BR112018074832B1 - Molde de material cerâmico, instalação para fabricar uma pá moldada, e, processo de fabricação de uma pá de turbomáquina - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a um molde (3) de material cerâmico destinado a ser utilizado para moldar uma pá de turbomáquina a partir de um metal em fusão, a pá compreendendo um pé, uma plataforma, uma palheta e um talão; o molde compreendendo: uma cavidade (4) tendo a forma da pá, e um conduto de grão auxiliar (5) compreendendo uma primeira porção (51) e uma segunda porção (52) prolongando a primeira porção, a dita primeira porção desembocando em uma extremidade (511) em uma primeira parte (40) da cavidade formando o pé da pá e em uma outra extremidade (512) em uma segunda parte (412) da cavidade formando um spoiler da plataforma da pá, a dita segunda porção (52) desembocando em uma extremidade (521) na dita segunda parte (412) da cavidade e em uma outra extremidade (522) em uma terceira parte (432) da cavidade formando um spoiler do talão da pá. A invenção visa também uma instalação e um processo de fabricação empregando em um tal molde.

Description

Fundamentos da invenção

[001] A presente invenção se refere ao domínio geral dos processos de fabricação de peças por fundição. A invenção trata mais particularmente de um molde para fabricar uma pá de turbomáquina monocristalina por fundição por cera perdida.

[002] Em certos casos, e notadamente nas turbomáquinas aeronáuticas, é necessário dispor de peças metálicas ou de liga metálica que apresentem uma estrutura monocristalina controlada. Por exemplo, nos distribuidores de turbinas de turbomáquinas aeronáuticas, as pás devem suportar altas tensões termomecânicas devidas à temperatura elevada e aos esforços centrífugos aos quais elas são submetidas. Uma estrutura monocristalina controlada nas ligas metálicas formando estas pás permite limitar os efeitos destas tensões.

[003] Para obter uma peça metálica deste tipo, conhece-se os processos do tipo fundição por cera perdida. De maneira conhecida em si, em um tal processo, realiza-se inicialmente um modelo em cera da peça a fabricar, em torno do qual se forma uma carapaça cerâmica formando um molde. Um metal em fusão é em seguida vazado no molde e a solidificação dirigida do metal permite obter, após retração do molde, a peça moldada. Este processo é vantajoso para fabricar peças metálicas de formas complexas e permite obter peças tendo uma estrutura monocristalina utilizando por exemplo um germe ou um conduto seletor de grão.

[004] As pás são geralmente constituídas de um pé, de uma plataforma munida de spoilers, de uma palheta, de um talão munido de spoilers, e de limpadores. Durante a fabricação de pás monocristalinas por um processo tal como aquele apresentado acima, aparecem certos problemas, devidos notadamente à forma das pás.

[005] Durante a solidificação dirigida do metal em fusão presente no molde tendo a forma da pá, as partes da cavidade do molde formando notadamente os spoilers da plataforma e do talão se solidificam com um certo retardo em relação às outras partes da cavidade como aquela formando a palheta. Este retardo pode acarretar o aparecimento de porosidades indesejáveis na peça final.

[006] Além disso, foi observado que no fim de um tratamento térmico realizado após a solidificação dirigida, a pá pode apresentar em certos locais e notadamente sobre a borda de ataque ou a borda de fuga na proximidade da plataforma ou do talão, grãos recristalizados parasitas. Isto não é desejável quando se quer obter uma pá monocristalina.

[007] Enfim, as pás obtidas podem apresentar uma variação considerável de dimensões entre o modelo em cera e a peça final e podem às vezes ser deformadas ou torcidas.

[008] Existe, pois, uma necessidade de dispor de um molde para a fabricação de uma pá de turbomáquina, assim como de um processo de fabricação de uma tal pá que reduza o aparecimento dos defeitos acima citados.

