EP1013360B1 - Procédé de fabrication de noyaux céramiques minces pour fonderie - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing thin ceramic cores for precision foundry and its application to the realization of turbine blades.
- foundry cores of a type known as "ceramics” is particularly known in certain applications which impose the obtaining of a set of characteristics and strict criteria of quality such as holding high temperatures, lack of reactivity, stability dimensional and good mechanical characteristics.
- these applications with such requirements will include aeronautical applications and by example, obtaining in the foundry turbine blades for turbojets.
- These fields of application are related to precision casting, in particular to the process known as foundry designation for lost wax. In all cases the use of the core is involved in the manufacture of hollow parts.
- lost wax we use a core of ceramic material that is held in the mold when casting the metal, the outer surface of the core forming the inner surface of an internal cavity of the product finished that way. Precision and stability dimension of the core are therefore essential for meet the targeted thicknesses on metal parts flows.
- compositions intended for the preparation of such nuclei are given by FR-A 2 371 257 and essentially comprise fused silica, flour of zircon and cristobalite which is a form of silica crystallized, a silicone resin being used as binder and additional elements in small quantities such as lubricant and catalyst being added. The process of preparation is also described.
- the cores used for casting the parts and blades are composed of ceramic with a generally porous structure: these cores are made from a mixture consisting of a refractory fraction (in the form of particles) and an organic fraction. more or less complex.
- a refractory fraction in the form of particles
- an organic fraction more or less complex.
- the shaping of the foundry cores in particular from thermoplastic pastes, can be done by molding using, for example, a press injection. This shaping is followed by a debinding operation during which the organic fraction of the core is removed by various known means such as sublimation or thermal degradation, depending on the materials used.
- a porous structure results.
- a heat treatment of the core firing to consolidate the porous structure is then applied to the refractory fraction.
- This treatment introduces a dimensional change, in the form of a shrinkage that is often non-isotropic in the core volume, relative to the original shape. At this point, it may be necessary to reinforce the core so that it is not damaged in the next cycle of use. It is known in this case in particular to impregnate with an organic resin.
- one or more thin cores as well obtained are assembled either between them or on a nucleus central thick.
- the core assembly obtained can then be used in a foundry at lost wax according to current operations known per se of wax injection, clustering, dipping and casting the metal parts to be obtained such as vanes of turbine.
- the preparation is set to low rotation speed, of the order of 1 to 2 revolutions per minute for less 48 hours.
- the solution obtained is spread on a support 1 forming the casting bench.
- a shoe 2 provided of a conteau 3 makes it possible to obtain a strip 4 of thickness constant.
- the strip is preheated in the mold at 100 ° C for 30 minutes.
- the shape mold used is preferably metallic.
- the tape is then pressed in the next step (f).
- a pressure of 40MPa is applied for 3 minutes, the band remaining in the mold.
- the piece obtained can then, at the stage (g) next, be placed in a ceramic preform and undergo a standard cooking cycle including, in the example of realization whose compositions have been indicated previously maintained at 1250 ° C for 4 hours.
- the thin core obtained is then impregnated with a resin or an organic polymer.
- the core obtained thus has sufficient mechanical strength to allow its use in its application in foundry where it will be subjected to pressure efforts especially during the injection of wax in the known process in itself foundry lost wax.
- Figure 2 shows a thin core 5 used for the manufacture of a blade of turbine 6.
- the thin core obtained and to ensure the geometries of wanted foundry piece can then be assembled with other thin nuclei or a thick central nucleus obtained for example by a conventional method of manufacture of foundry cores.
- various techniques can be used.
- the thin core can be assembled by gluing, in using, for example, a silica-based ceramic glue colloidal and a mullite-type mineral filler in mass proportions of 30 for 70 for example.
- a relationship mechanically by tenon-mortise system can also allow to perform the assembly.
- the liaison can be provided by a quartz tube through the cores and the tube is held in its cavity by glue ceramic.
- the multi-core obtained after assembly can then be used as a standard foundry core and suffer the operations of the foundry cycle: injection of wax, implementation bunch, soaked, pouring the piece to get, cooling, elimination of the nucleus.
- One of the advantages of using compliant thin cores to the invention is to facilitate the operations of point of the cooling of the parts with cavities obtained such only turbine blades. Indeed, the modifications are facilitated because the cores obtained are machinable.
