EP0072329B1 - Procédé de confection d'un élément de moule à carapace céramique et élément de moule obtenu - Google Patents

Procédé de confection d'un élément de moule à carapace céramique et élément de moule obtenu Download PDF

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EP0072329B1
EP0072329B1 EP82401491A EP82401491A EP0072329B1 EP 0072329 B1 EP0072329 B1 EP 0072329B1 EP 82401491 A EP82401491 A EP 82401491A EP 82401491 A EP82401491 A EP 82401491A EP 0072329 B1 EP0072329 B1 EP 0072329B1
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Creusot Loire SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns

Definitions

  • the present invention relates to a method of making a mold element (mold or core) constituted by a ceramic shell and to the mold element thus obtained. This process is intended to be used in precision foundry.
  • the process for molding a ceramic shell derived from the lost wax process is known from French patent 1 204 586.
  • This process consists in producing a thin refractory shell by depositing successive refractory layers around a wax model. Each refractory layer is deposited using a slip comprising an acid reaction binder or a basic reaction and a refractory filler. Each time the slip is coated, a dusting (stuccoing) is carried out using a refractory powder.
  • the binder must be refractory and have cold and hot agglomerating properties. Either ethyl silicate (organic silicate with an acid reaction) or sodium silicate (inorganic silicate with an alkaline reaction) is used.
  • the shell is often formed in accordance with French patent 1 327 999 by depositing a layer with an alkaline binder followed by a layer with an acid binder in order to promote the setting of the binders.
  • the wax model coated with its refractory shell is dewaxed in a heating oven.
  • a core of this type can be produced in several parts, but mounting the entire core then poses delicate positioning problems.
  • the present invention therefore relates to a method of making a mold element consisting of carrying out a succession of layers using a slip comprising a refractory powder and a binder having agglomerating properties hot and cold, each deposition of a layer being followed by a dusting with the aid of a refractory powder and in carrying out a firing, this process making it possible to produce a one-piece mold element of large dimensions having recesses in undercuts, such as a core for the molding of a turbomachine impeller, of a lightened structure and of great dimensional precision.
  • the method according to the invention consists in producing a box in which are mounted added parts of material which disintegrates during cooking, in coating the box with a thin film of a release agent, then in performing directly depositing the succession of layers, so as to obtain a shell comprising walls, partitions having recesses corresponding to the added parts and internal cavities, to extract said shell from the box, leaving the added parts embedded in the shell, these added parts being destroyed during cooking.
  • the different layers are deposited using an ethyl silicate slip.
  • the method consists in mounting, inside the box, blades added in plastic material to form the refractory shell and in dismantling the box, leaving the blades inside the shell.
  • the core-type mold element obtained by the process has undercut recesses which correspond to blades and is characterized by the fact that it forms two walls joined by partitions having recesses corresponding to the blades and forms between said walls and said partitions of the internal cavities which open outwards.
  • a box 1 is used which matches the external shape of the ceramic shell mold element which it is desired to obtain.
  • This multi-part box is made of a rigid material, preferably laminated resin, by overmolding a wooden core.
  • the refractory shell is then made up of several layers deposited successively on the internal faces of the box and on the attached parts which are eliminated during cooking.
  • a slip is used which is introduced into the box.
  • This slip has a refractory filler and a binder having cold and hot agglomerating properties.
  • This binder is formed by organic silicate with an acid reaction (ethyl silicate) of alcohol and acid. The hydrolysis of ethyl silicate in an alcoholic medium gives colloidal silica.
  • the deposit by the slip is followed by a dusting (stuccoing) of the layer using a refractory powder. Gelation is obtained by hot air or ammonia vapor. The operation is repeated several times until a shell of sufficient thickness is obtained.
  • the first layer is deposited directly in contact with the box. It is carried out using a slip with a binder of ethyl silicate.
  • the monobloc shell is extracted from the box. At this stage the plastic parts remain embedded in the shell.
  • the shell is then cooked in a heating oven. During this cooking, the attached plastic parts disintegrate, the residue being removed after cooking. Likewise, the alcohol in the binder is eliminated during cooking. At the end of cooking, the mold element has recesses corresponding to the plastic parts that cooking has made it possible to eliminate.
  • the method according to the invention applies to the production of mold elements having a shape of revolution such as the cores of single or double wheels of turbomachinery but also to mold elements of parts not having a shape of revolution (Pelton wheel bucket for example).
  • This box 1 corresponds to the outside of the wheel which it is desired to obtain. It consists of several separable parts.
  • the box shown in the drawings has two flanges 11 and 12.
  • the recesses of the core corresponding to the blades of the wheel and the inserts therefore have substantially the profile of the blades of the wheel.
