FR2991612A1 - Procede d'obtention par fonderie d'une piece comportant une portion effilee - Google Patents

Abstract

Procédé d'obtention par fonderie d'une pièce comportant une portion effilée ainsi qu'une aube de turbomoteur obtenue par fonderie et comportant un bord de fuite effilé. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion présentant une portion effilée (21), réalisation d'une carapace (60) autour de l'élément d'insertion (21), coulée d'un matériau en fusion (70) dans ladite carapace (60) incluant l'élément d'insertion (21).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce comportant une portion effilée ainsi qu'une aube de turbomoteur obtenue par fonderie et comportant un bord de fuite effilé. Un tel procédé peut être utilisé pour obtenir par fonderie une pièce effilée sans que des manques de matière n'apparaissent lors du démoulage. Il est ainsi possible de produire par fonderie des pièces très effilées telles que des aubes de turbomoteur présentant un bord de fuite fin offrant de grandes performances aérodynamiques, ou d'autres pièces 10 effilées complexes telles que l'on peut en utiliser dans le domaine de l'aéronautique par exemple. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Certaines industries nécessitent la production de pièces comportant 15 des portions fortement effilées, permettant d'offrir certaines propriétés à ces pièces ou à leur environnement. Par exemple, dans une turbomachine, il est connu que la finesse des bords de fuite des aubes de turbine influe fortement sur leurs propriétés aérodynamiques et donc sur le rendement global de la turbine. Ainsi, dans un tel exemple, on cherche à obtenir des 20 aubes dont le bord de fuite possède une épaisseur inférieure à 1 mm. Or, la technique actuelle de fonderie, qui est la technique la plus utilisée aujourd'hui pour ce type de pièces, ne permet pas d'obtenir de manière fiable de telle pièces effilées. En effet, en dessous d'une certaine épaisseur, le matériau de coulée ne parvient pas à se répandre dans tout 25 le volume du moule, et tout particulièrement dans ses interstices les plus étroits, ce qui entraine des manques de matière au niveau des extrémités des portions effilées de la pièce. Dès lors, il est possible de choisir un matériau offrant une meilleure coulabilité mais ce changement de matériau se fait en général au 30 détriment d'autres propriétés telles que la résistance mécanique ou thermique de la pièce notamment. En outre, un tel matériau peut être plus cher. Une autre solution est d'utiliser des moules centrifugés permettant d'entraîner, par l'action de la force centrifuge, le matériau de coulée 35 jusqu'au bout des parties effilées du moule. Toutefois, de tels moules centrifugés sont couteux et d'une mise-en-ouvre plus difficile ce qui demande de revoir la totalité du procédé de coulée. Il existe donc un réel besoin pour un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce effilée qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux procédés connus précités. PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé d'obtention par fonderie d'une pièce comportant une portion effilée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion présentant une portion effilée, réalisation d'une carapace autour de l'élément d'insertion, coulée d'un matériau en fusion dans ladite carapace incluant l'élément d'insertion. La carapace est réalisée autour de l'élément d'insertion de telle manière à créer un moule ayant la forme de la pièce à obtenir dans lequel l'élément d'insertion est déjà présent. Dès lors, lorsque le matériau en fusion est coulé dans la carapace, il s'écoule dans tout l'espace disponible et rencontre l'élément d'insertion. Durant le refroidissement, le matériau en fusion se lie avec l'élément d'insertion, par imprégnation ou formation d'une solution solide à leur interface notamment, de telle sorte que, à l'issue du refroidissement, la pièce brute de fonderie se compose d'une partie principale constituée par le matériau coulé désormais solidifié et d'une partie constituée par l'élément d'insertion, l'élément d'insertion pouvant constituer une portion effilée de la pièce ainsi obtenue.

Ainsi, grâce à un tel procédé, on peut réaliser une pièce brute de fonderie comportant deux parties différentes. Dès l'étape de la fonderie, il est ainsi possible de munir une pièce mécanique d'une zone présentant une grande finesse lui conférant certaines propriétés spécifiques, notamment d'ordre aérodynamique. Autrement dit, il est possible d'obtenir une pièce effilée quel que soit le matériau utilisé et de se passer d'étapes ultérieures d'usinage visant à effiler la pièce après démoulage. En particulier, il est possible de choisir des matériaux présentant des propriétés physico-chimiques avantageuses sans que leurs mauvaises coulabilités ne les disqualifient. Enfin, le nombre d'étapes manuelles est réduit et la technicité de l'ensemble du procédé est plus faible. Ce procédé est donc plus facile à mettre en oeuvre et moins coûteux.