Objeto e sumário da invenção

[009] A presente invenção tem, pois, por finalidade principal paliar tais inconvenientes propondo um molde de material cerâmico destinado a ser utilizado para moldar uma pá de turbomáquina a partir de um metal em fusão, a pá compreendendo um pé, uma plataforma, uma palheta, e um talão, o molde compreendendo: - uma cavidade tendo a forma da pá, e - um conduto de grão auxiliar compreendendo uma primeira porção e uma segunda porção prolongando a primeira porção, a dita primeira porção desembocando em uma extremidade em uma primeira parte da cavidade formando o pé da pá e em uma outra extremidade em uma segunda parte da cavidade formando um spoiler da plataforma da pá, a dita segunda porção desembocando em uma extremidade na dita segunda parte da cavidade e em uma outra extremidade em uma terceira parte da cavidade formando um spoiler do talão da pá.

[0010] A presença do conduto de grão auxiliar no molde de acordo com a invenção permite minimizar os defeitos introduzidos precedentemente. Inicialmente, o conduto de grão auxiliar permite se assegurar que a plataforma e o talão da pá não se solidifiquem por último, o que reduz o aparecimento de defeitos do tipo porosidades nestas porções da pá.

[0011] Em seguida, o conduto de grão auxiliar desempenha o papel role de um esteio que mantém a pá e a enrijece ao longo de todo o processo de fabricação. Mantendo-se a mesma assim, as tensões residuais que podem subsistir na pá são reduzidas e o aparecimento de grãos recristalizados após um tratamento térmico é igualmente diminuído.

[0012] Os inventores observaram que a pá obtida com um molde de acordo com a invenção apresenta dimensões que são mais próximas daquelas desejadas, em relação a uma pá fabricada em um molde desprovido de conduto de grão auxiliar. Os inventores observaram igualmente que a pá obtida é menos torcida quando ela é fabricada em um molde de acordo com a invenção.

[0013] O conduto de grão auxiliar pode ser posicionado em frente da borda de ataque ou da borda de fuga da pá.

[0014] As seguintes características relativas ao conduto auxiliar de grão permitem ainda limitar a espessura da carapaça cerâmica, o que lhe permite romper mais facilmente e assim reduzir o aparecimento de grãos recristalizados: - a primeira porção do conduto de grão auxiliar se estende a partir de uma parede da primeira parte da cavidade em uma direção fazendo um ângulo compreendido entre 54° e 62° com a dita parede, - a segunda porção do conduto de grão auxiliar se estende a partir da segunda parte da cavidade em uma direção fazendo um ângulo compreendido entre 110° e 115° com a dita segunda parte, - a segunda porção do conduto de grão auxiliar se estende a partir da terceira parte da cavidade em uma direção fazendo um ângulo compreendido entre 110° e 115° com a dita terceira parte.

[0015] Em um exemplo de realização, sempre para limitar a espessura da carapaça cerâmica e permitir a esta última se romper ainda mais facilmente e reduzir o aparecimento de grãos recristalizados, a segunda porção do conduto de grão auxiliar pode apresentar pelo menos uma parte tendo uma seção circular de diâmetro D, a dita parte sendo afastada de uma distância L da cavidade, uma razão R=L/D entre a distância L e o diâmetro D estando compreendida entre 16,4 e 18,9 ao longo da dita parte.

[0016] Para reduzir ainda mais o aparecimento de porosidades no nível da plataforma e do talão, a segunda porção do conduto de grão auxiliar pode compreender um alimentador em cada uma de suas extremidades. A primeira porção pode compreender um alimentador em uma extremidade.

[0017] A pá pode ser uma pá de turbina de turbomáquina aeronáutica.

[0018] Para facilitar a desmoldagem da pá, a segunda porção do conduto auxiliar de grão pode apresentar uma estricção, ou seja, um estreitamento local de sua seção, por exemplo no nível do meio da dita segunda porção. Com efeito, o conduto auxiliar de grão poderá romper mais facilmente no nível desta estrição na ocasião da desmoldagem.

[0019] A invenção visa igualmente uma instalação para fabricar uma pá moldada a partir de um metal em fusão, compreendendo um molde tal como aquele apresentado precedentemente e meios de obtenção de grão monocristalino ligados ao molde.

[0020] Os meios de obtenção de grão monocristalino podem compreender um germe monocristalino ou um conduto seletor de grão.

