Brevet FR3162655A1 — publié le 20251205

Procédé de fabrication d’un noyau amélioré pour procédé de fonderie à la cire perdue. L’invention concerne un procédé de fabrication d’un noyau pour un procédé de fonderie à la cire perdue comprenant : - une étape d’obtention du noyau 100 en matériau céramique par un procédé de fabrication additive ; - une étape d’imprégnation de la porosité ouverte du noyau par une composition de renforcement, la composition de renforcement comprenant une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à un degré d’hydrolyse compris entre 82% et 98,4%, et à une concentration comprise entre 35 g.L -1 et 165 g.L -1 ; l’étape d’imprégnation étant réalisée à une pression inférieure ou égale à 1 bar, - une étape d’égouttage ; puis - une étape de séchage. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Procédé de fabrication d’un noyau amélioré pour procédé de fonderie à la cire perdue. L’invention s’inscrit dans le domaine des noyaux céramiques pour la fabrication de cavités dans des pièces métalliques obtenues par des procédés de fonderie à la cire perdue. L’augmentation de la température de fonctionnement des turbomachines aéronautiques permet une augmentation de leur rendement et donc des économies de carburant. Néanmoins, l’augmentation des températures de fonctionnement soumet les matériaux constitutifs des turbomachines à des conditions plus agressives. Cela augmente par exemple les besoins en refroidissement des aubes situées en zone chaude. Pour répondre à ce besoin, il a été proposé des nouveaux circuits de refroidissement pour de telles aubes. Ces nouveaux circuits de refroidissement sont plus adaptés aux nouvelles contraintes, et offrent un meilleur refroidissement des aubes de turbomachines. De manière classique, les circuits de refroidissement creux dans les aubes en matériau métallique sont obtenus via des procédés de fabrication à la cire perdue. Dans de tels procédés, un modèle en cire de l’aube est fabriqué autour d’un noyau aux dimensions de la cavité, ou des cavités le cas échéant. Un moule, dit carapace, en céramique est formé autour du modèle en cire, puis la cire est éliminée. Un métal est formé dans la carapace en lieu et place de la cire éliminée, et donc autour du noyau. L’élimination ultérieure du noyau permet de former dans l’aube en métal le circuit de refroidissement. L’augmentation de la complexité des circuits de refroidissement impose d’utiliser de nouvelles méthodes pour la fabrication du noyau. En effet, si les noyaux des procédés de l’art antérieur pouvaient être obtenus par des procédés d’injection céramique, de telles méthodes ne permettent pas d’obtenir la résolution géométrique dont il est nécessaire de disposer pour les nouveaux circuits de refroidissement. En outre, et indépendamment du procédé choisi pour la fabrication du noyau céramique, il est habituellement proposé d’imprégner les noyaux pour augmenter leurs propriétés mécaniques. Cette étape du procédé pose dans l’art antérieur des difficultés supplémentaires puisque certaines des résines d’imprégnation des noyaux qui pourraient être utilisées font l’objet d’une règlementation stricte ou dont il est préconisé de se passer. Ainsi, un besoin d’amélioration subsiste pour les noyaux céramiques de nouvelle génération, dont les propriétés seraient au moins identiques à celles des noyaux de l’art antérieur mais dont la géométrie pourrait être encore plus finement contrôlée que les noyaux obtenus par un procédé d’injection céramique. Le présent exposé vise à répondre à au moins l’un des problèmes décrits plus haut. Pour cela, elle concerne selon un premier de ses aspects un procédé de fabrication d’un noyau pour un procédé de fonderie à la cire perdue comprenant : - une étape d’obtention du noyau en matériau céramique par un procédé de fabrication additive ; - une étape d’imprégnation de la porosité ouverte du noyau par une composition de renforcement, la composition de renforcement comprenant une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à un degré d’hydrolyse compris entre 82% et 98,4%, et à une concentration comprise entre 35 g.L -1 et 165 g.L -1 ; l’étape d’imprégnation étant réalisée à une pression inférieure ou égale à 1 bar, - une étape d’égouttage ; puis - une étape de séchage. Il est du mérite des inventeurs d’avoir développé une composition de renforcement qui permettent à un noyau en matériau céramique obtenu par un procédé de fabrication additive de présenter une résistance mécanique et un état de surface compatible avec une application dans un procédé de fonderie à la cire perdue. Tout d’abord, l’étape d’obtention du noyau en matériau céramique par un procédé de fabrication additive assure que le noyau puisse avoir des dimensions parfaitement adaptées aux circuits de refroidissement pour de nouvelles aubes de turbomachines. En outre, il est possible d’obtenir par fabrication additive des noyaux dont la géométrie ne serait pas démoulable. En particulier, le procédé de fabrication additive permet d’accéder à des formes impossibles à réaliser par les procédés de fabrication de l’art antérieur, notamment ceux par compactage de poudre. En outre, dans un procédé la composition de renforcement confère aux noyaux des propriétés mécaniques suffisantes pour résister à l’étape d’injection de cire nécessaire à tout procédé de fonderie à la cire perdue. En particulier, les noyaux sont au moins aussi bons que ceux de l’art antérieur en termes de propriétés mécaniques. On définira ici et ailleurs dans la présente demande les « propriétés mécaniques » d’un noyau comme les paramètres habituels permettant de caractériser son comportement lorsqu’il est soumis à une sollicitation mécanique. Les « propriétés mécaniques » d’un noyau donné peuvent être quantifiées notamment par la mesure de la résistance mécanique à la rupture et/ou la mesure de la résistance mécanique à la flexion dudit noyau. Enfin, il est encore du mérite des inventeurs d’avoir déterminé des compositions aptes à servir de composition de renforcement. En effet, les inventeurs ont constaté que les compositions de renforcement existantes, notamment celles à base de résine époxy, et suffisantes pour les noyaux en matériau céramique de l’art antérieur, notamment ceux obtenus par moulage de céramique ne permettaient pas de donner aux noyaux céramiques obtenus par fabrication additive des propriétés mécaniques améliorées. Sans vouloir être liés par la théorie, les inventeurs sont d’avis que les compositions de renforcement connues et développées pour les noyaux obtenus par compactage de poudre ne permettent pas une bonne imprégnation pour les noyaux obtenus par fabrication additive. Ils sont également d’avis que cela est dû aux différences pour la structure de la porosité des noyaux céramiques obtenus par les deux méthodes. En effet, le diamètre moyen des porosités est plus petit pour les noyaux céramiques obtenus par fabrication additive, et les propriétés des compositions de renforcement doivent être adaptées, notamment en termes de viscosité, pour permettre un gain de propriétés mécaniques à ces noyaux. En outre, les compositions de renforcement candidates doivent être dénuées de composés dont la manipulation est règlementée ou déconseillée, par exemple de composés classés cancérigènes, mutagènes ou reprotoxiques (aussi dits « CMR » par acronyme) pour faciliter la mise en place des nouveaux procédés. Les compositions de renforcement à base d’une solution aqueuse d’alcool polyvinylique satisfont précisément à ces points. Au-delà de la nature de la composition de renforcement, les différentes étapes du procédé résultent d’une succession d’optimisations mises au point par les inventeurs. En particulier, l’étape d’égouttage a été choisie pour assurer qu’après l’étape d’imprégnation de la composition de renforcement à une pression réduite, cette dernière ne forme pas de défauts impactant négativement l’état de surface du noyau céramique. En effet, lorsque l’étape d’égouttage est absente et qu’il est directement procédé à l’étape de séchage, la composition de renforcement peut se solidifier directement à la surface du noyau imprégné, ce qui peut causer l’apparition de défauts de surfaces tels que des aspérités, des bulles ou des dépôts non souhaités. La présence de tels défauts peut entraîner la mise au rebut du noyau car les dimensions de ce dernier sont capitales pour l’obtention d’un circuit de refroidissement optimum dans la pièce finale. Enfin, l’étape de séchage du