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Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication de
noyaux céramiques minces pour fonderie de précision et son
application à la réalisation d'aubes de turbine.
L'utilisation de noyaux de fonderie d'un type dits
"céramiques" est notamment connue dans certaines applications
qui imposent l'obtention d'un ensemble de caractéristiques et
de critères sévères de qualité comme la tenue aux hautes
températures, l'absence de réactivité, la stabilité
dimensionnelle et de bonnes caractéristiques mécaniques.
Parmi ces applications présentant de telles exigences, on
citera notamment les applications aéronautiques et par
exemple, l'obtention en fonderie d'aubes de turbine pour
turboréacteurs. Le perfectionnement des procédés de fonderie,
évoluant de la fonderie équiaxe à la fonderie par
solidification dirigée ou monocristalline, a encore accru ces
exigences concernant les noyaux dont l'utilisation et la
complexité sont imposées par la recherche des hautes
performances pour les pièces à obtenir, comme c'est le cas
par exemple pour les aubes creuses à refroidissement interne.
Ces domaines d'application se rattachent aux procédés de
fonderie de précision, notamment au procédé connu sous la
désignation de fonderie à la cire perdue. Dans tous les cas
l'utilisation du noyau intervient pour la fabrication de
pièces creuses.
Dans la méthode de fonderie dite à la cire perdue, on utilise
un noyau en matériau céramique qui est tenu dans le moule
lors de la coulée de métal, la surface extérieure du noyau
formant la surface intérieure d'une cavité interne du produit
fini obtenu de cette façon. La précision et la stabilité
dimensionnelle du noyau sont donc essentielles pour
satisfaire aux épaisseurs visées sur pièces métalliques
coulées.
Des exemples de composition connues destinées à la
préparation de tels noyaux sont donnés par FR-A 2.371.257 et
comportent essentiellement de la silice fondue, de la farine
de zircon et de la cristobalite qui est une forme de silice
cristallisée, une résine de silicone étant utilisée comme
liant et des éléments additionnels en faibles quantités tels
que lubrifiant et catalyseur étant ajoutés. Le procédé de
préparation est également décrit.
De manière générale, les noyaux utilisés pour couler les
pièces et aubes sont composés de céramique à structure
généralement poreuse : ces noyaux sont réalisés à partir d'un
mélange constitué d'une fraction réfractaire (sous forme de
particules) et d'une fraction organique plus ou moins
complexe. Un autre exemple est décrit par EP-A 0 328 452.
De manière connue en soi, la mise en forme des noyaux de fonderie, notamment à partir de pâtes thermoplastiques, peut se faire par moulage en utilisant par exemple une injection à la presse. Cette mise en forme est suivie d'une opération de déliantage au cours de laquelle la fraction organique du noyau est éliminée par divers moyens connus tels que sublimation ou dégradation thermique, suivant les matériaux utilisés. Une structure poreuse en résulte. Un traitement thermique de cuisson du noyau permettant de consolider la structure poreuse est alors appliqué à la fraction réfractaire. Ce traitement introduit une modification dimensionnelle, sous forme d'un retrait qui est souvent non isotrope dans le volume du noyau, par rapport à la forme initiale.
A ce stade, il peut être nécessaire de renforcer le noyau afin qu'il ne soit pas endommagé dans le cycle suivant d'utilisation. Il est connu dans ce cas notamment d'effectuer une imprégnation au moyen d'une résine organique.
De manière connue en soi, la mise en forme des noyaux de fonderie, notamment à partir de pâtes thermoplastiques, peut se faire par moulage en utilisant par exemple une injection à la presse. Cette mise en forme est suivie d'une opération de déliantage au cours de laquelle la fraction organique du noyau est éliminée par divers moyens connus tels que sublimation ou dégradation thermique, suivant les matériaux utilisés. Une structure poreuse en résulte. Un traitement thermique de cuisson du noyau permettant de consolider la structure poreuse est alors appliqué à la fraction réfractaire. Ce traitement introduit une modification dimensionnelle, sous forme d'un retrait qui est souvent non isotrope dans le volume du noyau, par rapport à la forme initiale.
A ce stade, il peut être nécessaire de renforcer le noyau afin qu'il ne soit pas endommagé dans le cycle suivant d'utilisation. Il est connu dans ce cas notamment d'effectuer une imprégnation au moyen d'une résine organique.
