EP2794147B1

EP2794147B1 - Procede de fabrication d'un noyau ceramique pour aube mobile

Info

Publication number: EP2794147B1
Application number: EP12824903.4A
Authority: EP
Inventors: Franck Edmond Maurice Truelle; Alain GRANDIN; Maidin MOUGAMADOU ABOUDALCADAR
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: BR112014015655A8; CN104039476A; BR112014015655A2; WO2013093352A2; BR112014015655B1; CA2860290A1; RU2014130211A; CN104039476B; US9890643B2; CA2860290C; US20140369842A1; JP6097307B2; RU2642228C2; FR2984880A1; JP2015506840A; WO2013093352A3; FR2984880B1; EP2794147A2

Description

DOMAINE

Le domaine de l'invention concerne les procédés de fabrication des noyaux céramiques utilisés en fonderie cire perdue pour la fabrication d'aubages creux complexes pour la circulation d'aubes mobiles. L'invention se rapporte notamment au domaine de l'aéronautique dans lequel de telles aubes peuvent être utilisées dans les moteurs d'aéronefs.

ETAT DE L'ART

Le noyau céramique est une pièce éliminable qui sert à obtenir notamment le circuit de refroidissement de l'aubage métallique.
Dans un premier temps, les noyaux sont fabriqués par injection d'un mélange polymère-céramique dans un outillage d'injection. Dans un second temps, les noyaux sont cuits pour éliminer le polymère et fritter la céramique. Dans un troisième temps, les noyaux sont ébavurés et imprégnés de résine qui leur apporte de la résistance mécanique.
La figure 1 représente un corps de noyau 10 céramique comportant une partie supérieure 2 formant une baignoire et une partie inférieure 1 formant un coeur de noyau. Le noyau céramique est utilisé pour les aubes, notamment de turbine pour moteur d'aéronef. Généralement, ce type d'aube est couplé à un aubage circulaire entourant les aubes. La partie formant une baignoire forme une cavité débouchante située à l'extrémité de l'aube. Fonctionnellement, la baignoire est utilisée pour diminuer les efforts centrifuges en pied de pale et réduire le transfert de chaleur en tête de pale. Elle est solidaire du corps de noyau par l'utilisation de tiges 3 qui relient le corps du noyau à la baignoire. Les tiges peuvent être également en céramique. D'une manière générale, tout matériau ayant un coefficient supérieur au coefficient de dilatation des noyaux convient pour la réalisation des tiges.
Un problème lors de la fabrication de tels noyaux est rencontré au cours de l'étape de cuisson desdits noyaux. L'étape de cuisson succède à l'étape de moulage de la céramique dans un moule dans lequel les tiges sont pré-positionnées avant l'injection de matière.
En effet, une fois moulée les tiges 3, qui relient le corps du noyau à la baignoire, sont solidaires de la céramique moulée ayant pris la forme d'une baignoire et d'un corps de noyau. Lors de la montée en température, pendant la cuisson, les tiges se dilatent. La figure 2 représente une conséquence de la dilatation d'une tige dans la céramique après cuisson notamment par la génération d'une crique 20 formant une fissuration 20 débouchante de la baignoire 2.
Une solution consiste à mettre en place une surépaisseur locale sur le noyau en regard de la tige d'alumine.
La figure 3 représente une surépaisseur 30 introduite de manière à consolider la partie formant une crique après la cuisson de la céramique le long de la baignoire au niveau des tiges situées à l'intérieure de la céramique. La surépaisseur est alors ensuite enlevée. Avant l'arasage de la surépaisseur locale, il n'y a avait pas de criques visibles le long de la tige.
Un inconvénient de cette solution est qu'il est nécessaire d'enlever après la cuisson, par exemple par ponçage manuel, cette surépaisseur. Lors de cette opération, il apparait que la crique est susceptible d'apparaitre à nouveau sur la baignoire. Elle forme alors une crique débouchante sur la surface de la baignoire.
Un inconvénient majeur est que le noyau est alors inutilisable et potentiellement rebuté.
Le document EP1754555B1 décrit un procédé de fabrication d'un noyau céramique pour aube.

