EP3544754A1 - Modèle en forme de grappe et carapace pour obtention d'un accessoire de manutention indépendant de pièces formées et procédé associé - Google Patents

Modèle en forme de grappe et carapace pour obtention d'un accessoire de manutention indépendant de pièces formées et procédé associé

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EP3544754A1
EP3544754A1 EP17832291.3A EP17832291A EP3544754A1 EP 3544754 A1 EP3544754 A1 EP 3544754A1 EP 17832291 A EP17832291 A EP 17832291A EP 3544754 A1 EP3544754 A1 EP 3544754A1
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EP
European Patent Office
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shell
elements
carapace
casting
fluid communication
Prior art date
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EP17832291.3A
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German (de)
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EP3544754B1 (fr
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Ngadia Taha NIANE
Ramzi BOHLI
Loïc GALVIN
Saïd BOUKERMA
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Safran SA filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/043—Removing the consumable pattern
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • 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
    • F05D2230/211—Manufacture essentially without removing material by casting by precision casting, e.g. microfusing or investment casting

Definitions

  • the present invention relates to the field of cluster manufacturing of elements, in particular bladed elements, turbomachine by the lost wax molding technique.
  • Each element is preferably an individual blade such as a blade of a compressor or turbine impeller.
  • the invention relates to any type of terrestrial or aeronautical turbomachines, and in particular aircraft turbomachines such as turbojets and turboprops.
  • the invention relates to the design of the cluster-shaped model and that of the shell intended to be formed around this model partially in wax, shell in which the metal is intended to be cast to obtain the elements. turbomachine.
  • the invention thus proposes a model in the form of a cluster and a shell for obtaining at least one handling accessory for the cluster independent of the turbomachine elements formed, as well as a related manufacturing process by lost wax casting. a plurality of turbomachine elements.
  • lost-wax precision casting consists of waxing, by injection into tools, a model of each of the desired bladed elements.
  • the assembly of these models on a wax dispenser makes it possible to constitute a model in the shape of a cluster which is then immersed in various substances in order to to form around it a ceramic shell of substantially uniform thickness.
  • the cluster-shaped model is also commonly referred to as "replica”, “cluster-set” or “wax tree", although not all of its components are necessarily made of wax or other sacrificial material.
  • the process is continued by melting the wax, which then leaves its exact imprint in the ceramic shell, into which the molten metal is poured, via a pouring cup assembled on the metal dispenser. After cooling the metal, the shell is destroyed and the metal parts are separated and finished.
  • This technique offers the advantage of dimensional accuracy, making it possible to reduce or even eliminate certain machining operations. In addition, it offers a very good surface appearance.
  • the principle of drop casting, or gravity, of the molten metal which consists in producing the casting of the metal from above in the cavities of the shell intended to form the turbomachine parts.
  • the molten metal is poured into the cup and then generally reaches an annular feed system of the plurality of cavities intended to form the turbomachine parts, as described for example in the French patent application FR 2 985 924 al.
  • such a feed system can also serve as the handling ring of the cluster at different stages of the manufacturing process, especially at the outlet of the oven, during shakeout, that is to say during the destruction of the carapace, or during cutting to obtain the metal turbomachine parts.
  • the principle of source casting of the molten metal is also known. On the contrary, it consists of casting the metal from below in the carapace imprints intended to form the parts of the mold. turbine engine. Most often, the molten metal is poured into the bucket and specific conduits connected to the bucket then allow the injection of the metal from the bottom of the fingerprints. In the case of a spring casting, the kinetic energy stored before entering the cavities is larger so that the velocity is higher. The metal supply means therefore favor the pressure drops and have for example a bend to reduce the speed.
  • the cluster for which the source casting principle is applied is provided with a feeding system forming a handling ring of the cluster as described previously in connection with the principle of falling casting.
  • This handling ring is typically in direct connection with the parts to be formed. So, if the weight of the crown is equivalent to that of the parts, there is a strong risk that the crown mechanically interact with the parts during solidification and / or during cooling, which can lead to the parts, when the Efforts are sufficient, to defects of the type crack or offset core, but also in the case of monocrystalline solidification to the generation of recrystallized grains because of the internal stresses generated in the parts.
  • the object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • the object of the invention is therefore, in one of its aspects, a cluster-shaped model around which a shell is intended to be formed for the manufacture by lost-wax molding of a plurality of elements, in particular turbomachine-bladed elements, said model having a longitudinal axis and comprising:
  • a replica for example made of metal, of a central descendant (or support) extending along the longitudinal axis, able to be in fluid communication with the pouring bucket for receiving the molten metal,
  • each shell element comprising a first low end part and a second one. high end part
  • a replica, for example in wax, of a shell of a handling accessory independent of the plurality of shell elements and of their metal supply circuit so as to be without fluid communication with the shell elements, the carapace of handling accessory being able to be in fluid communication with the central descendant to allow a fall casting of the carapace handling accessory.
  • a shell for the manufacture by lost-wax molding of a plurality of elements, in particular bladed elements, of a turbomachine said cluster-shaped shell having an axis longitudinal and comprising:
  • a pouring cup capable of allowing the injection of molten metal into the shell, a central descendant extending along the longitudinal axis of the shell, in fluid communication with the casting cup for receiving the molten metal,
  • each shell element comprising a first low end portion and a second high end portion
  • a carapace of a handling accessory independent of the plurality of shell elements and their metal supply circuit so as to be without fluid communication with the shell elements, the carapace of a material handling accessory being in communication fluidic with the central descendant to allow a fall casting of the carapace handling accessory.
