EP4630186A1 - Noyau de fonderie - Google Patents

Noyau de fonderie

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Publication number
EP4630186A1
EP4630186A1 EP23833517.8A EP23833517A EP4630186A1 EP 4630186 A1 EP4630186 A1 EP 4630186A1 EP 23833517 A EP23833517 A EP 23833517A EP 4630186 A1 EP4630186 A1 EP 4630186A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
main part
foundry
protuberances
refractory material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23833517.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Amandine LORRIAUX
Amar Saboundji
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4630186A1 publication Critical patent/EP4630186A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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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
    • B22C23/00—Tools; Devices not mentioned before for moulding
    • 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
    • B22C9/108—Installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/18—Finishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots
    • B22D29/001—Removing cores
    • B22D29/005—Removing cores by vibrating or hammering

Definitions

  • the present presentation also concerns a process for manufacturing such a foundry core, and a process for founding a hollow part made of metallic material using a foundry core.
  • the lost wax casting process is known from the literature, and makes it possible to obtain a metal part directly to the desired dimensions thanks to the use of a wax model of the part to be obtained, by forming a mold around the model and removing the wax to obtain a cavity in the mold in the shape of the wax model, and therefore the desired part.
  • the part is hollow, that is to say when it has recesses, it is possible to create these by means of a foundry core having the shape of the desired recess.
  • the foundry core is positioned in the mold, so that molten metal introduced into the mold cannot occupy the space of the foundry core.
  • the foundry core is in contact with the metal which is cast in the mold, and must as such, withstand the temperatures involved.
  • the present invention aims precisely to respond to the problem set out above.
  • a foundry core comprising a main part made of molybdenum or a molybdenum alloy, characterized in that it comprises on the surface of the main part at least two protuberances composed of 'a refractory material, the entire main part and the protrusions being covered with a protective coating against oxidation.
  • the main part of the core remains consistent with the cores of the prior art and therefore does not require a complete change of lost wax foundry tools and processes.
  • the protuberances allow easy anchoring of the core in the mold and therefore precise positioning of the main part of the core for the foundry process.
  • the protrusions made of refractory material are not subject to oxidation. Therefore, even though the protective coating present on the protrusions would be degraded due to handling and upon contact with the mold, the integrity of the core is not compromised.
  • the protective coating against oxidation is chosen from coatings comprising at least, from the core and outwards, an adhesion layer and a protective layer.
  • the adhesion layer is chosen to have a thermal expansion coefficient close to the substrate.
  • the adhesion layer can be chosen from a layer of titanium nitrocarbon TiCN, titanium carbide TiC, TiN nitride, silicon carbide SiC, hafnium carbide HfC, or aluminum nitride AIN.
  • the protective layer is a layer of alumina AI 2 O 3 .
  • the protective coating against oxidation comprises at least, from the core and towards the outside, an adhesion layer and a protective layer, the adhesion layer being chosen from a layer of titanium nitrocarbide TiCN, titanium carbide TiC, TiN nitride, silicon carbide SiC, hafnium carbide HfC, or aluminum nitride AIN and the protective layer being a layer of alumina AI 2 O 3 .
  • the thickness of the adhesion layer can be between 2 and 10 ⁇ m.
  • the thickness of the protective layer can be between 5 and 50 ⁇ m.
  • the coating is chosen from coatings comprising two layers and in particular those comprising: a layer of titanium carbonitride TiCN and a layer of alumina AI 2 O 3 ; a layer of aluminum nitride AIN and a layer of alumina AI 2 O 3 ; a layer of silicon carbide SiC and a layer of alumina AI 2 O 3 ; or a layer of hafnium carbide HfC and a layer of alumina AI 2 O 3 .
  • the protective coating is chosen from coatings comprising three layers, for example comprising from the core and towards the outside a layer of titanium carbide TiC, a layer of titanium nitride TiN and a layer alumina AI 2 O 3 ; or a layer of titanium nitride TiN, a layer of titanium carbide TiC and a layer of alumina AI 2 O 3 .
  • the protective coating against oxidation is a coating comprising, from the core and towards the outside, a layer of titanium carbonitride TiCN and a layer of alumina AI 2 O 3 .
  • the protuberances are precisely two in number.
  • the inventors have noted that fixing the core at two points of the mold makes it possible to ensure hypostatic fixing, that is to say which leaves the core at least one degree of freedom. This is particularly advantageous because it allows thermal expansion of the core, for example when pouring the molten metal, without creating residual stresses. Indeed, the differential expansion between the core and the shell mold is not created by constraint during the temperature stages, because the degree of freedom granted to the core allows it to slide along the shell.
  • the protuberances are formed by a single rod made of refractory material passing right through the main part of the core.
  • Such a rod must be understood in the vernacular sense of this term as an element of which one dimension is larger than the others.
  • the largest dimension of the rod is at least 5 times greater than the other dimensions of the rod.
  • the rod can be cylindrical of revolution or even cylindrical with a hexagonal or triangular surface.
  • Forming the protuberances in this way greatly simplifies the core manufacturing process, because the latter can be formed by fitting a rod made of refractory material into a cylindrical opening passing through the main part of the core right through.
  • the rod made of refractory material is a hollow rod. This makes it possible to simplify the coating process, in particular when it is carried out by chemical vapor deposition.
  • the protuberances are present projecting from the surface of the main part.
  • the protuberances have a length greater than or equal to 1.0 mm, for example between 1.0 mm and 5.0 mm.
  • the refractory material of the refractory material rod may be a ceramic, for example chosen from alumina or zirconia.
  • the main part of the core has the shape of the cooling circuits of a turbomachine blade.
  • the blades of turbomachines are generally made by foundry, in particular for the blades of the hot part of the turbomachine, that is to say those located after the combustion chamber.
