Brevet FR3090429A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Fabrication de pièces par fonderie en cire perdue Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne la fabrication de pièces par fonderie en cire perdue. [0002] La solidification dirigée, colonnaire ou monocristalline, est concernée, notamment pour la fabrication d'aubes de turboréacteurs. [0003] Est ainsi visé un procédé de fonderie en cire perdue. [0004] Sont aussi visés des ensembles pour le moulage de pièces : - l'un comprenant une grappe et un plateau de support de la grappe, - l'autre comprenant une carapace de moulage en céramique et ce même plateau. [0005] Sont également visés des aubes de turboréacteur obtenues par le procédé en cause, ainsi qu'une turbomachine pour aéronef équipée de telles aubes. Etat de la technique antérieure [0006] Ci-après, est détaillée la fabrication de pièces en métal, généralement en alliage mé- tallique, ayant des formes complexes, à l'aide d'une fonderie à cire perdue, encore appelée à modèle perdu. [0007] Les principales étapes d'un procédé à cire perdue comprennent : - la réalisation de modèles en cire, réunis en grappe autour d'un fût central également en cire, - la constitution d'une carapace, comprenant des opérations successives d'enduction de barbotine et de saupoudrage de sable réfractaire (pâte à céramique ci-après) autour des modèles en cire ainsi enduits, - l'élimination des modèles en cire, - la coulée de métal en fusion dans la carapace préalablement constituée, - le refroidissement et solidification du métal coulé, - une étape de décochage, qui consiste à éliminer la carapace, - une étape finale de découpe et finition des pièces moulées obtenues. [0008] Les refroidissement et solidification comportent avantageusement une solidification dirigée, lorsqu'il est souhaitable de conférer aux pièces moulées des propriétés mécaniques et physiques particulières. C'est notamment le cas pour les aubes de turboréacteur. [0009] La solidification dirigée consiste à maîtriser successivement la germination et la croissance des cristaux de matériau solide, afin de minimiser les effets néfastes des joints de grains dans les pièces moulées refroidies. La solidification dirigée peut être colonnaire ou monocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter 2 tous les joints de grains dans la même direction, de telle manière qu'ils ne contribuent pas à la propagation de fissures. La solidification dirigée monocristalline, consiste à supprimer totalement les joints de grains. [0010] La solidification dirigée, colonnaire ou monocristalline, est obtenue en plaçant un moule carapace, ouvert en sa partie inférieure, sur un plateau refroidi, en introduisant l'ensemble dans un équipement de chauffe qui maintient le moule céramique à la température du liquidus de l'alliage. Une fois la coulée effectuée, le métal situé dans des ouvertures ménagées au bas du moule carapace se solidifie au contact du plateau refroidi, et se fige de façon naturelle sur une hauteur de l'ordre du centimètre sur laquelle il présente une structure granulaire équiaxe, sans direction privilégiée. Au-delà, le métal demeure à l'état liquide. Un dispositif mécanique permet de déplacer le plateau à vitesse contrôlée vers le bas, et ainsi d'extraire lentement le moule céramique du dispositif de chauffage conduisant à un refroidissement progressif du métal qui continue à se solidifier depuis la partie basse du moule jusque vers sa partie haute. [0011] Avec la solidification dirigée colonnaire, la structure colonnaire est constituée d'un ensemble de grains étroits et allongés. [0012] Dans la solidification dirigée monocristalline, on interpose entre la pièce à mouler et le plateau refroidi, soit une chicane ou sélecteur de grain, soit un germe monocristallin, de telle sorte qu'en contrôlant le gradient thermique et la vitesse de solidification, la création de nouveaux germes en avant du front de solidification s'avère impossible. Il en résulte une pièce moulée monocristalline après refroidissement. [0013] A partir de FR2874340, il est en outre connu un ensemble pour le moulage de pièces, l'ensemble comprenant : a) une grappe en cire comprenant : - des modèles des pièces à mouler, - un fût central autour