EP3402621B1 - Noyau réfractaire comprenant un corps principal et une coque - Google Patents

Noyau réfractaire comprenant un corps principal et une coque Download PDF

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EP3402621B1
EP3402621B1 EP17706528.1A EP17706528A EP3402621B1 EP 3402621 B1 EP3402621 B1 EP 3402621B1 EP 17706528 A EP17706528 A EP 17706528A EP 3402621 B1 EP3402621 B1 EP 3402621B1
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EP
European Patent Office
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shell
core
reinforcement
cavity
main body
Prior art date
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EP3402621A1 (fr
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David Grange
Ngadia Taha NIANE
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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Publication of EP3402621B1 publication Critical patent/EP3402621B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B22C9/24—Moulds for peculiarly-shaped castings for hollow articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present disclosure relates to the lost wax type foundry, and more particularly to a refractory core for the manufacture of a hollow turbine engine blade by the lost wax casting process.
  • a turbomachine comprises a combustion chamber in which air and fuel are mixed before being burned therein.
  • the gases resulting from this combustion flow downstream from the combustion chamber and then supply a high pressure turbine and a low pressure turbine.
  • Each turbine comprises one or more rows of fixed blades (called distributors) alternating with one or more rows of mobile blades (called movable wheels), spaced circumferentially all around the rotor of the turbine.
  • These turbine blades are subjected to the very high temperatures of the combustion gases, which reach values much higher than those that these blades which are in direct contact with these gases can withstand without damage, which necessarily implies ensuring their continuous cooling.
  • a refractory ceramic core is placed in a mold and then a metal or metal alloy is cast between the mold and the core to form a blade.
  • the metal vane retracts more than the ceramic core, the ceramic core then exerting forces on the vane which induce stresses in the vane.
  • the induced stresses can cause recrystallizations which are prohibitive for the use of the blades.
  • the invention aims at least in part to remedy these drawbacks.
  • the present disclosure relates to a refractory core for the manufacture of a hollow blade of a turbomachine according to the lost wax casting technique, comprising a main body and at least one shell connected to the main body and defining a cavity between the main body and the shell, the shell being configured to come into contact with the blade during manufacture.
  • the term "refractory” denotes a material which is sufficiently resistant to heat to be suitable for the lost wax foundry of a turbine engine blade.
  • the refractory material making up the core can be a ceramic material, for example a refractory material based on alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ) or zirconia (ZrO 2 ).
  • the refractory core can also be made of refractory metal.
  • the refractory core can essentially comprise at least one of the following elements: Si, Hf, Ta, B, W, Ti, Nb, Zr, Mo, V.
  • the refractory core has elastic mechanical behavior and fragile.
  • the core extends in a longitudinal direction.
  • the longitudinal direction of the core corresponds to the longitudinal direction of the blade, which extends from the root of the blade to the head of the blade. Sections perpendicular to the longitudinal direction are called cross sections. Seen in cross section, the cavity is closed, so that the blade metal can be poured around the core, therefore around the hull, without entering the cavity.
  • the shell can be attached to the main body or made in one piece with the main body.
  • the cavity formed by the shell and the main body is not a porosity but a macroscopic cavity.
  • the average diameter of the cavity is of the order of a few tenths of a millimeter to a few millimeters.
  • the shell can collapse on itself when it is subjected to forces applied outside the cavity, in particular to the forces caused by the contraction of the metal of the blade during its cooling. .
  • the rupture of the shell frees space allowing the free withdrawal of the metal, which has the effect of reducing the residual stresses in the metal during cooling. Thanks to such a core, it is now possible to melt hollow monocrystalline blades while avoiding recrystallizations due to excessive stresses in the metal, even for blade geometries which usually have high stress concentrations.
  • the shell is also subjected to forces during the casting of the metal.
  • these forces are much lower than those exerted on the hull during the cooling of the metal. Thanks to his general knowledge, a person skilled in the art can therefore size the shell so that it resists the pouring of the metal and breaks from a certain level of stresses during the cooling of the metal.
  • This disclosure also relates to the manufacture of a core as described above by additive manufacturing, for example by stereolithography.
  • the shell defines a convex volume.
  • a convex volume is a volume (respectively a surface) such that whatever two points belonging to this volume (respectively to this surface), the line segment connecting these two points is entirely contained in the volume (respectively in the area).
  • the shell defines a convex surface.
  • the main body is solid.
  • the term "solid" means that the main body does not have a hole and is not porous.
  • the main body is dense and compact.
  • the refractory core as a whole retains sufficient flexural rigidity.
  • the areas having cavities, that is to say the shells are reserved for the areas of the blade subject to high cooling constraints.