  • the particularly complex geometry of the cooling circuits of a turbomachine blade is not necessarily achievable by machining after manufacturing the part. Furthermore, for monocrystalline turbomachine blades, such machining is not possible, and it is therefore preferable to use foundry cores.
  • the foundry core described then makes it possible to obtain the cooling circuits in such a blade, without complicating the foundry process.
  • the invention relates to a method of manufacturing a foundry core comprising the following steps:
  • the formation of the main part of the foundry core is carried out by additive manufacturing, for example by a binder jetting process (also called “binder jetting” in the English name).
  • the processes can be chosen from laser deposition of metal (called “LMD” for the English acronym “Laser Melting Deposition”), by electron beam fusion (called “EBM” for the English acronym “Electron Beam Melting”).
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • PBM bed of powder
  • DMLS direct laser sintering of metal
  • Additive manufacturing makes it possible to easily obtain shapes with complex geometries, which allows a cost saving in the manufacturing of the core.
  • the formation of the main part of the foundry core is carried out by metal injection molding (or MIM for the acronym “Metal Injection Molding”).
  • the arrangement of the protuberances is made by fitting a rod made of refractory material into a through opening of the main part.
  • protuberances by fitting a rod into a through opening of the main part simplifies the methods of arranging the protuberances compared to other methods of fixing the protuberances.
  • this method ensures that two protuberances are directly facing each other, which allows more precise positioning of the foundry core in the foundry mold.
  • this method ensures the absence of play between the protuberances and the main part.
  • the refractory material of the protuberances can be a ceramic, for example chosen from alumina or zirconia.
  • the coating of the core can be carried out by a chemical vapor deposition process (in English “Chemical Vapor Deposition” or CVD), by a physical deposition in the vapor phase (in English “Physical Vapor Deposition” » or PVD) or by liquid means, for example by electro-deposition.
  • Such embodiments of the coating ensure that the coating is continuous between the main part and the protuberances.
  • the invention relates to a method of manufacturing a hollow part of metallic material by foundry comprising at least the following steps:
  • This manufacturing process makes it possible to obtain hollow parts made of metallic material in a simplified manner and with a lower scrap rate than the processes of the prior art.
  • the metallic material may be a nickel or cobalt superalloy, optionally monocrystalline.
  • the hollow metal part is a turbomachine blade, for example a hot part blade of a turbomachine comprising cooling channels.
  • Figure 1 schematically represents a foundry core in a first embodiment.
  • FIG. 2 Figure 2 schematically represents a foundry core in another embodiment.
  • Figure 3 schematically represents a foundry core according to one embodiment of the invention placed in a mold for lost wax foundry.
  • Figure 4 represents a flowchart schematizing a process for preparing a foundry core in one embodiment.
  • Figure 5 represents a flowchart schematizing a method of manufacturing a hollow part made of metallic material in one embodiment.
  • Figure 1 schematically represents a foundry core 101 in one embodiment.
  • the foundry core comprises a main part 11, two protuberances 12 on the surface of the main part 11, the whole being covered by a protective coating against oxidation 13.
  • the protuberances 12 can be fixed by embedding, by gluing or by any other method making it possible to ensure the fixing of the core in the mold, it being understood that this fixing must resist the step of pouring the molten metal.
  • the two protuberances 12 are distinct from each other in that they are distinctly formed.
  • Figure 2 represents an alternative embodiment which differs from Figure 1 in that the two protuberances are formed by a single rod of refractory material 15.
  • This embodiment makes it possible to obtain two protuberances 12 in a simplified manner. Furthermore, since this requires the production of a through opening upstream in the main part 11 of the core 102, this embodiment ensures precise positioning. and simplified protuberances 12 on the main part 11, and therefore better reproducibility.
  • the protuberances 12 made of refractory material are made of a material that is chemically inert with respect to the molten metal and resistant to the temperatures involved during the casting of the liquid metal.
  • the refractory material may be a ceramic material, for example zirconia or alumina.
  • the oxidation protective coating 13 is continuous, that is to say that the entire external surface of the main part 11 and the protuberances 12 is covered .
  • This embodiment ensures excellent resistance to oxidation of the main part 11 and in particular near the protuberances 12.
  • the placement of the core 101, 102 in the mold can cause localized destruction of the protective coating 13 present on the protuberances 12. For example due to handling tools, or due to contact with the mold.
  • a core 101, 102 according to the invention does not suffer from either of these two problems, nor does it require finding other methods of positioning the core 101, 102 in the mold.
  • the coating 13 covers both the main part 11 and the protuberances 12. Fixing the protuberances cannot then degrade the coating 13 which is deposited afterwards.
  • the core 101, 102 when the core 101, 102 is put in place, it is the protuberances 12 which are in contact with the mold. Since the latter are composed of a refractory material, even if the coating 13 were damaged at the level of the protuberances 12, this would not have an impact on the good resistance to oxidation of the main part 11 of the core 101, 102.
  • Figure 3 schematically represents a core 102 placed in a mold 16 for the preparation of a hollow metal part.
  • the mold 16 is obtained in a known manner, according to a lost wax casting process, and so that the molding cavity 20 of the mold, defined by its internal surface S in t, has the shape of the desired room.
  • the positioning of the core 102 can be done, for example, by arranging the protuberances 12 in parts of the mold provided for this purpose, here the recesses 22.
  • the molding cavity 20 may comprise a useful part 18, and a non-useful part 24, the desired part being obtained in the useful part 18.
  • the protuberances 12 and the recesses 22 are located in the non-useful part 24.
  • the presence of a non-useful zone 24 makes it possible to facilitate the demolding steps and/or to carry out checks.