duquel sont disposés les modèles, - des segments qui relient les modèles au fût central, - des zones de sélection de grain disposées respectivement sous les modèles, et b) un plateau de support de la grappe en cire. [0014] Est ainsi également connu un ensemble comprenant : a) une carapace de moulage en céramique comprenant : - qui communiquent ensemble : -- un goulot supérieur d'arrivée de matière, -- un premier tube central, dressé, situé sous le goulot supérieur, -- plusieurs cavités de moulage périphériques des pièces (formant des seconds tube creux) ayant sensiblement la forme en creux de pièces à mouler, les cavités de moulageétant disposés autour du premier tube, central et reliés à lui et au goulot supérieur par des canaux de circulation de matière, ainsi qu'à des parties inférieures 3 d'écoulement de matière, et - un fond s'étendant entre une base dudit premier tube central et lesdites parties inférieures d'écoulement de matière, le fond présentant un espace annulaire, b) un plateau de support de la carapace de moulage. [0015] Ainsi, sur un tel ensemble à carapace de moulage en céramique, le goulot supérieur, le premier tube central et les cavités de moulage communiquent ensemble. Et, c'est par le fond que la grappe est posée dans un four dit de solidification. [0016] Pendant la phase de solidification lors de la coulée d'un alliage dans une grappe céramique issue de cire perdue pour la fabrication de pièces, notamment monocristallines, le retrait s'exerce sur les parties contenant de l'alliage et pas sur la partie centrale (ci-avant : fût central/ premier tube central). Cela se traduit par des tractions mécaniques différentes et conduit par ordre de gravité à: - des déformations sur les modèles (non qualité), - des grains recristallisés sur les modèles (non qualité), - des ruptures et casses de modèles (rebuts), - des fuites lors de la coulée (impact suc la production : arrêt des équipements pour nettoyage). [0017] Ceci peut être accentué dans le cas de grappes « 3 étages » (voir ci-après) ou dont la hauteur (sens d'élévation) est supérieure à la section hors-tout. [0018] De fait les difficultés rencontrées pour définir une solution pertinente à ces problèmes ont notamment été : - de comprendre le mécanisme de rupture/déformation de la grappe pendant la solidification, - de conserver la géométrie de la mise en grappe, - de limiter les impacts sur le temps de cycle en production. [0019] 11 a été cherché à assurer une maîtrise des contraintes mécaniques vers le centre de la grappe découplée du reste de la grappe (partie modèles et alimentation), en désolidarisant les deux, la différence de retraits entre le centre de la grappe et le reste de la grappe n'ayant alors plus d'impact sur les modèles. [0020] Certes, un fond de carapace de moulage (en céramique typiquement) présentant un espace annulaire est connu, comme mentionné ci-avant. Mais, la manière performante de le réaliser et de maintenir cet espace annulaire peut être améliorée. Résumé de l'invention [0021] Aussi est-il d'abord proposé que le premier ensemble précité à grappe en cire pour le moulage de pièces soit tel qu'il comprenne en outre un élément annulaire déformable disposé sur le plateau de support précité, entre ledit fût central et les zones de sélection de grain. [0022] Ainsi, sera créé là l'espace annulaire souhaité, à l'endroit d'une enduction de pâte à céramique recouvrant la grappe en cire. [0023] L'élément annulaire déformable sera situé en regard des modèles de pièces à mouler. [0024] L'espace annulaire sera créé lors de la réalisation de la carapace de moulage. [0025] Il est aussi proposé que l'autre ensemble à carapace de moulage en céramique comprenne lui aussi un tel élément annulaire déformable disposé à l'endroit dudit espace annulaire, avec les mêmes avantages. [0026] On pourra en particulier prévoir que cet espace annulaire s'étende sur un périmètre fermé. [0027] Une limitation totalement périphérique sera alors assurée, possiblement avec une pièce unique. [0028] Assurer une déformabilité dudit élément annulaire par l'intermédiaire d'une vessie gonflable permettra d'agir uniquement quand cela est souhaité, de libérer l'espace le reste du temps (en dégonflant la vessie) et de conserver l'intégrité