FR2827533A1 - Procede de fabrication d'un noyau et d'un modele pour coulee de precision et appareil pour la mise en oeuvre de celui-ci - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un corps moulé pour utilisation dans une coulée de précision.Dans ce procédé, un matériau de noyau céramique fluide ou de modèle est introduit dans une cavité de moulage (14) définie par des matrices coopérantes (10, 12), et au moins une région d'une ou des deux matrices est chauffée pendant le remplissage de la cavité de moulage avec le matériau et est refroidie ensuite à une température d'éjection plus basse avant le retrait d'un noyau céramique ou d'un modèle de la cavité de moulage.L'invention est applicable notamment à la fabrication de pales et ailettes de moteurs de turbines à gaz.

Description

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La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un corps moulé pour utilisation dans la coulée de précision, en particulier de noyaux céramiques et de modèles fugitifs utilisés pour réaliser des moules de coulée pour le moulage de précision de métaux et d'alliages.

Dans le moulage des pales et ailettes creuses (surfaces portantes ou de sustentation) des moteurs de turbines à gaz en utilisant des techniques équiaxiales et de solidification directionnelle classique, un noyau céramique cuit est placé dans un moule de coulée de précision céramique pour former des passages internes de refroidissement dans la surface portante. Pendant le fonctionnement dans le moteur de turbine à gaz, l'air de refroidissement est dirigé à travers les passages pour maintenir la température de la surface portante dans une gamme acceptable. Le noyau céramique cuit utilisé lors du moulage de précision de surfaces portantes creuses du moteur de turbine présente d'une manière typique une région configurée en surface portante avec une région de bord arrière d'une section transversale mince.

Le noyau céramique est réalisé d'une manière typique en une configuration de noyau souhaitée par moulage par injection, moulage par transfert ou versement d'un matériau de noyau céramique fluide approprié qui contient une ou plusieurs poudres de céramique, un liant et des additifs optionnels dans une matrice de moulage de noyau d'une forme appropriée. Après que le noyau moulé à l'état vert a été retiré de la matrice, il est soumis à une cuisson à température élevée (superambiante) en une ou plusieurs étapes pour éliminer le liant fugitif et pour fritter et renforcer le noyau pour une utilisation lors de la coulée du matériau métallique, comme d'un superalliage à base de nickel ou de cobalt utilisé d'une manière typique pour couler des pales et ailettes creuses (surfaces portantes) des moteurs de turbine à gaz.

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Le noyau céramique cuit est ensuite utilisé pour la fabrication du moule de coulée par le procédé bien connu à la cire perdue où le noyau céramique est placé dans une matrice de moulage de modèle, et un modèle fugitif est formé autour du noyau en injectant sous pression un matériau de modèle tel que la cire, une matière thermoplastique et analogue dans la matrice dans l'espace entre le noyau et les parois internes de la matrice. Le modèle présente d'une manière typique une région configurée en surface portante ou de sustentation avec une région de bord arrière mince en section transversale correspondant, quant à sa position, à des caractéristiques de bord arrière du noyau.

Le modèle fugitif avec le noyau céramique à l'intérieur est soumis à des étapes répétées pour construire le moule de coulée sur celui-ci. Par exemple, l'ensemble constitué du modèle et du noyau est trempé d'une manière répétée dans une boue céramique, avec drainage de la boue excédentaire, est plâtré avec du stuc céramique grossier ou du sable et est ensuite séché à l'air pour construire de multiples couches céramiques qui forment le moule de coulée sur l'ensemble. L'ensemble de précision obtenu formé par le modèle et le noyau est ensuite soumis à une opération de retrait de modèle, comme l'autoclavage à vapeur, pour enlever sélectivement le modèle fugitif, en laissant le moule de coulée avec le noyau céramique situé à l'intérieur. Le moule de coulée est ensuite cuit à une température élevée pour développer une résistance de moule de coulée adéquate pour un moulage de métal.

Certaines caractéristiques complexes à la région de bord arrière mince en section transversale du noyau céramique et du modèle fugitif utilisé pour la coulée de précision de surfaces portantes de turbines (par exemple d'aubes de turbines) ont posées des difficultés de fabrication. En particulier, la région de bord arrière d'une section transversale mince du noyau présente de

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multiples nervures étroites espacées qui formeront des ouvertures de sortie d'air de refroidissement étroites au bord arrière de l'aube de turbine coulée.

La matrice de moulage de noyau est usinée pour présenter des caractéristiques de parois espacées qui définissent entre elles des canaux étroits qui formeront les nervures des noyaux céramiques lorsqu'ils sont remplis avec le matériau de noyau céramique. Il a été difficile de remplir complètement ces canaux étroits pendant les opérations de moulage par injection du noyau.

Dans la plupart des cas, le matériau de noyau céramique entrant dans les canaux se solidifie prématurément avant d'avoir rempli complètement les canaux et contraint le matériau céramique restant à s'écouler autour des blocages à travers les régions de logement de noyau de la cavité de moulage et à entrer dans les canaux depuis le côté opposé où malheureusement un autre front solidifié prématurément est formé dans les canaux. Pendant la soidisant phase de tassement sous haute pression du cycle de moulage de noyau faisant suite à un cycle de remplissage, les fronts solidifiés d'une manière prématurée situés dans les canaux sont poussés et "forgés" ensemble ce qui se traduit par la formation d'une soi-disant ligne de soudage ou de couture où les fronts solidifiés d'une manière prématurée sont "forgés" ensemble sous la pression de tassement. Ces lignes de soudage ou de couture sont des zones relativement faibles du point de vue mécanique qui peuvent facilement casser ou se rompre pendant un traitement et une manipulation normale du noyau, ce qui se traduit par un noyau défectueux. Ces problèmes persistent même après que des vitesses de remplissage de matrice élevées (par exemple des temps de remplissage inférieurs à 150 millisecondes), des températures de matériaux céramiques élevées et des pressions de tassement élevées (par exemple 13790x103Pa) ont été utilisées lors de tentatives dans le passé pour surmonter le problème d'un remplissage inadéquat des

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canaux aux régions de bord arrière de la matrice de moulage de noyau maintenue entre 23,9 et 29,4 C par le réglage de la température de la table de la presse. Par ailleurs, de tels paramètres d'injection produisent un profil de pression instable pendant l'opération de moulage.

