 20A définit typiquement les cavités internes pour une aube de turbine, tandis que le volume secondaire 20B permet typiquement de définir un volume interne à une barrette formée avec l'aube de turbine lors de l'injection de matière, la barrette étant un réservoir de matière visant à éviter les malvenues à la manière d'une masselotte. Le volume primaire 20A peut ainsi être qualifié de partie fonctionnelle du noyau, tandis que le volume secondaire 20B correspond à un volume accessoire, qui sera retiré lors d'une opération d'usinage pour réaliser une pièce finie. [0026] Le volume primaire 20A comprend typiquement plusieurs sous-volumes pouvant être disjoints ou reliés par des segments ayant une section réduite par rapport aux sous-volumes concernés. [0027] Le volume primaire 20A et le volume secondaire 20B présentent des volumes internes sensiblement égaux, typiquement à plus ou moins 15%. [0028] Les segments 20C sont communément désignés comme étant les « dents » du noyau, et font partie du volume fonctionnel du noyau. Ces segments 20C comprennent une pluralité de conduits reliant le volume primaire 20A et le volume secondaire 20B. Ces conduits présentent chacun des dimensions faibles par rapport au volume primaire 20A et au volume secondaire 20B. Chacun des segments 20C présente ainsi typiquement une section inférieure à Imm2. [0029] Le volume secondaire 20B est surmonté d'un volume tertiaire 20D dans le pro- longement du volume secondaire 20B, la limite entre le volume secondaire 20B et le volume tertiaire 20D correspondant sensiblement à la limite supérieure du dernier segment 20C (ou dent) du noyau. Le volume tertiaire 20D correspond généralement les parties du noyau définissant la baignoire et le dôme d'une aube réalisée à l'aide du noyau. [0030] Dans l'exemple représenté, l'évidement 2 permet de définir la géométrie d'un noyau typiquement réalisé en céramique en vue de la réalisation d'une roue mobile ou d'un distributeur d'une aube de turbine haute pression d'une turbomachine par voie de fonderie à cire perdue. On note que la géométrie de l'évidement 2 n'est pas limitative, et que le présent exposé peut être appliqué à différentes géométries de noyaux. [0031] Le corps 10 du moule 1 comprend un bras primaire 30A et un bras secondaire 30B, débouchant respectivement dans le volume primaire 20A et dans le volume secondaire 20B. [0032] Dans l'exemple illustré, le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B sont tous deux reliés à une cavité d'alimentation 40, qui est reliée à un orifice d'injection 50 via un conduit d'injection 45, de manière àpermettre de remplir l'empreinte du moule 1 de matière. On note que contrairement au bras secondaire 30B qui ne remplit qu'une fonction de canal d'alimentation en matière, le bras primaire 30A remplit ici une fonction pour l'alimentation en matière de l'empreinte du moule 1 et forme également une partie fonctionnelle de l'insert céramique ainsi réalisé en définissant une cavité dans le dispositif de refroidissement d'une aube formée à l'aide de l'insert céramique. Ainsi, le bras secondaire 30B qui n'est pas une partie fonctionnelle du noyau est supprimée après réalisation de l'insert céramique et avant positionnement de l'insert céramique dans un moule d'injection cire, tandis que le bras primaire 30A est conservé. [0033] Le distributeur 40 est un volume intermédiaire, reliant le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B au conduit d'injection 45. La cavité d'alimentation 40 est configurée de manière à répartir une suspension ou un fluide qui est injecté via le conduit d'injection entre le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B. [0034] Le conduit d'injection 45 est relié à l'orifice d'injection 50, ce dernier étant adapté pour être relié à une source d'alimentation d'une suspension ou d'un fluide sous pression. [0035] Le bras primaire 30A permet de remplir le volume primaire 20A de matière, par exemple une suspension céramique. [0036] Le bras secondaire 30B permet de remplir le volume secondaire 20B de matière, par exemple une suspension céramique, en évitant que cette dernière ne remplisse l'empreinte exclusivement en traversant les dents, et en réduisant le refroidissement de la matière injectée. [0037] Le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B s'étendent typiquement dans un plan de joint du moule 1. Le conduit d'injection 45 et la cavité d'alimentation 40 s'étendent également typiquement dans un plan de joint du moule 1, ce qui permet de faciliter l'ouverture du moule 1 après injection de matière. [0038] Afin d'assurer un bon remplissage de l'empreinte 20, on dimensionne avanta- geusement le bras secondaire 30B de manière à assurer une distribution de matière entre le volume primaire 20A et le volume secondaire 20B de l'empreinte 20. En effet, 6 dans la mesure où le bras primaire 30A est une partie fonctionnelle du noyau, elle ne peut pas être dimensionnée librement. [0039] Ainsi, en considérant que le volume primaire 20A présente un volume V1, le volume secondaire présente un volume V2, le bras primaire 30A présente un volume V3 et le bras secondaire 30B présente