  • the final geometry of the useful part 18 of the molding cavity 20 of the mold 16 is in no way constrained by the presence of the protuberances 12 of the core, and it is thus possible to obtain a hollow part made of material metal to the desired dimensions and shapes.
  • Figure 4 very schematically represents a method of manufacturing a foundry core 101, 102 as described above.
  • a first step Sll the main part 11 of the core 101, 102 is formed into the desired shape.
  • step Sll may also include a particular step of creating a through opening in the main part 11, intended to accommodate the rod made of refractory material 15.
  • a second step S12 at least two protuberances 12 are arranged on the surface of the main part 11.
  • the protuberances 12 are created via the insertion of a rod made of refractory material 15 passing through the main part 11 right through, the protuberances 12 must be understood as the parts of the rod made of refractory material 15 which protrude from the main part 11, and they are therefore well located on the surface of the main part 11.
  • the second step S12 can be carried out by gluing or embedding protuberances 12 on the surface of the main part 11 created previously.
  • step S12 corresponds to the insertion of a rod made of refractory material 15 into a cylindrical opening provided for this purpose in the main part 11 of the core 102.
  • the refractory material 15 can be a refractory oxide or a refractory ceramic.
  • the rod made of refractory material 15 is fitted into the cylindrical opening of the main part 11.
  • the rod made of refractory material 15 has no play with the main part 11 of the core.
  • the inventors have found that it is preferable that the rod made of refractory material 15 does not have any play with the main part 11 of the core 102, because this avoids the relative movement of the rod made of refractory material 15 relative to the main part 11 of the nucleus. By such a movement, the rod made of refractory material 15 could rub on the coating 13 of the main part 11 near the protuberances 12 and harm its integrity. In addition, the positioning of the core 102 in the mold 16 is thus more precise.
  • the method of preparing the foundry core 102 further comprises a step S13 of coating the core 102, formed of the main part 11 and the protuberances 12, with an oxidation protective coating 13.
  • this step can be carried out by a chemical vapor deposition process (in English “Chemical Vapor Deposition” or CVD) or by a physical vapor deposition process (in English “Physical Vapor Deposition” or PVD), or even by liquid means, for example by electro-deposition.
  • the coating may comprise a layer of alumina AI 2 O 3 and a layer of titanium carbonitride TiCN, both deposited by a chemical vapor deposition process.
  • step S13 can be carried out by hanging the core 102 in a chemical vapor deposition oven by means of a wire passing through the material rod refractory 15.
  • Figure 5 describes a process for manufacturing a hollow part made of metallic material by a lost wax casting process using a foundry core as described above.
  • Such a method comprises a step S21 of arranging a foundry core 101, 102 in a foundry mold 16, so that the protuberances 12 of the core are in contact with the mold 16.
  • the foundry mold 16 can be obtained via a ceramic shell formed around a wax model of the part, for example , by dipping the wax model in a slip followed by heat treatment.
  • the protuberances of the core are arranged in recesses 22 of the mold 16.
  • the method comprises a step S22 of pouring a molten metallic material into the mold comprising the core 101, 102.
  • the molten metal fills the molding cavity 20 of the mold 16, or at least its useful part 18.
  • the molding cavity 20 has the shape of the part to be obtained, and the molten metal therefore takes the desired shape for the part.
  • the mold can be destroyed mechanically.
  • the foundry core can be dissolved using an acidic or basic chemical solution.
  • the foundry core can be dissolved by an oxidation treatment, possibly carried out at temperature.
  • the method of manufacturing a hollow part made of metallic material may comprise, after step S23, a machining step, for example to remove part of the metal which would have flowed into the zone non-useful 24 of mold 16, and only keep the part with the desired dimensions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

L'invention concerne un noyau de fonderie (102) comprenant une partie principale (11) en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu'il comprend à la surface de la partie principale au moins deux protubérances (12) composées d'un matériau réfractaire, l'ensemble de la partie principale et des protubérances étant recouvertes d'un revêtement protecteur à l'oxydation (13).

Description

Description
Titre de l'invention : Noyau de fonderie
Domaine Technique
[0001] Le présent exposé concerne les outils de fonderie pour la fabrication de pièces métalliques et plus précisément les noyaux de fonderie utilisés pour la réalisation de pièces creuses.
[0002] Le présent exposé concerne encore un procédé de fabrication d'un tel noyau de fonderie, et un procédé de fonderie d'une pièce creuse en matériau métallique utilisant un noyau de fonderie.
Technique antérieure
[0003] Le procédé de fonderie à la cire perdue est connu de la littérature, et permet d'obtenir une pièce métallique directement aux dimensions souhaitées grâce à l'utilisation d'un modèle en cire de la pièce à obtenir, en formant un moule autour du modèle et en retirant la cire pour obtenir dans le moule une cavité à la forme du modèle de cire, et donc de la pièce souhaitée.
[0004] Lorsque la pièce est creuse, c'est-à-dire lorsqu'elle comporte des évidements, il est possible de créer ces derniers au moyen d'un noyau de fonderie ayant la forme de l'évidement voulu. Le noyau de fonderie est positionné dans le moule, de sorte que le métal fondu introduit dans le moule ne puisse pas occuper l'espace du noyau de fonderie.
[0005] Le retrait ultérieur du noyau permet d'obtenir dans la pièce métallique un évidement ayant la forme du noyau de fonderie en lieu et place du noyau de fonderie initialement présent.
[0006] L'utilisation d'un tel noyau de fonderie permet d'éviter un usinage ultérieur d'une pièce métallique massive pour créer l'évidement souhaité, permettant ainsi de créer simplement des évidements aux géométries complexes.