Des problèmes similaires se sont posés lors du remplissage des régions de bord arrière d'une section transversale mince et d'autres régions de la matrice de moulage par injection du modèle fugitif.

La présente invention a pour objet d'indiquer un procédé de fabrication perfectionné de noyaux céramiques et de modèles fugitifs pour utilisation dans la coulée de précision de métaux et d'alliages.

Cet objet est atteint par un procédé de fabrication du type indiqué au début qui comprend les étapes consistant à remplir une cavité de moulage disposée entre des matrices coopérantes d'un matériau fluide sélectionné pour former un noyau céramique ou un modèle fugitif, à chauffer au moins une région d'au moins l'une desdites matrices à une température superambiante pendant le remplissage de ladite cavité de moulage et à refroidir ladite région locale à une température inférieure avant le retrait d'un corps moulé de ladite cavité de moulage.

Selon des réalisations avantageuses de l'invention : - la région d'au moins l'une des matrices est chauffée et refroidie par au moins un élément thermoélectrique disposé sur celle-ci ; - la température de la région est détectée et l'élément thermoélectrique est commandé en réponse à la température détectée ; - la région comprend une région de bord arrière d'une surface portante, ladite région de bord arrière étant chauffée avant et pendant le remplissage de ladite cavité de moulage et est refroidie avant le retrait dudit corps moulé de la cavité de moulage ;

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- la région de bord arrière présente des canaux relativement étroits qui sont chauffés par au moins un élément thermoélectrique pour permettre le remplissage de ceux-ci avec le matériau fluide ; - la région d'au moins l'une des matrices est chauffée et refroidie par au moins un passage de fluide ménagé dans celle-ci ; - la chaleur est retirée d'au moins un élément thermoélectrique en utilisant un fluide échangeur de chaleur ; - le fluide échangeur de chaleur est sélectionné dans le groupe constitué d'un liquide et d'un gaz ; - le matériau fluide comprend un matériau de noyau céramique comprenant de la poudre céramique et un liant fluide ; - le matériau fluide comprend un matériau de modèle sélectionné dans le groupe constitué d'une cire et d'un polymère.

L'invention se rapporte également à un appareil de moulage d'un corps configuré en surface portante ou de sustentation pour utilisation dans la coulée d'un plan de sustentation métallique, qui comprend des première et seconde matrices définissant une cavité de moulage comportant une cavité configurée en plan de sustentation et au moins un élément thermoélectrique disposé sur au moins l'une desdites matrices pour chauffer au moins une région difficile à remplir de la cavité à une température superambiante pendant le remplissage de la cavité de moulage avec un matériau fluide et pour refroidir la région à une température plus basse avant qu'un corps configuré en plan de sustentation soit retiré de la cavité de moulage.

D'une manière avantageuse, l'appareil comporte un détecteur de température à proximité de la région précitée ainsi qu'un dispositif de commande d'énergie électrique connecté à au moins un élément

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thermoélectrique pour régler l'énergie électrique fournie à celui-ci en réponse à la température détectée.

D'une manière appropriée, l'appareil comporte un échangeur de chaleur en contact thermique avec l'élément thermoélectrique.

Selon des réalisations avantageuses : - l'appareil comporte un conduit d'entrée conduisant un fluide échangeur de chaleur à l'échangeur de chaleur pour retirer de la chaleur de celui-ci ainsi qu'un conduit de sortie pour évacuer le fluide échangeur de chaleur ; - l'appareil comprend un matériau thermiquement conducteur disposé entre au moins un élément thermoélectrique et au moins l'une des matrices pour conduire la chaleur depuis au moins un élément thermoélectrique ; - la cavité de moulage a la configuration d'un noyau céramique ; - la cavité de moulage a une configuration correspondant à un modèle qui est une réplique du corps configuré en plan de sustentation.

L'appareil de moulage d'un corps configuré en plan de sustentation peut également comprendre d'une manière avantageuse au moins un passage de fluide sur au moins l'une des matrices pour l'amenée d'un fluide afin de chauffer au moins une région difficile à remplir de la cavité à une température superambiante pendant le remplissage de la cavité de moulage avec un matériau fluide et pour refroidir la région à une température inférieure avant que le corps configuré en plan de sustentation soit retiré de la cavité de moulage.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple

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5 10 15 20 25 30 35 illustrant des modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de matrices d'une presse de moulage par injection ; - la figure 2 est une vue en section des matrices de moulage supérieure et inférieure de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus en élévation de la matrice de moulage inférieure présentant des éléments thermoélectriques sur celle-ci selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3A est une vue de dessus en élévation similaire à la figure 3 d'une matrice de moulage inférieure présentant des éléments thermoélectriques sur celle-ci selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3B est une vue de dessus en élévation similaire à la figure 3 d'une matrice de moulage inférieure présentant des passages de fluide selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est une vue en perspective d'un noyau céramique fabriqué en accord avec un mode de réalisation de l'invention.