  • the main body is intended to come into contact with the blade, in particular in contact with parts of the blade where the stresses during cooling are lower than in the parts intended to come into contact with the blade.
  • shell For example, the main body may be intended to come into contact with substantially flat parts of the blade. In these embodiments, the shell does not completely surround the main body.
  • the refractory core further includes at least a first reinforcement disposed within the cavity, extending from one point on the shell to another point on the shell.
  • the first reinforcement is separate from the main body and the shell.
  • the first reinforcement may extend over the entire height of the core or only over part of the height of the core.
  • the first reinforcement can include one or several recesses.
  • the first reinforcement may or may not be plane.
  • the geometry of the first reinforcement can be calculated by a person skilled in the art according to his general knowledge as a function of desired values for certain criteria such as tensile strength, elastic limit, etc.
  • the refractory core can include several first reinforcements.
  • the refractory core further comprises at least one second reinforcement disposed within the cavity and extending from a point of the shell to a point of the first reinforcement.
  • the first reinforcement and the second reinforcement form a reinforcing structure of the shell.
  • the second reinforcement can have all or some of the characteristics mentioned above with regard to the first reinforcement.
  • the first and second reinforcements can be arranged so that their cross section is generally T-shaped.
  • At least one of the reinforcements comprises an intermediate part forming a preferential rupture zone.
  • a preferential rupture zone makes it possible to control the point of rupture of the reinforcements and therefore to precisely dimension the breaking strength of the shell.
  • the intermediate part may belong to the first reinforcement and / or to the second reinforcement.
  • the intermediate part forming a preferential rupture zone can be located at the intersection of the first reinforcement and of the second reinforcement.
  • the intermediate part forming a preferential rupture zone can take the form of a thinning of the reinforcement (s), or of a notch in at least one of the reinforcements.
  • one or each reinforcement in cross section, has an aspect ratio of at least 2, preferably at least 2.5, more preferably at least 3, preferably still at least equal to 3.5, more preferably at least equal to 4.
  • the aspect ratio is at most equal to 50, more preferably at most equal to 40, more preferably at least equal to 40. plus equal to 30, more preferably at most equal to 20, more preferably at most equal to 10.
  • the aspect ratio is the ratio of the greatest length to the smallest length. It determines the strength of the reinforcement, in particular when it is subjected to compressive, tensile and / or bending forces.
  • the cavity has the general shape of a tube, the cavity being plugged in the vicinity of the ends of the tube.
  • the ends of the cavity are plugged in parts of the shell which are not intended to come into contact with the metal.
  • the shell remains locally hollow in its parts intended to come into contact with the metal.
  • the cavity is blocked so that the metal cannot penetrate inside the parts of the shell intended to come into contact with the metal.
  • the ends of the cavity can be plugged during said additive manufacturing.
  • the main body and the shell are in one piece.
  • the main body and the shell are made of the same material and have a continuity of the material between them.
  • the shell can be attached to the main body.
  • the present disclosure also relates to a method of manufacturing a hollow turbine engine blade according to the lost wax casting technique using a refractory core as described above.
  • the refractory core prior to injecting the wax onto the refractory core, is manually coated with wax.
  • the preliminary plaster forms a first layer of wax that can directly wrap around the core.
  • the first wax layer after cooling, forms a buffer layer making it possible to attenuate the stresses actually exerted on the refractory core.
  • the core withstands the stresses generated by the contraction of the wax which is then injected onto the refractory core in greater quantity.
  • the figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a blade 10 cast around a refractory core 12 according to a first embodiment.
  • the blade 10 is a turbine blade, but the refractory core 12 could also be used to cast other types of blades.
  • the refractory core 12 is made of ceramic and will therefore be referred to below as “ceramic core 12”. More precisely, the refractory core 12 here has the following composition (mass percentages): coarse vitreous silica of 58% to 69%, fine vitreous silica from 8% to 19%, zircon (ZrSiO 4 ) 20% and cristobalite 3%. However, as previously indicated, the refractory core 12 could also be made of another material, typically refractory metal or refractory metal alloy.
  • the blade 10 is hollow in order to allow it to be cooled by internal circulation of air.
  • the ceramic core 12 makes it possible to form the internal cavities of the vane, the external surface of the ceramic core 12 corresponding substantially to the internal surface of the vane 10.
  • the ceramic core 12 comprises a main body 14 and a shell 16.
  • the ceramic core 12 comprises a single shell 16 but it could include several.
  • the main body 14 and the shell 16 will now be detailed with reference to figure 2 , which presents a detail of the figure 1 .
  • the shell 16 is connected to the main body 14.
  • the shell 16 defines with the main body 14 a cavity 18.
  • the cavity 18 is therefore located between the main body 14 and the shell 16.