  • the handling accessory in particular in the form of a handling ring, presents in the invention a single purpose of handling the cluster, especially at the exit of the oven, the shakeout and during the cutting, and no longer a target of supply of molten metal as according to the principle of drop casting previously described.
  • the handling accessory has sufficient mechanical properties not to yield under its own weight during handling and mainly not to fracture during cooling.
  • the cluster-shaped model and the shell according to the invention may further comprise one or more of the following features taken separately or in any possible technical combinations.
  • the handling accessory shell may comprise radial arms fluidly connecting a handling crown shell, centered on the longitudinal axis, to the central descendant.
  • the carapace of handling accessory may comprise a central element of central axis coinciding with the longitudinal axis of the shell, fixed to the central descendant or the tapping bucket, the radial arms fluidly connecting the crown of handling carapace and the central element.
  • the shell elements may advantageously be arranged around the longitudinal axis, being circumferentially spaced from each other, and defining an interior space centered on the longitudinal axis in which the central descendant is located.
  • each shell element may be in fluid communication, at its second upper end portion, with a single wax discharge conduit connected to the tundish.
  • each shell element may be in fluid communication, at its second upper end portion, with a single wax discharge conduit.
  • the shell may comprise at least a first set and a second set of a plurality of wax discharge conduits respectively interconnected by at least a first lateral duct and a second lateral duct, said at least one first lateral duct and a second duct second lateral duct being respectively fluidly connected with the casting cup via at least first and second main wax discharge ducts respectively extending between the casting cup and said at least first and second ducts, respectively side.
  • the shell-propeller turbomachine elements may be bladed carapace elements, each designed to obtain a single moving blade.
  • Another object of the invention is, according to another of its aspects, a process for manufacturing by lost-wax molding a plurality of elements, in particular bladed elements, of a turbomachine, characterized in that it is implemented using a shell as defined above and / or using a cluster-shaped model as defined above, the method comprising a step of casting the metal in the shell.
  • the method may further comprise a step of manufacturing a material other than metal, especially ceramic, to form a handling accessory.
  • FIG. 1 represents a partial perspective view of a first exemplary embodiment of a shell according to the invention, for the manufacture by lost-wax molding of a plurality of turbomachine elements, and
  • FIG. 2 represents a partial perspective view of a second exemplary embodiment of a shell according to the invention, for the manufacture by lost-wax molding of a plurality of turbomachine elements, forming a variant embodiment. of Figure 1.
  • turbomachine elements which may for example be mobile blades for a compressor or turbine, or compressor or turbine stator vanes, produced singly or in sectors comprising several blades.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a shell 1 according to the invention, for the manufacture by lost-wax molding of a plurality of turbomachine elements, in particular bladed elements.
  • cluster-shaped model (not shown) around which the carapace 1 preferably ceramic is intended to be formed.
  • This cluster-shaped model is essentially composed of sacrificial elements made of wax, but not exclusively. However, for the sake of simplicity, it is called "wax model”.
  • the implementation of the step of producing the ceramic shell 1 is carried out in a known manner by soaking the wax model in successive baths (not shown).
  • the shell 1 obtained has a general shape of a cluster, and comprises shell elements which will be described below, with the shell 1 shown in FIG. 1 in a position as subsequently adopted when it is filled with molten metal.
  • the shell 1 comprises firstly a casting cup 2 of metal, which can be covered integrally or partially of the shell 1.
  • This casting cup 2 is in fluid communication with a central descendant 3 extending along the longitudinal axis X of the shell 1.
  • This central descendant 3 preferably takes the form of an X-axis hollow cylinder which extends from the bottom of the pouring cup 2 to the level of the lower ends 4a of the shell-bladed elements 4.
  • the central descendant 3 advantageously communicates, in a manner known per se, with source supply ducts 5, visible in FIG. 2 described hereinafter, shell-blowing elements 4 intended to form the metal parts in the form of moldings. bladed elements.
  • the molten metal is injected into the casting cup 2, then passes through the central descendant 3 and is injected, at the bottom, into the source supply ducts 5 so as to allow filling of the bladed shell elements. 4 down, that is, from the bottom up.
  • the bladed carapace elements 4 are said to be bladed because after removal of the wax replica, they each form a cavity corresponding to a blade inside.
  • shell-bladed elements 4 extend upwards, being arranged around the X axis, and also around the central descendant 3 extending along the same axis, downwards from the bottom of the casting cup 2
  • the carapace-bladed elements 4 form the peripheral wall of the carapace 1, of longitudinal axis X. They are circumferentially spaced apart from each other, and define an interior space centered on this axis X, in which space the descendant is located. central 3.
  • the shell 1 comprises a carapace of handling accessory 6 completely independent of the bladed shell elements 4 and their molten metal supply circuit.
  • This carapace of handling accessory 6 comprises for example a central element 7 of revolutionary shape, cylindrical or conical, of central axis coinciding with the central axis X of the shell 1, oriented vertically.
  • This central element 7 is fixed to the central descendant 3, or even to the casting cup 2 directly.
  • the radial arms 8 and the handling crown shell 9 are for example just arranged. below the casting cup 2.
  • the radial arms 8 and the central element 7 are in fluid communication with the central descendant 3, itself in fluid communication with the tapping bucket 2, to allow the metal production of the handling accessory. .
  • a drop casting is performed in order to obtain this handling accessory.
  • the invention implements both a source casting to allow the formation of turbomachine bladed elements and a drop casting to allow the formation of the handling accessory, the bladed elements and the handling accessory being thus made completely independently to avoid the occurrence of manufacturing defects as explained above.