[0021] A invenção visa enfim um processo de fabricação de uma pá de turbomáquina monocristalina, compreendendo as seguintes etapas: - o preenchimento de um molde de uma instalação tal como aquela apresentada precedentemente com um metal em fusão, e - a solidificação dirigida do metal presente no molde de maneira a obter uma pá moldada.

[0022] O processo pode compreender ainda uma etapa de tratamento térmico da pá obtida. Este tratamento térmico permite relaxar as tensões residuais no interior da pá moldada que podem ser devidas notadamente à moldagem e à solidificação do metal, a fim de obter uma microestrutura estável e propriedades mecânicas controladas na peça final.

Breve descrição dos desenhos

[0023] Outras características e vantagens da presente invenção vão ressaltar da descrição dada abaixo, com referência aos desenhos anexos que ilustram exemplos de realização da mesma desprovidos de qualquer caráter limitativo. Nas figuras: - a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma instalação de acordo com a invenção, - a figura 2 é uma vista em corte de um molde de acordo com um modo de realização da invenção, - as figuras 3 e 4 são vistas em corte de moldes de acordo com diferentes modos de realização da invenção, e - a figura 5 é um fluxograma representando as principais etapas de um processo de fabricação de uma pá monocristalina de acordo com um modo de realização da invenção.

Descrição detalhada da invenção

[0024] A figura 1 mostra uma instalação 1 para fabricar por fundição uma pá de turbina de turbomáquina aeronáutica monocristalina de acordo com a invenção. A instalação 1 compreende uma bucha 2 pela qual um metal em fusão pode ser vertido, a bucha 2 é configurada para preencher com este metal um molde 3 compreendendo uma cavidade 4 tendo aqui a forma de uma pá de turbina de turbomáquina aeronáutica. O molde 3 compreende, de acordo com a invenção, um conduto de grão auxiliar 5. O molde 4 encima e é ligado a um conduto seletor de grão 6 que permite obter uma pá monocristalina após uma solidificação dirigida do metal presente no molde 3. Vai-se notar que a instalação representada na figura 1 é prevista para fabricar uma única pá, sendo naturalmente considerável dispor de uma instalação para fabricar uma pluralidade de pás.

[0025] A figura 2 mostra uma vista em corte da cavidade 4 do molde 3 à qual é ligado o conduto auxiliar de grão 5. Vai-se notar que nas figuras 1 e 2, para mais de legibilidade, a parede de material cerâmico da l instalação 1 e do molde 3 não foi representada; em outros termos, estas figuras mostram somente as partes internes da instalação 1 ou do molde 3 em que um metal em fusão pode ser introduzido.

[0026] Em toda a exposição, os termos «inferior» e «superior» são definidos em relação à direção DR, a seta da direção DR apontando para o exterior. Os termos «a montante» e «a jusante» são definidos em relação à direção DA, a seta da direção DA apontando para a jusante. Em outros termos, a montante e a jusante são definidos em relação à direção de escoamento do fluxo gasoso em torno da pá quando a pá é montada em uma turbomáquina.

[0027] A cavidade 4 apresenta a forma de uma pá de turbina de turbomáquina aeronáutica e compreende: uma parte 40 formando o pé da pá, uma parte 41 formando a plataforma da pá, uma parte 42 formando a palheta da pá, e uma parte 43 formando o talão da pá. A parte 40 formando pé é ligada no nível de seu fundo ao conduto seletor de grão 6. De maneira conhecida em si, a pá se estende longitudinalmente entre um pé e um ápice. Na pá moldada, a plataforma é posicionada do lado da extremidade inferior da palheta, entre o pé e a palheta, e o talão é posicionado na extremidade superior da palheta, ou seja, no ápice da pá. A plataforma se estende transversalmente entre uma extremidade a jusante, também chamada spoiler a jusante e uma extremidade a montante, também chamada apelada spoiler a montante. O talão se estende transversalmente entre uma extremidade a montante, também chamada spoiler a montante e uma extremidade a jusante, também chamada spoiler a jusante. A plataforma e o talão têm notadamente por função definir a passagem de escoamento do fluxo gasoso na turbina. A palheta se estende longitudinalmente entre a plataforma e o talão, e transversalmente entre uma borda de ataque e uma borda de fuga.