En outre, grâce à un tel procédé, le matériau solidifié et l'élément d'insertion peuvent présenter des propriétés différentes. Ainsi, dès l'étape de la fonderie, il est possible de munir une pièce mécanique de deux zones présentant des propriétés différentes, chacune d'entre elles étant adaptée aux contraintes et à l'environnement auxquels elle est confrontée. Dans le présent exposé, on entend par « portion effilée », une portion dont l'épaisseur est fine par rapport à sa taille caractéristique. En particulier, il peut s'agir d'une portion dont l'épaisseur est inférieure au millimètre, plus particulièrement inférieure à 0,6 mm.

Dans certains modes de mise en oeuvre, l'étape de réalisation de la carapace comprend les étapes suivantes, réalisées dans cet ordre : fourniture d'un moule reproduisant la forme de la pièce à obtenir, insertion de l'élément d'insertion dans ledit moule au niveau d'un emplacement correspondant à son emplacement définitif au sein de la pièce à obtenir, injection d'une cire dans ledit moule et obtention d'un modèle en cire incluant l'élément d'insertion, moulage de la carapace autour du modèle en cire incluant l'élément d'insertion, cuisson de la carapace et décirage. Cette méthode à la cire perdue permet de positionner très précisément et très facilement l'élément d'insertion à l'endroit souhaité de la pièce à obtenir. Au sens de l'invention, il faut entendre par cire tout matériau à faible point de fusion possédant une certaine plasticité : il peut s'agir de cires animales, végétales ou artificielles telles que la paraffine, les cires de silicone ou certaines matières plastiques. Lors de l'injection de la cire, cette dernière s'écoule dans tout l'espace disponible dans le moule, rencontre l'élément d'insertion et emprisonne ce dernier : on obtient ainsi un modèle en cire incluant l'élément d'insertion à l'endroit précis où il devra se situer dans la pièce finale à obtenir. La géométrie du modèle en cire incluant l'élément d'insertion étant la même que celle de la pièce à obtenir, le moulage de la carapace autour de la cire et de l'élément d'insertion s'effectue selon la méthode traditionnelle. Lors de la cuisson de la carapace et du décirage, la carapace emprisonne l'élément d'insertion tandis que la cire fond en laissant un vide dans lequel sera coulé le matériau en fusion : l'élément d'insertion est donc toujours positionné à l'endroit souhaité et prêt à rencontrer le matériau en fusion.

Dans certains modes de mise en oeuvre, le moule est un moule métallique réutilisable. Ainsi, toutes les pièces produites avec ce moule auront la même et bonne géométrie, ce qui limite les écarts à la géométrie souhaitée et donc les étapes correctrices d'usinage. En outre, une telle réutilisation de ce moule permet des économies. En particulier, dans certains cas, il est possible d'utiliser les moules déjà existants et utilisés lors des procédés antérieurs sans aucune adaptation particulière ou, à défaut, au prix de petites adaptations faciles à mettre en oeuvre. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend des évidements dans lesquelles le matériau en fusion peut pénétrer lors de la coulée. Ces évidements augmentent la solidarité de la pièce d'insertion avec le reste de la pièce, le matériau en fusion emprisonnant l'élément d'insertion lorsqu'il se solidifie dans ces évidements. Il en va de même avec la cire fondue qui peut pénétrer dans ces mêmes évidements, se solidifier, et emprisonner l'élément d'insertion de la même manière. Dans certains modes de mise en oeuvre, ces évidements sont des cavités réalisées au sein de l'élément d'insertion et présentant des conduits d'accès pour le matériau en fusion ou la cire. Il peut notamment s'agir de canaux. Dans certains modes de mise en oeuvre, ces évidements sont des rainures en surface de l'élément d'insertion, à l'interface avec le matériau en fusion ou la cire. Ces rainures permettent d'augmenter la surface d'accroche avec le matériau en fusion ou la cire et donc la solidarité entre l'élément d'insertion et la partie principale de la pièce. Dans certains modes de mise en oeuvre, à la place ou en complément des évidements, l'élément d'insertion présente des saillies configurées pour être noyées dans le matériau de coulée afin d'assurer la cohésion entre l'élément d'insertion et la partie principale de la pièce.

Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est chauffé à une température proche de celle du matériau en fusion lors de la coulée. De cette manière, la formation d'une solution solide à l'interface entre l'élément d'insertion et le matériau en fusion est favorisée, ce qui augmente la solidarité entre ces deux parties de la pièce.

Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est chauffé simplement par échange thermique avec le matériau en fusion.

Dans certains modes de mise en oeuvre, on coule le matériau en fusion dans la carapace avant que l'élément d'insertion ait eu le temps de refroidir après l'étape de cuisson de la carapace. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est une pièce présentant une portion effilée d'épaisseur inférieure à 1 mm, ou encore inférieure à 0,5 mm. Dans certains modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion comprend un premier matériau de la famille des métaux. Dans d'autres modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion 10 comprend un premier matériau de la famille des composites. Toutefois, tout autre matériau adapté pourrait également être utilisé, qu'il soit métallique ou non. Dans certains modes de mise en oeuvre, le matériau coulé en fusion est un deuxième matériau de la famille des métaux, ce deuxième matériau 15 étant de préférence un alliage Titane-Aluminium. Dans d'autres modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion se compose du même matériau que le matériau coulé en fusion. Il peut éventuellement avoir subi des traitements particuliers ayant modifié ses propriétés. Il peut par exemple avoir subi une recuisson, une trempe, ou 20 tout autre traitement thermique. Dans certains modes de mise en oeuvre, ce procédé comprend des étapes de prétraitement de l'élément d'insertion. Il peut s'agir par exemple d'opération de mise en forme ou d'usinage, ainsi que d'éventuels traitements thermiques ou chimiques. 25 Dans certains modes de mise en oeuvre, ce procédé comprend des étapes de post-traitement de la pièce obtenue à l'issue de la fonderie. Il peut s'agir par exemple de découpes, d'alésages, de surfaçage ou de toute autre étape d'usinage mécanique ou de traitement physico-chimique. 30 Dans certains modes de mise en oeuvre, on fournit plusieurs éléments d'insertions que l'on dispose en différents endroits. Ces éléments d'insertions peuvent être identiques, réalisés dans le même matériau notamment, ou différents pour répondre à des besoins spécifiques différents. 35 Dans certains modes de mise en oeuvre, la pièce à obtenir est une aube de turbomachine, de turbine notamment.

Dans de tels modes de mise en oeuvre, l'élément d'insertion est disposé au sein de la carapace au niveau de la zone qui deviendra le bord de fuite de l'aube. Ceci permet d'obtenir une aube présentant un bord de fuite fortement effilé offrant ainsi un profil aérodynamique de qualité.

Le présent exposé concerne également une aube de turbomachine obtenue par fonderie et comprenant une partie d'insertion formant un bord de fuite dont l'épaisseur est inférieur à 1 mm. Une telle aube de turbomachine ne nécessite aucune reprise ou effilage de son bord de fuite à l'issue de la fonderie : sa production est donc plus facile et moins coûteuse. Dans certains modes de réalisation, cette partie d'insertion formant le bord de fuite est une plaque fine et plate, d'épaisseur de préférence inférieure à 0,5 mm, de préférence encore de l'ordre de 0,3 mm d'épaisseur, disposée dans le prolongement de l'intrados ou de l'extrados.

Dans d'autres modes de réalisation, le bord de fuite est composé de deux plaques fines et plates, d'épaisseur de préférence inférieure à 0,5 mm chacune, de préférence encore de l'ordre de 0,3 mm d'épaisseur, disposées respectivement dans le prolongement de l'intrados et de l'extrados de l'aube.