procédé est importante, car elle permet la solidification de l’ensemble de la composition de renforcement sur le noyau en matériau céramique ainsi que dans les porosités de ce dernier, conférant à l’ensemble des propriétés mécaniques, et notamment une résistance à la rupture et leur résistance mécanique à la flexion supérieures à celles qu’il aurait sans la composition de renforcement. Dans un mode de réalisation, la composition de renforcement comprend une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à un degré d’hydrolyse compris entre 83 % et 87 %. Le « degré d’hydrolyse » d’un alcool polyvinylique s’entend au sens habituel et commercial de ce terme pour ce composé particulier. Notamment, le degré d’hydrolyse caractérise la proportion de fonctions alcool portées par la chaîne carbonée de l’alcool polyvinylique. Ainsi que cela sera démontré par les exemples fournis à la fin de cette demande les inventeurs ont établis qu’un degré d’hydrolyse compris entre 83% et 87% permettait l’obtention des meilleures propriétés mécaniques pour le noyau en matériau céramique après imprégnation. Dans un mode de réalisation, la composition de renforcement comprend, pour plus de 95% en masse une solution aqueuse d’alcool polyvinylique, voire est constituée d’une solution aqueuse d’alcool polyvinylique. Dans un mode de réalisation, la composition de renforcement comprend une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à une concentration comprise entre 85 g.L -1 et 115 g.L -1 . Ainsi que cela sera démontré par les exemples fournis à la fin de cette demande c’est pour de telles compositions que sont obtenues les meilleures propriétés mécaniques pour le noyau en matériau céramique après imprégnation. Dans un mode de réalisation, l’étape d’imprégnation de la composition de renforcement peut être réalisée à une pression comprise entre 0,9 bar et 0,3 bar. En effet, et ainsi que cela sera illustré par les exemples, c’est pour ces pressions que sont obtenues les meilleures propriétés mécaniques pour le noyau en matériau céramique après renforcement. Dans un mode de réalisation, l’étape d’égouttage est réalisée pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2,0 heures. Les inventeurs ont établi qu’une durée trop courte pour l’étape d’égouttage ne permettait pas de se débarrasser convenablement de tous les défauts de surface qui nuiraient aux bonnes dimensions du noyau. Au contraire, une durée trop longue de l’étape d’égouttage cause une évaporation trop importante de la composition de renforcement ce qui diminue l’efficacité de l’imprégnation de la pièce et donc l’effet sur les propriétés mécaniques du noyau final. En outre il est souhaitable d’un point de vue industriel d’avoir des étapes les plus courtes possibles pour augmenter le rendement global du procédé. C’est pourquoi une durée de 30 minutes à 2,0 heures pour l’étape d’égouttage représente ici un optimum pour l’obtention de bonnes propriétés mécaniques. Dans un mode de réalisation, l’étape de séchage peut être réalisée à l’air libre ou dans une étuve à une température inférieure ou égale à 200°C. Les inventeurs ont d’une part constaté qu’un séchage à l’air libre était suffisant pour obtenir l’effet souhaité pour la composition de renforcement. Il s’ensuit un procédé simple, car l’étape de séchage ne nécessite alors aucune ressource particulière. Les inventeurs ont d’autre part constaté qu’un séchage à l’étuve permettait une meilleure évaporation des solvants de la composition de renforcement ce qui permet d’accélérer le procédé, et d’assurer que les composants actifs de la composition de renforcement ne risquent pas de se dégrader le temps de l’évaporation. Dans un mode de réalisation, l’étape de séchage comprend une étape d’introduction du noyau dans une étuve à une température comprise entre 70°C et 90°C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2,0 heures. En effet, les inventeurs ont déterminé qu’une telle température est un optimum permettant une excellente évacuation de l’eau contenue dans la composition de renforcement, tout en maîtrisant la température et donc les coûts associés à l’étape de séchage. Dans un mode de réalisation, l’étape de séchage est réalisée par exposition du noyau à une unique