de la carapace pendant les phases de soufflage dans la vessie (risque limité de fissures voire des casses de grappes). [0029] Maintenir en position stable l'élément annulaire déformable pourra être utile pour éviter d'interférer avec les parties alentours en pâte à céramique. Aussi est-il proposé que cet élément annulaire présente des embouts qui traversent le plateau, afin de l'y fixer, à la manière d'un élément en caoutchouc enfoncé dans un trou. [0030] Pour libérer aussi l'espace du côté du plateau de support où est situé l'espace annulaire, il est conseillé que la vessie gonflage soit raccordée à une source de fluide de gonflage à travers ce plateau. [0031] Si l'on s'intéresse maintenant au procédé pour réaliser, sur le plateau de support, ledit espace annulaire dans une pâte à céramique recouvrant le plateau, afin de créer, par dépôts et cuissons successifs de couches de ladite pâte, un fond de carapace en céramique ainsi ouvert, on aura compris qu'il est proposé : - a) de disposer sur le plateau cet élément annulaire déformable, - b) puis de le déformer entre deux dépôts de ladite pâte à céramique, afin de briser la couche de céramique créée ou en train de se créer. [0032] Avec les mêmes caractéristiques a) et b) ci-dessus, il est aussi proposé un procédé pour réaliser un dit ensemble de moulage à carapace de moulage en céramique dans lequel la carapace de moulage est formée par dépôts et cuissons successifs de couches de pâte à céramique. [0033] Compte tenu par ailleurs de ce qui précède on pourra en outre préférer donc: - utiliser, en tant qu'élément annulaire déformable, une vessie gonflage que l'on gonflera donc entre deux dépôts de ladite pâte à céramique, voire - gonfler la vessie après la cuisson de chaque dépôt de ladite pâte à céramique. 100341 L'invention pourra être comprise de façon encore plus détaillée, et des caracté- ristiques et avantages pourront apparaître encore plus nettement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. Brève description des figures [0035] [fig.1] est une coupe verticale de l'essentiel d'une grappe en cire recouverte d'une enveloppe céramique devant, couche superposée après couche superposée, correspondre à la carapace de la figure 3; [0036] [fig.2] est une vue locale en perspective de la partie basse (inférieure) de la grappe en cire de la figure 1 ; et [0037] [fig.3] est, vue comme la figure 1, la carapace en céramique issue de la grappe en cire de la figure 1. Description détaillée de l'invention [0038] Les exemples illustrés aux figures sont représentatifs de la fabrication d'aubes de tur- boréacteur. Ils concernent une solidification dirigée monocristalline, mais pourraient concerner une solidification dirigée colonnaire sans que les caractéristiques essentielles de l'invention soient modifiées. [0039] Sur la figure 1 est représentée, partiellement et en coupe verticale, une grappe 10 en cire recouverte d'une enveloppe céramique qui va correspondre ci-après à la carapace 40. 100401 La grappe 10 comporte, d'une seule pièce : - des modèles 12 des pièces à fabriquer, réalisés en cire, - un fût central (appelé aussi descendant) 14, également en cire, autour duquel sont disposés les modèles 12, - des segments 16, également en cire, qui relient les modèles 12 au fût central 14, - des zones de sélection de grain 18, également en cire, disposées respectivement sous les modèles 12, ces zones de sélection de grain 18 ayant une partie intermédiaire 20 sensiblement tubulaire en U (forme sensiblement de vilebrequin), une partie basse 22 de section élargie servant de socle, et une partie haute 24 également de section élargie sensiblement en forme de cône dont la pointe est en bas (repéré B), l'axe 26 grappe 10 étant considéré vertical, - possiblement un ou plusieurs supports additionnels internes 19, également en cire, disposées respectivement en saillie circonférentielle autour du fût central 14. 