[0007] Toutefois, le noyau de fonderie est au contact du métal qui est coulé dans le moule, et doit à ce titre, supporter les températures mises en jeu. En outre, il est important que le noyau soit facilement éliminable une fois la pièce en matériau métallique obtenue, afin de créer la porosité souhaitée.
[0008] Des compositions de noyaux sont connues, comme par exemple le molybdène ou les alliages de molybdène (parfois dits RMC pour l'acronyme anglais « Refractory Metal Core »). [0009] Néanmoins, ces alliages ne présentent pas une résistance à l'oxydation en température suffisante pour une application directe dans des procédés de fonderie et sont en outre solubles dans les superalliages base nickel. C'est pourquoi il est généralement proposé de les revêtir avec un revêtement protecteur contre l'oxydation.
[0010] Toutefois, même avec un tel revêtement, les noyaux de fonderie actuels ne donnent pas une entière satisfaction. En effet, il a été constaté que les parties nécessaires au positionnement du noyau dans le moule de fonderie sont plus sujettes à des frottements avec le moule ou au cours des manutentions. De tels frottements peuvent abîmer le revêtement qui ne permet alors plus une protection suffisante de la pièce. En conséquence, le noyau de fonderie s'oxyde, et la pièce coulée n'est pas conforme à ce qui était attendu.
[0011] A l'inverse, vouloir éviter ces frottements par une manutention minutieuse impose de ralentir drastiquement les étapes de positionnement du noyau, ce qui nuit à la compétitivité industrielle de ce mode de réalisation.
[0012] Il demeure donc un besoin pour de nouveau noyaux de fonderie qui soient plus résistants à l'oxydation que ceux de l'art antérieur.
Exposé de l'invention
[0013] La présente invention vise précisément à répondre au problème exposé plus haut.
[0014] Pour cela, elle propose dans un mode de réalisation, un noyau de fonderie comprenant une partie principale en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu'il comprend à la surface de la partie principale au moins deux protubérances composées d'un matériau réfractaire, l'ensemble de la partie principale et des protubérances étant recouvertes d'un revêtement protecteur à l'oxydation.
[0015] Les inventeurs ont en effet constaté qu'un tel noyau répondait aux problèmes des noyaux de l'art antérieur.
[0016] D'une part, la partie principale du noyau reste conforme aux noyaux de l'art antérieur et ne nécessite donc pas un changement complet des outillages et procédés de fonderie à la cire perdue.
[0017] D'autre part, les protubérances permettent un ancrage aisé du noyau dans le moule et donc un positionnement précis de la partie principale du noyau pour le procédé de fonderie.
[0018] Egalement, les protubérances en matériau réfractaire ne sont pas sujettes à l'oxydation. De ce fait, quand bien même le revêtement protecteur présent sur les protubérances serait dégradé à cause de la manipulation et lors de son contact avec le moule, l'intégrité du noyau n'est pas compromise.
[0019] Les inventeurs ont aussi constaté qu'il était particulièrement avantageux de déposer le revêtement protecteur sur l'ensemble du noyau après avoir fixé les protubérances, car cela assure la continuité du revêtement et évite en particulier que la fixation des protubérances ne risque de dégrader le revêtement de la partie principale du noyau.
[0020] Pour l'ensemble des raisons ci-dessus, on parvient ainsi à un noyau qui a d'excellentes propriétés de résistance à l'oxydation tout en étant utilisable simplement dans les procédés de fonderie à la cire perdue déjà développés.
[0021] Dans un mode de réalisation, le revêtement protecteur à l'oxydation est choisi parmi des revêtements comprenant au moins, depuis le noyau et vers l'extérieur, une couche d'accroche et une couche protectrice.
[0022] De préférence, la couche d'accroche est choisie pour avoir un coefficient de dilatation thermique proche du substrat. Par exemple, la couche d'accroche peut être choisie parmi une couche de nitrocarbure de titane TiCN, de carbure de titane TiC, de nitrure de TiN, de carbure de silicium SiC, de carbure d'hafnium HfC, ou de nitrure d'aluminium AIN.
[0023] De préférence, la couche protectrice est une couche d'alumine AI2O3.
[0024] Ainsi, dans un mode de réalisation, le revêtement protecteur à l'oxydation comprend au moins, depuis le noyau et vers l'extérieur, une couche d'accroche et une couche protectrice, la couche d'accroche étant choisie parmi une couche de nitrocarbure de titane TiCN, de carbure de titane TiC, de nitrure de TiN, de carbure de silicium SiC, de carbure d'hafnium HfC, ou de nitrure d'aluminium AIN et la couche protectrice étant une couche d'alumine AI2O3.
[0025] Dans un tel mode de réalisation, l'épaisseur de la couche d'accroche peut être comprise entre 2 et 10 pm.
[0026] Dans un tel mode de réalisation, l'épaisseur de la couche de protection peut être comprise entre 5 et 50 pm.
[0027] Les inventeurs ont constaté qu'avec un revêtement protecteur tel que décrit plus haut, il était possible d'obtenir d'une part un revêtement remplissant parfaitement sa fonction de protection du noyau, et d'autre part que le revêtement ne présentait pas de fissure du fait de la dilatation différentielle du fait du coefficient de dilatation thermique de la couche d'accroche, proche de celui du substrat. [0028] Dans un mode de réalisation, le revêtement est choisi parmi les revêtements comprenant deux couches et notamment ceux comprenant : une couche de carbonitrure de titane TiCN et une couche d'alumine AI2O3 ; une couche de nitrure d'aluminium AIN et une couche d'alumine AI2O3 ; une couche de carbure de silicium SiC et une couche d'alumine AI2O3 ; ou bien une couche de carbure d'hafnium HfC et une couche d'alumine AI2O3.