un volume V4, ces volumes sont typiquement dimensionnés de sorte que le ratio V1/V2 soit égal au ratio V3/V4, typiquement à 20% près, ou par exemple à 15% près, ou par exemple sensiblement à 15% près, ou par exemple à 10% près, ou par exemple à 5% près. [0040] Dans le cas où les volumes V1 et V2 sont égaux ou sensiblement égaux, alors les volumes V3 et V4 sont typiquement égaux ou sensiblement égaux. [0041] De manière avantageuse on dimensionne également le bras secondaire 30B de manière à ce que le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B présentent des rapports égaux ou sensiblement égaux entre leur surface de contact avec le corps 10 du moule 1 et leurs volumes respectifs. [0042] Plus précisément, on définit pour le bras primaire 30A et pour le bras secondaire 30B une surface de contact respectivement S3 et S4 qui correspond à la surface périphérique de chacun des conduits d'alimentation. Cette surface de contact correspond à la surface du corps 10 du moule 1 qui sera au contact de la matière injectée dans le bras primaire 30A ou secondaire 30B. [0043] Ainsi, on dimensionne typiquement le bras secondaire 30B de sorte que les rapports S3/V3 et S4/V4 soient égaux ou sensiblement égaux, ou typiquement égaux à 20% près. [0044] En effet, ce rapport détermine notamment les échanges thermiques se produisant entre la matière injectée dans le moule 1 et le corps 10 du moule 1 Ainsi, conserver un rapport S/V identique ou similaire permet que la matière injectée atteigne le volume primaire 20A et le volume secondaire 20B de l'empreinte 20 dans des états sensiblement identiques, ce qui améliore les jonctions de matière au sein de l'empreinte 20. [0045] Dans le cas où le bras primaire 30A et le bras secondaire 30B sont cylindriques de ré- volution, le rapport S/V dépend alors uniquement du rayon de la section cylindrique de révolution, ce qui permet de simplifier le dimensionnement du bras primaire 30A et du bras secondaire 30B. [0046] Le bras primaire 30A présente typiquement une portion de section réduite au niveau de sa jonction avec le volume primaire 20A. De même, le bras secondaire 30B présente typiquement une portion de section réduite au niveau de sa jonction avec le volume secondaire 20B. [0047] Former ainsi un rétrécissement du secondaire à son extrémité permet de concentrer les contraintes thermomécaniques dans ce dernier, ce qui peut faciliter la séparation du 7 secondaire par rapport à la pièce injectée, et donc la finition du noyau, tout en réduisant les risques d'endommagement de la partie fonctionnelle du noyau. Toutefois, ce rétrécissement est typiquement assez peu marqué afin d'éviter la ségrégation et/ou la formation de jets au niveau de la jonction entre le volume secondaire 20B et le bras secondaire 30B. [0048] Une fois le bras secondaire 30B dimensionné, on réalise typiquement un test du moule ainsi dimensionné par simulation numérique, notamment afin de vérifier le bon équilibrage des volumes des différentes zones lors du remplissage du moule avant de réaliser le moule. [0049] Les figures 2, 3 et 4 illustrent différentes étapes du remplissage d'un tel moule pour la réalisation d'un insert céramique de fonderie en vue de la réalisation d'une aube creuse de turbine. [0050] La figure 2 représente l'entrée de la matière dans le volume primaire 20A et dans le volume secondaire 20B de l'empreinte 20, qui est ainsi remplie selon deux fronts distincts. [0051] Les figures 3 et 4 illustrent la jonction entre les deux fronts de matière M, au fur et à mesure du remplissage de l'empreinte 20 du moule 1. [0052] On voit sur ces figures que les différentes régions d'épaisseur moindre, notamment les segments 20C et le cas échéant des portions d'épaisseur moindre au sein du volume primaire 20A sont remplies de matière directement après que la matière pénètre dans le volume primaire 20A ou dans le volume secondaire 20B. Une telle configuration réduit fortement ou annule les risques de malvenue et de ségrégation et/ou formation de jets libres, notamment en évitant que la matière en provenance d'un même bras doive passer par deux restrictions du moule I. [0053] De plus, on voit que la jonction entre les deux fronts de matière se réalise rapidement après l'entrée de la matière dans le volume primaire 20A et dans le volume secondaire 20B, typiquement au niveau des segments 20C. [0054] La jonction se réalise ainsi alors que la matière présente une température rela- tivement élevée ce qui assure une bonne miscibilité et évite ou limite la formation de discontinuités ou autres défauts dus à des variations rapides de viscosité au sein de la matière. [0055] Le noyau ainsi réalisé comprend alors un corps primaire, un corps secondaire et un corps tertiaire correspondant respectivement au volume primaire 20A, au volume secondaire 20B et au volume tertiaire 20D, le corps primaire et le corps secondaire étant reliés par des dents correspondant au volume des segments 20C. Le bras primaire et le bras secondaire définissent respectivement une branche primaire et une branche secondaire s'étendant depuis le corps primaire et le corps secondaire respectivement, la