FR2874187A1 - Procede de fabrication d'une aube de turbomachine par moulage a cire perdue - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pièce, telle qu'une aube de turbine, comportant au moins deux cavités, selon lequel,on fabrique des noyaux (121, 123, 125) en matière céramique correspondant aux dites cavités,on assemble les noyaux selon la position des cavités dans la pièce, et on les place dans un moule à cire,on réalise un modèle en cire de la pièce avec les noyaux par injection de cire (16 ) dans le moule,on forme un moule carapace (17) en matière céramique à partir du modèle en cire, on élimine la cire, eton coule le métal en fusion dans le moule carapace,caractérisé par le fait que l'assemblage des noyaux (121, 123, 125) comprend l'interposition de premiers éléments de calage (10) entre les dits noyaux, les dits éléments étant maintenus par encastrement dans un trou (121C) d'au moins l'un desdits noyaux.

Description

La présente invention concerne le domaine des turbines, en particulier

celui des turbines de moteurs à turbine à gaz, et vise un procédé de fabrication par moulage à cire perdue de pièces, telles que des aubes de turbine, comprenant des cavités destinées à la circulation de fluides de refroidissement.

Les aubes de turbine qui sont soumises à des contraintes thermiques élevées comprennent des moyens de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur, généralement de l'air dans le cas d'un moteur à turbine à gaz, à l'intérieur de cavités ménagées à l'intérieur de la pale. l0

Par ailleurs les aubes refroidies de turbines sont maintenant généralement fabriquées par moulage à cire perdue. Cette technique consiste à réaliser un modèle en cire ou autre matériau provisoire équivalent de la pièce que l'on veut mouler. On enveloppe le modèle dans un moule carapace en céramique. Celui-ci est fabriqué par des trempages successifs du modèle dans des barbotines contenant une matière céramique et le stucage de la couche formée entre chaque trempage. On sèche le moule; on élimine la cire qu'il contient par une première cuisson à une température adaptée puis on fait cuire le moule à une température élevée pour lui conférer la résistance nécessaire au coulage. Il reste alors l'image du modèle en creux dans laquelle on coule le métal en fusion. Après refroidissement, on casse le moule pour dégager la pièce. Celle-ci subit ensuite un simple traitement de finition.

Lorsque la pale comprend des cavités pour la circulation du fluide de refroidissement, il faut incorporer dans le modèle un ou plusieurs noyaux. Cette phase du procédé comprend d'abord la fabrication séparée du ou des noyaux par moulage d'une matière céramique consolidée par un liant, leur assemblage le cas échéant, et la mise en place du ou des noyaux dans un moule à cire. On moule ainsi un modèle par injection de cire dans le moule à cire; le modèle forme la réplique de la pièce à obtenir.

Le métal en fusion s'écoule entre les parois du moule et celles du noyau. On élimine, après refroidissement, avec un bain de soude les éléments constituant le noyau pour obtenir la ou les cavités. La pièce subit en fin de procédé une simple phase de finition.

La technique présentée ci-dessus permet la réalisation de pièces avec des géométries internes complexes.

La méthode actuelle consiste plus précisément à placer le noyau céramique dans le moule d'injection de cire et à le caler. Le noyau est positionné par rapport à des points de référence. Après injection, on utilise des petits picots de platine perpendiculairement à la surface du profil. Ces picots sont maintenus par des bourrelets de cire pré injectés et ils immobilisent le noyau pendant toute l'opération.

Lors de l'étape de finition on doit éliminer les bourrelets en métal qui se sont substitués à la cire. Ils sont au nombre de deux par face de l'aube. Cette opération est manuelle et ne peut être complètement maîtrisée. Elle provoque de fortes dispersions des épaisseurs de parois; cela engendre des taux de rebut élevés. Les tolérances dans ces zones d'épaisseurs faibles: 0,6 mm avec des valeurs minimales acceptables à 0,4 mm ne laissent pas beaucoup de marge.