La présente invention se rapporte à la fabrication de noyaux céramiques moulés et de modèles fugitifs utilisés pour préparer des moules pour la coulée de précision de métaux et d'alliages. L'invention est particulièrement utile pour réaliser des noyaux céramiques et des modèles fugitifs utilisés pour le moulage de superalliages à base de nickel et à base de cobalt pour former des plans de sustentation creux de moteurs de turbines à gaz comme des aubes et ailettes de turbines en utilisant des techniques équiaxiales conventionnelles pour produire des surfaces portantes à grain équiaxial et des techniques de solidification directionnelles pour produire des surfaces portantes à grain en colonne et monocristallins. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ceci et peut être mise en

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oeuvre pour fabriquer des noyaux céramiques et des modèles fugitifs utilisés pour le moulage d'autres composants métalliques.

L'invention est utile pour permettre le remplissage d'une ou de plusieurs régions difficiles à remplir de la cavité de moulage où le matériau de noyau céramique fluide ou le matériau de modèle fugitif a des difficultés pour remplir la ou les régions. Une région difficile à remplir de la cavité de moulage peut être difficile à remplir avec le matériau fluide à cause de sa dimension mince en section transversale ou d'une ou d'autres dimensions, d'une configuration complexe, d'un éloignement de l'entrée du matériau fluide dans la cavité de moulage, d'une perte de chaleur locale rapide par les matrices, de caractéristiques d'écoulement du matériau fluide proche de la région et à cause d'une combinaison de ces facteurs. L'invention peut être mise en oeuvre pour remplir une ou des régions difficiles à remplir de la cavité de moulage avec un matériau de noyau céramique fluide ou un matériau de modèle fluide lors du moulage des noyaux céramiques et des modèles fugitifs utilisés pour la coulée de précision. Bien que l'invention soit décrite ci-après, à titre d'illustration, en ce qui concerne le remplissage d'une région de bord arrière d'une section transversale mince d'une cavité de moulage de noyau configurée en surface portante, l'invention n'est pas ainsi limitée et peut être mise en oeuvre pour remplir n'importe quelle région difficile à remplir de la cavité de moulage quel que soit l'emplacement dans la cavité de moulage. Par exemple, l'invention peut être mise en oeuvre pour améliorer le remplissage d'une ou de plusieurs régions difficiles à remplir au bord avant du noyau céramique ou du modèle fugitif.

Dans un but d'illustration et non pas de délimitation, la figure 1 représente des première et seconde matrices coopérantes 10, 12 qui sont maintenues à 27,8 - 28,3 C par des plaques d'aluminium 23a, 23b

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refroidies à l'eau disposées entre le plateau de presse fixe 25a et la base de matrice 27a et le plateau de presse mobile 25b et la base de matrice 27b de la presse de moulage par injection. La base de matrice 27a retient la matrice 10 pendant que la base de matrice 27b retient la matrice 12. Les plaques 23a, 23b refroidies à l'eau comprennent chacune une entrée d'eau de refroidissement I pour fournir de l'eau de refroidissement à un passage d'eau (non représenté) dans chaque plaque 23a, 23b pour être évacuée ensuite à la sortie d'eau L. Au lieu de, ou en plus des plaques de refroidissement 23a, 23b, les bases de matrice 27a, 27b peuvent être refroidies d'une manière similaire à l'eau pour conserver la température sur l'ensemble de la matrice à l'exception de la région de matrice locale 30.

Les figures 1 à 3 représentent des matrices de moulage de noyau coopérantes 10,12 qui définissent une cavité de moulage de noyau principale 14 entre elles d'une forme générale de surface portante ou de sustentation. Les matrices 10,12 sont réalisées d'une manière typique en acier bien que d'autres matériaux de matrice appropriés puissent être utilisés. La qualité de moulage 14 comprend d'une manière typique des caractéristiques de surface de matrice complexes, comme des éléments générateurs de turbulences, des canaux, des évidements d'appui et analogues, comme dicté par une conception de noyau particulière, pour être moulées sur le noyau, mais qui sont omises sur la figure 3 étant donné qu'elles ne font pas partie de l'invention. La cavité de moulage 14 configurée en plan de sustentation comporte une région de bord avant 14a et une région de bord arrière 14b qui diminue en une section transversale relativement mince en comparaison à la section transversale de la cavité de noyau principale 14. A titre d'exemple seulement, la région de bord arrière 14b peut diminuer jusqu'à une épaisseur inférieure à 0,355 mm, comparée à une épaisseur maximale de 1,27 cm de la cavité

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de moulage de noyau 14 près de la région de bord avant.

La région avant et les régions de bord arrière 14a, 14b de la cavité de moulage 14 forment des bords avant et arrière respectifs LE, TE sur le noyau moulé C.

Des caractéristiques de paroi 14a sont usinées sur la matrice inférieure 10 et la matrice supérieure 12 pour coopérer lorsque les matrices sont fermées pour définir des canaux étroits 14d entre celles-ci. Les canaux étroits 14d forment des nervures céramiques étroites R séparées par des espaces ouverts OP sur le noyau céramique C, figure 4, qui est moulé dans la cavité de moulage 14. Les nervures R forment des ouvertures de sortie pour l'air de refroidissement depuis le bord arrière de la surface portante de turbine moulé en superalliage lorsque le noyau est retiré de celle-ci d'une manière connue dans l'art de moulage des plans de sustentation ou surfaces portantes.

La matrice 10 comporte une surface de moulage 14e pour former une surface de noyau de plan de sustentation convexe SI, et la matrice 12 comporte une surface de moulage 14f pour former une surface de noyau configurée en plan de sustentation concave S2 sur le noyau moulé C, figure 4. La cavité de moulage 14 présente des régions secondaires 14g, 14h qui sont aptes à former des régions de logement de noyau P1, P2 sur le noyau moulé C.