[0028] A parte 41 da cavidade 4 formando plataforma é provida de uma subparte 411 formando um spoiler a montante da plataforma e de uma subparte 412 formando um spoiler a jusante da plataforma. As subpartes formando spoilers 411, 412 têm uma forma sensivelmente plana e se estendem sensivelmente segundo a direção DA.

[0029] A parte 43 da cavidade 4 formando talão é provida de uma subparte 431 formando spoiler a montante do talão (ou uma primeira extremidade do talão), e de uma subparte 432 formando spoiler a jusante do talão (ou uma segunda extremidade do talão). As subpartes 431, 432 formando spoilers são sensivelmente planas. A subparte 432 formando o spoiler a jusante do talão se estende para a jusante sensivelmente segundo direção DA, enquanto que a subparte 431 formando o spoiler a montante se estende para a montante e é inclinada em relação à direção DA. A parte 43 compreende ainda subpartes 433 que se estendem geralmente segundo a direção DR e que são destinadas a formar os limpadores da pá. O preenchimento da cavidade 4 é efetuado por sua parte superior no nível da parte 43, os condutos de preenchimento a partir da bucha 2 da l instalação 1 são representas em traços pontilhados na figura 2.

[0030] De acordo com a invenção, o molde 3 compreende um conduto de grão auxiliar 5 compreendendo uma primeira porção 51 e uma segunda porção 52 prolongando a primeira porção 51. As primeira 51 e segunda 52 porções do conduto 5 estão em comunicação fluida uma com a outra. A primeira porção 51 desemboca em uma extremidade inferior 511 na parte 40 da cavidade 3 formando pé e em uma extremidade superior 512 na subparte 412 formando spoiler a jusante da plataforma. A segunda porção 52 desemboca em uma extremidade inferior 521 na subparte 412, aqui no mesmo local que a primeira porção 51 e em uma extremidade superior 522 na subparte 432 formando spoiler a jusante do talão.

[0031] A primeira porção 51 do conduto 5 se estende, no nível de sua extremidade inferior 511, a partir de uma parede a jusante 401 da parte 40 da cavidade 4. No exemplo ilustrado, a primeira porção 51 se estende a partir da parede a jusante 401 fazendo um ângulo α com esta última de cerca 60°, este ângulo α pode estar compreendido entre 54° e 62°. A primeira porção 51 descreve uma forma curva ou arredondada entre a parte 40 e a subparte 412.

[0032] A segunda porção 52 do conduto 5 se estende, no nível de sua extremidade inferior 521, a partir da subparte 412 formando spoiler a jusante da plataforma. No exemplo ilustrado, a segunda porção 52 se estende a partir da subparte 412 fazendo um ângulo β com esta última de cerca de 115°, este ângulo β pode estar compreendido entre 110° e 115°. Na sua extremidade superior 522, a segunda porção 52 se estende a partir da subparte 432 formando spoiler a jusante do talão. No exemplo ilustrado, a segunda porção 54 se estende a partir da subparte 432 fazendo um ângulo Y de cerca de 115° com esta última, este ângulo y pode estar igualmente compreendido entre 110° e 115°.

[0033] A segunda porção 52 pode apresentar pelo menos em parte uma seção circular de diâmetro D. No exemplo ilustrado, a segunda porção 52 pode apresentar porções 523 que são afastadas da parte 42 da cavidade 3 formando palheta de uma distância L. As porções 523 são aqui sensivelmente retilíneas. A razão R=L/D pode, ao longo destas porções 523, estar compreendida entre 16,4 e 18,9.

[0034] No exemplo ilustrado, a segunda porção 52 apresenta no nível de uma parte mediana desta última, uma estricção 524, correspondente a uma diminuição local do diâmetro da segunda porção 52. Esta estricção pode permitir posteriormente uma ruptura mais fácil da segunda porção 52 do conduto 5 após solidificação dirigida do metal, a fim de reduzir as tensões impostas à pá moldada.