100411 La partie intermédiaire 20 présente une forme sensiblement de vilebrequin car l'exemple illustré est celui d'une solidification dirigée monocristalline. La partie inter- 6 médiaire 20 sert à créer une chicane, comme ce sera décrit plus loin. [0042] Chaque modèle 12 peut comporter un ou plusieurs inserts ou noyaux, réalisé de préférence en céramique, si on souhaite obtenir une/des pièces creuses intérieurement. [0043] Dans le mode de réalisation retenu, les segments 16, qui servent de liaison entre le fût central 14 et les modèles 12 périphériques et concentriques, ici dressés parallèlement à l'axe 26, donc verticalement, sont situés en partie haute (haut repéré B) de la grappe 10. [0044] Etagés le long du fût central 14, les supports additionnels internes 19 peuvent être réalisée en papier graphite. Ils se présentent individuellement comme un disque annulaire plein. [0045] Le fût central 14 est défini par une tige 28a pleine qui traverse axialement un bloc supérieur 30 central de la grappe 10 d'où partent en étoile, radialcment, les segments 16, jusqu'en bas, où la tige 28a se prolonge par une vis 28h vissée avec un écrou 32, les deux s'appuyant sur un plateau 34 qui peut être en aluminium. L'écrou est bloqué en rotation dans le plateau. [0046] Le plateau 34 est un support, comme une plaque, pour la grappe 10 qui repose et se dresse sur cette plaque. Dans ce cas, le plateau 34 est une plaque plane et pleine qui s'étend tout autour de l'axe 26, sous toute la grappe ; cf. figures 1 et 2. [0047] Le plateau 34 est évacuer lors du décirage. C'est alors par son fond 78 en céramique (voir figure 3 et détails ci-après) qu'ensuite la grappe 10, placée dans un four dit de solidification permettant de réaliser la solidification attendue, viendra directement en contact avec la sole du four, ce fond 78 assurant l'étanchéité. [0048] Avant cela, la grappe en cire 10 aura été enduite de barbotine puis recouverte de sable réfractaire, en répétant ces deux actions un certain nombre de fois jusqu'à obtention d'une épaisseur satisfaisante de matériau céramique constituant une carapace, telle que celle repérée 40 figure 3. [0049] La carapace 40, obtenue à l'issue de cette première opération est une carapace inter- médiaire, qui comporte une première partie de carapace 42, des deuxièmes parties de carapace 44, des troisièmes parties de carapace 46, et des quatrièmes parties de carapace 48. [0050] La première partie de carapace 42 correspond au fût central en cire 14. Elle se présente sensiblement sous la forme d'un tube dressé creux 50, ici vertical, délimitant une cavité allongée. Elle se termine en extrémité inférieure par une partie évasée inférieure délimitant une zone élargie inférieure 52 de la cavité 50. Elle se termine en extrémité supérieure par une partie évasée supérieure délimitant une zone élargie supérieure de la cavité 50 formant un goulot supérieur 54 d'arrivée de matière. [0051] Les deuxièmes parties 44 de carapace correspondent aux modèles en cire 12 et se présentent sous la forme de moules creux délimitant des cavités 56 de moulage des 7 pièces, ayant donc sensiblement la forme en creux des pièces à fabriquer. Elles sont réparties autour de la première partie de carapace 42. [0052] Les troisièmes parties 46 de carapace correspondent aux zones de sélection de grain en cire 18. Elles comportent chacune une partie intermédiaire 58 se présentant sensiblement sous la forme de tubes verticaux creux et doublement coudés délimitant une cavité 60 en forme de chicane, une partie basse évasée délimitant une zone basse élargie 62 de la cavité 60. Les troisièmes parties de carapace 46 constituent des ensembles sélecteurs et conduits de grains. [0053] Les quatrièmes parties 48 de carapace correspondent aux segments en cire 16. Elles se présentent sous la forme de canaux 66 raccordés par chacune de leurs extrémités, respectivement à la partie la plus haute 44a de chaque deuxième partie de carapace 44 et à la première partie de carapace 42. Elles sont inclinées de telle manière que leur extrémité raccordée à la première partie de carapace 42 se trouve plus haut que leur extrémité raccordée vers le sommet de la deuxième partie de carapace 44. [0054] Les cavités 56 (dites aussi seconds tubes creux périphériques) réparties autour de la cavité 50 (dite aussi premier tube central) sont donc reliés à cette cavité 50 et au goulot supérieur 54 par les canaux 66 de circulation de matière, ainsi qu'auxdites troisièmes parties de carapace 46 qui forment donc des parties inférieures d'écoulement de matière jusqu'au plateau 34. Ledit