[0029] Dans un mode de réalisation, le revêtement protecteur est choisi parmi des revêtement comprenant trois couches, par exemple comprenant depuis le noyau et vers l'extérieur une couche de carbure de titane TiC, une couche de nitrure de titane TiN et une couche d'alumine AI2O3 ; ou une couche de nitrure de titane TiN, une couche carbure de titane TiC et une couche d'alumine AI2O3.
[0030] De préférence, le revêtement protecteur à l'oxydation est un revêtement comprenant depuis le noyau et vers l'extérieur une couche de carbonitrure de titane TiCN et une couche d'alumine AI2O3.
[0031] Les éléments proposés permettent une excellente protection de la partie principale du noyau contre l'oxydation.
[0032] Dans un mode de réalisation, les protubérances sont précisément au nombre de deux.
[0033] En effet, les inventeurs ont constaté que la fixation du noyau en deux points du moule permet d'assurer une fixation hypostatique, c'est-à-dire qui laisse au noyau au moins un degré de liberté. Ceci est particulièrement avantageux car cela permet une dilatation thermique du noyau par exemple au moment de la verse du métal fondu, sans créer de contraintes résiduelles. En effet, la dilatation différentielle entre le noyau et le moule carapace ne créée par contrainte durant les étapes en température, car le degré de liberté accordé au noyau lui permet de coulisser le long de la carapace.
[0034] Dans un mode de réalisation, les protubérances sont formées par une unique tige en matériau réfractaire traversant la partie principale du noyau de part en part.
[0035] Une telle tige doit s'entendre au sens vernaculaire de ce terme comme un élément dont l'une dimension est plus grande que les autres.
[0036] Par exemple, la plus grande dimension de la tige est au moins 5 fois supérieure aux autres dimensions de la tige.
[0037] Par exemple, la tige peut être cylindrique de révolution ou encore cylindrique avec une surface hexagonale ou triangulaire. [0038] Former ainsi les protubérances simplifie grandement le procédé de fabrication du noyau, car ces dernières peuvent être formées par frettage d'une tige en matériau réfractaire dans une ouverture cylindrique traversant la partie principale du noyau de part en part.
[0039] Dans un mode de réalisation, la tige en matériau réfractaire est une tige creuse. Cela permet de simplifier le procédé de revêtement, en particulier lorsque celui-ci est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur.
[0040] Les protubérances sont présentes en saillie de la surface de la partie principale. Dans un mode de réalisation, les protubérances ont une longueur supérieure ou égale à 1,0 mm, par exemple comprise entre 1,0 mm et 5,0 mm.
[0041] Il est entendu que la longueur d'une protubérance est mesurée à partir de la surface de la partie principale et perpendiculairement à celle-ci.
[0042] Dans un mode de réalisation, le matériau réfractaire de la tige en matériau réfractaire peut être une céramique, par exemple choisie parmi l'alumine ou la zircone.
[0043] Dans un mode de réalisation, la partie principale du noyau a la forme des circuits de refroidissement d'une aube de turbomachine.
[0044] En effet, les aubes de turbomachines sont généralement réalisées par fonderie, en particulier pour les aubes de partie chaude de turbomachine, c'est-à-dire celles situées après la chambre de combustion.
[0045] Il est alors particulièrement avantageux d'utiliser un noyau de fonderie plutôt qu'un usinage ultérieur pour fabriquer les circuits de refroidissement d'une aube de turbomachine.
[0046] En effet, la géométrie particulièrement complexe des circuits de refroidissement d'une aube de turbomachine n'est pas nécessairement atteignable par un usinage après fabrication de la pièce. En outre, pour les aubes de turbomachines monocristallines, un tel usinage n'est pas envisageable, et il est donc préférable d'utiliser des noyaux de fonderie.
[0047] Le noyau de fonderie décrit permet alors d'obtenir les circuits de refroidissement dans une telle aube, sans complexifier le procédé de fonderie.
[0048] Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau de fonderie comprenant les étapes suivantes :
- la formation d'une partie principale du noyau en molybdène ou en alliage de molybdène à la forme souhaitée ;
- la disposition d'au moins deux protubérances en matériau réfractaire à la surface de la partie principale ;
- le revêtement de la partie principale et des protubérances par un revêtement protecteur à l'oxydation.
[0049] Dans un mode de réalisation, la formation de la partie principale du noyau de fonderie est réalisée par fabrication additive, par exemple par un procédé de jet de liant (dit aussi « binder jetting » dans l'appellation anglaise). Les procédés peuvent être choisis parmi déposition laser de métal (dit « LMD » pour l'acronyme anglais « Laser Melting Deposition »), par fusion de faisceau d'électrons (dit « EBM » pour l'acronyme anglais « Electron Beam Melting »), par frittage sélectif par laser (dit « SLS » pour l'acronyme anglais « Selective Laser Sintering »), par fusion sélective par laser (dit « SLM » pour l'acronyme anglais « Selctive Laser Melting »), par fusion sur lit de poudre (dit « PBM » pour l'acronyme anglais « Powder Bed Melting »), par un procédé multi jet, par frittage laser direct de métal (dit « DMLS » pour l'acronyme anglais « Direct Melting Laser Sintering »).
[0050] La fabrication additive permet d'obtenir facilement des formes aux géométries complexes, ce qui permet un gain de coût dans la fabrication du noyau.
[0051] Dans un mode de réalisation, la formation de la partie principale du noyau de fonderie est réalisée par moulage par injection de métal (ou MIM pour l'acronyme anglais « Metal Injection Molding »).
[0052] Dans un mode de réalisation, la disposition des protubérances est réalisée par frettage d'une tige en matériau réfractaire dans une ouverture traversante de la partie principale.
[0053] La formation des protubérances par frettage d'une tige dans une ouverture traversante de la partie principale simplifie les procédés de disposition des protubérances comparativement à d'autres méthodes de fixation des protubérances.