[0035] A primeira porção 51 pode apresentar no nível de sua extremidade superior 512 um alimentador 513 visível na figura 1. A segunda porção 52 pode apresentar no nível de sua extremidade inferior 521 e no nível de sua extremidade superior 522 dois alimentadores 525 e 526 (figura 1). Os alimentadores correspondem a um alargamento das porções 51, 52 do conduto 5 no nível dos spoilers 412, 432. Como indicado precedentemente, estes alimentadores 513, 525, 526 podem permitir reduzir o aparecimento de porosidades nos spoilers da pá moldada. Com efeito, os alimentadores permitem melhorar a alimentação em metal líquido das partes da cavidade 4 formando spoilers da pá, o que modifica as isotermas de resfriamento nestas partes e reduz a formação de porosidades durante a solidificação.

[0036] Vai-se notar que, no exemplo ilustrado, o conduto 5 é posicionado do lado a jusante da cavidade 4 (ou seja notadamente ligado às subpartes 412, 432 formando spoilers a jusante), é, todavia, considerável posicioná-lo do lado a montante ligando-o notadamente às subpartes 411, 431 formando spoilers a montante.

[0037] Vai-se notar igualmente que as características preferidas, com respeito aos ângulos α, β e y, assim como a razão R foram ilustradas sobre um mesmo molde 3, mas podem não ser aplicadas simultaneamente.

[0038] As figuras 3 e 4 mostram respectivamente o molde 3 apresentado precedentemente assim como um molde 3’ de acordo com um outro modo de realização da invenção. Nestas figuras, os moldes 3, 3’ são representados munidos de sua carapaça de cerâmica 7. As carapaças cerâmicas dos moldes 3 e 3’ são realizadas de acordo com um mesmo modo operatório para poder ser comparadas.

[0039] O conduto de grão auxiliar 5’ do molde 3’ apresenta uma primeira porção 5 que é retilínea e se estende com um ângulo estritamente inferior a 54° a partir da parte 40, este ângulo é aqui da ordem de 45°. O conduto 5’ apresenta uma segunda porção 52’ que prolonga a primeira porção 5 e que se estende a partir da subparte 412 formando spoiler a jusante da plataforma com um ângulo da ordem de 90°.

[0040] Pode-se ver que a geometria do conduto 5 do molde 3 (figura 3) permite obter uma espessura e da carapaça cerâmica 7 no nível da parede da parte 42 situada em frente do conduto 5 que é inferior à espessura e’ obtida para o molde 3’ (figura 4). Esta diferença de espessura se torna possível graças à forma otimizada do conduto 5, apresentada precedentemente, em relação ao conduto 5’. Além disso, no molde 3, pode-se ver que a geometria do primeiro conduto 51 permite obter um espaço vazio 70 entre o primeiro conduto 51 e a parte 40; enquanto que no molde 3’, a geometria do primeiro conduto 5 pode levar ao preenchimento deste espaço pela cerâmica e formar uma carapaça cerâmica mais espessa. Como explicado precedentemente, a redução da espessura da carapaça cerâmica permite reduzir ainda mais as tensões exercidas sobre a pá moldada e o aparecimento eventual de grãos recristalizados em sequência a um tratamento térmico.

[0041] A instalação 1 que foi descrita precedentemente pode ser realizada inteiramente de material cerâmico, por exemplo por um processo de fundição por cera perdida. De maneira conhecida em si, um modelo da instalação 1 em cera deve inicialmente ser fabricado. Depois disso, este modelo em cera é recoberto de uma carapaça de cerâmica por imersões sucessivas em uma pasta semifluida adequada (imersão/revestimento). A cerâmica é em seguida cozida e a cera retirada para obter a instalação 1 de material cerâmico.

[0042] A figura 5 ilustra as principais etapas de um processo de fabricação de uma peça moldada a partir de um metal em fusão empregando uma instalação 1 tal como aquela descrita precedentemente. A primeira etapa El do processo consiste em preencher o molde 3, 3’ da instalação 1 vertendo um metal em fusão na instalação. Para fazer isto, pode-se verter o metal diretamente na bucha 2 da instalação 1 e ele poderá caminhar por gravidade até preencher o molde 3, 3’.