température. Un tel mode de réalisation, le noyau n’est pas exposé à des variations de la température imposée au cours de l’étape de séchage ce qui permet d’assurer une excellente reproductibilité industrielle. En effet, une étape sans variation de température peut, par exemple, être réalisée par introduction de la pièce dans une étuve à une température régulée. Une telle étape est beaucoup plus simple à réaliser qu’une étape qui comprendrait une rampe de chauffage et/ou une rampe de refroidissement. Il s’ensuit donc un procédé plus simple à réaliser. Dans un mode de réalisation, le noyau en matériau céramique comprend de l’alumine, de la silice, de la zircone, de la mullite, de l’yttrine, du carbure de silicium ou un mélange de deux ou plus de ces composés. Dans un mode de réalisation, la variation de masse du noyau pendant l’étape d’imprégnation est comprise entre 1% et 5% de la masse du noyau sec, c’est-à-dire le noyau avant son imprégnation. FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique d’un noyau en matériau céramique obtenu par fabrication additive. FIG. 2 La FIG. 2 est une représentation schématique d’une aube en matériau métallique obtenue par un procédé de fonderie à la cire perdue utilisant un noyau en matériau céramique obtenu dans un mode de réalisation de l’invention. L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. La FIG. 1 représente très schématiquement un noyau 100 en matériau céramique obtenu par fabrication additive. La FIG. 1 lui représente un pied de noyau 111 destiné à faciliter la manutention du noyau en matériau céramique au cours des différentes étapes du procédé de fonderie, et une portion fonctionnelle du noyau 110 destinée à former le circuit de refroidissement. Le pied du noyau 111 permet par exemple un positionnement précis du noyau dans un moule pour un procédé de fonderie à la cire perdue. Néanmoins, ce dernier sera usiné lors d’une étape finale, et sa géométrie n’est donc pas déterminante pour les besoins du circuit de refroidissement. Dans un mode de réalisation, le noyau 100 peut comprendre de l’alumine, de la silice, de la zircone, de la mullite, de l’yttrine, du carbure de silicium ou un mélange de deux ou plus de ces composés. Comme décrit, le noyau 100 en matériau céramique est obtenu par un procédé de fabrication additive. Des méthodes permettant la création d’un tel noyau 100 sont connues en tant que telles et ne seront pas décrites ici plus en détail. Par exemple, la méthode de fabrication additive peut être une méthode de traitement numérique de la lumière (aussi dit DLP pour l’acronyme en langue anglaise « Digital Light Processing »). Une telle méthode qui comprend la polymérisation d’une suspension photosensible liquide contenue dans une cuve grâce à un rayonnement UV sélectif. Notamment une telle méthode permet d’imprimer des noyaux aux géométries plus complexes que celles accessibles aux méthodes de compactage de poudres céramiques habituellement utilisées pour la fabrication des noyaux en matériau céramique. Une fois le noyau 100 obtenu, une composition de renforcement est appliquée à la surface du noyau. Comme indiqué, l’imprégnation a lieu à une pression inférieure ou égale à 1 bar. Par exemple, l’étape d’imprégnation de la composition de renforcement peut être réalisée à une pression comprise entre 0,9 et 0,3 bar. Dans un mode de réalisation, l’imprégnation peut être réalisée en deux étapes, une première de mise sous vide d’une enceinte comprenant le noyau céramique à imprégner, et une deuxième d’alimentation de l’enceinte par la composition de renforcement jusqu’à ce que la composition de renforcement recouvre intégralement la pièce. Une telle application de la composition de renforcement doit permettre une excellente imprégnation du noyau en matériau céramique et notamment de la porosité ouverte de ce dernier par la composition de renforcement. Sans vouloir être liés par la théorie, les inventeurs sont d’avis que l’amélioration des propriétés mécaniques du noyau par l’imprégnation de la composition de renforcement est au moins en partie due au comblement des porosités ouvertes du noyau en matériau céramique par la composition polymérique ce qui augmente la contrainte minimale permettant l’apparition d’une