[0054] En outre, cette méthode permet d'assurer que deux protubérances soient directement en regard l'une de l'autre, ce qui permet un positionnement plus précis du noyau de fonderie dans le moule de fonderie.
[0055] Egalement, cette méthode assure l'absence de jeu entre les protubérances et la partie principale.
[0056] Dans un mode de réalisation, le matériau réfractaire des protubérances peut être une céramique, par exemple choisie parmi l'alumine ou la zircone. [0057] Dans un mode de réalisation, le revêtement du noyau peut être réalisé par un procédé dépôt chimique en phase vapeur (en anglais « Chemical Vapor Deposition » ou CVD), par un dépôt physique en phase vapeur (en anglais « Physical Vapor Deposition » ou PVD) ou encore par voie liquide, par exemple par électro-dépôt.
[0058] De tels modes de réalisation du revêtement permettent d'assurer que le revêtement soit continu entre la partie principale et les protubérances.
[0059] Cette continuité assure une protection optimale de la partie principale du noyau contre l'oxydation, et en conséquence une excellente résistance du noyau de fonderie à l'oxydation pendant la coulée de métal fondu.
[0060] Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce creuse en matériau métallique par fonderie comprenant au moins les étapes suivantes :
- la disposition d'un noyau de fonderie décrit plus haut dans un moule de fonderie, le noyau de fonderie étant disposé dans le moule de sorte que les protubérances soient au contact du moule ;
- le coulage d'un matériau métallique fondu dans la cavité de moulage du moule comprenant le noyau ; et
- le décochage du moule et le retrait du noyau.
[0061] Ce procédé de fabrication permet d'obtenir des pièces creuses en matériau métallique de manière simplifiée et avec un taux de rebut plus faible que les procédés de l'art antérieur.
[0062] Dans un mode de réalisation, le matériau métallique peut être un superalliage de nickel ou de cobalt, éventuellement monocristallin.
[0063] Dans un mode de réalisation, la pièce métallique creuse est une aube de turbomachine, par exemple une aube de partie chaude de turbomachine comprenant des canaux de refroidissement.
Brève description des dessins
[0064] [Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un noyau de fonderie dans un premier mode de réalisation.
[0065] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement un noyau de fonderie dans un autre mode de réalisation. [0066] [Fig. 3] La figure 3 représente schématique un noyau de fonderie selon un mode de réalisation de l'invention disposé dans un moule pour la fonderie à la cire perdue.
[0067] [Fig. 4] La figure 4 représente un ordinogramme schématisant un procédé de préparation d'un noyau de fonderie dans un mode de réalisation.
[0068] [Fig. 5] La figure 5 représente un ordinogramme schématisant un procédé de fabrication d'une pièce creuse en matériau métallique dans un mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0069] L'invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l'invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière.
[0070] La figure 1 représente schématiquement un noyau de fonderie 101 dans un mode de réalisation.
[0071] Le noyau de fonderie comprend une partie principale 11, deux protubérances 12 à la surface de la partie principale 11, l'ensemble étant revêtu par un revêtement protecteur à l'oxydation 13.
[0072] Les protubérances 12 peuvent être figées par encastrement, par collage ou par toute autre méthode permettant d'assurer la fixation du noyau dans le moule, étant entendu que cette fixation doit résister à l'étape de verse du métal fondu.
[0073] Dans le mode de réalisation de la figure 1, les deux protubérances 12 sont distinctes l'une de l'autre en ce qu'elles sont formées distinctement.
[0074] La figure 2 représente un mode de réalisation alternatif qui diffère de la figure 1 en ce que les deux protubérances sont formées par une unique tige de matériau réfractaire 15.
[0075] Ce mode de réalisation permet d'obtenir de manière simplifiée deux protubérances 12. En outre, puisque cela nécessite en amont la réalisation d'une ouverture traversante dans la partie principale 11 du noyau 102, ce mode de réalisation assure un positionnement précis et simplifié des protubérances 12 sur la partie principale 11, et donc une meilleure reproductibilité.
[0076] Dans la demande, les protubérances 12 en matériau réfractaire sont en un matériau inerte chimiquement vis-à-vis du métal fondu et résistant aux températures misent en jeu lors de la coulée du métal liquide. [0077] Par exemple, le matériau réfractaire peut être un matériau céramique, par exemple de la zircone ou de l'alumine.
[0078] Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le revêtement protecteur à l'oxydation 13 est continu, c'est-à-dire que toute la surface externe de la partie principale 11 et des protubérances 12 est recouverte.
[0079] Ce mode de réalisation permet d'assurer une excellente résistance à l'oxydation de la partie principale 11 et notamment à proximité des protubérances 12.
[0080] En effet, il est du mérite des inventeurs d'avoir ainsi résolu deux problèmes que présentent les noyaux de l'art antérieur ne comprenant pas de protubérances composées d'un matériau réfractaire.
[0081] D'une part, la fixation des protubérances, nécessaires au bon positionnement du noyau 101, 102 dans le moule, risque de dégrader le revêtement de la partie principale 11 dans la zone située à proximité des protubérances 12.
[0082] D'autre part, la mise en place du noyau 101, 102 dans le moule peut occasionner des destructions localisées du revêtement protecteur 13 présent sur les protubérances 12. Par exemple à cause des outils de manutention, ou du fait du contact avec le moule.
[0083] Un noyau 101, 102 selon l'invention ne souffre d'aucun de ces deux problèmes, et n'impose pas non plus de trouver d'autres méthodes de positionnement du noyau 101, 102 dans le moule.
[0084] En effet, le revêtement 13 recouvre aussi bien la partie principale 11 que les protubérances 12. La fixation des protubérances ne peut alors pas dégrader le revêtement 13 qui est déposé après.