Les perfectionnements apportés aux circuits de
refroidissement d'aubes de turbine ont toutefois fait
apparaitre des besoins nouveaux entraínant de nouvelles
exigences pour les noyaux utilisés dans la fabrication de ces
aubes en fonderie. Notamment les procédés classiques de
fabrication des noyaux céramiques par injection à la presse
permettent difficilement d'obtenir des noyaux d'épaisseur
inférieure à 0,5 mm sur une large section.
Le procédé de fabrication de noyaux céramiques minces pour
fonderie répondant à ces besoins sans encourir les
inconvénients des procédés connus antérieurs conformément à
l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes
suivantes :
De manière avantageuse, un ou plusieurs noyaux minces ainsi
obtenus sont assemblés soit entre eux, soit sur un noyau
central épais.
L'ensemble-noyau obtenu peut alors être utilisé en fonderie à
la cire perdue suivantles opérations courantes connues en soi
d'injection de cire, de mise en grappe, de trempé et de
coulée des pièces métalliques à obtenir telles que des aubes
de turbine.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description qui va suivre
d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux
dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 montre un schéma de réalisation d'une opération de coulage en bande ;
- la figure 2 montre un exemple d'application d'un noyau mince conforme à l'invention pour une aube de turbine.
A la première étape (a) du procédé de fabrication de noyaux
céramiques minces pour fonderie de précision conforme à
l'invention, une solution est préparée en mélangeant en
proportions massiques :
- d'une part, 30% d'un matériau céramique composé en proportions massiques de 70% de silice et de 30% de zircon,
- d'autre part, 70% d'un matériau liant composé en proportions massiques de 50% à 70% de produit solvant qui, dans un exemple de réalisation, peut être constitué d'un mélange azéotropique de méthyléthylcétone et d'éthanol, de 15% à 20% de produit liant qui dans cet exemple est constitué de polyvinylbutyral, d'un plastifiant constitué dans cet exemple de 5% à 10% de dibutylphtalate et de 10% à 15% de polyéthylèneglycol et enfin de 1% de produit dispersant constitué dans cet exemple d'ester phosphorique.
De manière optionnelle mais afin d'obtenir une désaération
satisfaisante, la préparation est mise en rotation à faible
vitesse, de l'ordre de 1 à 2 tours par minute pendant au
moins 48 heures.
A l'étape suivante (b) du procédé et comme schématiquement
représenté sur la figure 1, la solution obtenue est étalée
sur un support 1 formant le banc de coulage. Un sabot 2 muni
d'un conteau 3 permet d'obtenir une bande 4 d'épaisseur
constante.
Après un séchage, à l'étape suivante (c), assurant une
évaporation du solvant, on obtient une bande céramique souple
dont la plasticité permet de la placer dans un moule à
l'étape suivante (d).
Puis, à l'étape suivante (e), la bande est préchauffée dans
le moule à 100°C pendant 30 minutes. Le moule de forme
utilisé est de préférence métallique.
La bande est alors pressée, à l'étape suivante(f). Une
pression de 40MPa est appliquée pendant 3 minutes, la bande
restant dans le moule. La pièce obtenue peut alors, à l'étape
(g) suivante, être placée dans une préforme en céramique et
subir un cycle standard de cuisson comportant, dans l'exemple
de réalisation dont les compositions ont été indiquées
précédemment, un maintien à 1250°C pendant 4 heures.
A l'étape suivante (h), le noyau mince obtenu est alors
imprégné d'une résine ou d'un polymère organique. Le noyau
obtenu présente ainsi une résistance mécanique suffisante
pour permettre son utilisation dans son application en
fonderie où il sera soumis à des efforts de pression
notamment lors de l'injection de cire dans le procédé connu
en soi de fonderie à la cire perdue. La figure 2 montre ainsi
un noyau mince 5 utilisé pour la fabrication d'une aube de
turbine 6.
Le noyau mince obtenu et afin d'assurer les géométries de
pièce de fonderie recherchées peut alors être assemblé avec
d'autres noyaux minces ou bien sur un noyau central épais
obtenu par exemple suivant un procédé classique de
fabrication de noyaux de fonderie. Pour obtenir cet
assemblage, diverses techniques peuvent être utilisées.