On observe aussi que le procédé ne permet pas d'obtenir une qualité de pièce optimale. La zone critique de la pale de l'aube n'est ni parfaitement située dans son environnement ni immobilisée lors de l'injection de la cire; une déviation peut déjà être observée à ce stade de la fabrication. Ceci cumulé à la perte de matière lors de l'opération de finition augmente les risques de ne pas obtenir un produit de qualité satisfaisante.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de maîtriser les épaisseurs de parois, en particulier dans les zones critiques à épaisseur faible, notamment dans le bord de fuite de la pale. On cherche pour ce dernier à avoir une épaisseur aussi faible que possible.

Conformément à l'invention le procédé de fabrication d'aubes le procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pièce, telle qu'une aube de turbine, comportant au moins deux cavités selon lequel, on fabrique des noyaux en matière céramique correspondant aux dites cavités, on assemble les noyaux dans la position des cavités à l'intérieur de la 35 pièce, et on les place dans un moule à cire, on réalise un modèle en cire de la pièce avec les noyaux par injection de cire dans le moule, on forme un moule carapace en matière céramique à partir du modèle en cire avec élimination de la cire, et on coule le métal en fusion dans le moule carapace, est caractérisé par le fait que l'assemblage des noyaux comprend l'interposition de premiers éléments de calage entre les noyaux, les dits éléments étant maintenus par encastrement dans au moins un trou ménagé dans l'un des noyaux.

to En particulier au moins certains des premiers éléments de calage sont en forme de picots et en platine.

Grâce à l'invention, on immobilise les noyaux à l'intérieur du moule de façon efficace.

En fonction de l'épaisseur des noyaux notamment, les premiers éléments de calage sont maintenus par encastrement dans un trou borgne ménagé dans au moins un noyau.

Si l'épaisseur est faible notamment inférieure à trois mm, au moins un premier élément de calage traverse l'un des dits noyaux.

Selon un mode de réalisation particulier où l'assemblage comprend trois noyaux, un noyau central et deux noyaux externes de part et d'autre du noyau central, ledit premier élément traverse le noyau central et s'étend entre les deux noyaux externes.

Avantageusement, on place des entretoises en cire entre deux noyaux au moment de l'assemblage des noyaux. Ces entretoises sont disposées de manière à maintenir en place les premiers éléments de calage pendant l'assemblage des noyaux.

Pour consolider encore le montage, on place des deuxièmes éléments de calage dans le prolongement des premiers éléments sur la face des noyaux qui vient au contact des parois externes de l'aube. En particulier lesdits deuxièmes éléments se prolongent dans la paroi du moule carapace.

La présente invention va maintenant être décrite en référence aux dessins annexés représentant un mode particulier de réalisation non limitatif et sur lesquels s La figure 1 représente une vue en perspective d'une aube de turbine, coupée en travers de son axe longitudinal avec des cavités pour la circulation du fluide de refroidissement; La figure 2 montre les noyaux empilés; La figure 3 montre partiellement la coupe selon la direction 3-3 de la figure2; La figure 4 montre, en vue partielle, une étape ultérieure du procédé après injection à la cire; La figure 5 montre, en vue partielle, les noyaux assemblés dans leur moule carapace; La figure 6 montre, en vue partielle, une première variante de réalisation de l'assemblage de noyaux; La figure 7 montre, en vue partielle, une deuxième variante de réalisation de l'assemblage de noyaux; La figure 8 montre une troisième variante d'assemblage de noyaux dans le moule à cire après injection de cire.

La figure 1 montre une aube de turbine représentée de façon schématique. Il s'agit ici d'une aube mobile mais l'invention s'applique aussi aux aubes statoriques ou à toute autre pièce présentant des cavités multiples et fabriquée par moulage. La technique de moulage concernée par le présent procédé est de type connu sous la dénomination à cire perdue.