[0085] En outre, lors de la mise en place du noyau 101, 102, ce sont les protubérances 12 qui sont au contact du moule. Puisque ces dernières sont composées d'un matériau réfractaire, quand bien même le revêtement 13 serait endommagé au niveau des protubérances 12, cela n'aurait pas d'incidence sur la bonne résistance à l'oxydation de la partie principale 11 du noyau 101, 102.
[0086] La figure 3 représente schématiquement un noyau 102 disposé dans un moule 16 pour la préparation d'une pièce métallique creuse.
[0087] Le moule 16 est obtenu d'une manière connue, selon un procédé de moulage à la cire perdue, et de sorte que la cavité de moulage 20 du moule, définie par sa surface interne Sint, ait la forme de la pièce souhaitée. [0088] Le positionnement du noyau 102 peut se faire, par exemple, en disposant les protubérances 12 dans des parties du moule prévues à cet effet, ici les encastrements 22.
[0089] Dans un mode de réalisation, la cavité de moulage 20 peut comprendre une partie utile 18, et une partie non-utile 24, la pièce souhaitée étant obtenue dans la partie utile 18.
[0090] Par exemple, les protubérances 12 et les encastrements 22 sont situés dans la partie non-utile 24. La présence d'une zone non-utile 24 permet de faciliter les étapes de démoulage et/ou d'effectuer des contrôles.
[0091] De la sorte, la géométrie finale de la partie utile 18 de la cavité de moulage 20 du moule 16 n'est aucunement contrainte par la présence des protubérances 12 du noyau, et l'on peut ainsi obtenir une pièce creuse en matériau métallique aux dimensions et aux formes souhaitées.
[0092] La figure 4 représente de manière très schématique un procédé de fabrication d'un noyau de fonderie 101, 102 tel que décrit plus haut.
[0093] Au cours d'une première étape Sll, la partie principale 11 du noyau 101, 102 est formée à la forme souhaitée.
[0094] Toute méthode peut être employée pour cette étape et en particulier la fabrication additive ou le moulage par injection de métal.
[0095] Ces deux méthodes permettent d'obtenir une partie principale avec une géométrie parfaitement définie.
[0096] Les procédés particuliers pour mettre en œuvre ces méthodes sont connus, et ne seront pas décrits ici.
[0097] Dans des modes de réalisation, l'étape Sll peut également comprendre une étape particulière de création d'une ouverture traversante dans la partie principale 11, destinée à accueillir la tige en matériau réfractaire 15.
[0098] Au cours d'une seconde étape S12, au moins deux protubérances 12 sont disposées à la surface de la partie principale 11.
[0099] Il s'entend que, même lorsque les protubérances 12 sont créées via l'insertion d'une tige en matériau réfractaire 15 traversant la partie principale 11 de part en part, les protubérances 12 doivent être entendues comme les parties de la tige en matériau réfractaire 15 qui dépassent de la partie principale 11, et elles sont donc bien situées à la surface de la partie principale 11. [0100] Par exemple, la seconde étape S12 peut être réalisée par collage ou encastrement de protubérances 12 à la surface de la partie principale 11 créée précédemment.
[0101] Dans un mode de réalisation particulier, l'étape S12 correspond à l'insertion d'une tige en matériau réfractaire 15 dans une ouverture cylindrique prévue à cet effet dans la partie principale 11 du noyau 102. Le matériau réfractaire 15 peut être un oxyde réfractaire ou une céramique réfractaire.
[0102] Il est préféré que la tige en matériau réfractaire 15 soit frettée dans l'ouverture cylindrique de la partie principale 11.
[0103] Le frettage s'entend ici selon sa définition habituelle en mécanique des matériaux, et consiste en l'assemblage de deux pièces grâce à un ajustement serré.
[0104] En effet, lorsqu'elle est fixée par frettage, la tige en matériau réfractaire 15 ne présente pas de jeu avec la partie principale 11 du noyau. Les inventeurs ont constaté qu'il est préférable que la tige en matériau réfractaire 15 ne présente pas de jeu avec la partie principale 11 du noyau 102, car cela évite le mouvement relatif de la tige en matériau réfractaire 15 par rapport à la partie principale 11 du noyau. Par un tel mouvement la tige en matériau réfractaire 15 pourrait frotter sur le revêtement 13 de la partie principale 11 à proximité des protubérances 12 et nuire à son intégrité. En outre, le positionnement du noyau 102 dans le moule 16 est ainsi plus précis.
[0105] Le procédé de préparation du noyau de fonderie 102 comprend en outre une étape S13 de revêtement du noyau 102, formé de la partie principale 11 et des protubérances 12, par un revêtement protecteur à l'oxydation 13.
[0106] Par exemple, cette étape peut être réalisée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (en anglais « Chemical Vapor Deposition » ou CVD) ou par un procédé de dépôt physique en phase vapeur (en anglais « Physical Vapor Deposition » ou PVD), ou encore par voie liquide, par exemple par électro-dépôt.
[0107] Dans un mode de réalisation, le revêtement peut comprendre une couche d'alumine AI2O3 et une couche de carbonitrure de titane TiCN, toutes deux déposées par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
[0108] Un dépôt chimique en phase vapeur permet d'assurer que le revêtement 13 recouvre l'intégralité du noyau 102 et cela quelle que soit sa géométrie. [0109] Dans un mode de réalisation où la tige en matériau réfractaire 15 est creuse, l'étape S13 peut être réalisée en pendant le noyau 102 dans un four de dépôt chimique en phase vapeur au moyen d'un fil traversant la tige en matériau réfractaire 15.