  • the shell 16 forms a relatively thin envelope by relative to the main body 14.
  • the shell 16 is configured to come into contact with the blade 10 during manufacture.
  • the main body 14 is solid.
  • the presence of the shell 16 is advantageous in the regions of strong curvature of the cooling channels of the blade. Indeed, the regions of strong curvature exhibit particularly high stress concentrations.
  • the shell 16 defines a convex volume, or, at least, in cross section (that is to say in the plane of the figures 1 and 2 ), the shell 16 defines a convex surface.
  • the ceramic core 12 comprises a first reinforcement 20 and a second reinforcement 22.
  • the first reinforcement 20 is disposed inside the cavity 18.
  • the first reinforcement 20 is here rectilinear, in cross section.
  • the first reinforcement 20 extends from one point of the shell 16 to another point of the shell 16, therefore passing through the cavity 18.
  • the second reinforcement 22 is arranged inside the cavity 18.
  • the second reinforcement 22 is here rectilinear, in cross section.
  • the second reinforcement 20 extends from a point of the shell 16 to a point of the first reinforcement 20.
  • the first reinforcement 20 and the second reinforcement 22 have a generally T-shaped cross section.
  • the first reinforcement 20 and the second reinforcement 22 extend here over the entire length (in the longitudinal direction, that is to say along an axis perpendicular to the plane of the figure 2 ) of ceramic core 12.
  • the first reinforcement 20 has an aspect ratio L / a approximately equal to 6.6.
  • the second reinforcement 22 has an aspect ratio of approximately equal to 4. In any event, it is preferable that each reinforcement has an aspect ratio of between 2 and 50.
  • the cavity is plugged in the vicinity of its ends in the longitudinal direction, preferably in parts of the shell which are not intended to come into contact with the cooling metal.
  • the plugged parts can be manufactured continuously with the shell and the main body, as well as with any reinforcements.
  • the metal vane 10 retracts more than the ceramic core 12 and exerts on the ceramic core forces F, shown schematically on the figure 3 , directed towards the main body 14.
  • the ceramic core forces F shown schematically on the figure 3 , directed towards the main body 14.
  • the shell 16 and the reinforcements 20, 22 are deformed.
  • the first and second reinforcements have at their intersection an intermediate portion 24 forming a preferential rupture zone.
  • the intermediate part 24 is dimensioned to be the first point of rupture under the effect of the forces due to the contraction of the vane 10.
  • the character of preferential rupture zone of the intermediate part 24 is here ensured by the intersection of the first and second reinforcements 20, 22 in a T-shape, the intermediate part 24 being located at the intersection of the first and second reinforcements 20, 22.
  • the intermediate part 24 breaks, which causes the weakening of the reinforcing structure formed by the reinforcements 20, 22 and the rupture of the shell. 16.
  • the ceramic core 12 no longer hinders, at the location of the now destroyed shell 16, the free withdrawal of the blade 10. Consequently, the residual stresses in the blade 10 are greatly reduced and recrystallization phenomena can be avoided.
  • the ceramic core 12 can be formed by additive manufacturing or by any other method suitable for producing the shell 16 and its possible reinforcements 20, 22. Manufacturing by ceramic injection of the solid part of the ceramic core 12 and of the shell 16 , separately, followed by gluing, for example by refractory glue, is also possible.
  • the lost wax manufacturing process of the blade 10 once the ceramic core 12 has been produced is conventional and consists first of all in forming an injection mold in which the ceramic core 12 is placed before injection of the wax.
  • the wax model thus created is then dipped in slips made of ceramic suspension to make a casting mold (also called shell mold). Finally, the wax is removed and the shell mold is fired into which the molten metal can then be poured.
  • the cooling of the wax blade model can give rise to stresses similar to those which appear during the cooling of the metal blade 10.
  • the shell 16 must not break during this step.
  • a person skilled in the art can size the shell 16, for example using digital simulations, so that it withstands the forces exerted by the wax while cooling and that it breaks under pressure. effect of the more intense forces exerted by the metal in cooling.
  • the ceramic core 12 is manually coated with wax.
  • This step is called pre-waxing the core.
  • This preliminary coating can be done directly on the surface of the ceramic core 12.
  • the coating can be done on the entire surface of the ceramic core 12, only on the shell 16 or even on any part of the external surface of the ceramic core 12.
  • This The preliminary coating forms a buffer layer making it possible to attenuate the forces effectively exerted on the ceramic core 12, thus protecting the shell 16 from breaking.
  • the pre-wax coating can be removed from the core together with the complete wax model.
  • the figure 4 presents another embodiment of the ceramic core.
  • the ceramic core 112 of the figure 4 is identical to the ceramic core 12 of the first embodiment except as regards the reinforcements and the aspects detailed below.