L'aube 1 comprend une pale 2 qui se déplace transversalement par rapport à la veine balayée par le fluide moteur. La pale comprend d'un côté une plate- forme 3 délimitant la veine. Le pied 4 de l'aube est conformé pour permettre son montage sur un disque de rotor.

Dans les moteurs à haute performance actuels, la température du fluide moteur est élevée. Afin de prolonger la durée de l'aube on est amené à faire circuler un fluide de refroidissement à l'intérieur de la pale pour évacuer la chaleur et maintenir la température des parois à une valeur supportable pour le matériau. La structure interne des aubes devient ainsi relativement complexe. La figure 1 montre une pluralité de cavités qui ont été ménagées à l'intérieur de la pale. On distingue une cavité centrale 21 allongée s'étendant le long de la corde de la pale. Cette cavité 21 est associée à une cavité 23 le long de l'extrados et, ici, à une cavité double 25 le long de la face intrados de la pale. Ces cavités s'étendent aussi le long de la pale en direction radiale. Elles communiquent comme cela est connu de l'homme du métier avec des cavités d'alimentation et d'évacuation respectives disposées du côté du pied et/ou de la tête de l'aube. Le cas échéant une ou plusieurs cavités sont percées dans les parois pour une évacuation au moins partielle dans la veine elle-même. On ne décrit pas plus précisément ces cavités.

Cette représentation est un exemple de réalisation de l'aube. D'autres configurations des cavités intérieures existent et sont concernées par la présente invention; notamment, l'invention vise les aubes dont les pales comportent aux moins deux cavités internes, disposées l'une à côté de l'autre selon la direction de la corde de la pale.

Pour fabriquer des aubes selon la technique du moulage à cire perdue, on commence comme cela a été rapporté plus haut par réaliser un modèle de la pièce dans un matériau provisoire, que l'on désigne par cire. Lorsque la pièce comporte des cavités, il est nécessaire d'inclure dans le modèle des noyaux qui correspondent à la forme de ces dernières; leur enveloppe reproduit la forme des cavités. Ces noyaux sont confectionnés dans un matériau céramique avec un liant et doivent résister à la coulée du métal. Ils sont éliminés une fois la pièce métallique extraite de son moule carapace. Pour des noyaux multiples, il faut faire attention, lors des différentes opérations qui se succèdent, qu'ils restent dans la position qu'on leur a donnée au moment de leur assemblage.

La figure 2 représente les noyaux assemblés avant qu'on les introduise dans un moule à cire pour la réalisation du modèle. On distingue un noyau central 121, un noyau externe extrados 123 et un noyau interne intrados 125. Chacun des noyaux a été fabriqué séparément dans un moule distinct et comporte une partie conforme à la cavité de la pale et une partie d'extrémité par laquelle elle est attachée et manipulée.

Conformément à l'invention, pour ce mode de réalisation, on interpose entre le noyau central et un noyau externe au moins un ou plusieurs premiers éléments de calage, ici en forme de tiges ou de picots, d'un matériau adapté tel que le platine. La figure 3 représente une coupe selon 3-3 de l'assemblage de la s figure 2. Le noyau central 121 est percé de trous traversants 121 C, dans lesquels sont logés des premiers éléments 10 de diamètre déterminé. Les éléments tiges 10 ont une longueur choisie pour venir, par une extrémité, au contact de la face interne, tournée vers le noyau central, du noyau intrados 125, et, par l'autre extrémité, au contact de la face interne, tournée vers le noyau central, du noyau extrados 123. Le nombre et la position de ces tiges sont choisis de manière à caler efficacement les noyaux externes contre tout mouvement en direction du noyau central pendant les manipulations et les différentes coulées. Afin de faciliter l'assemblage des noyaux avant le moulage du modèle, on dispose des entretoises 15 en cire ou autre matériau provisoire dont l'épaisseur correspond à la distance que l'on souhaite définir entre les noyaux.