RESUME DE L'INVENTION

L'invention permet de résoudre les inconvénients précités.
L'objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau céramique pour aube comportant une partie inférieure formant un corps de noyau, une partie supérieure formant une baignoire et un ensemble de tiges contribuant au maintien de la partie supérieure avec la partie inférieure. Le procédé de l'invention comporte :

une étape d'enduction (également appelé étape d'enduit) des tiges par une matière ayant un point éclair inférieur à un seuil de température au-delà de laquelle la dilatation de la tige est supérieure à 1% ;
une étape de positionnement des tiges dans un moule ;
une étape de moulage des parties supérieure et inférieure par une injection céramique, les parties moulées formant ainsi une pièce unique dans le moule et définissant une forme de noyau ;
une étape de cuisson du noyau céramique.

Selon un mode de réalisation le seuil de température est de 1000°C.
Le procédé de fabrication de noyau céramique permet d'éviter une fissuration de la céramique causée par la présence des tiges lors de la cuisson.
Le procédé de l'invention comprend notamment une étape préliminaire d'enduit d'au moins une tige tel qu'un vernissage. Le vernissage de la tige permet d'éviter une fissuration de la baignoire.
Chaque tige peut être en Alumine ou être réalisée dans un matériau céramique ayant un coefficient supérieur au coefficient de dilatation des noyaux.
La fissuration est évitée grâce à l'inflammation du vernis lors de la cuisson dégageant un espace entre la céramique cuite et la tige dilatée. La température d'inflammation du vernis ou d'une matière équivalente recouvrant les tiges permet de libérer un espace autour de la tige qui se dilate à une température supérieure que celle de l'inflammation du vernis.
Avantageusement, les étapes sont réalisées successivement.
Avantageusement, une étape de démoulage (DEM) du noyau précède l'étape de cuisson (CUI) de ce dernier.
Avantageusement, chaque tige est enduite sur la surface susceptible d'être ceinte par la baignoire.
Avantageusement, l'enduit d'une partie des tiges est un vernissage d'une couche de vernis.
Avantageusement, l'enduit des tiges comprend soit :

un dépôt d'une couche de cire sur une partie de la surface de chaque tige ;
un dépôt d'une couche de résine sur une partie de la surface de chaque tige ;
un dépôt d'une couche de graphite sur une partie de la surface de chaque tige.

Il est également décrit un noyau céramique pour aube de turbine comportant une partie inférieure formant un corps de noyau, une partie supérieure formant une baignoire et un ensemble de tiges permettant de contribuer au maintien des parties supérieure et inférieure entre elles, caractérisé en ce que le noyau est fabriqué selon un procédé de l'invention.
Il est décrit en outre une aube pour turbine réalisée selon un procédé de fonderie ayant utilisé un noyau réalisé par le procédé de l'invention.

BREVES DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :

▪ figure 1 : une représentation d'un noyau céramique pour aubes mobiles ;
▪ figure 2 : une représentation d'un noyau céramique après cuisson et la formation d'une crique sur la baignoire du noyau ;
▪ figure 3 : une représentation d'un noyau céramique comprenant une surépaisseur pour palier à la formation d'une crique ;
▪ figure 4 : un diagramme représentant les principales étapes du procédé de l'invention.