  • the main body 114, the shell 116 and the cavity 118 will not be described again.
  • the ceramic core 112 comprises a first reinforcement 120 having a substantially V-shaped shape. Furthermore, the first reinforcement comprises an intermediate part 124 forming a preferential rupture zone. In this case, the intermediate part 124 takes the form of a notch in the first reinforcement. The intermediate part 124 therefore forms a stress concentration zone, which results in a preferential rupture zone.
  • the ceramic core 112 is obtained by a process in which the main body 114 and the shell 116 are produced separately, for example by ceramic injection, and then assembled, for example by gluing.

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • Le présent exposé concerne la fonderie de type à la cire perdue, et plus particulièrement un noyau réfractaire pour la fabrication d'une aube creuse de turbomachine par procédé de fonderie à la cire perdue.
    • ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • De façon connue en soi, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s'écoulent vers l'aval de la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute pression et une turbine basse pression. Chaque turbine comporte une ou plusieurs rangées d'aubes fixes (appelées distributeurs) alternant avec une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles (appelées roues mobiles), espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Ces aubes de turbine sont soumises aux températures très élevées des gaz de combustion, lesquelles atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages ces aubes qui sont en contact direct avec ces gaz, ce qui implique nécessairement d'assurer leur refroidissement en continu par un circuit de refroidissement intégré qui, lorsqu'on souhaite assurer un refroidissement efficace et précis sans augmenter significativement le débit d'air et sans pénaliser les performances du moteur, comporte de multiples cavités. Les aubes creuses ainsi formées sont fabriquées par le procédé de fonderie dit « à cire perdue » qui nécessite le recours d'une pièce modèle ou noyau dont la surface extérieure correspond à la surface interne de l'aube finie, comme décrit dans la demande FR2961552 déposée au nom de la demanderesse. La demande EP1266706 divulgue par ailleurs un dispositif de coulage et un procédé de fabrication d'un dispositif de coulage.
  • Selon les techniques actuellement employées, un noyau réfractaire en céramique est placé dans un moule puis un métal ou alliage métallique est coulé entre le moule et le noyau pour former une aube. Lors du refroidissement, compte tenu de la différence de coefficients de dilatation thermique entre le métal et le noyau, l'aube métallique se rétracte davantage que le noyau céramique, le noyau céramique exerçant alors sur l'aube des efforts qui induisent des contraintes dans l'aube. Dans le cas d'aubes monocristallines, les contraintes induites peuvent provoquer des recristallisations qui sont rédhibitoires pour l'utilisation des aubes.
  • L'invention vise au moins à remédier en partie à ces inconvénients.
    • PRÉSENTATION DE L'INVENTION
  • A cet effet, le présent exposé concerne un noyau réfractaire pour la fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, comprenant un corps principal et au moins une coque reliée au corps principal et définissant une cavité entre le corps principal et la coque, la coque étant configurée pour venir au contact de l'aube lors de la fabrication.
  • Dans le présent exposé, le terme « réfractaire » désigne un matériau qui résiste suffisamment à la chaleur pour convenir à la fonderie à la cire perdue d'une aube de turbomachine. Le matériau réfractaire composant le noyau peut être un matériau céramique, par exemple un matériau réfractaire à base d'alumine (Al2O3), de silice (SiO2) ou de zircone (ZrO2). Le noyau réfractaire peut également être composé de métal réfractaire. Selon un exemple, le noyau réfractaire peut comprendre essentiellement au moins l'un des éléments suivants : Si, Hf, Ta, B, W, Ti, Nb, Zr, Mo, V. En outre, le noyau réfractaire a un comportement mécanique élastique et fragile.
  • Par la suite, sauf indication contraire, par « une » ou « la » coque, on entend « au moins une » ou « la au moins une » ou encore « chaque » coque. Réciproquement, l'emploi générique du pluriel peut inclure le singulier.
  • Le noyau s'étend selon une direction longitudinale. La direction longitudinale du noyau correspond à la direction longitudinale de l'aube, qui s'étend du pied de l'aube à la tête de l'aube. Des sections perpendiculaires à la direction longitudinale sont appelées sections transversales. Vue en section transversale, la cavité est fermée, de sorte que le métal de l'aube puisse être coulé autour du noyau, donc autour de la coque, sans pénétrer dans la cavité.
  • La coque peut être rapportée sur le corps principal ou faite d'une seule pièce avec le corps principal.
  • La cavité formée par la coque et le corps principal n'est pas une porosité mais une cavité macroscopique. En particulier, en section transversale, le diamètre moyen de la cavité est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres.