  • each bladed shell element 4 is in fluid communication, at its upper end 4b, with a single wax discharge pipe 10, also called wax-pull or These wax evacuation conduits 10 are oriented substantially vertically in the position of the shell 1 shown diagrammatically in FIG.
  • FIG. 1 also shows that, in order to reinforce the maintenance of the handling crown shell 9, a plurality of ceramic holding reinforcements 11 can be provided which connect the crown shell 9 to the casting cup 2.
  • a first 12a, a second 12b, a third 12c and a fourth 12d sets of four wax discharge conduits 10 respectively associated with four bladed shell elements 4 are each fluidly interconnected. by respectively the first 14a, second 14b, third 14c and fourth 14c lateral ducts.
  • the wax evacuation conduits 10 are thus partly connected to each other in order to make them integral. In this way, it is possible to avoid having excessive vibrations during the particular shake-out step. Indeed, these vibrations could be very detrimental by generating recrystallization, and thus the appearance of recrystallized grains on the formed parts.
  • the evacuation of the wax in this example, is done in the casting cup 2 through first 13a, second 13b, third 13c and fourth 13d main wax discharge ducts, each being connected fluidically to a plurality of bladed shell elements 4.
  • such an embodiment according to the example of Figure 2 can improve the molding and safety aspects. It can also reduce or increase constraints in the dawn during solidification phase and a finer evacuation of the wax. In this way, it may be possible to optimize the dewaxing system.
  • the shell 1 is preheated at high temperature in a dedicated oven, for example between 1000 and 1200 ° C, in order to to promote the fluidity of the metal in shell 1 during casting.
  • a dedicated oven for example between 1000 and 1200 ° C
  • metal leaving a melting furnace is poured into the shell-bladed elements 4 via the pouring bucket 2, with the shell 1 in the position as shown in FIG. 2, that is to say with the casting cup 2 open upwards and always the X axis oriented vertically.
  • the molten metal thus successively borrows the casting cup 2, then the central descendant 3, the central element 7, the radial arms 8 and the crown shell 9 to form the handling accessory in drop casting, and almost simultaneously the central descendant 3, the source supply ducts 5 and the bladed shell elements 4 to form the turbomachine blowing elements by source casting.
  • the shell 1 After cooling the metal after casting, the shell 1 is destroyed, then the blades are removed from the cluster for possible machining and finishing operations and control.
  • stiffeners may be added on each radial arm 8 of the handling ring to stiffen the cluster and not let it sag under its own weight.
  • a handling ring and more generally of a handling accessory, completely independent of the bladed elements makes it possible to reduce the dimensioning of the handling ring with respect to that formed by the feed system. a drop casting solution as previously described in the prior art part.
  • This reduction in size can then lead to a reduction in the metal mass, especially greater than 50%.
  • such a handling accessory, and in particular such a handling ring can be made otherwise than metal, and in particular ceramic, because it is only used for handling and no longer feeding the bladed shell elements 4.
  • the metal mass can even be reduced to zero when using a material other than metal. This reduction in size and metal mass of the handling accessory can be done while keeping sufficient mechanical properties.
  • the casting source of the cluster can help preserve the metallurgical health of the formed parts. It is thus possible to reduce the risks of offset and kernel breakage because the attack rates of the metal are very low, typically between 0.2 and 0.6 m / s. In addition, it is possible to reduce the metallurgical defects such as inclusion, oxidation, recrystallized grains, parasites, among others, as described above in connection with the state of the prior art.
  • the invention makes it possible to obtain aeration of the cluster and an increase in its rigidity with better resistance to molding and finishing.
  • the principle according to the invention for isolating the handling ring of the bladed elements allows a reduction of stresses and plastic deformations during solidification and cooling.
  • the invention seeks in fact to limit the thermomechanical stresses due to thermal gradients in the direction of directional solidification.
  • the risks of recrystallized grains and cold cracks are mitigated with the solution of the invention. Since it is a directed solidification process, the mold cools heterogeneously, the bottom cooling first, causing the hot metal to pull the hot metal.
  • the temperature at the bottom of the mold it is possible to control the temperature gradient in the direction of solidification. An equilibrium of the metallic masses of the upper part with respect to the lower part is established, and the stresses on all the manufactured parts are attenuated and better distributed.

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Abstract

L'objet principal de l'invention concerne un modèle en forme de grappe et une carapace (1) pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, la carapace (1) comportant un descendant central (3) en communication fluidique avec un godet de coulée (2) pour recevoir le métal en fusion et une pluralité d'éléments de carapace (4). La carapace (1) se caractérise en ce qu'elle comporte en outre une pluralité de conduits d'alimentation en source (5) des éléments de carapace (4) et une carapace d'accessoire de manutention (6), indépendante de la pluralité d'éléments de carapace (4) et de leur circuit d'alimentation en métal de sorte à être sans communication fluidique avec les éléments de carapace (4), la carapace d'accessoire de manutention (6) étant en communication fluidique avec le descendant central (3) pour permettre une coulée en chute de la carapace d'accessoire de manutention (6).

Description

MODÈLE EN FORME DE GRAPPE ET CARAPACE POUR OBTENTION D'UN ACCESSOIRE DE MANUTENTION INDÉPENDANT DE PIÈCES FORMÉES ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication en grappe d'éléments, en particulier d'éléments aubagés, de turbomachine par la technique de moulage à cire perdue. Chaque élément est préférentiellement une aube individuelle telle qu'une aube de roue mobile de compresseur ou de turbine.
L'invention concerne tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment les turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs.
