BR112017004286B1

BR112017004286B1 - Processo para produção de um núcleo cerâmico para moldagem

Info

Publication number: BR112017004286B1
Application number: BR112017004286-0A
Authority: BR
Inventors: Franck Edmond Maurice Truelle; Claude BALDASSARI; David LOCATELLI; Daniel Quach; Jean-Louis Martial Verger
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2021-04-13
Also published as: US10328485B2; RU2017110986A3; JP6668333B2; CN106687232B; EP3188857B1; RU2699346C2; FR3025444A1; BR112017004286A2; CA2960059A1; CN106687232A; JP2017534457A; US20170274445A1; CA2960059C; WO2016034802A1; EP3188857A1; RU2017110986A; FR3025444B1

Abstract

a invenção refere-se ao campo da moldagem e mais particularmente a um processo de produção de um núcleo cerâmica (1) para moldagem, o dito núcleo (1) apresenta uma forma com pelo menos uma primeira protuberância lateral (11), o processo compreendendo pelo menos uma etapa de injeção de uma massa que compreende um granulado cerâmico e um ligante de polímero em uma cavidade do molde de modo que seja formada uma peça (10) que tem uma forma que corresponde à forma do núcleo (1) com a adição de pelo menos uma protuberância lateral adicional (15) adjacente à dita primeira protuberância lateral (11), um etapa de cozimento da peça de trabalho (10), e uma etapa de remoção da dita protuberância adicional lateral (15) da peça de trabalho (10) depois da dita etapa de cozimento.

Description

Fundamentos da invenção

[001] A presente invenção refere-se ao campo de fundição, e mais particularmente à produção de núcleos cerâmicos para fundição, cujos núcleos devem ser recebidos em moldes de fundição para formar cavidades internas em peças de fundição feitas em tais moldes.

[002] Tais núcleos podem ser usados, em particular, em processos de fundição por modelo perdido ou cera perdida. Os chamados processos de fundição por “modelo perdido” ou “cera perdida” são conhecidos desde a antiguidade. Eles são particularmente adaptados para a produção de peças de metal de formas complexas. Desse modo, a fundição por cera perdida é usada em particular para a produção de pás de turbomáquinas. No presente contexto, o termo “turbomáquina” é usado para designar qualquer máquina na qual é possível transferir energia entre um fluxo de fluido e pelo menos um rotor, como por exemplo um compressor, uma bomba, uma turbina, um propulsor, ou uma combinação de uma pluralidade de tais elementos. O termo “pá” é usado para englobar qualquer elemento de aerofólio, estacionário ou rotativo, que contribua para essa transferência de energia na turbomáquina. A fundição por cera perdida é particularmente útil para produção.

[003] Na fundição por cera perdida, a primeira etapa é normalmente fazer um modelo a partir de um material fusível, com uma temperatura de fusão que é comparativamente baixa, como, por exemplo, cera ou resina. O modelo é então integrado com uma árvore de fundição que deve ser coberta em material refratário a fim de formar um molde. Após o material fusível do molde ser removido ou eliminado de dentro do molde, daí o termo “perdido(a)” no nome de tais processos, o metal fundido é fundido no molde a fim de preencher a cavidade no molde que é formada pela remoção ou eliminação do modelo do molde. Uma vez que o metal resfria e solidifica, o molde pode ser aberto ou destruído a fim de recuperar uma peça de metal com a forma do modelo. O termo “metal” é usado no presente contexto para englobar não somente metais puros, mas acima de tudo ligas metálicas.

[004] A fim de formar cavidades internas complexas dentro de peças de metal que são obtidas por tais processos de fundição, é possível integrar um ou mais núcleos refratários em cada modelo. Esses núcleos refratários permanecem em posição dentro de cada molde após o material fusível ter sido removido, permitindo assim que formas complexas sejam formadas dentro da peça de fundição que é feita no molde. Eles podem ser subsequentemente eliminados junto com o resto do molde ao desmoldar a peça.