DESCRIPTION

Dans la présente description, on entend par « point éclair », également appelé « point d'inflammabilité » ou « flash point » dans la terminologie anglo-saxonne, la température la plus basse à laquelle un corps ou une matière combustible émet suffisamment de vapeurs pour former, avec l'air ambiant, un mélange gazeux qui s'enflamme sous l'effet d'une source d'énergie calorifique.
Dans la suite de la description, on nomme indifféremment une étape d'« enduit » ou une étape « enduction », les deux expressions signifiant dans le cadre de la demande de brevet la même signification.
Un noyau céramique pour aube de turbine comporte une partie inférieure formant un corps de noyau, une partie supérieure formant une baignoire et un ensemble de tiges permettant de contribuer au maintien des parties supérieure et inférieure entre elles. Les parties supérieures et inférieures sont rendues solidaires entre elles. Dans un mode simplifié de l'invention, au moins une tige permet de contribuer au maintien des deux parties du noyau.
Selon les modes de réalisation, les parties inférieure et supérieure peuvent comprendre une zone commune contribuant également au maintien des deux parties entre elles. La figure 1 représente un tel mode de réalisation dans lequel les parties 1 et 2 sont maintenues également par une zone commune 4 située sur le côté du noyau.
Le procédé de fabrication d'un noyau céramique de l'invention comprend une étape d'enduit, notée END sur la figure 4, des tiges préalablement à leur introduction dans un moule permettant le moulage des pièces céramiques. Le vernis est déposé sur la partie de la tige qui sera entourée par la baignoire du noyau. Dans un mode de réalisation, la partie de la tige qui est ceinte par le corps du noyau n'est pas recouverte de vernis.
Dans un mode particulier de l'invention, l'enduit des tiges peut être réalisé lorsque les tiges sont déjà positionnées dans la moule. Mais préférentiellement, les tiges sont enduites avant leur introduction dans le moule de manière à recouvrir uniformément toute la surface de la tige.
L'enduit des tiges peut être réalisé de différentes manières selon : le type de matière qui est appliquée, l'épaisseur de la couche de matière souhaitée et/ou la partie de la tige, ou des tiges, que l'on souhaite recouvrir.
Dans un mode de réalisation de l'invention, toute la tige est recouverte d'une matière dont le point éclair est inférieur à 1000°C.
Dans un autre mode de réalisation, seule la partie de chaque tige ceinte par la baignoire est recouverte d'enduit. La partie de la tige ceinte par le corps de noyau n'est pas enduit de vernis. Un avantage est que la quantité de vernis est adaptée à la partie de la structure fragilisée par la dilatation de la tige.
La limite de température de 1000°C correspond à la température de début de transformation des matériaux céramiques constituant le noyau. Cette limite constitue ainsi une température particulièrement intéressante pour que la matière appliquée sur la tige s'enflamme avant que la température de cuisson atteigne cette limite. Il est également possible de choisir des limites inférieures qui fonctionnent à fortiori aussi à partir du moment où la température du point éclair de la matière est inférieure à cette limite.
Généralement, on choisira un seuil de température qui permet d'obtenir une inflammation de la matière enduite, tel qu'un vernis, avant que la tige ne se dilate. La dilatation est considérée comme étant sensiblement nulle avant une certaine limite. Cette limite est fixée à 1%, qui correspond à une dilatation de 1% des dimensions de la tige. Selon d'autres modes de réalisations, la proportion prédéfinie définissant la limite d'une dilatation dite « conséquente » peut être supérieure à 1% est aller jusqu'à 2% voire plus selon les matériaux utilisés et leurs dimensions.
Dans différents modes de réalisation, l'application de la matière peut être réalisée soit par trempage des tiges soit par application de la matière à partir d'un pinceau par exemple sur les tiges.
Dans un mode de réalisation préféré, la matière appliquée est un vernis. Ce dernier peut être par exemple de type « vernis à ongles ». Le procédé d'application du vernis peut alors être appliqué sur la tige de manière conventionnelle par un pinceau comme on appliquerait un vernis sur un ongle d'une main de femme.
Un vernis adapté comprend des solvants, de la résine, de la nitrocellulose et des plastifiants. Par exemple, un vernis tel que celui « Thixotropic base » commercialisé sous le nom commercial : « Vernis à ongles Peggy Sage toutes formules » peut être utilisé dans le procédé de la présente invention.
Une fois le vernis appliqué sur la tige, cette dernière est placée dans un moule. Préférentiellement, la tige est positionnée selon une étape du procédé notée POS, après le séchage du vernis. Le positionnement de chaque tige dans le moule permet lors de l'injection de matière que celle-ci entoure chaque tige.