Plus précisément, l'invention a trait à la conception du modèle en forme de grappe et celle de la carapace destinée à être formée autour de ce modèle partiellement en cire, carapace dans laquelle le métal est destiné à être coulé pour l'obtention des éléments de turbomachine.
L'invention propose ainsi un modèle en forme de grappe et une carapace pour l'obtention d'au moins accessoire de manutention de la grappe indépendant des éléments de turbomachine formés, ainsi qu'un procédé de fabrication associé par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La technique de moulage à cire perdue pour fabriquer simultanément plusieurs éléments aubagés de turbomachine d'aéronef, tels que des aubes mobiles, est bien connue de l'art antérieur. Une telle technique est par exemple décrite dans la demande de brevet français FR 2 985 924 Al.
Pour rappel, le moulage de précision à la cire perdue consiste à réaliser en cire, par injection da ns des outillages, un modèle de chacun des éléments aubagés désirés. L'assemblage de ces modèles sur un distributeur en cire permet de constituer un modèle en forme de grappe qui est ensuite plongé dans différentes substances afin de former autour de celui-ci une carapace de céramique d'épaisseur sensiblement uniforme. Le modèle en forme de grappe est également couramment dénommé « réplique », « ensemble-grappe » ou encore « arbre en cire », bien que ses composants ne soient pas tous nécessairement réalisés en cire ou dans un autre matériau sacrificiel.
Le procédé est poursuivi en faisant fondre la cire, qui laisse alors son empreinte exacte dans la carapace en céramique, dans laquelle le métal en fusion est versé, via un godet de coulée assemblé sur le distributeur de métal. Après refroidissement du métal, la carapace est détruite et les pièces en métal sont séparées et parachevées.
Cette technique offre l'avantage d'une précision dimensionnelle, permettant de réduire voire de supprimer certains usinages. De plus, elle offre un très bon aspect de surface.
Dans le domaine du moulage à cire perdue, on connaît le principe de coulée en chute, ou gravité, du métal en fusion qui consiste à réaliser la coulée du métal par le haut dans les empreintes de la carapace destinées à former les pièces de turbomachine. Selon ce principe, le métal en fusion est versé dans le godet puis atteint généralement un système annulaire d'alimentation de la pluralité d'empreintes destinées à former les pièces de turbomachine, comme décrit par exemple dans la demande de brevet français FR 2 985 924 Al.
De façon avantageuse, un tel système d'alimentation peut également servir de couronne de manutention de la grappe à différents stades du procédé de fabrication, notamment en sortie de four, au cours du décochage, c'est-à-dire lors de la destruction de la carapace, ou encore lors de la découpe pour obtenir les pièces de turbomachine métalliques.
Par ailleurs, dans le domaine du moulage à cire perdue, on connaît également le principe de coulée en source du métal en fusion qui consiste au contraire à réaliser la coulée du métal par le bas dans les empreintes de la carapace destinées à former les pièces de turbomachine. Le plus souvent, le métal en fusion est versé dans le godet puis des conduits spécifiques connectés au godet permettent alors l'injection du métal depuis la partie basse des empreintes. Dans le cadre d'une coulée en source, l'énergie cinétique emmagasinée avant l'entrée dans les empreintes est plus importante de sorte que la vitesse est plus élevée. Les moyens d'alimentation en métal favorisent donc les pertes de charge et présentent par exemple un coude pour réduire la vitesse.
De plus, en règle générale, la grappe pour laquelle on applique le principe de coulée en source est pourvue d'un système d'alimentation formant couronne de manutention de la grappe telle que décrit précédemment en lien avec le principe de coulée en chute.
Cette couronne de manutention est typiquement en liaison directe avec les pièces à former. Alors, si la masse de la couronne est équivalente à celle des pièces, il y a un risque fort que la couronne interagisse mécaniquement avec les pièces lors de la solidification et/ou lors du refroidissement, ce qui peut conduire sur les pièces, lorsque les efforts sont suffisants, à des défauts de type crique ou déport noyau, mais aussi dans le cas de solidification monocristalline à la génération de grains recristallisés du fait des contraintes internes générées dans les pièces.
Il existe donc un besoin d'optimisation de la technique actuelle du moulage à cire perdue, et notamment dans le cadre du principe de coulée en source avec un modèle en forme de grappe pourvu d'accessoires de manutention, pour éviter l'apparition des défauts mentionnés ci-dessus typiquement générés par les interactions néfastes entre les pièces à former et des accessoires de manutention de la grappe, comme une couronne de manutention formée par un système d'alimentation en coulée en chute.