Dans d'autres modes de réalisation, la partie d'insertion reproduit la forme complète du bord de fuite en prolongeant l'intrados et l'extrados de l'aube jusqu'à une extrémité commune. Dans certains modes de réalisation, cette aube de turbomachine est obtenue par un procédé tel que présenté ci-dessus.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de mise en oeuvre du procédé proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de 35 référence. 2 9916 12 7 Les FIG lA à 1H représentent huit étapes successives d'un exemple de procédé. La FIG 2 représente un exemple de réalisation alternatif d'une aube de turbomoteur. 5 La FIG 3 représente un autre exemple de réalisation alternatif d'une aube de turbomoteur. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple de procédé est 10 décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. Les FIG lA à 1H illustrent les différentes étapes d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de fonderie. Il vise à obtenir une pièce finale 80 comprenant une partie principale 81 et une partie d'insertion 82 effilée. 15 Dans cet exemple de mise en oeuvre, la pièce recherchée est une aube de turbine dont la partie d'insertion 82 est le bord de fuite. Naturellement, les pièces que l'on cherche à obtenir peuvent être bien plus compliquées et peuvent notamment comporter plusieurs parties d'insertion présentant des tailles et des propriétés mécaniques identiques ou différentes. 20 Dans la FIG 1A, un moule métallique 10 est fourni. Celui-ci présente une cavité 11 formant en négatif l'exacte géométrie de la pièce finale 80, c'est-à-dire ici une aube en creux. Conformément à la FIG 1B, on insère un élément d'insertion 21 dans la cavité 11 du moule 10 à l'endroit précis correspondant à son 25 emplacement définitif dans la pièce finale 80. Ici, il s'agit d'un bord de fuite effilé présentant une épaisseur d'environ 0,7 mm. Naturellement, l'élément d'insertion 21 est préparé et mis en forme pour permettre son insertion dans la cavité 11 : il est notamment fourni aux dimensions adéquates. Des évidements 22 ont également été pratiqués dans l'élément 30 d'insertion 21. Cet élément d'insertion 21 peut en outre subir des traitements physico-chimiques afin de le munir de propriétés intéressantes. Si nécessaire, des moyens de fixations peuvent permettre de maintenir en place l'élément d'insertion 21 dans la cavité 11 du moule 10. Dans d'autres exemples de mise en oeuvre, en lieu et place des évidements 22 ou en complément, l'élément d'insertion 21 peut présenter 2 9916 12 8 des saillies destinées à être noyées dans le matériau de coulée afin d'assurer la cohésion de l'élément d'insertion 21 au sein de la pièce finale. Conformément à la FIG 1C, on injecte ensuite de la cire 30 dans la cavité 11 du moule 10. Celle-ci remplit la totalité de la cavité 11 ainsi que 5 les évidements 22 de l'élément d'insertion 21. Une fois solidifiée, la cire 30 emprisonne l'élément d'insertion 21. On peut alors démouler le modèle en cire 40 ainsi obtenu et illustré sur la FIG 1D. Celui-ci comprend une partie principale en cire 41, issue de la cire 30 qui s'est solidifiée, et l'élément d'insertion 21 solidaire de la 10 partie principale en cire 41. Ce modèle en cire 40 présente donc la géométrie exacte de la pièce finale 80, l'élément d'insertion 21 étant située exactement à l'endroit de la future partie d'insertion 82. Conformément à la figure 1E, on moule ensuite une carapace 50 autour du modèle en cire 40. On peut par exemple enrober le modèle en 15 cire 40 avec une poudre de matériau réfractaire 51. Des couches successives de matériau réfractaire 51 peuvent être mises en place. Des cheminées d'alimentation sont également prévues pour permettre la coulée ultérieure. Conformément à la figure 1F, on réalise ensuite la cuisson de la 20 carapace 50, dans un four par exemple. La poudre de matériau réfractaire 51 se transforme alors en une céramique 61 formant une carapace solidifiée 60. Dans le même temps, sous l'effet de la chaleur, la cire fond et est évacuée, révélant ainsi une cavité 62. On obtient ainsi une carapace solidifiée 60, incluant l'élément d'insertion 21 toujours à la bonne place et 25 une cavité 62 présentant la géométrie de la partie principale 81 de la pièce finale 80. Dès lors, conformément à la FIG 1G, on peut effectuer la coulée d'un matériau en fusion 70, ici un alliage de TiAl, par les cheminées d'alimentation. Le matériau en fusion 70 remplit alors tout l'espace 30 disponible dans la carapace 60, c'est-à-dire la cavité 62 et les évidements 22 de l'élément d'insertion 21. On laisse alors refroidir l'ensemble. Dans cet exemple de mise en oeuvre, l'élément d'insertion 21 est métallique. Ainsi, durant le refroidissement, à l'interface 71 entre le matériau en fusion 70 et l'élément d'insertion 21, les deux matériaux diffusent et 35 s'interpénètrent. Dans d'autres exemples de mise en oeuvre, l'élément d'insertion 21 peut être en matériau composite dans un tel cas, la cohésion de l'ensemble est principalement assurée par la complémentarité géométrique de l'élément d'insertion 21 et du matériau coulé 70 une fois Une fois le refroidissement terminé, on brise la carapace 60 et on obtient la pièce finale 80 de la FIG 1H dans laquelle le matériau en fusion 70 s'est solidifié pour donner la partie principale 81 tandis que l'élément d'insertion 21 s'est solidarisé avec la partie principale 81 pour donner la partie d'insertion 82. En fonction des conditions dans lesquelles est réalisée la coulée, une zone de transition 83 plus ou moins importante est présente entre la partie principale 81 et la partie d'insertion 82 : dans cette zone 83, les deux matériaux se retrouvent en solution solide en différentes proportions. Ainsi, la FIG 1H illustre un premier exemple de réalisation d'une aube de turbine obtenue par fonderie dont le bord de fuite est effilé. Dans cet exemple, la partie d'insertion 82 reproduit la forme complète du bord de fuite en prolongeant l'intrados 88i et l'extrados 88e de l'aube jusqu'à une extrémité commune 89 ; son épaisseur est alors de l'ordre de 0,7 mm et décroit jusqu'à son extrémité 89. La FIG 2 illustre un deuxième exemple de réalisation d'une aube de turbine obtenue par fonderie dont le bord de fuite est effilé. Dans ce deuxième exemple, la partie d'insertion est une plaque fine et plate 182, de 0,3 mm d'épaisseur, disposée dans le prolongement de l'extrados 88e de l'aube. La FIG 3 illustre un troisième exemple de réalisation d'une aube de turbine obtenue par fonderie dont le bord de fuite est effilé. Dans ce troisième exemple, la partie d'insertion comprend une première plaque fine et plate 282a, de 0,3 mm d'épaisseur, disposée dans le prolongement de l'extrados 88e de l'aube, et une deuxième plaque fine et plate 282b, de 0,3 mm d'épaisseur, disposée dans le prolongement de l'intrados 88i de l'aube. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention.