Le procédé comprend une étape de moulage, notée MOU sur la figure 4, comportant une injection de la céramique dans le moule. L'injection de la céramique permet de former le noyau dans le logement prévu à cet effet formant ainsi le corps et la baignoire selon la forme du moule.
L'étape du moulage de la céramique comporte le moulage de la partie inférieure formant le corps de noyau et le moulage d'une partie supérieure formant une baignoire. Le moulage des deux parties se fait préférentiellement en même temps. Les tiges sont positionnées de manière à comporter une partie de la tige dans la partie supérieure du noyau et une partie de la tige dans la partie inférieure du noyau. La matière céramique injectée dans la partie du moule formant la baignoire entoure la partie de la tige présente dans la baignoire et la matière céramique injectée dans la partie du moule formant le corps du noyau entoure la partie de la tige positionnée dans cette partie du moule.
Après moulage, la tige maintien les deux parties du noyau.
Dans une autre étape du procédé de fabrication de l'invention, le noyau est ensuite démoulé, cette étape est notée DEM sur la figure 4. La tige ou les tiges solidaire(s) des deux parties du noyau sont ainsi également sortie(s) du moule.
Une étape de cuisson du noyau ainsi démoulé, notée CUI sur la figure 4, peut alors être engagée.
Au cours de la cuisson du noyau, le vernis recouvrant les tiges atteint son point éclair avant que la dilatation de la tige atteigne des proportions conséquentes. Ainsi le coefficient de dilatation de l'alumine à 1200°C est de 1,03%. En conséquence, la brulure ou l'inflammation du vernis correspondant à l'atteinte du point éclair du vernis a lieu à une température plus basse que la température de cuisson entrainant une dilatation de la tige d'alumine.
L'inflammation du vernis permet de libérer un espace tout autour de la tige avant sa dilatation. Ensuite, la tige moulée dans la partie inférieure et supérieure du noyau se dilate sous l'effet de la cuisson avec la température qui augmente. Un avantage de la couche de vernis apposée sur la tige et qui a brûlé est de permettre de disposer d'un espace autour de la tige, ledit espace étant adapté à l'espace supplémentaire requis par sa dilatation. La quantité de vernis apposée sur chaque tige peut donc être choisie de manière à adapter l'espace créé autour de la tige au volume supplémentaire occupé par la dilatation de la tige.
Selon les modes de réalisations, des tests permettent de choisir le type de matière utilisée pour recouvrir les tiges et de choisir l'épaisseur adéquate desdites couches lorsqu'elles sont apposées sur les tiges. Ces tests permettent d'adapter parfaitement l'espace libéré par la matière ayant brûlée et l'espace requis pour la dilatation de la tige lors de la cuisson.
En conséquence, pendant et après la cuisson, la dilatation de la tige n'impose plus à la matière céramique l'entourant une contrainte mécanique susceptible de provoquer une fissure.
Dans les solutions précédentes, il était constaté que la fissuration survenait souvent dans la baignoire. La baignoire comportant moins d'épaisseur de matière que le corps de noyau, la résistance à la dilatation interne des tiges provoquait principalement des fissures dans la baignoire.
La crique qui était susceptible de se former, notamment représentée à la figure 2, n'apparait plus lorsque la tige est imprégnée d'une matière telle que le vernis. Grâce à cette étape préliminaire d'enduit des tiges par une matière inflammable, il est possible de se passer de l'application d'une surépaisseur sur la surface de la baignoire du noyau.
Les étapes du procédé de l'invention sont préférentiellement exécutées séquentiellement. Mais dans un mode de réalisation, il peut être envisagé que l'étape d'enduit de chaque tige est réalisé alors que ces dernières sont déjà disposées dans le moule. En revanche, il semble inévitable de réaliser le moulage et la cuisson dans un ordre séquentiel pour la bonne réalisation de l'invention.
D'autres produits ayant des propriétés sensiblement équivalentes que le vernis peuvent être utilisés en remplacement dans l'étape d'enduit de l'invention.
Tous les produits qui peuvent être utilisés dans la présente invention permettent un dépôt d'une couche mince, par exemple de quelques centièmes de millimètre. Il est nécessaire que les produits appliqués aux tiges s'éliminent par cuisson avant la dilatation de la tige d'alumine. Dans des modes privilégiés de l'invention, il est également important que ces produits utilisés comme enduits pour les tiges ne laissent pas de résidus chimiques indésirables.
Chacun des produits listés ci-dessous comprend des avantages propres qui lui permet d'être préféré à d'autres selon des choix opérationnels souhaités.
Parmi les produits différents du vernis qui pourraient être envisagés pour adhérer à la tige en réalisant une couche mince et brûler avant 1000°C sans laisser de résidus, les produits suivant peuvent être utilisés : la cire, la résine, la peinture et/ou le graphite.
Ces derniers produits ont les avantages suivants :