Après assemblage, on place les noyaux assemblés dans un moule à cire dont la géométrie interne est la réplique du moule carapace final. On dispose sur les faces externes des noyaux 123 et 125 des cales provisoires en matériau plastique pour ménager un espace calibré entre les noyaux et la paroi interne du moule à cire. Cette étape est du domaine de l'homme du métier; elle n'a pas été illustrée.

Une fois le noyau multiple calé dans le moule, on injecte la cire ou autre 25 matériau provisoire approprié, dans la cavité de celui-ci.

On démonte ensuite le moule et on extrait le modèle sur lequel on dépose les différentes couches du moule carapace. On réalise le moule carapace par des trempages successifs dans des barbotines de matières céramiques, comme cela est connu en soi.

Conformément à une autre caractéristique, avant de réaliser ce moule carapace, on améliore le calage des noyaux en incorporant des seconds éléments de calage, ici sous la forme de tiges ou de picots de platine 12 dans la couche de cire dans le prolongement des premiers éléments en forme de tiges 10, comme cela est montré sur la figure 4. Ces seconds éléments prennent appui sur la face du noyau externe tournée vers l'extrados et l'intrados respectivement. Ils ont une longueur supérieure à l'épaisseur de la couche de cire formant la paroi de l'extrados ou de l'intrados. Le cas échéant, on immobilise ces éléments au moyen de bourrelets pendant la confection de la carapace.

On a représenté sur la figure 5, le noyau dans le moule carapace 17. Les seconds éléments de calage 12 sont noyés par une extrémité dans la céramique du moule 17. Lors de la fabrication du moule carapace 17 les différentes couches sont formées sur la couche de cire 16 et autour des seconds éléments 12.

Cette solution convient lorsque le noyau central n'est pas très épais. Par exemple dont l'épaisseur est inférieure à 3 mm pour une aube de turbine.

Conformément à une variante de l'invention, on dispose les premiers éléments de calage entre deux éléments de noyaux en les maintenant en position dans un trou borgne ménagé dans au moins l'un des noyaux. Ce trou peut être réalisé par usinage ou bien au moulage du noyau.

Sur la figure 6, on a une vue partielle d'un assemblage de deux noyaux 221 et 223. Ces deux noyaux sont pourvus, dans leur épaisseur, chacun d'un trou borgne, 221C et 223C respectivement, qui sert de logement à un premier élément de calage 213. Le nombre d'éléments à prévoir dépend de la dimension des noyaux. On s'assure qu'au moins celui dans lequel on prévoit de ménager un trou borgne soit d'épaisseur suffisante pour permettre un ancrage de l'élément. Sur la figure 6, on a ménagé un trou borgne dans les deux noyaux en vis à vis. La profondeur des trous est par exemple de 0,5 mm pour une aube de turbine. Le trou pratiqué sur le noyau qui vient en coiffage de l'autre est de préférence avec un jeu suffisant pour faciliter le montage. Au montage, ici le noyau 223 vient en coiffe des éléments 213 que l'on a préalablement placés sur le noyau inférieur 221. Comme dans le cas précédent on prévoit avantageusement des seconds éléments 212 que l'on introduit dans la couche de cire 216, après retrait du moule à cire. Ces éléments 212 sont situés dans le prolongement des éléments 213. La portion des éléments 212 qui dépasse de la couche de cire est incorporée dans la masse de la paroi du moule carapace 217 que l'on forme ensuite sur le modèle.

Cette solution convient pour un modèle d'aube avec deux noyaux présentant de préférence des portions de surface parallèles entre elles dans la direction de la corde de l'aube. En outre les deux noyaux ont tous les deux une épaisseur suffisante pour autoriser le creusement de tels trous borgnes. Par exemple, pour une aube de turbine, l'épaisseur est supérieure à 3 mm.