  • Du fait de la cavité, la coque peut s'effondrer sur elle-même lorsqu'elle est soumise à des efforts appliqués à l'extérieur de la cavité, notamment aux efforts provoqués par la contraction du métal de l'aube lors de son refroidissement. La rupture de la coque libère de l'espace permettant le libre retrait du métal, ce qui a pour effet de diminuer les contraintes résiduelles dans le métal pendant le refroidissement. Grâce à un tel noyau, il est désormais possible de fondre des aubes monocristallines creuses en évitant les recristallisations dues à des contraintes excessives dans le métal, même pour des géométries d'aube qui présentent usuellement de fortes concentrations de contraintes.
  • Par ailleurs, la coque est également soumise à des efforts lors de la coulée du métal. Toutefois, ces efforts sont bien inférieurs à ceux s'exerçant sur la coque lors du refroidissement du métal. Grâce à ses connaissances générales, l'homme du métier peut donc dimensionner la coque pour qu'elle résiste à la coulée du métal et casse à partir d'un certain niveau de contraintes lors du refroidissement du métal.
  • Le présent exposé concerne également la fabrication d'un noyau tel que précédemment décrit par fabrication additive, par exemple par stéréolithographie.
  • Dans certains modes de réalisation, la coque définit un volume convexe. On rappelle qu'un volume (respectivement une surface) convexe est un volume (respectivement une surface) tel que quels que soient deux points appartenant à ce volume (respectivement à cette surface), le segment de droite reliant ces deux points est entièrement contenu dans le volume (respectivement dans la surface). En particulier, vue selon une ou toute section transversale, la coque définit une surface convexe. Une telle géométrie est avantageuse dans la mesure où les contraintes se concentrent dans les zones à forte courbure.
  • Dans certains modes de réalisation, le corps principal est plein. Dans le présent exposé, le terme « plein » signifie que le corps principal ne comporte pas de trou et n'est pas poreux. Dans ces modes de réalisation, le corps principal est dense et compact. Ainsi, malgré la présence de la cavité, le noyau réfractaire dans son ensemble conserve une rigidité suffisante en flexion. En outre, les zones présentant des cavités, c'est-à-dire les coques, sont réservées aux zones de l'aube sujettes à de fortes contraintes en refroidissement.
  • Dans certains modes de réalisation, le corps principal est destiné à venir au contact de l'aube, en particulier au contact des parties de l'aube où les contraintes lors du refroidissement sont moins élevées que dans les parties destinées à venir au contact de la coque. Par exemple, le corps principal peut être destiné à venir au contact de parties sensiblement planes de l'aube. Dans ces modes de réalisation, la coque n'entoure pas le corps principal en totalité.
  • Dans certains modes de réalisation, le noyau réfractaire comprend en outre au moins un premier renfort disposé à l'intérieur de la cavité, s'étendant d'un point de la coque à un autre point de la coque. Le premier renfort est distinct du corps principal et de la coque. Le premier renfort peut s'étendre sur toute la hauteur du noyau ou seulement sur une partie de la hauteur du noyau. Le premier renfort peut comprendre un ou plusieurs évidements. Le premier renfort peut être plan ou non plan. La géométrie du premier renfort peut être calculée par l'homme du métier selon ses connaissances générales en fonction de valeurs souhaitées pour certains critères tels que la résistance à la rupture, la limite élastique, etc. Le noyau réfractaire peut comprendre plusieurs premiers renforts.
  • Dans certains modes de réalisation, le noyau réfractaire comprend en outre au moins un deuxième renfort disposé à l'intérieur de la cavité et s'étendant d'un point de la coque à un point du premier renfort. Ainsi, le premier renfort et le deuxième renfort forment une structure de renforcement de la coque. Le deuxième renfort peut avoir tout ou partie des caractéristiques précédemment mentionnées à propos du premier renfort. Selon un exemple, les premier et deuxième renforts peuvent être agencés de sorte que leur section transversale soit en forme générale de T.
  • Dans certains modes de réalisation, au moins un des renforts comporte une partie intermédiaire formant une zone de rupture préférentielle. La présence d'une zone de rupture préférentielle permet de contrôler le point de rupture des renforts et donc de dimensionner précisément la résistance à la rupture de la coque.
  • La partie intermédiaire peut appartenir au premier renfort et/ou au deuxième renfort. Par exemple, la partie intermédiaire formant une zone de rupture préférentielle peut se situer à l'intersection du premier renfort et du deuxième renfort. Ainsi, la structure de renforcement soutenant la coque est brisée lorsque la partie intermédiaire rompt.
  • Par exemple, la partie intermédiaire formant zone de rupture préférentielle peut prendre la forme d'un amincissement du ou des renforts, ou encore d'une encoche dans au moins un des renforts.