[005] Tipicamente, tais núcleos refratários são feitos de material cerâmico e constituem artigos de consumo no processo de fundição. Para produzi-los, processos de moldagem por injeção foram desenvolvidos em que uma pasta compreendendo um granulado cerâmico e um aglutinante de polímero é injetada sob pressão em uma cavidade de molde a fim de formar o núcleo, com o núcleo sendo então cozido para consolidá-lo. A fim de aumentar adicionalmente a capacidade do núcleo de suportar as forças às quais é submetido durante o processo de fundição, o núcleo pode também ser impregnado com uma resina após seu cozimento inicial, antes de ser cozido novamente uma segunda vez.

[006] No entanto, a taxa de rejeição ao produzir tais núcleos pode ser relativamente alta, particularmente quando são de forma complexa. Isso se deve às tensões internas que são geradas durante o cozimento e subsequente resfriamento do núcleo, cujas tensões internas podem dar origem a rachaduras em certos pontos críticos do núcleo. Em particular, o núcleo pode apresentar protuberâncias laterais, especialmente quando deve formar um circuito de resfriamento em uma pá de turbomáquina, cujas protuberâncias laterais podem então ser destinadas a formar canais de saída que levam a uma superfície externa da pá, e, em particular, a fendas de saída na borda de fuga da pá. Sob tais circunstâncias, rachaduras podem se formar na raiz de pelo menos uma das protuberâncias laterais.

Objetivo e sumário da invenção

[007] A invenção busca remediar essas desvantagens. Em particular,a presente descrição busca propor um processo de produção de um núcleo cerâmico para fundição que possibilita evitar a formação de rachaduras na raiz de pelo menos uma primeira protuberância lateral do núcleo.

[008] Em pelo menos uma modalidade da invenção, esse objetivo é alcançado pelo fato de que o processo compreende pelo menos uma etapa de injeção de uma pasta compreendendo um granulado cerâmico e um aglutinante de polímero em uma cavidade de molde a fim de formar uma peça que apresenta uma forma correspondente à forma do núcleo junto com pelo menos uma protuberância lateral adicional adjacente à dita primeira protuberância lateral, uma etapa de cozimento da peça, e uma etapa de eliminação de dita protuberância lateral da peça após dita etapa de cozimento.

[009] Por meio dessas disposições, as tensões internas que tendem a gerar rachaduras durante o cozimento podem ser concentradas na protuberância lateral adicional da peça, cuja protuberância lateral adicional pode então desempenhar um papel sacrificial, uma vez que é subsequentemente eliminada e não mais encontrada no núcleo cerâmico acabado. A primeira protuberância lateral do núcleo, em conjunto com quaisquer outras protuberâncias laterais adjacentes, pode então ser poupada de tais rachaduras sendo formadas, reduzindo assim a taxa de rejeição.

[0010] A fim de consolidar melhor a peça, o processo pode também incluir uma etapa de impregnação da peça com uma resina após a dita etapa de cozimento. Essa etapa de impregnação pode acontecer antes ou depois da eliminação da protuberância lateral adicional.

[0011] A fim de concentrar melhor as tensões internas da peça sobre a protuberância lateral adicional, a protuberância lateral adicional pode ter uma seção transversal que apresenta uma área correspondente a 75% a 125% da área de uma seção transversal da primeira protuberância lateral no mesmo plano de seção. Em particular, a protuberância lateral adicional pode ter uma espessura paralela a um eixo geométrico transversal da peça correspondente a 90% a 110% da espessura da primeira protuberância lateral paralela ao mesmo eixo geométrico transversal, e/ou uma largura paralela a um eixo geométrico longitudinal da peça correspondente a 90% a 110% da largura da primeira protuberância lateral paralela ao mesmo eixo geométrico longitudinal.