Notamment, le noyau mince peut être assemblé par collage, en
utilisant, par exemple, une colle céramique à base de silice
colloïdale et d'une charge minérale de type mullite dans des
proportions massiques de 30 pour 70 par exemple. Une liaison
mécanique par système de tenon-mortaise peut également
permettre d'effectuer l'assemblage. Ou encore, la liaison
peut être assurée par un tube de quartz traversant les noyaux
et le tube est maintenu dans sa cavité par de la colle
céramique.
Le multi- noyau obtenu après assemblage peut alors être
utilisé comme un noyau standard de fonderie et subir les
opérations du cycle de fonderie : injection de cire, mise en
grappe, trempé, coulée de la pièce à obtenir,
refroidissement, élimination du noyau.
Un des avantages de l'utilisation de noyaux minces conformes
à l'invention est de faciliter les opérations de mises au
point du refroidissement des pièces à cavités obtenues telles
que des aubes de turbine. En effet, les modifications sont
facilitées car les noyaux obtenus sont usinables.
En réalisant des épaisseurs aussi faibles que 0,3 mm par
exemple, il est possible de concentrer la circulation du
fluide de refroidissement au plus près des parois à
refroidir.
L'utilisation de noyaux céramiques minces conformes à
l'invention permet également divers avantages d'application
et on peut notamment :
- créer des promoteurs de turbulence sous forme de pontets ou nervures après avoir réalisé le noyau,
- développer des ponts thermiques, des cloisons,
- obtenir un refroidissement modulable par zone,
- positionner l'émission d'air froid à un endroit déterminé sur le profil d'une aube par exemple,
- refroidir le sommet d'aube dans le cas d'une aube mobile, l'air venant impacter du pied vers le sommet d'aube directement,
- ménager une sortie directe du noyau mince dans le sommet d'aube ou dans le bord de fuite d'une aube pour évacuer le débit d'air de refroidissement.
En outre, l'application du procédé conforme à l'invention a
donné de bons résultats en production où peu de rebuts sont
observés.
Claims (8)
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques minces pour fonderie de précision caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes successives :(a) préparation d'une solution comprenant en proportions massiques 30% d'un matériau céramique composé en proportions massiques de 70% de silice et 30% de zircon et 70% d'un matériau liant composé en proportions massiques de 50% à 70% de produit solvant, de 15% à 20% d'un produit liant, d'un plastifiant ayant 5% à 10% d'un premier produit et 10% à 15% d'un second produit et de 1% d'un produit dispersant ;(b) coulage en bande sur un support d'une bande d'épaisseur constante à partir de la solution obtenue à l'étape (a) ;(c) séchage de la bande obtenue à l'étape (b) ;(d) mise en forme dans un moule ;(e) préchauffage de la bande dans le moule à 100°C pendant 30 minutes ;(f) pressage de la bande dans le moule sous une pression de 40MPa pendant 3 minutes ;(g) cuisson de la pièce obtenue à l'étape (f) dans une préforme en céramique dans les conditions de température et durée déterminées pour le matériau céramique ;(h) imprégnation du noyau obtenu à l'étape (g) par une résine ou un polymère organique.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques minces selon la revendication 1 dans lequel après préparation de la solution à l'étape (a), une opération complémentaire est effectuée :(a1) mise en rotation de la solution obtenue à faible vitesse, de 1 à 2 tours par minute pendant au moins 48 heures de manière à obtenir une désaération de la solution.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques minces selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel à l'étape (g), la cuisson est effectuée à 1250°C pendant 4 heures.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques caractérisé en ce qu'au moins un noyau céramique mince obtenu par un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3 est assemblé avec au moins un autre noyau céramique mince et/ou sur un noyau central épais obtenu par un procédé classique de fabrication de noyau.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques selon la revendication 4 dans lequel ledit assemblage est obtenu par collage.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques selon la revendication 5 dans lequel ledit collage est effectué au moyen d'une colle céramique à base de silice colloïdale et d'une charge minérale à base de mullite dans des proportions massiques de 30 pour 70.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques selon la revendication 4 dans lequel ledit assemblage est obtenu par une liaison mécanique du type tenon-mortaise.
- Procédé de fabrication de noyaux céramiques selon la revendication 4 dans lequel ledit assemblage est obtenu au moyen d'un tube de quartz traversant les noyaux et maintenu par de la colle céramique.
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