En particulier, il existe un besoin pour permettre à la fois de bénéficier des avantages de la coulée gravité en source sans dégrader la santé métallurgique des pièces de turbomachine, et d'assurer la coulée d'accessoires de manutention, tels qu'une couronne de manutention de la grappe sans de nouveau dégrader la santé métallurgique des pièces de turbomachine.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un modèle en forme de grappe, autour duquel est destinée à être formée une carapace pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments, notamment des éléments aubagés, de turbomachine, ledit modèle présentant un axe longitudinal et comportant :
- une réplique, par exemple en cire, d'un godet de coulée apte à permettre l'injection de métal en fusion dans la carapace,
- une réplique, par exemple en métal, d'un descendant (ou support) central s'étendant selon l'axe longitudinal, apte à être en communication fluidique avec le godet de coulée pour recevoir le métal en fusion,
- une pluralité de répliques, par exemple en cire, d'éléments, notamment aubagés, de carapace chacun destiné à l'obtention de l'un des éléments de turbomachine, chaque élément de carapace comprenant une première partie d'extrémité basse et une deuxième partie d'extrémité haute,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- une pluralité de répliques, par exemple en cire, de conduits d'alimentation en source des éléments de carapace, aptes à être en communication fluidique avec le descendant central et les deuxièmes parties d'extrémité basse des éléments de carapace pour permettre une coulée en source des éléments de carapace,
- une réplique, par exemple en cire, d'une carapace d'accessoire de manutention, indépendante de la pluralité d'éléments de carapace et de leur circuit d'alimentation en métal de sorte à être sans communication fluidique avec les éléments de carapace, la carapace d'accessoire de manutention étant apte à être en communication fluidique avec le descendant central pour permettre une coulée en chute de la carapace d'accessoire de manutention.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une carapace pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments, notamment des éléments aubagés, de turbomachine, ladite carapace en forme de grappe présentant un axe longitudinal et comportant:
- un godet de coulée apte à permettre l'injection de métal en fusion dans la carapace, - un descendant central s'étendant selon l'axe longitudinal de la carapace, en communication fluidique avec le godet de coulée pour recevoir le métal en fusion,
- une pluralité d'éléments, notamment aubagés, de carapace chacun destiné à l'obtention de l'un des éléments de turbomachine, chaque élément de carapace comprenant une première partie d'extrémité basse et une deuxième partie d'extrémité haute,
caractérisée en ce qu'elle comporte en outre :
- une pluralité de conduits d'alimentation en source des éléments de carapace, en communication fluidique avec le descendant central et les deuxièmes parties d'extrémité basse des éléments de carapace pour permettre une coulée en source des éléments de carapace,
- une carapace d'accessoire de manutention, indépendante de la pluralité d'éléments de carapace et de leur circuit d'alimentation en métal de sorte à être sans communication fluidique avec les éléments de carapace, la carapace d'accessoire de manutention étant en communication fluidique avec le descendant central pour permettre une coulée en chute de la carapace d'accessoire de manutention.
Avantageusement, l'accessoire de manutention, notamment sous forme de couronne de manutention, présente dans l'invention un unique but de manutention de la grappe, notamment en sortie de four, au décochage et lors de la découpe, et non plus une visée d'alimentation en métal en fusion comme selon le principe de coulée en chute décrit auparavant. De façon préférentielle, l'accessoire de manutention présente des propriétés mécaniques suffisantes pour ne pas céder sous son propre poids lors de la manutention et pour principalement ne pas se fracturer lors du refroidissement.
Le modèle en forme de grappe et la carapace selon l'invention peuvent en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
La carapace d'accessoire de manutention peut comporter des bras radiaux reliant fluidiquement une carapace de couronne de manutention, centrée sur l'axe longitudinal, au descendant central. Par ailleurs, la carapace d'accessoire de manutention peut comporter un élément central d'axe central coïncidant avec l'axe longitudinal de la carapace, fixé au descendant central ou au godet de coulée, les bras radiaux reliant fluidiquement la carapace de couronne de manutention et l'élément central.
De plus, les éléments de carapace peuvent être avantageusement disposés autour de l'axe longitudinal, étant espacés circonférentiellement les uns des autres, et définissant un espace intérieur centré sur l'axe longitudinal dans lequel se trouve le descendant central.
Selon une première variante, chaque élément de carapace peut être en communication fluidique, au niveau de sa deuxième partie d'extrémité haute, avec un unique conduit d'évacuation de cire relié au godet de coulée.
Selon une deuxième variante, chaque élément de carapace peut être en communication fluidique, au niveau de sa deuxième partie d'extrémité haute, avec un unique conduit d'évacuation de cire. La carapace peut comporter au moins un premier ensemble et un deuxième ensemble d'une pluralité de conduits d'évacuation de cire respectivement reliés entre eux par au moins un premier conduit latéral et un deuxième conduit latéral, lesdits au moins un premier conduit latéral et un deuxième conduit latéral étant respectivement reliés fluidiquement avec le godet de coulée par le biais d'au moins un premier et un deuxième conduits principaux d'évacuation de cire s'étendant respectivement entre le godet de coulée et lesdits au moins un premier et un deuxième conduits latéraux.
Les éléments de turbomachine de carapace peuvent par exemple être des éléments aubagés de carapace, chacun conçus pour l'obtention d'une aube mobile unique.
L'invention a par ailleurs pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments, notamment d'éléments aubagés, de turbomachine, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre à l'aide d'une carapace telle que définie précédemment et/ou à l'aide d'un modèle en forme de grappe tel que défini précédemment, le procédé comprenant une étape de coulée du métal dans la carapace. De façon avantageuse, le procédé peut comporter en outre une étape de fabrication d'un matériau autre que du métal, notamment de la céramique, pour former un accessoire de manutention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente une vue en perspective partielle d'un premier exemple de réalisation d'une carapace conforme à l'invention, pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, et
- la figure 2 représente une vue en perspective partielle d'un deuxième exemple de réalisation d'une carapace conforme à l'invention, pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, formant une variante de réalisation de la figure 1.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS II est noté que, dans toute la description, les termes éventuels « haut »,
« bas », « dessus » et « dessous » s'entendent suivant l'orientation des vues sur les figures.
De plus, il est noté que l'invention permet de fabriquer des éléments de turbomachine, qui peuvent par exemple être des aubes mobiles de compresseur ou de turbine, ou encore des aubes de stator de compresseur ou de turbine, réalisées isolément ou par secteurs comprenant plusieurs aubes.
Il est également noté que si les caractéristiques mentionnées ci-dessous sont décrites en relation avec la carapace 1, il doit être compris qu'elles s'appliquent de manière analogue au modèle en forme de grappe, autour duquel cette carapace 1 est destinée à être formée.