[0012] A forma do núcleo pode apresentar não só uma primeira protuberância lateral, mas também uma pluralidade de protuberâncias laterais espaçadas uma da outra paralelamente a um eixo geométrico longitudinal da peça, em particular com seções transversais que diminuem se afastando da primeira protuberância lateral. A protuberância lateral adicional da peça pode ser afastada da dita primeira protuberância lateral ao longo do mesmo eixo geométrico e na direção oposta às outras protuberâncias laterais da dita pluralidade de protuberâncias laterais. Sob tais circunstâncias, e a fim de concentrar melhor as tensões internas na protuberância lateral adicional, uma distância mínima entre a protuberância lateral adicional da peça e a primeira protuberância lateral pode ser 0,7 vezes a 2,5 vezes, e em particular 1 a 1,5 vezes, uma distância mínima entre a primeira protuberância lateral e a mais próxima das protuberâncias laterais da dita pluralidade de protuberâncias laterais.

[0013] Em particular, o núcleo pode ser para ser recebido em um molde de fundição para produzir uma pá de turbomáquina a fim de formar um circuito de resfriamento na pá, dita primeira protuberância lateral formando uma fenda de saída na borda de fuga.

Breve descrição do desenho

[0014] A invenção pode ser bem compreendida e suas vantagens aparecem melhor mediante a leitura da seguinte descrição detalhada de uma modalidade dada a título de exemplo não limitativo. A descrição se refere ao desenho anexo, em que: • a Figura 1 é uma vista de um núcleo cerâmico produzido pelo processo da invenção; • a Figura 2A é uma vista lateral de uma peça que deve formar o núcleo, antes da eliminação de uma protuberância lateral adicional; e • a Figura 2B é uma vista da mesma peça em seção no plano IIB-IIB.

Descrição detalhada da invenção

[0015] A Figura 1 mostra um núcleo cerâmico 1 feito usando um processo que constitui uma modalidade específica da invenção. O núcleo cerâmico 1 é para uso na produção de uma pá de turbomáquina 2 (desenhada em linhas tracejadas) por fundição por cera perdida. Como pode ser visto na figura, o núcleo 1 apresenta quatro protuberâncias laterais 11, 12, 13 e 14 orientadas paralelamente a um eixo geométrico transversal X do núcleo 1 e deslocadas uma da outra paralelamente a um eixo geométrico longitudinal Z do núcleo 1. Essas quatro protuberâncias laterais 11, 12, 13 e 14 estão na forma de dentes e são para formar fendas de saída da borda de fuga na pá 2 para um circuito de resfriamento da pá 2.

[0016] Em uma primeira fase de produção do núcleo 1, uma pasta compreendendo um granulado cerâmico, por exemplo, constituído por grãos de sílica de tamanho micrométrico, e um aglutinante de polímero que serve para dar à pasta um grau de viscosidade desejado, é injetada a alta pressão, por exemplo, na faixa de 5 megapascal (MPa) a 70 MPa, em uma cavidade de molde que apresenta uma forma correspondente à forma do núcleo 1, mas em conjunto com uma protuberância lateral adicional. Isso produz uma peça intermediária que é consolidada por sinterização do granulado cerâmico durante uma etapa de cozimento. A título de exemplo, a etapa de cozimento pode ter uma duração total na faixa de 30 horas (h) a 45 h, com um platô a 80°C e outro platô a 1200°C de modo a garantir que não só o granulado cerâmico seja sinterizado, mas também que o aglutinante polimérico seja eliminado.