[0110] Les paramètres spécifiques d'un dépôt chimique ou physique en phase vapeur permettant le dépôt d'un revêtement protecteur 13 sont connus de l'homme du métier. Il en est de même pour un procédé par électro-dépôt.
[0111] La figure 5 décrit un procédé de fabrication d'une pièce creuse en matériau métallique par un procédé de fonderie à la cire perdue utilisant un noyau de fonderie tel que décrit plus haut.
[0112] Un tel procédé comprend une étape S21 de disposition d'un noyau de fonderie 101, 102 dans un moule de fonderie 16, de sorte que les protubérances 12 du noyau soient au contact du moule 16.
[0113] De préférence, et ainsi que cela est fréquemment réalisé dans les procédés classiques de fonderie à la cire perdue, le moule de fonderie 16 peut être obtenu via une carapace céramique formée autour d'un modèle en cire de la pièce, par exemple, par trempage du modèle de cire dans une barbotine suivi d'un traitement thermique.
[0114] Dans un mode de réalisation, les protubérances du noyau sont disposées dans des encastrements 22 du moule 16.
[0115] Le procédé comprend une étape S22 de coulage d'un matériau métallique fondu dans le moule comprenant le noyau 101, 102.
[0116] Au cours de cette étape, le métal fondu rempli la cavité de moulage 20 du moule 16, ou au moins sa partie utile 18.
[0117] La cavité de moulage 20 a la forme de la pièce à obtenir, et le métal fondu prend donc la forme souhaitée pour la pièce.
[0118] La présence du noyau de fonderie 101, 102 dans la cavité de moulage 20 empêche le métal fondu d'accéder à l'espace qu'il occupe et la pièce en matériau métallique se forme ainsi autour du noyau.
[0119] Au cours d'une étape ultérieure S23, le moule est décoché et le noyau retiré, au moyen de méthodes connues en tant que telles pour permettre d'obtenir finalement une pièce creuse en matériau métallique.
[0120] Dans un mode de réalisation, une fois l'alliage monocristallin coulé et refroidi, une partie des zones non utiles sont découpées ce qui permet de mettre à nu le noyau. [0121] Ce dernier est alors exposé à un ou plusieurs bains chimiques et/ou un ou plusieurs traitement thermiques afin d'éliminer le noyau et les protubérances en matériau réfractaire.
[0122] Par exemple, le moule peut être détruit mécaniquement.
[0123] Par exemple, le noyau de fonderie peut être dissous au moyen d'une solution chimique acide ou basique. De manière alternative ou complémentaire, le noyau de fonderie peut être dissous par un traitement d'oxydation, éventuellement réalisé en température.
[0124] Dans un mode de réalisation, le procédé de fabrication d'une pièce creuse en matériau métallique peut comprendre, après l'étape S23, une étape d'usinage, par exemple pour retirer une partie du métal qui aurait coulé dans la zone non-utile 24 du moule 16, et ne conserver que la pièce aux dimensions souhaitées.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Noyau de fonderie (101, 102) comprenant une partie principale (11) en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu'il comprend à la surface de la partie principale au moins deux protubérances (12) composées d'un matériau réfractaire, l'ensemble de la partie principale et des protubérances étant recouvertes d'un revêtement protecteur à l'oxydation (13), le matériau réfractaire des protubérances étant une céramique.
[Revendication 2] Noyau de fonderie (101, 102) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement protecteur à l'oxydation (13) comprend au moins, depuis le noyau et vers l'extérieur, une couche d'accroche et une couche protectrice, la couche d'accroche étant choisie parmi une couche de nitrocarbure de titane TiCN, de carbure de titane TiC, de nitrure de TiN, de carbure de silicium SiC, de carbure d'hafnium HfC, ou de nitrure d'aluminium AIN et la couche protectrice étant une couche d'alumine AI2O3.
[Revendication 3] Noyau de fonderie (102) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les protubérances (12) sont formées par une unique tige en matériau réfractaire (15) traversant la partie principale (11) du noyau de part en part.
[Revendication 4] Noyau de fonderie (101, 102) selon la revendication 3, dans lequel le matériau réfractaire de la tige en matériau réfractaire (15) est choisi parmi l'alumine ou la zircone.
[Revendication 5] Noyau de fonderie (101, 102) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel de la partie principale (11) du noyau a la forme des circuits de refroidissement d'une aube de turbomachine.
[Revendication 6] Procédé de fabrication d'un noyau de fonderie (101, 102) comprenant les étapes suivantes :
- la formation d'une partie principale (11) du noyau en molybdène ou en alliage de molybdène à la forme souhaitée ;
- la disposition d'au moins deux protubérances (12) en matériau réfractaire à la surface de la partie principale, le matériau réfractaire des protubérances étant une céramique ;
- le revêtement de la partie principale et des protubérances par un revêtement protecteur à l'oxydation (13).
[Revendication 7] Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel la disposition des protubérances (12) est réalisée par frettage d'une tige en matériau réfractaire (15) dans une ouverture traversante de la partie principale (11).
[Revendication 8] Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le revêtement du noyau (101, 102) est réalisé par un procédé dépôt chimique en phase vapeur ou un dépôt physique en phase vapeur.
[Revendication 9] Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel la formation de la partie principale (11) est réalisée par fabrication additive ou par moulage par injection de métal.
[Revendication 10] Procédé de fabrication d'une pièce creuse en matériau métallique par fonderie comprenant au moins les étapes suivantes :
- la disposition d'un noyau de fonderie (101, 102) selon l'une des revendications 1 à 5 dans un moule de fonderie (16), le noyau de fonderie étant disposé dans le moule de sorte que les protubérances (12) soient au contact du moule ;
- le coulage d'un matériau métallique fondu dans la cavité de moulage (20) du moule comprenant le noyau ; et
- le décochage du moule et le retrait du noyau.
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