On a représenté en référence à la figure 1 un premier exemple de réalisation d'une carapace 1 conforme à l'invention, pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, en particulier des éléments aubagés.
Pour la fabrication de la carapace, il est tout d'abord réalisé un modèle en forme de grappe (non représenté) autour duquel la carapace 1 préférentiellement en céramique est destinée à être formée. Ce modèle en forme de grappe est essentiellement composé d'éléments sacrificiels réalisés en cire, mais pas exclusivement. Cependant, par souci de simplicité, il est dénommé « modèle en cire ».
La mise en œuvre de l'étape de réalisation de la carapace 1 en céramique s'effectue de façon connue par trempage du modèle en cire dans des bains successifs (non représentés).
Après son séchage, la carapace 1 obtenue présente une forme générale de grappe, et comporte des éléments de carapace qui vont être décrits ci-après, avec la carapace 1 représentée sur la figure 1 dans une position telle qu'adoptée ensuite lorsqu'elle est remplie de métal en fusion.
La carapace 1 comporte tout d'abord un godet de coulée 2 de métal, qui peut être recouvert intégralement ou partiellement de la carapace 1. Ce godet de coulée 2 est en communication fluidique avec un descendant central 3 s'étendant selon l'axe longitudinal X de la carapace 1. Ce descendant central 3 prend préférentiellement la forme d'un cylindre creux d'axe X qui s'étend depuis le bas du godet de coulée 2 jusqu'au niveau des extrémités basses 4a des éléments aubagés de carapace 4.
Le descendant central 3 communique avantageusement, de manière connue en soi, avec des conduits d'alimentation en source 5, visibles sur la figure 2 décrite par la suite, des éléments aubagés de carapace 4 destinés à former les pièces en métal sous forme d'éléments aubagés. Autrement dit, le métal en fusion est injecté dans le godet de coulée 2, puis traverse le descendant central 3 et est injecté, en partie basse, dans les conduits d'alimentation en source 5 de manière à permettre un remplissage des éléments aubagés de carapace 4 par le bas, c'est-à-dire de bas en haut. Les éléments aubagés de carapace 4 sont dits aubagés car après élimination de la réplique en cire, ils forment chacun intérieurement une cavité correspondant à une aube. Ces éléments aubagés de carapace 4 s'étendent vers le haut, en étant disposées autour de l'axe X, et également autour du descendant central 3 s'étendant selon ce même axe, vers le bas à partir du bas du godet de coulée 2. Les éléments aubagés de carapace 4 forment la paroi périphérique de la carapace 1, d'axe longitudinal X. Ils sont espacés circonférentiellement les uns des autres, et définissent un espace intérieur centré sur cet axe X, espace dans lequel se trouve donc le descendant central 3.
Par ailleurs, conformément à l'invention, la carapace 1 comporte une carapace d'accessoire de manutention 6 totalement indépendante des éléments aubagés de carapace 4 et de leur circuit d'alimentation en métal en fusion.
Cette carapace d'accessoire de manutention 6 comporte par exemple un élément central 7 de forme révolutionnaire, cylindrique ou conique, d'axe central coïncidant avec l'axe central X de la carapace 1, orienté verticalement.
Cet élément central 7 est fixé au descendant central 3, voire au godet de coulée 2 directement. Des bras radiaux 8, davantage visibles sur la figure 2, relient l'élément central 7 à une carapace de couronne de manutention 9 centrée sur l'axe X. Les bras radiaux 8 et la carapace de couronne de manutention 9 sont par exemple agencés juste en dessous du godet de coulée 2.
De façon avantageuse, les bras radiaux 8 et l'élément central 7 sont en communication fluidique avec le descendant central 3, lui-même en communication fluidique avec le godet de coulée 2, afin de permettre la réalisation en métal de l'accessoire de manutention. Conformément à l'invention, une coulée en chute est réalisée afin d'obtenir cet accessoire de manutention. Ainsi, l'invention met à la fois en œuvre une coulée en source pour permettre la formation des éléments aubagés de turbomachine et une coulée en chute pour permettre la formation de l'accessoire de manutention, les éléments aubagés et l'accessoire de manutention étant ainsi réalisés de manière totalement indépendante afin d'éviter l'apparition de défauts de fabrication comme expliqué précédemment. Par ailleurs, dans cet exemple de réalisation de la figure 1, chaque élément aubagé de carapace 4 est en communication fluidique, au niveau de son extrémité haute 4b, avec un unique conduit d'évacuation de cire 10, encore appelé tire-cire ou encore évents de décirage 10. Ces conduits d'évacuation de cire 10 sont orientés sensiblement verticalement dans la position de la carapace 1 schématisée sur la figure 1.
En outre, la figure 1 montre également que, pour renforcer le maintien de la carapace de couronne de manutention 9, il peut être prévu plusieurs renforts de maintien en céramique 11 reliant la carapace de couronne 9 au godet de coulée 2.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le choix a été fait de ne pas lier les tire-cire à une pièce formée par un élément aubagé de carapace 4, autrement dit de ne pas associer un tire-cire à chaque élément aubagé de carapace 4. Ainsi, dans cet exemple, un premier 12a, un deuxième 12b, un troisième 12c et un quatrième 12d ensembles de quatre conduits d'évacuation de cire 10 respectivement associés à quatre éléments aubagés de carapace 4 sont chacun reliés entre eux fluidiquement par respectivement des premier 14a, deuxième 14b, troisième 14c et quatrième 14c conduits latéraux.