  • Dans certains modes de réalisation, en section transversale, un ou chaque renfort a un rapport d'aspect au moins égal à 2, de préférence au moins égal à 2,5, de préférence encore au moins égal à 3, de préférence encore au moins égal à 3,5, de préférence encore au moins égal à 4. En outre, il est préférable que le rapport d'aspect soit au plus égal à 50, de préférence encore au plus égal à 40, de préférence encore au plus égal à 30, de préférence encore au plus égal à 20, de préférence encore au plus égal à 10. Le rapport d'aspect est le ratio de la plus grande longueur sur la plus petite longueur. Il détermine la résistance du renfort, notamment lorsqu'il est soumis à des efforts de compression, de traction et/ou de flexion.
  • Dans certains modes de réalisation, la cavité a la forme générale d'un tube, la cavité étant bouchée au voisinage des extrémités du tube. De préférence, les extrémités de la cavité sont bouchées dans des parties de la coque qui ne sont pas destinées à entrer en contact avec le métal. Inversement, il est préférable que la coque reste localement creuse dans ses parties destinées à entrer en contact avec le métal.
  • En tout état de cause, la cavité est bouchée de sorte que le métal ne puisse pénétrer à l'intérieur des parties de la coque destinées à entrer en contact avec le métal.
  • Par exemple, lorsque le noyau réfractaire est réalisé par fabrication additive, les extrémités de la cavité peuvent être bouchées au cours de ladite fabrication additive.
  • Dans certains modes de réalisation, le corps principal et la coque sont monoblocs. Le corps principal et la coque sont faits du même matériau et présentent entre eux une continuité de la matière. Alternativement, la coque peut être rapportée sur le corps principal.
  • Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau réfractaire tel que précédemment décrit.
  • Dans certains modes de réalisation de ce procédé, avant d'injecter la cire sur le noyau réfractaire, on enduit manuellement le noyau réfractaire de cire. L'enduit préalable forme une première couche de cire pouvant envelopper directement le noyau. La première couche de cire, après son refroidissement, forme une couche tampon permettant d'atténuer les efforts s'exerçant effectivement sur le noyau réfractaire. Ainsi, il est fait en sorte que le noyau résiste aux contraintes générées par la contraction de la cire qui est ensuite injectée sur le noyau réfractaire en plus grande quantité.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 représente une vue schématique en section transversale d'une aube coulée autour d'un noyau réfractaire selon un premier mode de réalisation ;
    • la figure 2 représente un détail de la figure 1 ;
    • la figure 3 représente une vue similaire à celle de la figure 2 lorsque le métal de l'aube exerce des efforts sur le noyau réfractaire, au cours du refroidissement qui suit la solidification du métal ;
    • la figure 4 représente une vue schématique d'un détail d'un noyau réfractaire selon un deuxième mode de réalisation.
    DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
  • La figure 1 représente une vue schématique en section transversale d'une aube 10 coulée autour d'un noyau réfractaire 12 selon un premier mode de réalisation. Dans le cas présent, l'aube 10 est une aube de turbine mais le noyau réfractaire 12 pourrait également être utilisé pour couler d'autres types d'aubes.
  • Dans le présent mode de réalisation, le noyau réfractaire 12 est réalisé en céramique et sera donc désigné par la suite comme « noyau céramique 12 ». Plus précisément, le noyau réfractaire 12 a ici la composition suivante (pourcentages massiques) : silice vitreuse grosse de 58% à 69%, silice vitreuse fine de 8% à 19%, zircon (ZrSiO4) 20% et cristobalite 3%. Toutefois, comme précédemment indiqué, le noyau réfractaire 12 pourrait également être composé d'un autre matériau, typiquement de métal réfractaire ou d'alliage métallique réfractaire.
  • Comme indiqué précédemment, l'aube 10 est creuse afin de permettre son refroidissement par une circulation interne d'air. Le noyau céramique 12 permet de former les cavités internes de l'aube, la surface extérieure du noyau céramique 12 correspondant sensiblement à la surface interne de l'aube 10.
  • Le noyau céramique 12 comprend un corps principal 14 et une coque 16. En l'occurrence, le noyau céramique 12 comprend une unique coque 16 mais il pourrait en comprendre plusieurs. Le corps principal 14 et la coque 16 vont maintenant être détaillés en référence à la figure 2, qui présente un détail de la figure 1.
  • La coque 16 est reliée au corps principal 14. Ainsi, la coque 16 définit avec le corps principal 14 une cavité 18. La cavité 18 est donc située entre le corps principal 14 et la coque 16. La coque 16 forme une enveloppe relativement fine par rapport au corps principal 14. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 2, la coque 16 est configurée pour venir au contact de l'aube 10 lors de la fabrication. De plus, par opposition à la coque 16, le corps principal 14 est plein.