premier tube central 50 est bouché par la tige pleine 28a; ainsi, le métal ne peut pas y couler. [0055] Une telle carapace 40 intermédiaire est réalisée autour de la grappe en cire 10 incluant le fût central 14, les modèles 12, les zones de sélection de grain 18 et les segments 16. [0056] Par conséquent, les première, deuxièmes, troisièmes et quatrièmes parties de carapace 42, 44, 46, 48 se trouvent en communication les unes avec les autres et délimitent une cavité globale réunissant les cavités et/ou parties de cavités 50, 52, 54, 56, 60, 62, 66. [0057] Si des supports additionnels internes 19 existent, la carapace 40 comporte des parties additionnelles de carapace 68 analogues à des coques de forme sensiblement annulaire. Individuellement leur section présente sensiblement une forme de U. Elles sont réalisées dans le même matériau que le reste de la carapace. [0058] Les parties additionnelles de carapace 68, toutes situées à l'intérieur de la niche interne 70 délimitée périphériquement par les modèles 12 prolongées par les zones de sélection de grain 18 et, en haut, par les segments 16, agissent sur les paramètres thermiques de la solidification. [0059] Les parties additionnelles de carapace 40 peuvent : - jouer un rôle d'obstacles au rayonnement thermique, - limiter le refroidissement de la carapace 10, face à la niche interne 70, 8 - se comporter comme des lentilles thermiques, [0060] - permettre de maîtriser et de modifier localement la forme du front de solidification, et par conséquent d'éviter que ne surviennent des défauts de porosité en fin de solidification. [0061] Une fois une telle carapace 40 réalisée sur la plateau 34, les deux sont placées dans un four de solidification. Il peut s'agir d'un four à induction à zones chaude et froide séparées l'une de l'autre par un écran isolant, les parois de la zone chaude étant équipées de dispositifs aptes à générer un rayonnement thermique vers cette zone chaude. [0062] La plateau 34 est apte à se déplacer suivant une direction parallèle à l'axe vertical 26, à l'intérieur de la zone froide du four de solidification. [0063] Reposant sur le plateau 34, la carapace 40 en matériau céramique va alors recevoir du métal fondu lors de l'étape dite de coulée. [0064] Or, pendant la phase de solidification lors de la coulée de l'alliage concerné dans la carapace 40 pour la fabrication de pièces (notamment rnonocristallines), un retrait s'exerce sur les parties contenant de l'alliage et pas (moins) sur la partie centrale (première partie de carapace 42). Cela se traduit par des tractions mécaniques différentes et conduit à : - des déformations sur les modèles (défaut de qualité), - des grains recristallisés sur les modèles (défaut de qualité), - des ruptures et casses de modèles (rebuts), - des fuites lors de la coulée (impact sur la production ; arrêt des équipements pour nettoyage). [0065] Ceci est même accentué dans le cas de grappes à étages (« 3 étages » dans le cas en exemple) et/ou lorsque les cavités 56 ayant sensiblement la forme en creux des pièces à fabriquer sont très longues, d'autant qu'il faut, après solidification de l'alliage, décocher la carapace 40 au marteau, afin d'en libérer les pièces métalliques, ici étagées unies en une grappe, à l'endroit des cavités 56. [0066] De fait, il existe souvent un problème lié aux contraintes mécaniques entre le centre de la grappe (descendant 14) et le reste de la grappe (partie modèles 12 et alimentation ; canaux 16). Désolidariser les deux à l'endroit d'un espace 76, comme montré figure 3 (zone cerclée) est une solution. Un espace 76 annulaire à l'endroit du fond 78 qui s'étend entre la base de la cavité centrale 50 et celle de chaque zone basse élargie 62 de la carapace 40 convient. La différence de retraits entre le centre de la grappe (descendant 14) et le reste de la grappe, et donc l'impact sur les modèles, peut alors être maîtrisé. [0067] Un problème se pose toutefois encore concernant la manière de réaliser l'espace 76, ceci avec une double finalité : 9 - assurer une capacité à produire des grappes de pièces de grandes hauteurs, tout en s'intégrant dans les processus de production conventionnels, - limiter les efforts mécaniques sur la carapace 40 pouvant engendrer des