Les conduits d'évacuation de cire 10 sont donc en partie reliés les uns aux autres afin de les rendre solidaires. De cette façon, on peut éviter d'avoir des vibrations trop importantes lors de l'étape de décochage notamment. En effet, ces vibrations pourraient être très préjudiciables en engendrant de la recristallisation, et donc l'apparition de grains recristallisés sur les pièces formées.
Au niveau de chacun des quatre conduits latéraux 14a-14d est connecté fluidiquement un conduit principal d'évacuation de cire 13a, 13b, 13c ou 13d, ou tire-cire 13a-13d, relié lui-même fluidiquement au godet de coulée 2.
Autrement dit, l'évacuation de la cire, dans cet exemple, se fait dans le godet de coulée 2 par le biais de premier 13a, deuxième 13b, troisième 13c et quatrième 13d conduits principaux d'évacuation de cire, chacun étant connecté fluidiquement à une pluralité d'éléments aubagés de carapace 4.
De façon avantageuse, une telle réalisation selon l'exemple de la figure 2 peut permettre d'améliorer les aspects de moulage et de sécurité. Cela peut également permettre de réduire ou d'augmenter encore les contraintes dans l'aube pendant la phase de solidification et une évacuation plus fine de la cire. De cette façon, il peut donc être possible d'optimiser le système de décirage.
Après l'obtention de la carapace 1 et l'élimination de l'essentiel du modèle de grappe enfermé dans celle-ci, la carapace 1 est préchauffée à haute température dans un four dédié, par exemple entre 1000 et 1200°C, afin de favoriser la fluidité du métal dans la carapace 1 pendant la coulée.
A la sortie du préchauffage de la carapace 1, du métal sortant d'un four de fusion est coulé dans les éléments aubagés de carapace 4 via le godet de coulée 2, avec la carapace 1 dans la position telle que montrée sur la figure 1 ou 2, c'est-à-dire avec le godet de coulée 2 ouvert vers le haut et toujours l'axe X orienté verticalement.
Le métal en fusion emprunte donc successivement le godet de coulée 2, puis le descendant central 3, l'élément central 7, les bras radiaux 8 et la carapace de couronne 9 pour former l'accessoire de manutention en coulée en chute, et quasiment simultanément le descendant central 3, les conduits d'alimentation en source 5 et les éléments aubagés de carapace 4 pour former les éléments aubagés de turbomachine par coulée en source.
Après le refroidissement du métal suite à la coulée, la carapace 1 est détruite, puis les aubes mobiles sont extraites de la grappe pour d'éventuels usinages et opérations de finition et de contrôle.
De façon avantageuse, des raidisseurs peuvent être ajoutés sur chaque bras radial 8 de la couronne de manutention pour rigidifier la grappe et ne pas la laisser s'affaisser sous son propre poids.
De plus, la réalisation d'une couronne de manutention, et plus généralement d'un accessoire de manutention, totalement indépendant des éléments aubagés permet de pouvoir réduire le dimensionnement de la couronne de manutention par rapport à celle formée par le système d'alimentation dans une solution de coulée en chute telle que décrite auparavant dans la partie relative à l'art antérieur. Cette réduction de dimension peut alors engendrer une réduction de la masse métallique, notamment supérieure à 50 %. En outre, un tel accessoire de manutention, et notamment une telle couronne de manutention, peut être réalisé autrement qu'en métal, et en particulier en céramique, car elle ne sert qu'à la manutention et non plus à l'alimentation des éléments aubagés de carapace 4. De ce fait, la masse métallique peut même être réduite à zéro en cas d'utilisation d'un matériau autre que métallique. Cette réduction de taille et de masse métallique de l'accessoire de manutention peut se faire tout en gardant des propriétés mécaniques suffisantes.
Par ailleurs, la coulée en source de la grappe peut permettre de préserver la santé métallurgique des pièces formées. Il est ainsi possible de réduire les risques de déport et de casse noyau car les vitesses d'attaques du métal sont très faibles, typiquement comprises entre 0,2 et 0,6 m/s. De plus, il est possible de réduire les défauts métallurgiques tels que ceux d'inclusion, d'oxydation, de grains recristallisés, de parasites, entre autres, comme décrit précédemment en lien avec l'état de la technique antérieure.
De façon générale, l'invention permet d'obtenir une aération de la grappe et une augmentation de sa rigidité avec une meilleure tenue au moulage et au parachèvement. Le principe conforme à l'invention visant à isoler la couronne de manutention des éléments aubagés permet une réduction des contraintes et des déformations plastiques lors de la solidification et du refroidissement.
L'invention cherche en effet à limiter les contraintes thermomécaniques dues aux gradients thermiques dans le sens de la solidification dirigée. Les risques de grains recristallisés et de criques à froid sont atténués avec la solution de l'invention. Comme il s'agit d'un procédé de solidification dirigée, le moule se refroidit de manière hétérogène, le bas se refroidissant en premier, entraînant une traction du métal chaud par le métal froid. En maîtrisant la température en bas du moule, il est possible de maîtriser le gradient de température suivant la direction de solidification. Un équilibre des masses métalliques de la partie haute par rapport à la partie basse s'établit, et les contraintes sur toutes les pièces fabriquées sont atténuées et mieux distribuées.
En outre, il faut noter qu'une validation numérique de la solution de l'invention par estimation du critère de plasticité de type critère de von Mises en fin de solidification montre que les contraintes significativement atténuées de l'ordre de 45 à 50 % lorsque la grappe est directement reliée au godet de coulée 2, comme selon les exemples des figures 1 et 2 conformes à l'invention, plutôt que d'être reliée à un système d'alimentation sous forme de couronne comme selon la solution classique de l'art antérieur en coulée en chute. Alors, la probabilité de former des défauts métallurgiques, notamment de type grains recristallisés, est moindre.