[0043] A segunda etapa E2 consiste em realizar a solidificação dirigida do metal presente no molde, de maneira a obter a pá moldada. A solidificação dirigida é realizada em um forno adaptado no qual se coloca a instalação. O forno permite controlar o crescimento dos grãos cristalizados, a fim de obter uma pá monocristalina graças à a presença de um conduto seletor de grão 6 ou de um germe monocristalino. A carapaça pode ter já começado a romper desde o fim da solidificação dirigida. Uma vez a peça solidificada, pode-se desprende-la. Pode-se em seguida recortar as partes ligadas à pá correspondente notadamente no conduto auxiliar de grão 5, 5’.

[0044] Enfim, é possível realizar uma última etapa E3 consistindo em um tratamento térmico que permite notadamente dissipar as tensões residuais na peça moldada. Para uma pá de superliga do tipo AMI, o tratamento térmico pode por exemplo consistir em submeter a pá a uma temperatura compreendida entre 1270°C e 1330°C por uma duração compreendida entre 18 horas e 23 horas. Graças ao emprego de um molde 3, 3’ de acordo com a invenção, uma redução do aparecimento de grãos recristalizados em sequência a esta etapa foi observada.

[0045] Em toda a exposição, os termos «compreendido entre ... e ...» devem ser entendidos como incluindo os limiares.

Claims (7)

1. Molde (3; 3’) de material cerâmico destinado a ser utilizado para moldar uma pá de turbomáquina a partir de um metal em fusão, a pá compreendendo um pé, uma plataforma, uma palheta, e um talão, o molde caracterizado pelo fato de que compreende: - uma cavidade (4) tendo a forma da pá, e - um conduto de grão auxiliar (5, 5’) compreendendo uma primeira porção (51; 51’) e uma segunda porção (52’; 52 prolongando a primeira porção, a dita primeira porção desembocando em uma extremidade (511) em uma primeira parte (40) da cavidade formando o pé da pá e em uma outra extremidade (512) em uma segunda parte (412) da cavidade formando um spoiler da plataforma da pá, a dita segunda porção (52; 52’) desembocando em uma extremidade (521) na dita segunda parte (412) da cavidade e em uma outra extremidade (522) em uma terceira parte (432) da cavidade formando um spoiler do talão da pá, no qual a primeira porção (51) do conduto de grão auxiliar (5) se estende a partir de uma parede (401) da primeira parte (40) da cavidade (4) em uma direção fazendo um ângulo (α) compreendido entre 54° e 62° com a dita parede, no qual a segunda porção (52) do conduto de grão auxiliar (5) se estende a partir da segunda parte (412) da cavidade (4) em uma direção fazendo um ângulo (β) compreendido entre 110° e 115° com a dita segunda parte, e no qual a segunda porção (52) do conduto de grão auxiliar (5) se estende a partir da terceira parte (432) da cavidade (4) em uma direção fazendo um ângulo (y) compreendido entre 110° e 115° com a dita terceira parte.

2. Molde (3) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda porção (52) do conduto de grão auxiliar (5) apresenta pelo menos uma parte (523) tendo uma seção circular de diâmetro D, a dita parte sendo afastada de uma distância L da cavidade, uma razão R=L/D entre a distância L e o diâmetro D estando compreendida entre 16,4 e 18,9 ao longo da dita parte.

3. Molde (3) de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a segunda porção (52) do conduto de grão auxiliar (5) compreende um alimentador (525, 526) em cada uma de suas extremidades.

4. Molde de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a pá é uma pá de turbina de turbomáquina aeronáutica.

5. Instalação (1) para fabricar uma pá moldada a partir de um metal em fusão, caracterizada pelo fato de que compreende: - um molde (3; 3’) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, e - meios de obtenção de grão monocristalino (6) ligados ao molde.

6. Instalação (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que os meios de obtenção de grão monocristalino compreendem um germe monocristalino ou um conduto seletor de grão (6).

7. Processo de fabricação de uma pá de turbomáquina monocristalina, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - o preenchimento (El) de um molde (3; 3’) de uma instalação (1) de acordo com uma qualquer das reivindicações 5 e 6 com um metal em fusão, e - a solidificação dirigida (E2) do metal presente no molde (3; 3’) de maneira a obter uma pá moldada.

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