De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. 10

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'obtention par fonderie d'une pièce comportant une portion effilée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fourniture d'un élément d'insertion présentant une portion effilée (21), réalisation d'une carapace (60) autour de l'élément d'insertion (21), coulée d'un matériau en fusion (70) dans ladite carapace (60) incluant l'élément d'insertion (21).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de réalisation de la carapace (60) comprend les étapes suivantes, réalisées dans cet ordre : fourniture d'un moule (10) reproduisant la forme de la pièce à obtenir (80), insertion de l'élément d'insertion (21) dans ledit moule (10) au niveau d'un emplacement correspondant à son emplacement définitif au sein de la pièce à obtenir (80), injection d'une cire (30) dans ledit moule (10) et obtention d'un modèle en cire (40) incluant l'élément d'insertion (21), moulage de la carapace (60) autour du modèle en cire (40) incluant l'élément d'insertion (21), cuisson de la carapace (60) et décirage.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moule (10) est un moule métallique réutilisable.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) comprend des évidements (22) dans lesquelles le matériau en fusion (70) peut pénétrer lors de la coulée.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) est chauffé à une température proche de celle du matériau en fusion (70) lors de la coulée.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) est une pièce présentant une portion effilée d'épaisseur inférieure à 1 mm.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau en fusion (70) est un matériau de la famille des métaux, ce dernier étant de préférence un alliage Titane-Aluminium.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce à obtenir (80) est une aube de turbomachine.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'insertion (21) est disposé au sein de la carapace (60) au niveau de la zone qui deviendra le bord de fuite de l'aube.
10. 10. Aube de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par fonderie et comprend une partie d'insertion (82) formant un bord de fuite dont l'épaisseur est inférieure à 1 mm.