De façon avantageuse, le principe de l'invention décrit précédemment peut être appliqué à tout type de configuration de grappe.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Modèle en forme de grappe, autour duquel est destinée à être formée une carapace (1) pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, ledit modèle présentant un axe longitudinal (X) et comportant :
- une réplique d'un godet de coulée (2) apte à permettre l'injection de métal en fusion dans la carapace (1),
- une réplique d'un descendant central (3) s'étendant selon l'axe longitudinal (X), apte à être en communication fluidique avec le godet de coulée (2) pour recevoir le métal en fusion,
- une pluralité de répliques d'éléments de carapace (4) chacun destiné à l'obtention de l'un des éléments de turbomachine, chaque élément de carapace (4) comprenant une première partie d'extrémité basse (4a) et une deuxième partie d'extrémité haute (4b),
caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- une pluralité de répliques de conduits d'alimentation en source (5) des éléments de carapace (4), aptes à être en communication fluidique avec le descendant central (3) et les deuxièmes parties d'extrémité basse (4a) des éléments de carapace (4) pour permettre une coulée en source des éléments de carapace (4),
- une réplique d'une carapace d'accessoire de manutention (6), indépendante de la pluralité d'éléments de carapace (4) et de leur circuit d'alimentation en métal de sorte à être sans communication fluidique avec les éléments de carapace (4), la carapace d'accessoire de manutention (6) étant apte à être en communication fluidique avec le descendant central (3) pour permettre une coulée en chute de la carapace d'accessoire de manutention (6).
2. Carapace (1) pour la fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, ladite carapace en forme de grappe présentant un axe longitudinal (X) et comportant: - un godet de coulée (2) apte à permettre l'injection de métal en fusion dans la carapace (1),
- un descendant central (3) s'étendant selon l'axe longitudinal (X) de la carapace (1), en communication fluidique avec le godet de coulée (2) pour recevoir le métal en fusion,
- une pluralité d'éléments de carapace (4) chacun destiné à l'obtention de l'un des éléments de turbomachine, chaque élément de carapace (4) comprenant une première partie d'extrémité basse (4a) et une deuxième partie d'extrémité haute (4b), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre :
- une pluralité de conduits d'alimentation en source (5) des éléments de carapace (4), en communication fluidique avec le descendant central (3) et les deuxièmes parties d'extrémité basse (4a) des éléments de carapace (4) pour permettre une coulée en source des éléments de carapace (4),
- une carapace d'accessoire de manutention (6), indépendante de la pluralité d'éléments de carapace (4) et de leur circuit d'alimentation en métal de sorte à être sans communication fluidique avec les éléments de carapace (4), la carapace d'accessoire de manutention (6) étant en communication fluidique avec le descendant central (3) pour permettre une coulée en chute de la carapace d'accessoire de manutention (6).
3. Carapace selon la revendication 2, caractérisée en ce que la carapace d'accessoire de manutention (6) comporte des bras radiaux (8) reliant fluidiquement une carapace de couronne de manutention (9), centrée sur l'axe longitudinal (X), au descendant central (3).
4. Carapace selon la revendication 3, caractérisée en ce que la carapace d'accessoire de manutention (6) comporte un élément central (7) d'axe central coïncidant avec l'axe longitudinal (X) de la carapace (1), fixé au descendant central (3) ou au godet de coulée (3), les bras radiaux (8) reliant fluidiquement la carapace de couronne de manutention (9) et l'élément central (7).
5. Carapace selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les éléments de carapace (4) sont disposés autour de l'axe longitudinal (X), étant espacés circonférentiellement les uns des autres, et définissant un espace intérieur centré sur l'axe longitudinal (X) dans lequel se trouve le descendant central (3).
6. Carapace selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que chaque élément de carapace (4) est en communication fluidique, au niveau de sa deuxième partie d'extrémité haute (4b), avec un unique conduit d'évacuation de cire (10) relié au godet de coulée (2).
7. Carapace selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que chaque élément de carapace (4) est en communication fluidique, au niveau de sa deuxième partie d'extrémité haute (4b), avec un unique conduit d'évacuation de cire (10), et en ce que la carapace (1) comporte au moins un premier ensemble (12a) et un deuxième ensemble (12b) d'une pluralité de conduits d'évacuation de cire (10) respectivement reliés entre eux par au moins un premier conduit latéral (14a) et un deuxième conduit latéral (14b), lesdits au moins un premier conduit latéral (14a) et un deuxième conduit latéral (14b) étant respectivement reliés fluidiquement avec le godet de coulée (2) par le biais d'au moins un premier (13a) et un deuxième (13b) conduits principaux d'évacuation de cire s'étendant respectivement entre le godet de coulée (2) et lesdits au moins un premier (14a) et un deuxième (14b) conduits latéraux.
8. Carapace selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les éléments de turbomachine de carapace (4) sont des éléments aubagés de carapace (4), chacun conçus pour l'obtention d'une aube mobile unique.
9. Procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pluralité d'éléments de turbomachine, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre à l'aide d'une carapace (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 et/ou à l'aide d'un modèle en forme de grappe selon la revendication 1, le procédé comprenant une étape de coulée du métal dans la carapace (1) pour former au moins les éléments de turbomachine.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'il comporte en outre une étape de fabrication d'un matériau autre que du métal, notamment de la céramique, pour former un accessoire de manutention.
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