fissure. En outre, la contrainte minimale permettant de propager une fissure est également augmentée, car la nature ductile du polymère présente dans la composition de renforcement et qui recouvre le noyau céramique permet de lier entre elles les deux parois de la fissure, ce qui entrave sa propagation dans le matériau. Dans un mode de réalisation, la quantité de composition de renforcement imprégnée peut être caractérisée par la variation de masse du noyau imprégné par rapport au noyau avant imprégnation. Dans un mode de réalisation, la variation de masse du noyau pendant l’étape d’imprégnation est comprise entre 1% et 5% de la masse du noyau sec, c’est-à-dire du noyau avant son imprégnation. Une fois l’étape d’imprégnation du noyau par la composition de renforcement réalisée, une étape d’égouttage est réalisée. Cette étape d’égouttage peut être réalisée par disposition du noyau 100 sur un support vibrant. De manière alternative, le noyau 100 revêtu de la composition de renforcement peut être suspendu à un support non représenté de sorte que l’égouttage se fasse par gravité. Une fois égoutté, le noyau 100 est alors soumis à un traitement thermique de séchage. Dans un mode de réalisation, le séchage peut être réalisé par disposition du noyau 100 dans une étuve, dont la température est contrôlée. Après le séchage, le noyau 100 est prêt à être utilisé dans un procédé de fonderie à la cire perdue. Un tel procédé est connu en tant que tel et permet finalement l’obtention d’une aube en matériau métallique 500 dont une cavité interne 510 à la forme du noyau en matériau céramique 100, ou plus précisément de sa portion 110, obtenu par le procédé d’obtention décrit plus haut. Une telle aube est notamment représentée sur la FIG. 2 . Les pointillés en FIG. 2 indiquent que la cavité 510 est dans l’épaisseur de l’aube 500. Dans un mode de réalisation, l’aube est une aube de turbomachine aéronautique. Exemples L’invention est à présent décrite au moyen d’un exemple qui permet d’évaluer plusieurs paramètres ajustables du procédé de fabrication. Pour une comparaison représentative, les conditions de fabrication de différents noyaux réalisés pour quantifier l’influence d’un paramètre ne diffèrent des autres que par ce paramètre. Ainsi, si l’on souhaite quantifier l’influence d’un paramètre (par exemple le degré d’hydrolyse de l’alcool polyvinylique) l’ensemble des échantillons obtenus avec divers degrés d’hydrolyse seront soumis à la même pression que lors de l’imprégnation de la composition de renforcement, à la même durée d’égouttage, à la même température du séchage. Néanmoins, par concision on décrira ici une fois le procédé et l’on décrira l’ensemble des paramètres dont l’influence a été étudiée. Tous les noyaux en matériau céramique de cet exemple ont été obtenu par une méthode de fabrication additive de traitement numérique de la lumière (DLP). Par référence, il est mesuré qu’un noyau ne subissant aucun traitement de renforcement a une résistance à la flexion moyenne d’environ 10,0 MPa. Une telle résistance à la flexion ne garantit par une tenue suffisante du noyau au moment de l’étape d’injection de cire d’un procédé à la cire perdue. La préparation d’une solution de renforcement peut être réalisée de la manière suivante. Un alcool polyvinylique commercial sous une forme solide est dissous dans de l’eau distillée. Pour les besoins de l’exemple, la composition de renforcement est obtenue sous agitation magnétique à une température de 80°C. Cela n’est toutefois pas spécifiquement nécessaire et d’autres méthodes permettant d’obtenir des compositions aux concentrations et aux degrés d’hydrolyse souhaités peuvent convenir. Dans l’exemple, plusieurs compositions de renforcement sont préparées, avec un degré d’hydrolyse de l’alcool polyvinylique soit de 85 % soit de 98 %, et la concentration de la solution peut être de 50 g.L -1 , 100 g.L -1 et 150 g.L -1 . Le noyau céramique est ensuite imprégné par la composition d’imprégnation. Pour cela, l’imprégnation est réalisée en deux étapes, une première de mise sous vide d’une enceinte comprenant le noyau céramique à imprégner, et une deuxième d’alimentation de l’enceinte par la composition de renforcement jusqu’à ce que la composition de renforcement