  • Comme représenté sur la figure 1, la présence de la coque 16 est avantageuse dans les régions de forte courbure des canaux de refroidissement de l'aube. En effet, les régions de forte courbure présentent des concentrations de contraintes particulièrement élevées. Ainsi, la coque 16 définit un volume convexe, ou, tout du moins, en section transversale (c'est-à-dire dans le plan des figures 1 et 2), la coque 16 définit une surface convexe.
  • Dans le présent mode de réalisation, le noyau céramique 12 comprend un premier renfort 20 et un deuxième renfort 22. Le premier renfort 20 est disposé à l'intérieur de la cavité 18. Le premier renfort 20 est ici rectiligne, en section transversale. Le premier renfort 20 s'étend d'un point de la coque 16 à un autre point de la coque 16, traversant donc la cavité 18. Le deuxième renfort 22 est disposé à l'intérieur de la cavité 18. Le deuxième renfort 22 est ici rectiligne, en section transversale. Le deuxième renfort 20 s'étend d'un point de la coque 16 à un point du premier renfort 20. En l'occurrence, le premier renfort 20 et le deuxième renfort 22 ont une section transversale en forme générale de T. De plus, le premier renfort 20 et le deuxième renfort 22 s'étendent ici sur toute la longueur (dans le sens longitudinal, c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire au plan de la figure 2) du noyau céramique 12.
  • Dans la section transversale représentée sur la figure 2, le premier renfort 20 a un rapport d'aspect L/a environ égal à 6,6. Le deuxième renfort 22 a un rapport d'aspect environ égal à 4. En tout état de cause, il est préférable que chaque renfort ait un rapport d'aspect compris entre 2 et 50.
  • Afin que le métal ne pénètre pas dans la cavité 18 lors de la coulée de l'aube 10, il est prévu de boucher la cavité 18. De surcroît, afin que la partie bouchée ne fasse pas perdre le bénéfice de la cavité 18, il est préférable que la cavité soit bouchée au voisinage de ses extrémités dans la direction longitudinale, de préférence dans des parties de la coque qui ne sont pas destinées à entrer en contact avec le métal en refroidissement. Dans le cas d'une réalisation du noyau céramique par fabrication additive, les parties bouchées peuvent être fabriquées continûment avec la coque et le corps principal, ainsi qu'avec les éventuels renforts.
  • Lors du refroidissement de l'aube 10 après la coulée du métal, il s'opère une contraction différentielle de l'aube 10 et du noyau céramique 12 en raison des différences de coefficients de dilatation thermique. L'aube métallique 10 se rétracte davantage que le noyau céramique 12 et exerce sur le noyau céramique des efforts F, représentés schématiquement sur la figure 3, dirigés vers le corps principal 14. Sous l'effet de ces efforts, qui sont particulièrement intenses dans les zones de forte courbure de l'aube 10, la coque 16 et les renforts 20, 22 se déforment. En particulier, les premier et deuxième renforts présentent à leur intersection une partie intermédiaire 24 formant une zone de rupture préférentielle. La partie intermédiaire 24 est dimensionnée pour être le premier point de rupture sous l'effet des efforts dus à la contraction de l'aube 10. En l'occurrence, le caractère de zone de rupture préférentielle de la partie intermédiaire 24 est ici assuré par l'intersection des premier et deuxième renforts 20, 22 selon une forme en T, la partie intermédiaire 24 étant située à l'intersection des premier et deuxième renforts 20, 22.
  • Lorsque les efforts F dépassent un certain seuil prédéterminé par la géométrie et les matériaux du noyau céramique 12, la partie intermédiaire 24 rompt, ce qui entraîne l'affaiblissement de la structure de renforcement formée par les renforts 20, 22 et la rupture de la coque 16. De ce fait, le noyau céramique 12 ne fait plus obstacle, à l'emplacement de la coque 16 maintenant détruite, au libre retrait de l'aube 10. Par conséquent, les contraintes résiduelles dans l'aube 10 sont fortement diminuées et les phénomènes de recristallisation peuvent être évités.
  • Le noyau céramique 12 peut être formé par fabrication additive ou par toute autre méthode convenant à la réalisation de la coque 16 et de ses éventuels renforts 20, 22. Une fabrication par injection céramique de la partie massive du noyau céramique 12 et de la coque 16, séparément, suivie d'un collage, par exemple par une colle réfractaire, est également possible.
  • Le procédé de fabrication à cire perdue de l'aube 10 une fois le noyau céramique 12 réalisé est classique et consiste tout d'abord à former un moule d'injection dans lequel est placé le noyau céramique 12 avant injection de la cire. Le modèle en cire ainsi créé est ensuite trempé dans des barbotines constituées de suspension de céramique pour confectionner un moule de coulée (appelé aussi moule carapace). Enfin, on élimine la cire et on cuit le moule carapace dans lequel le métal fondu peut alors être coulé.