  • a set of plastic blades is produced. These blades, identified 21 are then positioned and fixed in the box 1. Each blade is held between the flanges 11 and 12 by a fixing system allowing the separation of the flanges 11 and 12; for example to secure the material blades.
  • the two flanges 11 and 12 have, on the faces corresponding to the outside of the core, positioning pins (or grooves) corresponding to the radial profile of the blades and the blades have grooves (or tenons) which fit onto the tenons (or in the grooves) of the flanges.
  • the refractory shell 3 is then produced in accordance with the method explained above, the first layer which comes into contact with the internal walls of the box and the added blades being produced with an ethyl silicate slip.
  • the gelation is carried out as explained above.
  • the box is then dismantled so as to extract the shell from the box.
  • the blades 2 are then embedded in the shell ( Figure 5). Cooking is carried out as explained above.
  • FIG. 6 represents the embodiment which corresponds to FIGS. 1 to 4.
  • This monobloc core consists of the walls 31 and 32 joined by intermediate partitions 33 in which are formed recesses 34 which open out on the external faces of the two flanges. These recesses 34 correspond to the blades of the rotor. Between the walls 31 and 32 and the partitions 33 are formed internal cavities, in a scroll, which communicate with each other and open outwards through at least one peripheral opening 35 which opens onto the large diameter of the core entered into the walls 31 and 32. This opening 35 allows the filling and emptying of the slip during the formation of the shell.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé de confection d'un élément de moule (moule ou noyau) constitué par une carapace céramique et à l'élément de moule ainsi obtenu. Ce procédé est destiné à être utilisé en fonderie de précision.
  • Le procédé de moulage en carapace céramique dérivé du procédé en cire perdue est connu par le brevet français 1 204 586. Ce procédé consiste à réaliser une carapace réfractaire mince par dépôt de couches réfractaires successives autour d'un modèle en cire. Chaque couche réfractaire est déposée à l'aide d'une barbotine comprenant un liant à réaction acide ou à réaction basique et une charge réfractaire. A chaque enduction de la barbotine on opère un saupoudrage (stucage) à l'aide d'une poudre réfractaire. Le liant doit être réfractaire et avoir des propriétés agglomérantes à froid et à chaud. On utilise soit le silicate d'éthyle (silicate organique à réaction acide) soit le silicate de soude (silicate inorganique à réaction alcaline). On forme souvent la carapace conformément au brevet français 1 327 999 en déposant une couche à liant alcalin suivie d'une couche à liant acide afin de favoriser la prise des liants. Le modèle en cire revêtu de sa carapace réfractaire est déciré dans un four de chauffage.
  • Dans un autre procédé de moulage en carapace céramique décrit dans le brevet français 1 384 487, on confectionne la carapace réfractaire sur des plaques-modèles rigides. Ce procédé exige toutefois que les plaques-modèles soient recouvertes d'une matière élastique ce qui nuit à la précision dimensionnelle.
  • Les procédés précités conviennent mal à la confection de noyaux à carapaces céramiques de grandes dimensions tels que les noyaux ménageant des évidements courbes et gauches tels que ceux utilisés pour le moulage des roues à aubes de turbomachines. On peut réaliser un noyau de ce type en plusieurs parties mais le montage de l'ensemble du noyau pose ensuite de délicats problèmes de positionnement.
  • On a par exemple proposé dans le brevet GB-A-876 805 de réaliser un moule réfractaire en deux parties élaborées séparément. Chaque partie de moule est constituée par une carapace qui est formée sur une plaque-modèle par dépôt de couches d'une composition liquide durcissable renfermant du matériau réfractaire et de couches de particules réfractaires. Un tel procédé ne peut cependant être appliqué, de façon satisfaisante dans le cas de pièces moulées de grandes dimensions et d'une grande précision dimensionnelle, telles que des roues à aubes de turbines.
  • La présente invention a donc pour objet un procédé de confection d'un élément de moule consistant à effectuer une succession de couches à l'aide d'une barbotine comprenant une poudre réfractaire et un liant ayant des propriétés agglomérantes à chaud et à froid, chaque dépôt d'une couche étant suivi d'un saupoudrage à l'aide d'une poudre réfractaire et à effectuer une cuisson, ce procédé permettant de réaliser un élément de moule monobloc de grandes dimensions présentant des évidements en contre-dépouilles, tel qu'un noyau pour le moulage d'une roue à aubes de turbomachine, d'une structure allégée et d'une grande précision dimensionnelle.