branche secondaire s'étendant depuis une extrémité distale du corps secondaire, 8 opposée à une extrémité proximale du corps secondaire depuis laquelle s'étend le corps tertiaire. La branche primaire et la branche secondaire se rejoignent au niveau d'une branche tertiaire correspondant au volume défini par la cavité d'alimentation 40, et se prolongeant par une cheminée correspondant au volume du conduit d'injection 45. [0056] Une fois le moule rempli et l'insert céramique formé, la partie de l'insert cor- respondant au volume du bras secondaire 30B est supprimé, par exemple par usinage. [0057] La structure de moule telle que proposée présente plusieurs avantages par rapport à un moule conventionnel pour la réalisation d'un tel noyau qui ne comprend qu'un unique chemin d'alimentation. [0058] Comme indiqué précédemment, le moule proposé permet de limiter les risques de malvenue ainsi que la formation de zones ségrégées et jets libres dans la pièce, et également les risques de mauvaise jonction de matière. En limitant la formation de zones ségrégées, le moule proposé permet de limiter le retrait différentiel entraînant la déformation et la rupture du noyau. Par ailleurs, le moule proposé permet de limiter les contraintes résiduelles ainsi que la pression observées au sein de la matière injectée, cc qui permet ainsi d'obtenir un noyau de fonderie ayant de meilleures propriétés, et qui est donc moins susceptible de se rompre lors de son utilisation en vue de la formation d'une aube de turbine de turbomachine. La réduction de la pression lors de l'injection permet notamment de réduire l'usure du moule 1. De même, la réduction des taux de cisaillement permet de réduire les risques de séparation de phases. [0059] L'emploi d'une telle structure de moule 1 n'a jamais été proposée pour la réalisation de noyaux céramiques en vue de la réalisation d'aubes de turbines de turbomachine. [0060] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réa- lisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif [0061] 11 est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] REVENDICATIONSMoule (1) pour la réalisation d'un noyau céramique par injection d'une composition céramique, le moule (1) comprenant un corps (10) dans lequel est formée une empreinte (20) de noyau de fonderie, ladite empreinte (20) comprenant une cavité primaire (20A) et une cavité secondaire (20B) reliées par une pluralité de segments (20C) permettant un passage de fluide entre la cavité primaire (20A) et la cavité secondaire (20B), la cavité primaire (20A) définissant des évidements d'une aube de turbomachine, ledit moule (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend un bras primaire (30A) configuré de manière à permettre une injection de composition céramique dans la cavité primaire (20A), et un bras secondaire (30B) configuré de manière à permettre une injection de composition céramique dans la cavité secondaire (20B), et en ce que le rapport entre le volume de la cavité primaire (20A) et le volume de la cavité secondaire (20B) est égal à plus ou moins 15% au rapport entre le volume du bras primaire (30A) et le volume du bras secondaire (30B). Moule (1) selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre la surface de contact du bras primaire (30A) avec le corps (10) du moule (1) par rapport au volume du bras primaire (30A) est égal à 20% près au rapport entre la surface de contact du bras secondaire (30B) avec le corps (10) du moule (1) par rapport au volume du bras secondaire (30B). Moule (1) selon la revendication 1, dans lequel le bras primaire (30A) et le bras secondaire (30B) sont reliés à un orifice d'injection (50) commun du moule (1). Moule (1) selon la revendication 3, dans lequel le bras primaire (30A) et le bras secondaire (30B) sont reliés à une cavité d'alimentation (40), la cavité d'alimentation (40) étant reliée à un orifice d'injection (50) du moule (1). Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les segments (20C) comprennent une pluralité de segments présentant chacun une section ayant une dimension inférieure ou égale à lmm2. Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le bras primaire (30A) et le bras secondaire (30B) sont réalisés dans un plan de joint du moule (1). Moule (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le bras 10 [Revendication 8] primaire (30A) et le bras secondaire (30B) présentent chacun une portion de section réduite au niveau de leur liaison avec la cavité primaire (20A) et la cavité secondaire (20B) respectivement. Procédé de réalisation d'un insert céramique de fonderie pour la réalisation d'une aube de turbine, dans lequel [Revendication 9] - on fournit un moule (1) selon l'une des revendications 1 à 7, - on injecte une composition céramique dans le moule (1) de manière à remplir la cavité primaire (20A) et la cavité secondaire (20B) via le bras primaire (30A) et le bras secondaire (30B) respectivement.. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on réalise une étape ultérieure de finition de l'insert céramique dans laquelle le matériau céramique correspondant au bras secondaire (30B) est supprimé.