Sur la figure 7, on a représenté, en vue partielle, une variante de montage lorsque l'on dispose d'un noyau central 321 épais par rapport à un noyau 323 plus fin du côté intrados ou extrados. Le premier élément 314 est encastré dans un trou borgne 321C de profondeur suffisante pour assurer son maintien au montage. Le premier élément 314 est seulement en appui contre la face du noyau externe 323. Comme dans les solutions précédentes, on assure le calage des noyaux par des seconds éléments 312 montés dans la couche de cire 316, dans le prolongement de l'élément 314.

Sur la figure 8, on a représenté, en coupe transversale, une autre variante de montage applicable lorsque le noyau central est mince, d'épaisseur inférieure à 3 mm, avec un noyau externe en intrados ou bien en extrados. Un premier élément de calage 410 traverse le noyau central 421 par un orifice 421C, et vient en appui contre la face interne du noyau externe extrados 423. L'élément 410 est suffisamment long pour dépasser du côté intrados. Il est mis en place au moment de l'assemblage des trois noyaux 421 423 et 425. La figure 8 représente le modèle dans le moule après injection de la cire 416. On a ménagé un jeu de coiffage dans le bloc du moule à cire qui forme coiffe pour permettre à l'extrémité de l'élément 410 de ne pas gêner la fermeture du moule à cire. La cire 416 occupe le volume du moule autour de l'assemblage des noyaux. Cette solution diffère des autres dans la mesure où le modèle ne devient rigide qu'après moulage.

Claims (1)

1. 2874187 REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication par moulage à cire perdue d'une pièce, telle qu'une aube de turbine, comportant au moins deux cavités, selon lequel, on fabrique des noyaux (121, 123, 125; 221, 223; 321, 323; 421, 423, 425) en matière céramique correspondant aux dites cavités, on assemble les noyaux selon la position des cavités dans la pièce, et on les place dans un moule à cire, on réalise un modèle en cire de la pièce avec les noyaux par injection de cire (16; 216; 316; 416) dans le moule, on forme un moule carapace (17; 217; 317) en matière céramique à partir du modèle en cire, on élimine la cire, et on coule le métal en fusion dans le moule carapace, caractérisé par le fait que l'assemblage des noyaux (121, 123, 125; 221, 223; 321, 323; 421, 423, 425) comprend l'interposition de premiers éléments de calage (10; 213; 314; 410) entre les dits noyaux, les dits éléments étant maintenus par encastrement dans un trou (121C; 221 C, 223C; 321C; 421C) d'au moins l'un desdits noyaux.

   2. Procédé selon la revendication 1 dont au moins certains des premiers éléments de calage (10; 213; 314;410) sont en forme de picots et en platine.

   3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dont les premiers éléments (213) sont maintenus par encastrement dans un trou borgne ménagé (221C, 223C) dans au moins l'un desdits noyaux (221, 223).

   4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dont un moins un premier élément de calage (10; 410) traverse l'un des dits noyaux (121; 421).

   5. Procédé selon la revendication 4 dont ledit noyau traversé par le premier élément (121; 421) est d'épaisseur inférieure à trois millimètres. ]0

   6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dont l'assemblage comprend trois noyaux, un noyau central (121) et deux noyaux externes (123, 125) de part et d'autre du noyau central (121), ledit premier élément (10) traversant le noyau central (121) et s'étendant entre les deux noyaux externes (123, 125).

   7. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon lequel on place des entretoises (15) en cire entre deux noyaux au moment de l'assemblage des noyaux.

   8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon lequel on place des deuxièmes éléments (12; 212; 312) dans le prolongement des premiers éléments (10; 213; 314) sur la face des noyaux (123, 125; 221, 223; 321, 323) qui vient au contact des parois externes intrados et extrados de l'aube.

   9. Procédé selon la revendication précédente selon lequel lesdits deuxièmes éléments (12; 212; 312) se prolongent dans la paroi du moule carapace (17, 217, 317).