Plusieurs (trois sont représentés) passages d'évacuation d'air 14p sont ménagés entre la région de bord arrière 14d et les rainures 14g pour évacuer l'air de la cavité de moulage 14 lorsque le matériau de noyau céramique est introduit dans la cavité 14.

Plusieurs axes d'éjection EP sont disposés dans la matrice 10 et sont déplaçables de manière à éjecter le noyau moulé C de la cavité de moulage 14. Des axes d'éjecteur EP proches de la région de bord arrière 14b sont représentés sur la figure 3. D'autres axes d'éjection situés à divers autres emplacements dans la cavité de moulage 14 pour effectuer le retrait du noyau

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moulé de celle-ci d'une manière classique ne sont pas représentés.

Une ouverture d'entrée 10a est ménagée dans la matrice inférieure 10 ou la matrice supérieure 12, ou dans les deux, et est en communication avec une pompe P d'une presse de moulage par injection de noyau classique (non représentée). Un matériau de noyau céramique, comme un composé céramique fluide, est injecté sous pression (par exemple seulement de 3447,5 x 103 Pa à 13790 x 103 Pa) dans la cavité de moulage 14 à travers l'ouverture 10a. Les matrices 10,12 et la pompe P peuvent faire partie d'une presse de moulage par injection de noyau céramique hydraulique classique disponible comme modèle DCS-2 de Howmet Tempcraft Inc., Cleveland, Ohio. La presse de moulage par injection est amenée à fonctionner pour effectuer une phase de remplissage pendant laquelle le matériau de noyau céramique est injecté sous pression à une vitesse de piston d'injection constante ou un rapport volumétrique dans la cavité de moulage 14, une phase de tassement pendant laquelle la pression du matériau du noyau céramique est augmentée et stabilisée pour remplir entièrement la cavité de moulage 14, une phase de maintien pendant laquelle la pression sur le matériau de noyau céramique est maintenue jusqu'à ce que la solidification du noyau soit complète et une phase d'éjection de noyau où les matrices sont ouvertes pour permettre le retrait du noyau moulé. La solidification se produit par suite d'une perte de chaleur du matériau de noyau céramique dans les matrices 10,12.

Le composé de noyau céramique fluide injecté dans la cavité de moulage 14 comprend un mélange d'une ou de plusieurs poudres céramiques appropriées, d'un liant fugitif et d'autres constituants comme un ou plusieurs matériaux de charge fugitifs, des dispersants, des plastifiants, des lubrifiants et d'autres constituants.

Le liant peut être un liant thermoplastique à base de cire, une résine thermoplastique ou un liquide organo-

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métallique, comme le silicate d'éthyle préhydrolysé, mélangé avec une ou des poudres céramiques dans des proportions appropriées pour former un mélange de poudre céramique/liant pour le moulage en forme. Les poudres céramiques peuvent être mélangées en utilisant un mélangeur conique en V classique, un mélangeur pneumatique ou un autre équipement de mélange. Le liant peut être ajouté en utilisant un équipement de mélange à cisaillement élevé classique à température ambiante ou à température élevée. Les poudres céramiques peuvent comprendre l'alumine, le silice, la zircone, le zircon, l'yttria et d'autres poudres et mélanges de ceux-ci qui conviennent pour le moulage d'un métal ou alliage particulier. Le brevet US 4 837 187 décrit un noyau céramique à base d'alumine réalisé à partir de poudres d'alumine et d'yttria. Les poudres céramiques particulières, les liants fugitifs et les autres constituants d'un mélange de poudre céramique et de liant ne font pas partie de l'invention étant donné que des poudres céramiques et systèmes de liants classiques peuvent être utilisés pour former le noyau céramique.

Comme décrit ci-dessus, les canaux 14d définis entre des caractéristiques de paroi 14c à la région de bord arrière 14b d'une section transversale mince de la cavité de moulage 14 ont posé des difficultés de fabrication en ce que les canaux 14d étaient difficiles à remplir complètement avec le composé céramique fluide pendant l'opération de moulage par injection du noyau. En particulier, le composé céramique fluide (matériau de liant comme la cire thermoplastique) se solidifie prématurément dans les canaux 14d à leurs entrées à la cavité de moulage principale 14 et contraint le composé céramique à s'écouler autour des blocages à travers la région d'impression ou de logement de noyau 14f pour entrer dans les canaux 14d (voir flèches A) depuis le côté opposé le plus extérieur de la région de bord arrière 14b. Pendant la soi-disant phase de tassement du

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cycle d'injection, les fronts du composé céramique solidifiés prématurément situés dans les canaux 14d sont poussés et "forgés" ensemble avec une inclusion d'air entre les fronts, ce qui se traduit par la formation de soi-disant lignes de soudage ou de couture qui sont des zones relativement faibles du point de vue mécanique qui peuvent facilement casser ou se fracturer pendant une manipulation et un traitement normal du noyau, ce qui se traduit par une dégradation du noyau. Le problème d'une formation de lignes de couture ou de cordon faibles persiste pour certaines conceptions de noyau bien que des vitesses de remplissage de matrice élevées (par exemple inférieures à 150 millisecondes), des températures de composé céramique élevées (par exemple 143,3 C) et des pressions de tassement élevées (par exemple de 13790 x 103 Pa) aient été utilisées lors de tentatives passées pour surmonter le problème.