non qualités (rebuts, etc...). [0068] La solution simple et efficiente de l'invention est d'utiliser un élément 82 annulaire deformable disposé sur le plateau 34, entre le fût central 14 et les zones de sélection de grain 18, pour que l'espace 76 annulaire soit crée là, à l'endroit donc de l'enduction de pâte à céramique dont on aura recouvert la grappe 10 en cire. [0069] Le terme « annulaire » couvrant le cas d'un anneau s'étendant par secteurs (élément alors en plusieurs pièces, pouvant si nécessaire communiquer entre elles) ou d'un anneau ouvert, il est précisé que, dans au moins nombre de cas, l'élément 82 annulaire deformable s'étendra quand même sur un périmètre fermé (voir figure 2), des lors que l'espace 76 annulaire s'étendra lui-même sur un périmètre fermé. Ce sera donc, alors, un anneau fermé sur lui-même, ceci pouvant favoriser le contrôle thermique et celui des contraintes mécaniques dans la grappe 10 et la carapace 40, donc dans les pièces finales moulées. [0070] Définir l'élément 82 annulaire comme une vessie gonflage 821 (ou chambre à air) permettra de réaliser de façon pertinente la(les) déformation(s) de cet élément 82 annulaire, à distance et à volonté. [0071] Pour son maintien, quel que soit son état, on peut pourvoir l'élément 82 annulaire dé- formable d'embouts 84 qui traversent le plateau 34, pour déboucher à l'opposé de la face où se dresse la grappe 10 ou la carapace 40. Ainsi, on évite d'interférer avec la zone de réalisation du fond 78. [0072] Une encoche 85 annulaire en face supérieur du plateau 34 (figure 1) pourra aussi permettre de stabiliser la position de l'élément 82. [0073] Pour des considérations similaires, il est proposé que la vessie gonflable 82 soit raccordée, à travers le plateau 34 et par un raccord 820, à une source 86 de fluide de gonflage ; voir figure 2. [0074] Concernant la manière de réaliser l'espace 76, il est conseillé : - d'abord, de disposer sur le plateau 34 de support ledit élément 82 annulaire deformable. - puis de recouvrir de pâte à céramique le plateau 34, par dépôts successifs de couches 41 (figure 1), de façon à préparer la création dudit fond 78, la pâte à céramique étant d'ailleurs, à ce moment, déposée autour des différents parties 12,14,16,18,19 de la grappe 10, pour que ces parties soient aussi recouvertes de pâte, - à chaque dépôt de couche, de cuire la couche de pâte à céramique déposée, - et, entre deux dépôts de ladite pâte à céramique, de déformer ledit élément 82 annulaire, afin de briser la couche de céramique. [0075] Ainsi, une fois l'espace 76 matérialisé par l'élément 82 annulaire posé sur le plateau 34, on pourra maintenir cet espace 76 à chaque dépôt et cuisson successifs, puisqu'on brise la couche de céramique formée autour de l'élément 82. [0076] Pour notamment éviter le plus possible d'interférer avec les zones de céramique en formation autour dc l'élément 82 et pour un gage d'efficacité, il est proposé que, si une vessie 821 gonflage est utilisée, on la gonfle entre deux dépôts de ladite pâte à céramique. [0077] Les contraintes mécaniques alentours seront alors très limitées et la présence de l'espace 76 assurera à la carapace une stabilité mécanique elle-même libérées de telles contraintes mécaniques. [0078] Pour renforcer encore l'efficacité de la solution, il est conseillé de gonfler la vessie 821 après la cuisson de chaque dépôt de ladite pâte à céramique. [0079] De la sorte, pendant l'opération de moulage et entre deux couches successives de céramique séchées, on soufflera dans la vessie 821 afin de casser la couche de céramique déposée. Recommencer l'opération après chaque couche, après moulage et avant un décirage, permettra de réaliser des ruptures nettes, et ce sur une épaisseur de matière limitée. [0080] A l'issue de l'opération de moulage, et en partie inférieure, la partie centrale 42 et le centre du fond 78 de la carapace se trouveront désolidarisés du reste dc la grappe (parties de carapace 46 et 44). [0081] Après l'opération de décirage, l'élément 82 est évacué avec le plateau. [0082] On obtient une carapace coupée entre le descendant 14 (et donc la partie centrale 42) et la partie modèles (deuxièmes parties de carapace 44). 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]