ils adhèrent à la tige lorsqu'ils sont apposés sur sa surface ;
un dépôt en couche mince peut être simplement réalisé ;
un dépôt homogène peut être effectué sur toute la surface de la tige ;
enfin ils s'éliminent tous par cuisson à une température inférieure à 1000°C.

En ce qui concerne la résine, elle est préférentiellement choisie sans matière susceptible de polluer les fours lors de la cuisson des noyaux.
En ce qui concerne le graphite, la combustion peut être avantageusement contrôlée de manière à éviter ou de limiter les émissions de monoxyde de carbone. Enfin la combustion peut être contrôlée de manière à assurer une atmosphère suffisamment oxydante lors de la cuisson.
Un avantage de la cire est sa plasticité et sa malléabilité à température ambiante qui lui confère un intérêt particulier pour l'enduit d'une tige. Son point de fusion à 45°C permet de libérer un espace autour de la tige avant la dilatation de la tige. Un autre intérêt réside dans sa faible viscosité lorsqu'elle est fondue, ce qui permet de dégager une espace homogène autour de la tige.
Le procédé de l'invention peut comprendre des étapes de frittage de la céramique et de recouvrement de résine après la cuisson du noyau.
En outre, il est décrit un noyau céramique obtenu par le procédé de l'invention. Le noyau céramique de l'invention comporte la particularité d'être fabriqué par l'utilisation de tiges enduites d'une matière ayant une température d'inflammabilité plus faible que la température de dilatation de l'alumine.
Il est également décrit une aube de turbine mobile comportant un noyau céramique obtenu par le procédé de l'invention.

Claims

Procédé de fabrication d'un noyau céramique (10) pour aube comportant une partie inférieure (1) formant un corps de noyau, une partie supérieure (2) formant une baignoire et un ensemble de tiges (3) contribuant au maintien de la partie supérieure avec la partie inférieure, caractérisé en ce qu'il comporte :
• une étape d'enduction (END) des tiges par une matière ayant un point éclair inférieur à un seuil de température au-delà de laquelle la dilatation de la tige est supérieure à 1%;

• une étape de positionnement (POS) des tiges dans un moule ;

• une étape de moulage (MOU) des parties supérieure et inférieure par une injection céramique, les parties moulées formant ainsi une pièce unique dans le moule et définissant une forme de noyau ;

• une étape de cuisson (CUI) du noyau céramique.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes sont réalisées successivement.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le seuil de température est de 1000°C.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une étape de démoulage (DEM) du noyau précède l'étape de cuisson (CUI) de ce dernier.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque tige est enduite sur la surface susceptible d'être ceinte par la baignoire.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enduction d'une partie des tiges est un vernissage d'une couche de vernis.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enduction des tiges comprend un dépôt d'une couche de cire sur une partie de la surface de chaque tige.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enduction des tiges comprend un dépôt d'une couche de résine sur une partie de la surface de chaque tige.
Procédé de fabrication d'un noyau céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enduction des tiges comprend un dépôt d'une couche de graphite sur une partie de la surface de chaque tige.