Selon un mode de réalisation de l'invention, une région locale 30 de la matrice 10 ou de la matrice 12 ou des deux, proche des canaux de bord arrière 14d, est chauffée avant et pendant l'introduction du matériau ou composé céramique fluide, suivi du refroidissement de la ou des régions locales 30 avant le retrait du noyau céramique de la cavité de moulage 14. Dans un mode de réalisation illustratif de l'invention présenté dans un but d'illustration et non de limitation de l'invention, la région locale 30 d'une ou des deux matrices est chauffée/refroidie par un ou plusieurs éléments thermoélectriques de Peltier 40. Sur la figure 2, l'élément thermoélectrique 40 est représenté en détail pendant qu'un élément thermoélectrique similaire 40' est représenté schématiquement par des lignes en traits interrompus. L'invention peut être mise en oeuvre avec plus d'un élément thermoélectrique 40 sur la matrice 10 ou la matrice 12, ou sur les deux matrices 10,12, à proximité de la ou des régions locales respectives 30 incluant les canaux de bord arrière 14d. Si les éléments

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thermoélectriques 40 sont prévus sur les deux matrices 10,12, ils seront d'une manière typique du même type. Seulement l'élément thermoélectrique 40 sur la matrice 10 sera décrit ci-dessous pour plus de simplicité, et il est évident que le ou les éléments thermoélectriques sur la matrice 12 seraient similaires.

En se reportant aux figures 2 et 3, la matrice 10 est usinée ou formée d'une autre manière pour présenter une ou plusieurs rainures 14j (deux rainures sont représentées sur la figure 3) configurées pour recevoir un élément thermoélectrique semi-conducteur respectif de Peltier 40 qui peut produire un effet de chauffage ou un effet de refroidissement en fonction de la direction du flux de courant électrique à travers l'élément 40 depuis un dispositif de commande d'énergie électrique S, comme un dispositif de commande de tension qui peut fournir une grandeur et polarité de tension sélectionnée à obtenir. Les rainures 14j sont orientées selon un angle à la surface de séparation PS de la matrice 10 de telle sorte que la surface 14sl des rainures 14j est généralement parallèle à et espacée d'environ 3,97 mm de la région de bord arrière 14b de la cavité de moulage dans un but d'illustration et non pas de limitation.

Chaque élément thermoélectrique de Peltier (PTE) 40 comprend un élément PTE disponible dans le commerce et comporte une plaque diélectrique thermiquement conductrice 40a en contact thermique avec la surface adjacente 14sl de formation de rainures de matrice, une plaque diélectrique 40b thermiquement conductrice en contact thermique avec un échangeur de chaleur 42 et une pluralité de semi-conducteurs 40c entre celles-ci, comme cela est connu. Des éléments PTE appropriés 40 pour la mise en oeuvre de l'invention sont disponibles dans le commerce auprès de la Melcor Corporation, Trenton, New Jersey. Une pâte de nitrure de bore thermiquement conductrice, une feuille de nitrure d'aluminium ou un autre matériau thermiquement conducteur est placée de

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préférence entre la plaque 40a et la surface de matrice 14sl et la plaque 40b et l'échangeur de chaleur 42. La pâte de nitrure de bord est disponible dans le commerce auprès de la Advanced Ceramics Corporation, Cleveland, Ohio. La feuille de nitrure d'aluminium est disponible dans le commerce auprès de la Melcor Corporation, Trenton, New Jersey.

Chaque échangeur de chaleur 42 comprend un collecteur en métal creux (par exemple en cuivre) ou en un autre matériau thermiquement conducteur en communication avec un conduit d'entrée de fluide de refroidissement 42a et un conduit de sortie de fluide de refroidissement 42b. L'échangeur de chaleur 42 peut présenter des passages serpentins internes (non représentés) pour l'écoulement du fluide de refroidissement à travers ceux-ci. Les conduits 42a, 42b sont reçus dans une rainure primaire lOb et dans des rainures secondaires 10c de la matrice 10 s'étendant perpendiculairement à la rainure primaire lOb. Les passages d'évacuation 14p sont en communication avec les rainures lOb, 10c pour évacuer l'air de la cavité de moulage 14 pendant le remplissage de celle-ci avec du matériau de noyau céramique. Le fluide de refroidissement peut comprendre de l'air comprimé, de l'eau ou un autre fluide de telle sorte que le conduit d'entrée 42a est relié à une source d'eau de refroidissement (par exemple de l'eau d'atelier) ou à de l'air comprimé (par exemple de l'air comprimé d'atelier) ou un autre système de fluide à boucle fermée ou ouverte. Le conduit de sortie 42b pour l'air comprimé peut être mis en communication avec l'air ambiant. Si un liquide (par exemple de l'eau) est utilisé, le conduit de sortie 42b est relié à un drain d'eaux d'égout classique ou est réalisé dans un système de recirculation à boucle fermée.

Un mode de réalisation alternatif de l'invention représenté sur la figure 3A omet l'échangeur de chaleur 42 et place un matériau thermiquement conducteur 45',

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comme par exemple seulement une pâte de nitrure de bore ou un coussinet de nitrure d'aluminium entre la plaque 40b' et la surface de formation de rainures de matrice adjacente 14s2 sur la figure 2 pour établir un contact thermique entre celles-ci. La pâte de nitrure de bore est disponible dans le commerce chez Advanced Ceramics Corporation, Cleveland, Ohio,. Le coussinet ou feuille de nitrure d'aluminium est disponible dans le commerce chez Melcor Corporation, Trenton, New Jersey. Sur la figure 3A, les caractéristiques similaires aux figures 1 à 3 portent les mêmes références numériques avec un prime.