recouvre intégralement la pièce. Plusieurs couples de vide et de durée pour l’imprégnation ont été testés : - un vide de 0,6 bar et une durée de 20 min ; - un vide de 0,6 bar et une durée de 35 min, mais appliqué en plusieurs fois : un premier vide de 20 min puis 3 séries de 5 minutes de vide avec retour à pression atmosphérique entre chaque étape de vide ; - un vide de 0,3 bar et une durée de 20 min ; et - un vide de 0,1 bar et une durée de 20 min. Une fois l’imprégnation réalisée, le noyau est laissé pour égouttage. Deux durées d’égouttage ont été testées : 1 heure et 144 heures. Enfin, après l’égouttage, un séchage est réalisé par introduction du noyau égoutté dans une étuve. Plusieurs profils de température pour le séchage ont été testés : - profil 1 : une rampe de 2°C/min de 20°C à 80°C suivie d’un palier d’une heure à 80°C, une rampe de 2°C/min de 80°C à 120°C suivie d’un palier de trente minutes à 120°C et une rampe de -2°C/min de 120°C à 20°C ; - profil 2 : une rampe de 2°C/min de 20°C à 80°C suivie d’un palier d’une heure à 80°C et une rampe de -2°C/min de 80°C à 20°C ; et - profil 3 : un palier d’une heure à 80°C (une insertion dans une étuve déjà chaude et un refroidissement non contrôlé à température ambiante). Pour chaque échantillon, la résistance à la flexion est déterminée pour le noyau. Le tableau 1 ci-après regroupe les résultats à comparer avec une résistance à la flexion de 10,0 MPa pour un noyau en matériau céramique sans composition de renforcement. Paramètre testé Résistance en flexion mesurée Degré d'hydrolyse 85% : 19,3 Mpa 98% : 18,3 MPa Concentration de la composition de renforcement 50 g/L : 14,5 MPa 100 g/L : 19,3 MPa 150 g/L : 13,7 MPa Valeur et durée du vide lors de l'imprégnation 0,6 bar 20min : 18,6 MPa 0,6 bar 35min : 17,5 MPa 0,3 bar 20min : 19,3 MPa 0,1 bar 20min : 17,5 MPa Durée de l'égouttage 1h : 16,8 MPa 144h : 14,6 MPa Température de l'étuve profil 1 : 16,8 MPa profil 2 : 17,2 MPa profil 3 : 18,6 MPa Le tableau 2 illustre d’une part que le procédé proposé permet toujours d’augmenter la résistance en flexion d’un noyau en céramique. En outre, le tableau 2 illustre pour chaque paramètre que des valeurs préférentielles sont effectivement liées à une augmentation finale de la résistance en flexion du noyau. Procédé de fabrication d’un noyau (100) pour un procédé de fonderie à la cire perdue comprenant : - une étape d’obtention du noyau en matériau céramique par un procédé de fabrication additive ; - une étape d’imprégnation de la porosité ouverte du noyau par une composition de renforcement, la composition de renforcement comprenant une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à un degré d’hydrolyse compris entre 82% et 98,4%, et à une concentration comprise entre 35 g.L -1 et 165 g.L -1 ; l’étape d’imprégnation étant réalisée à une pression inférieure ou égale à 1 bar, - une étape d’égouttage ; puis - une étape de séchage. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la composition de renforcement comprend une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à un degré d’hydrolyse compris entre 83 % et 87 %. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la composition de renforcement comprend une solution aqueuse d’alcool polyvinylique à une concentration comprise entre 85 g.L -1 et 115 g.L -1 Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape d’égouttage est réalisée pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2,0 heures. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape de séchage comprend une étape d’introduction du noyau dans une étuve à une température comprise entre 70°C et 90°C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2,0 heures. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le noyau (100) n’est pas exposé à des variations de la température pendant l’étape de séchage. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le noyau (100) en matériau céramique comprend de l’alumine, de la silice, de la zircone, de la mullite, de l’yttrine, du carbure de silicium ou un mélange de deux ou plus de ces composés. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la variation de masse du noyau pendant l’étape d’imprégnation est comprise entre 1% et 5% de la masse du noyau sec.