  • Au cours de ce procédé, après l'injection de la cire sur le noyau céramique 12, le refroidissement du modèle d'aube en cire peut donner lieu à des efforts similaires à ceux qui apparaissent lors du refroidissement de l'aube 10 en métal. Or, la coque 16 ne doit pas se briser lors de cette étape. Pour ce faire, selon une première possibilité, l'homme du métier peut dimensionner la coque 16, par exemple à l'aide de simulations numériques, pour qu'elle résiste aux efforts exercés par la cire en refroidissement et qu'elle rompe sous l'effet des efforts plus intenses exercés par le métal en refroidissement.
  • Selon une deuxième possibilité, alternativement ou en complément, avant d'injecter la cire sur le noyau céramique 12, on enduit manuellement le noyau céramique 12 de cire. Cette étape est appelée pré-cirage du noyau. Cet enduit préalable peut être fait directement à la surface du noyau céramique 12. L'enduit peut être fait sur toute la surface du noyau céramique 12, seulement sur la coque 16 ou encore sur toute partie de la surface externe du noyau céramique 12. Cet enduit préalable forme une couche tampon permettant d'atténuer les efforts s'exerçant effectivement sur le noyau céramique 12, protégeant ainsi la coque 16 de la rupture. En outre, l'enduit préalable de cire peut être retiré du noyau en même temps que le modèle en cire complet.
  • La figure 4 présente un autre mode de réalisation du noyau céramique. Le noyau céramique 112 de la figure 4 est identique au noyau céramique 12 du premier mode de réalisation hormis en ce qui concerne les renforts et les aspects détaillés par la suite. Ainsi, le corps principal 114, la coque 116 et la cavité 118 ne seront pas décrits à nouveau.
  • Le noyau céramique 112 comprend un premier renfort 120 présentant une forme sensiblement en V. Par ailleurs, le premier renfort comporte une partie intermédiaire 124 formant une zone de rupture préférentielle. En l'espèce, la partie intermédiaire 124 prend la forme d'une encoche dans le premier renfort. La partie intermédiaire 124 forme donc une zone de concentration de contraintes, ce qui se traduit en une zone de rupture préférentielle.
  • En outre, dans ce mode de réalisation, le noyau céramique 112 est obtenu par un procédé dans lequel le corps principal 114 et la coque 116 sont fabriqués séparément, par exemple par injection céramique, puis assemblés, par exemple par collage.
  • Bien que la présente invention ait été décrite dans le cas d'un noyau en céramique et d'une aube en métal ou en alliage métallique, toutes les variations de formes ou de matériaux sont possibles, l'invention restant applicable dans le cas où les matériaux respectifs de l'aube et du noyau présentent le même phénomène de contraction différentielle.

Claims (11)

  1. Noyau réfractaire (12, 112) pour la fabrication d'une aube creuse (10) de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, comprenant un corps principal (14, 114) et au moins une coque (16, 116) reliée au corps principal (14, 114) et définissant une cavité (18, 118) entre le corps principal et la coque, la coque (16, 116) étant configurée pour venir au contact de l'aube (10) lors de la fabrication, la cavité (18, 118) étant bouchée de sorte que le matériau de fonderie ne pénètre pas dans la cavité lors de la coulée de l'aube (10).
  2. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 1, dans lequel la coque (16, 116) définit un volume convexe.
  3. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps principal (14, 114) est plein.
  4. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre au moins un premier renfort (20, 120) disposé à l'intérieur de la cavité (18, 118), s'étendant d'un point de la coque (16, 116) à un autre point de la coque.
  5. Noyau réfractaire (12) selon la revendication 4, comprenant en outre au moins un deuxième renfort (22) disposé à l'intérieur de la cavité (18) et s'étendant d'un point de la coque (16) à un point du premier renfort (20).
  6. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel au moins un des renforts (20, 22, 120) comporte une partie intermédiaire (24, 124) formant une zone de rupture préférentielle.
  7. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel en section transversale, chaque renfort (20, 22, 120) a un rapport d'aspect compris entre 2 et 50.
  8. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la cavité (18, 118) a la forme générale d'un tube, la cavité étant bouchée au voisinage des extrémités du tube.
  9. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le corps principal (14, 114) et la coque (16, 116) sont monoblocs.
  10. Procédé de fabrication d'une aube creuse (10) de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
  11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel, avant d'injecter la cire sur le noyau réfractaire (12, 112), on enduit manuellement le noyau réfractaire (12, 112) de cire.
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