Un thermocouple 50 est positionné dans un perçage dans la matrice 10 pour surveiller la température de la région de matrice locale 30. Le thermocouple 50 est connecté au dispositif de commande d'énergie S, comme le dispositif de commande de tension décrit ci-dessus, pour fournir des signaux de réaction représentatifs de la température de matrice détectée à la région de matrice locale 30 au dispositif de commande de tension. Le thermocouple peut être positionné à n'importe quel endroit entre la surface 14sl et la région 14b dans la matrice 10 et/ou 12 à cette fin. Le dispositif de commande de tension peut être connecté à un dispositif de commande de microprocesseur de la machine d'injection MC de telle sorte que le cycle thermique (chauffage/refroidissement) de la région de matrice locale 30 selon l'invention peut être coordonné avec l'étape de remplissage et l'étape de maintien de l'opération de presse. Le dispositif de commande de tension S est relié par des fils conducteurs Wl, W2 à des éléments PTE 40 pour fournir une grandeur et polarité de tension aux éléments PTE 40 afin de chauffer ou refroidir la région de matrice locale 30 en fonction de l'étape de fonctionnement de la presse de moulage par injection.

Par exemple, selon un mode de réalisation de l'invention, la région locale 30 de la matrice 10 (et/ou de la matrice 12) est chauffée avant et pendant l'étape

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de remplissage jusqu'à ce que le matériau de noyau céramique fluide remplisse la cavité de moulage 14. Le chauffage de la région locale 30 par les éléments PTE 40 est contrôlé par le dispositif de commande de puissance S pour réaliser une température superambiante élevée à la région de matrice locale 30 qui empêchera essentiellement une solidification prématurée de la boue céramique liquide avant que celle-ci remplisse les canaux 14d du bord arrière. C'est-à-dire, la matière céramique reste fluide jusqu'à ce que les canaux 14d soient remplis. La quantité d'énergie thermique qui doit être fournie aux régions locales 30 par les éléments PTE 40 variera en fonction de la composition et de la température du matériau du noyau céramique introduit, de la température de l'air ambiant, de la température de matrice, de la conductivité thermique du matériau de matrice et des facteurs géométriques du noyau/de la matrice et peut être déterminée d'une manière empirique pour des paramètres de moulage de noyau donnés.

Dans un but d'illustration et non pas de limitation, la région de matrice locale 30 peut être chauffée à une température de 71,1 C et au-dessus pour un composé céramique du type décrit dans le brevet US 4 837 187 présentant une température de solidification dans la plage de 68,3 C à 32,2 C et une température d'injection de 143 C injectée dans les matrices en acier à une vitesse d'écoulement de 188,45 cm2/sec. pour compléter le remplissage des canaux de bord arrière 14d du type représenté sur les figures 1 et 2 avec le composé céramique de telle sorte que les lignes de soudage mécaniquement faibles mentionnées avant sont complètement éliminées aux nervures céramiques R au bord arrière, voir figure 4.

A un point déterminé d'une manière empirique après l'étape de remplissage, les éléments PTE 40 sont commandés pour réaliser un effet de refroidissement, plutôt qu'un effet de chauffage, à la région de matrice

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locale 30 pour refroidir cette région à une température d'éjection de noyau inférieure appropriée qui permettra le retrait du noyau moulé C de la cavité de moulage 14 par un mouvement des axes d'éjection EP sans que la région de bord arrière 14b colle aux surfaces de la cavité de moulage et sans endommager le noyau à l'état vert. A cette fin, la tension fournie aux éléments PTE 40 est inversée en direction et est commandée par le dispositif de commande de puissance S pour réaliser une température d'éjection plus basse à la région de matrice 30. Une température d'éjection appropriée pour éviter le collage du noyau moulé (ou modèle moulé) à la cavité de moulage et un endommagement du noyau, comme une cassure, des craquelures et/ou une distorsion du noyau moulé, peut être déterminée d'une manière empirique pour une opération de moulage de noyau (ou de modèle) donnée. Une seconde température d'éjection plus basse typique de la région de matrice 30 peut être de 29,4 C pour le composé de noyau céramique ci-dessus et les paramètres de moulage décrits ci-dessus pour mouler le noyau C.

Les cycles décrits ci-dessus de la région de matrice locale entre la première température superambiante et la seconde température d'éjection plus basse permet le moulage des noyaux céramiques C du type représenté sur la figure 4 ainsi que d'autres noyaux avec une résistance de noyau à l'état vert adéquate et des noyaux présentant moins d'égratignures à cause de la présence de lignes de soudage affaiblies aux nervures R et sans les problèmes de collage lorsque le noyau est retiré de la cavité de moulage 14. Par ailleurs, des vitesses de remplissage de matrice réduites (c'est-à-dire supérieures à 150 millisecondes), des températures de matériau de noyau réduites et des pressions de tassement réduites (par exemple inférieures à 13790 x 103Pa) peuvent être utilisées. Des vitesses de remplissage réduites sont avantageuses pour réduire l'usure des matrices 10,12 et pour diminuer l'air inclus dans le noyau ou modèle moulé.

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Après que le noyau à l'état vert (non cuit) C a été retiré des matrices 10,12, il est fritté à une température élevée d'une manière classique pour obtenir une consolidation des particules de la poudre céramique par chauffage pour donner de la force au noyau à utiliser dans le procédé de coulée de précision. Le frittage du noyau céramique à l'état vert est atteint par un traitement thermique à une température élevée sur la base des exigences des poudres céramiques utilisées. Le brevet US 4 837 187 mentionné ci-dessus décrit un traitement thermique d'un noyau céramique à base d'alumine. La technique de traitement thermique particulière ne fait pas partie de l'invention étant donné que des techniques de traitement thermique classiques peuvent être utilisées pour réaliser le noyau céramique poreux cuit C, voir figure 4.