  • Dans ce but, le procédé selon l'invention consiste à réaliser une boite dans laquelle sont montées des parties rapportées en matière se désagrégeant à la cuisson, à enduire la boite d'un film mince d'un agent de démoulage, puis à effectuer directement le dépôt de la succession des couches, de manière à obtenir une carapace comportant des parois, des cloisons présentant des évidements correspondant aux parties rapportées et des cavités internes, à extraire ladite carapace de la boite en laissant les parties rapportées encastrées dans la carapace, ces parties rapportées étant détruites à la cuisson.
  • Selon une caractéristique du procédé les différentes couches dont la première couche qui vient directement au contact de la boite sont déposées à l'aide d'une barbotine au silicate d'éthyle.
  • Dans le cas d'un noyau de moulage d'une roue de turbomachine, le procédé consiste à monter, à l'intérieur de la boite, des aubes rapportées en matière plastique à former la carapace réfractaire et à démonter la boite en laissant les aubes à l'intérieur de la carapace.
  • L'élément de moule de type noyau obtenu par le procédé comporte des évidements en contre-dépouille qui correspondent à des aubes et il est caractérisé par le fait qu'il forme deux parois réunies par des cloisons comportant des évidements correspondant aux aubes et forme entre lesdites parois et lesdites cloisons des cavités internes qui débouchent vers l'extérieur.
  • L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant aux dessins annexés.
    • La figure 1 représente, en élévation, une boite à noyau servant à la confection d'un noyau pour le moulage d'une roue à aubes courbes et gauches.
    • La figure 2 est une vue de dessus de la boite représentée sur la figure 1.
    • La figure 3 est une coupe partielle selon III-III des figures 1 et 2.
    • La figure 4 représente une coupe axiale de la boite dans laquelle la carapace réfractaire a été constituée.
    • La figure 5 est une vue en perspective du noyau à carapace réfractaire, après démoulage et avant cuisson.
    • La figure 6 est une vue en perspective du noyau à carapace réfractaire après cuisson.
    • La figure 7 représente une coupe axiale d'une boite dans laquelle on réalise la carapace réfractaire du noyau monobloc d'une roue double de turbomachine.
    • La figure 8 est une coupe selon VIII-VIII de la figure 7.
  • Dans le procédé selon l'invention on utilise une boite 1 qui épouse la forme extérieure de l'élément de moule à carapace céramique que l'on veut obtenir. Cette boite en plusieurs parties est réalisée en un matériau rigide, de préférence en résine stratifiée, par surmoulage d'un noyau en bois.
  • On réalise séparément des pièces rapportées correspondant aux évidements en contre-dépouille prévus dans le noyau. Ces pièces sont réalisées en matière plastique se détruisant à la cuisson de la carapace céramique. Cette matière plastique présente des propretés thermiques et mécaniques convenables en particulier un retrait et une dilatation négligeables ou nuls et une grande résistance mécanique. On monte ensuite à l'intérieur de la boite ces parties rapportées en matière plastique. On enduit à l'aide d'un agent de démoulage les parois internes de la boite et les parties rapportées contre lesquelles vont être déposées les couches. L'agent de démoulage est un produit antiadhésif tel qu'un produit à base de silicone ou de graphite colloïdal.
  • La carapace réfractaire est ensuite constituée en plusieurs couches déposées successivement sur les faces internes de la boite et sur les parties rapportées s'éliminant à la cuisson. Pour déposer chaque couche réfractaire on utilise une barbotine que l'on introduit dans la boite. Cette barbotine comporte une charge réfractaire et un liant ayant des propriétés agglomérantes à froid et à chaud. Ce liant est formé par du silicate organique à réaction acide (silicate d'éthyle) de l'alcool et de l'acide. L'hydrolyse du silicate d'éthyle en milieu alcoolique donne de la silice colloïdale. Le dépôt par la barbotine est suivi par un saupoudrage (stucage) de la couche à l'aide d'une poudre réfractaire. La gélification est obtenue par de l'air chaud ou de vapeur d'ammoniac. L'opération est répétée plusieurs fois jusqu'à obtention d'une carapace d'épaisseur suffisante. La première couche est déposée directement au contact de la boite. Elle est effectuée à l'aide d'une barbotine à liant au silicate d'éthyle.
  • La carapace monobloc est extraite de la boite. A ce stade les parties rapportées en matière plastique restent encastrées dans la carapace.
  • La carapace subit ensuite une cuisson dans un four de chauffage. Pendant cette cuisson les parties rapportées en matière plastique se désagrègent, le résidu étant éliminé après cuisson. De même l'alcool du liant est éliminé à la cuisson. A la fin de la cuisson l'élément de moule comporte des évidements correspondant aux parties en matière plastique que la cuisson a permis d'éliminer.
  • Le procédé selon l'invention s'applique à la réalisation d'éléments de moule ayant une forme de révolution tels que les noyaux de roues simples ou doubles de turbomachines mais également à des éléments de moule de pièces n'ayant pas une forme de révolution (auget de roue Pelton par exemple).