[0017] A peça intermediária 10 conforme consolidada desse modo é mostrada nas Figuras 2A e 2B. Como pode ser visto na Figura 2A, a peça intermediária 10 que deve formar o núcleo 1 tem pelo menos uma protuberância lateral adicional 15 adaptada para ser eliminada após o cozimento da peça intermediária 10 e antes do uso do núcleo 1. Assim, na modalidade mostrada, além das quatro protuberâncias laterais 11, 12, 13 e 14 do núcleo 1, a peça intermediária apresenta uma protuberância lateral adicional 15 adjacente à primeira protuberância lateral 11, que na modalidade mostrada é uma das quatro protuberâncias laterais 11, 12, 13 e 14 que é a mais próxima da raiz da pá 2. Mais especificamente, a protuberância lateral adicional 15 é espaçada da primeira protuberância lateral 11 afastando-se das outras protuberâncias laterais 12, 13 e 14. Na peça 10, a distância mínima d0 entre a protuberância lateral adicional 15 e a primeira protuberância lateral 11 em uma direção paralela ao eixo geométrico longitudinal Z está na faixa de 0,7 vezes a 2,5 vezes a distância mínima d1 entre a primeira protuberância lateral 11 e a protuberância lateral seguinte 12. Em particular, a distância d0 pode estar na faixa de 1 a 1,5 vezes a distância d1.

[0018] A Figura 2B mostra as seções transversais das protuberâncias laterais 15, 11, 12, 13 e 14 no plano de seção IIBIIB da Figura 2A. Como mostrado esquematicamente nessa figura, a área s0 da seção transversal da protuberância lateral adicional 15 é similar à área s1 da seção transversal da primeira protuberância lateral 11. Em particular, a área s0 pode estar na faixa de 75% a 125% da área s1. Especificamente, as duas áreas s0 e s1 podem ser substancialmente iguais. As áreas s2, s3, e s4 das seções transversais das outras protuberâncias laterais 12, 13, e 14 podem diminuir a partir da área s1 da seção transversal da primeira protuberância lateral 11, de tal maneira que s1>s2>s3>s4, ou pelo menos todas elas sejam menores que as áreas s0 e s1.

[0019] Na modalidade ilustrada, cada uma das protuberâncias laterais 15, 11, 12, 13 e 14 apresenta uma seção que é substancialmente retangular. A largura l0 e a espessura e0 da protuberância lateral adicional 15 em direções que são paralelas respectivamente ao eixo geométrico longitudinal Z e a um segundo eixo geométrico transversal Y perpendicular ao primeiro eixo geométrico transversal X podem, cada uma, apresentar um valor na faixa de 90% a 110% das dimensões correspondentes l1 e e1 da primeira protuberância lateral 11.

[0020] Como resultado do cozimento e sinterização da peça 10, ela encolhe, gerando assim tensões internas na peça 10. Essas tensões internas podem produzir rachaduras na raiz da protuberância lateral adicional 15, que desempenha assim um papel sacrificial para evitar a formação de rachaduras na primeira protuberância lateral 11 ou nas protuberâncias laterais subsequentes 12, 13 e 14. No entanto, em uma etapa subsequente, a protuberância lateral adicional 15 é eliminada, por exemplo, por usinagem, de modo a dar à peça 10 a forma final para o núcleo 1. As rachaduras são assim eliminadas junto com a protuberância lateral adicional 15.

[0021] Em uma outra etapa, que pode ser realizada antes, ou de preferência depois, da eliminação da protuberância lateral adicional 15, é possível impregnar a peça 10 com uma resina termocurável para dar à mesma propriedades mecânicas ainda melhores.

[0022] Após essas etapas, partindo da pasta de granulado cerâmico e aglutinante de polímero, e passando pela peça 10 com uma protuberância lateral adicional, obtém-se assim o núcleo cerâmico 1 em sua forma final.

[0023] O núcleo resultante 1 pode então ser incorporado em um molde de fundição a fim de formar contornos internos complexos em uma peça de fundição feita no molde.