L'invention a été décrite ci-dessus en rapport avec l'utilisation d'éléments PTE 40 pour chauffer et ensuite refroidir la région de matrice locale 30 étant donné que ces éléments sont durables, compacts et chauffent et refroidissent relativement rapidement la région de matrice locale 30 pour permettre des temps de cycle courts de la machine de moulage par injection.

L'invention n'est pas limitée à cela étant donné que d'autres dispositifs ou techniques de chauffage et de refroidissement peuvent être utilisés en fonction des temps de cycle de la machine de moulage utilisée. Par exemple, un chauffage à fluide chaud et un refroidissement à fluide froid de la région de matrice 30 utilisant des passages d'huile ou d'eau proches dans les matrices 10 et/ou 12 ou des bases de moulage 27a, 27b peuvent être utilisées dans le cas où des temps de cycle de machine plus longs sont acceptables. En se reportant à la figure 3B, où les mêmes caractéristiques des figures précédentes sont représentées par des références numériques similaires à double prime, la matrice inférieure 10" est représentée incluant un passage d'eau,

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d'huile ou d'un autre fluide P1" pour chauffer et refroidir la région de matrice 30" à proximité de la région de bord arrière 14b" de la cavité de moulage 14" et un passage d'eau, d'huile ou d'un autre fluide similaire P2" pour chauffer et refroidir la région de matrice 31" à proximité de la région de bord avant 14a" de la cavité de moulage 14". Les emplacements des passages P1", P2" dans la matrice 10" et/ou la matrice 12" proches des régions 30" et 31" peuvent être sélectionnés empiriquement pour permettre le chauffage et le refroidissement de celles-ci, comme cela est décrit ci-dessus pour atteindre les bénéfices de l'invention. Un collecteur L" peut fournir de l'eau, de l'huile ou un autre fluide aux passages P1", P2". Le collecteur M" est en communication par les lignes ou conduits Ll", L2" alternativement avec un dispositif de chauffage de fluide H" (par exemple un chauffe-eau électrique de 18 kilowatts) pour fournir un fluide chaud à une température appropriée (par exemple de l'eau chaude à 60,0 jusqu'à 71,1 C) aux passages P1", P2" pour chauffer les régions de matrice 30", 31". Le collecteur M" est ensuite en communication avec un refroidisseur de fluide CH" (par exemple un refroidisseur d'eau classique) pour fournir un fluide refroidi à une température appropriée (par exemple de l'eau froide à 7,2 C) aux passages P1", P2" pour refroidir les régions de matrice 30", 31" à la température d'éjection, comme décrit ci-dessus. Après que les régions 30", 3111 sont refroidies à la température d'éjection de noyau, l'écoulement du fluide à travers les passages P1", P2" peut être terminé. Le collecteur M" et les passages P1", P2" sont reliés à la manière d'une boucle fermée par des lignes de retour LR" au dispositif de chauffage de fluide H" et au refroidisseur de fluide CH" avec des vannes classiques V" prévues et commandées de manière à mettre alternativement en communication le collecteur M" avec le dispositif de chauffage H" ou le refroidisseur CH", selon le besoin, pour chauffer et

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ensuite refroidir les régions de matrice 3011, 31". Les lignes ou conduits d'amenée de fluide Ll", L2" peuvent comprendre des vannes d'arrêt classiques (non représentées) pour empêcher un écoulement en arrière. Le dispositif de chauffage H" et le dispositif de refroidissement CH" sont commandés en réponse à la température détectée par le thermocouple 50". Bien que cela ne soit pas représenté, la matrice supérieure (non représentée) peut comprendre des passages de fluide similaires, comme les passages P1", P2" à cette fin. Soit l'une soit les deux matrices 10", 12", peuvent comprendre de tels passages de fluide.

L'homme de l'art comprendra que l'invention peut être mise en oeuvre en utilisant une combinaison d'éléments thermoélectriques 40 et un ou plusieurs passages de fluide décrits ci-dessus pour chauffer et refroidir une ou plusieurs régions difficiles à remplir de la cavité de moulage 14 en réalisant l'invention.

Par ailleurs, bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en rapport avec le chauffage et le refroidissement d'une ou de plusieurs régions difficiles à remplir de la cavité de moulage 14, elle n'est pas limitée de cette manière en ce que les matrices 10 et/ou 12 peuvent être chauffées et refroidies généralement, plutôt que localement, pour améliorer le remplissage de la cavité de moulage. Par exemple, des passages d'huile, d'eau ou d'un autre fluide peuvent être prévus à travers une ou les deux matrices 10,12 selon une configuration nécessaire pour permettre le chauffage et le refroidissement général de la ou des matrices afin de chauffer et de refroidir une ou plusieurs régions difficiles à remplir de la cavité de moulage 14 selon un autre mode de réalisation de l'invention, pour améliorer le remplissage de celles-ci.

De plus, l'invention peut être mise en oeuvre lors de la fabrication d'un modèle fugitif solide ou d'un modèle fugitif injecté autour du noyau céramique C. Par

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exemple, le noyau céramique C de la figure 4 est placé d'une manière typique entre des matrices de moulage de modèle (non représentées) formant une cavité de moulage de modèle, et ensuite un matériau de modèle fondu, comme de la cire, est injecté sous pression autour du noyau dans la cavité de moulage de modèle. Un tel procédé est décrit dans le brevet US 5 296 308, et un matériau de cire de modèle rempli utilisé pour former un modèle est décrit dans le brevet US 5 983 982, les enseignements des deux brevets faisant partie de la technique à laquelle on peut se référer. Des matériaux de modèle peuvent être sélectionnés parmi des matériaux de modèle en cire, des matériaux de modèle en polymère (par exemple polyuréthanne, polystyrène et d'autres) et d'autres connus dans l'art de moulage de précision à la cire perdue pour produire un modèle fugitif qui est placé dans un moule de coulée céramique et qui est ensuite retiré thermiquement ou par d'autres moyens du moule de coulée.