  • Dans le cas d'un noyau de roue de turbomachine, la boite rigide est représentée par les figures 1, 2, 4, 7. Cette boite 1 correspond à l'extérieur de la roue que l'on veut obtenir. Elle est constituée de plusieurs parties séparables. La boite représentée sur les dessins comporte deux flasques 11 et 12.
  • Dans le cas du noyau de roue de turbomachine représenté par les figures, les évidements du noyau correspondant aux aubes de la roue et les pièces rapportées ont donc sensiblement le profil des aubes de la roue. On réalise un jeu d'aubes en matière plastique. Ces aubes, repérées 21 sont ensuite positionnées et fixées dans la boite 1. Chaque aube est maintenue entre les flasques 11 et 12 par un système de fixation permettant la séparation des flasques 11 et 12; par exemple pour réaliser la fixation des aubes en matière. plastique, les deux flasques 11 et 12 comportent, sur les faces correspondant à l'extérieur du noyau, des ténons (ou rainures) de positionnement correspondant au profil radial des aubes et les aubes comportent des rainures (ou tenons) qui s'emboîtent sur les tenons (ou dans les rainures) des flasques.
  • On enduit, à l'aide d'un agent de démoulage, les parties de la boite et les parties rapportées contre lesquelles vont être déposées les couches réfractaires de la carapace. Ainsi sur le boitier représenté par les figures 1 et 2, ou 7 on enduit les faces 111 et 112 ainsi que les surfaces des aubes 21.
  • On réalise ensuite la carapace réfractaire 3 conformément à la méthode expliquée précédemment, la première couche qui vient au contact des parois internes de la boite et des aubes rapportées étant réalisée avec une barbotine au silicate d'éthyle. La gélification est réalisée comme expliqué précédemment. On démonte ensuite la boite de manière à extraire la carapace de la boite. Les aubes 2 sont alors encastrées dans la carapace (figure 5). La cuisson est effectuée comme expliqué précédemment.
  • L'invention concerne un noyau à carapace réfractaire du type noyau de rotor de turbomachine (pompe, etc...). La figure 6 représente le mode de réalisation qui correspond aux figurés 1 à 4. Ce noyau monobloc se compose des parois 31 et 32 réunies par des cloisons intermédiaires 33 dans lesquelles sont ménagés des évidements 34 qui débouchent sur les faces extérieures des deux flasques. Ces évidements 34 correspondent aux aubes du rotor. Entre les parois 31 et 32 et les cloisons 33 sont ménagées des cavités internes, en volute, qui communiquent entre elles et débouchent vers l'extérieur par au moins une ouverture périphérique 35 qui s'ouvre sur le grand diamètre du noyau entré les parois 31 et 32. Cette ouverture 35 permet le remplissage et le vidage de la barbotine au moment de la formation de la carapace.

Claims (7)

1. Procédé de confection d'un élément de moule consistant à effectuer une succession de couches à l'aide d'une barbotine comprenant une poudre réfractaire et un liant ayant des propriétés agglomérantes à chaud et à froid, chaque dépôt d'une couche étant suivi d'un saupoudrage à l'aide d'une poudre réfractaire, à effectuer une cuisson, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser une boîte (1) dans laquelle sont montées des parties rapportées (2) en matière se désagrégeant à la cuisson, à enduire la boîte d'un film mince d'un agent de démoulage, puis à effectuer directement le dépôt de la succession des couches, de manière à obtenir une carapace (3) comportant des parois (31, 32), des cloisons (33) présentant des évidements (34) correspondant aux parties rapportées et des cavités internes, à extraire ladite carapace de la boîte en laissant les parties rapportées encastrées dans la carapace, ces parties rapportées étant détruites à la cuisson.
2. Proçédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première couche est obtenue à l'aide d'une barbotine à liant au silicate d'éthyle.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'agent de démoulage est un produit anti-adhésif à base de silicone ou de graphite colloïdal.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser des pièces rapportées (21) en forme d'aubes, à réaliser une boîte formée de flasques (11, 12) en matière plastique correspondant à l'extérieur d'une roue de turbomachine et à fixer les aubes (21) auxdits flasques.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser une boîte (1) en plusieurs parties.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser une boîte (1) en résine stratifiée.
7. Elément de moule, de type noyau monobloc comportant des évidements en contre-dépouille et utilisé pour le moulage d'une roue à aubes de turbomachine, caractérisé par le fait que le noyau est creux et comporte des parois (31-32) réunies par des cloisons (33) présentant des évidements correspondant aux aubes, lesdites parois et lesdites cloisons délimitant des cavités qui débouchent vers l'extérieur.
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