[0024] Dessa forma, em um processo de fundição por cera perdida, o núcleo 1 assim obtido pode ser incorporado em um modelo da peça de metal a ser feita, cujo modelo é feito usando um material que funde a uma temperatura de fusão comparativamente baixa. Tal material pode ser uma cera ou uma resina, por exemplo. O modelo pode então ser integrado em uma árvore de fundição projetada para ser revestida em material refratário a fim de formar um molde de fundição. Após a remoção ou eliminação do material fusível do modelo do interior do molde de fundição, o metal fundido é fundido no molde de modo a preencher a cavidade de molde que é formada pelo modelo no molde de fundição após a remoção ou eliminação do modelo. Uma vez que o metal resfria e solidifica, o molde é aberto ou destruído a fim de recuperar uma peça de metal com a forma do modelo.

[0025] Embora a presente invenção seja descrita com referência a uma modalidade específica, é evidente que várias modificações e alterações podem ser aplicadas à mesma sem ir além do âmbito geral da invenção como definido pelas reivindicações. Consequentemente, a descrição e os desenhos devem ser considerados em um sentido que seja ilustrativo e não restritivo.

Claims

1. Processo para produção de um núcleo (1) cerâmico para moldagem, o dito núcleo (1) apresentando uma forma que inclui pelo menos uma primeira protuberância lateral (11), e o dito processo compreendendo pelo menos: uma etapa de injetar uma pasta que compreende um granulado cerâmico e um aglutinante de polímero em uma cavidade de molde de modo a formar uma peça de trabalho (10); e uma etapa de cozimento da peça de trabalho (10); e processo este sendo caracterizado pelo fato de a peça de trabalho (10) ser formada com uma forma que corresponde à forma do núcleo (1) junto com pelo menos uma protuberância lateral adicional (15) adjacente à primeira protuberância lateral (11) mencionada; e em que tal processo compreende ainda: uma etapa de remoção daquela protuberância lateral adicional (15) da peça de trabalho (10) depois da dita etapa de cozimento.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o processo incluir também uma etapa de impregnar a peça de trabalho (10) com uma resina depois da dita etapa de cozimento.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a remoção da protuberância lateral adicional (15) é realizada por usinagem.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a protuberância lateral adicional (15) possui uma seção transversal apresentando uma superfície (S0) correspondente a 75% a 125% de uma superfície (S1) de uma seção transversal em relação à primeira protuberância lateral (11) no mesmo plano de seção de corte.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a protuberância lateral adicional (15) possui uma espessura (e0) paralela a um eixo geométrico transversal (Y) da peça de trabalho (10) correspondente a 90% a 110% de uma espessura (e1) da primeira protuberância lateral (11) paralela ao mesmo eixo geométrico transversal (Y).

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a protuberância lateral adicional (15) tem uma largura (L0) paralela a um eixo geométrico longitudinal (Z) da peça de trabalho (10) correspondente a 90% a 110% da largura da primeira protuberância lateral (11) paralela ao mesmo eixo geométrico longitudinal (Z).

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a forma do núcleo (1) tem uma pluralidade de protuberâncias laterais (11, 12, 13, 14) espaçadas uma da outra, paralelas a um eixo geométrico longitudinal (Z) da peça de trabalho (10).

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que aquelas protuberâncias laterais (11, 12, 13, 14) do núcleo (1) têm seções transversais decrescentes a partir da primeira protuberância lateral (11).

9. Processo de acordo com a reivindicação 7 ou reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a protuberância lateral adicional (15) da peça de trabalho (10) é espaçada da primeira protuberância lateral (11) ao longo do mesmo eixo geométrico e na direção oposta às outras protuberâncias laterais (12, 13, 14) do núcleo (1).

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que uma distância mínima (d0) entre a protuberância lateral adicional (15) da peça de trabalho (10) e a primeira protuberância lateral (11) é de 0,7 a 2,5 vezes a uma distância mínima (d1) entre a primeira protuberância lateral (11) e a outra protuberância lateral (12) mais próxima da dita pluralidade delas.

11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo (1) é para ser recebido em um molde de fundição para produção de uma pá (2) de turbomáquina de maneira a formar um circuito de refrigeração na pá (2), aquela primeira protuberância lateral (11) formando uma fenda de saída na borda de fuga da pá (2).