Le bord arrière du modèle fugitif est moulé pour remplir les espaces entre les nervures céramiques R du noyau C, figure 4, et pour former une région de bord arrière d'une section transversale mince sur le modèle.

L'invention envisage le chauffage et le refroidissement d'au moins la région de bord arrière de la cavité de moulage du modèle d'une manière similaire à celle décrite ci-dessus pour la cavité de moulage de noyau 14 pour assurer le remplissage complet des espaces entre les nervures céramiques R et d'autres détails de la région de bord arrière sans endommager le noyau pendant que le matériau de modèle (par exemple la cire) reste fondu et ensuite le refroidissement à une seconde température d'éjection de modèle inférieure pour permettre le retrait du modèle fugitif sans qu'il colle aux surfaces des matrices. L'invention envisage d'une manière similaire le chauffage/le refroidissement d'autres régions de la cavité de moulage de modèle, comme de la région de bord avant, selon ce qui est nécessaire

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pour remplir une ou plusieurs régions difficiles à remplir de celle-ci. L'invention envisage également généralement, plutôt que localement, le chauffage et le refroidissement d'une ou de deux matrices de moulage de modèle à cette même fin.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un corps moulé pour utilisation dans la coulée de précision, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à remplir une cavité de moulage disposée entre des matrices coopérantes (10, 12) avec un matériau fluide sélectionné pour former un noyau céramique (C) ou un modèle fugitif, chauffer au moins une région (30) d'au moins l'une desdites matrices à une température superambiante pendant le remplissage de ladite cavité de moulage (14) et à refroidir ladite région locale à une température inférieure avant le retrait du corps moulé de ladite cavité de moulage.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région (30) d'au moins l'une desdites matrices (10,12) est chauffée et refroidie par au moins un élément thermoélectrique (40) disposé sur celle-ci.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à détecter la température de ladite région et à commander au moins un élément thermoélectrique (40) précité en réponse à la température détectée.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite région (30) comprend une région de bord arrière d'une surface portante, ladite région de bord arrière étant chauffée avant et pendant le remplissage de ladite cavité de moulage (14) et refroidie avant le retrait dudit corps moulé de ladite cavité de moulage.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite région de bord arrière (14b) présente des canaux (14d) relativement étroits qui sont chauffés par au moins un élément thermoélectrique précité (40) pour permettre le remplissage de ceux-ci avec ledit matériau fluide.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région d'au moins l'une desdites matrices

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est chauffée et refroidie par au moins un passage de fluide (P1, P2) disposé dans celle-ci.

7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' il comprend le retrait de la chaleur d'au moins un élément thermoélectrique précité (40) en utilisant un fluide échangeur de chaleur.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide échangeur de chaleur est sélectionné dans le groupe constitué d'un liquide et de gaz.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau fluide comprend un matériau de noyau céramique comprenant une poudre céramique et un liant fluide.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau fluide comprend un matériau de modèle sélectionné dans le groupe constitué d'une cire et d'un polymère.

11. Appareil de moulage d'un corps configuré en surface portante à utiliser pour la coulée d'une surface portante métallique, caractérisé en ce qu'il comprend des première et seconde matrices (10,12) définissant une cavité de moulage (14) possédant une cavité configurée en surface portante, et au moins un élément thermoélectrique (40) disposé sur au moins l'une desdites matrices pour chauffer au moins une région difficile à remplir de ladite cavité à une température superambiante pendant le remplissage de ladite cavité de moulage (14) avec un matériau fluide et pour refroidir ladite région à une température inférieure avant qu'un corps configuré en surface portante soit retiré de ladite cavité de moulage.

12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de température à proximité de ladite région et un dispositif de commande de puissance électrique relié à au moins un élément thermoélectrique précité pour commander la puissance électrique à celui-ci en réponse à la température détectée.

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13. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur (42) en contact thermique avec ledit élément thermoélectrique.

14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit d'entrée (42a) conduisant un fluide échangeur de chaleur audit échangeur de chaleur afin de retirer la chaleur de celui-ci ainsi qu'un conduit de sortie (42b) pour évacuer ledit fluide échangeur de chaleur.

15. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau thermiquement conducteur disposé entre au moins un élément thermoélectrique précité (40) et au moins l'une desdites matrices (10, 12) pour conduire la chaleur à partir d'au moins un élément thermoélectrique précité.

16. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite cavité de moulage (14) a la configuration d'un noyau céramique.

17. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite cavité de moulage (14) a une configuration correspondant à un modèle qui est une réplique dudit corps configuré en surface portante.

18. Appareil de moulage d'un corps configuré en surface portante utilisé pour la coulée d'une surface portante métallique, caractérisé en ce qu'il comprend des première et seconde matrices (10, 12) définissant une cavité de moulage (14) possédant une cavité en forme de surface portante, et au moins un passage de fluide sur au moins l'une desdites matrices pour amener un fluide afin de chauffer au moins une région difficile à remplir de ladite cavité à une température superambiante pendant le remplissage de ladite cavité de moulage (14) avec un matériau fluide, et pour refroidir ladite région à une température inférieure avant qu'un corps configuré en surface portante soit retiré de ladite cavité de moulage.

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19. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite cavité de moulage (14) a la configuration d'un noyau céramique.

20. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite cavité de moulage (14) a une configuration correspondant à un modèle qui est une réplique dudit corps configuré en surface portante.