FR3052088A1 - Moule pour la fabrication d'une aube monocristalline par fonderie, installation et procede de fabrication le mettant en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moule (3) en matériau céramique destiné à être utilisé pour mouler une aube de turbomachine à partir d'un métal fondu, l'aube comprenant un pied, une plateforme, une pale, et un talon ; le moule comprenant : une cavité (4) ayant la forme de l'aube, et un conduit de grain auxiliaire (5) comprenant une première portion (51) et une deuxième portion (52) prolongeant la première portion, ladite première portion débouchant à une extrémité (511) dans une première partie (40) de la cavité formant le pied de l'aube et à une autre extrémité (512) dans une deuxième partie (412) de la cavité formant un becquet de la plateforme de l'aube, ladite deuxième portion (52) débouchant à une extrémité (521) dans ladite deuxième partie (412) de la cavité et à une autre extrémité (522) dans une troisième partie (432) de la cavité formant un becquet du talon de l'aube. L'invention vise aussi une installation et un procédé de fabrication mettant en œuvre un tel moule.

Description

Arrière-Plan de rinvention

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces par fonderie. L'invention concerne plus particulièrement un moule pour fabriquer une aube de turbomachine monocristalline par fonderie à la cire perdue.

Dans certains cas, et notamment dans les turbomachines aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée. Par exemple, dans les distributeurs de turbines de turbomachines aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes permet de limiter les effets de ces contraintes.

Pour réaliser une pièce métallique de ce type, on connaît les procédés du type fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, dans un tel procédé, on réalise tout d'abord un modèle en cire de la pièce à fabriquer, autour duquel on forme une carapace céramique formant un moule. Un métal fondu est ensuite coulé dans le moule, et la solidification dirigée du métal permet d'obtenir, après retrait du moule, la pièce mouiée. Ce procédé est avantageux pour fabriquer des pièces métalliques de formes complexes, et permet d'obtenir des pièces ayant une structure monocristalline en utilisant par exemple un germe ou un conduit sélecteur de grain.

Les aubes sont généralement constituées d'un pied, d'une plateforme munie de becquets, d'une pale, d'un talon muni de becquets, et de léchettes. Lors de la fabrication d'aubes monocristallines par un procédé tel que celui présenté plus haut, certains problèmes apparaissent, dus notamment à la forme des aubes.

Lors de la solidification dirigée du métal fondu présent dans le moule ayant la forme de l'aube, les parties de la cavité du moule formant notamment les becquets de la plateforme et du talon se solidifient avec un certain retard par rapport aux autres parties de la cavité comme celle formant la pale. Ce retard peut entraîner l'apparition de porosités indésirables dans la pièce finale.

En outre, il a été observé qu'à Hssue d'un traitement thermique réalisé après la solidification dirigée, l'aube peut présenter à certains endroits et notamment sur le bord d'attaque ou le bord de fuite à proximité de la plateforme ou du talon, des grains recristallisés parasites. Cela n'est pas souhaitable lorsque l'on souhaite obtenir une aube monocristalline.

Enfin, les aubes obtenues peuvent présenter une variation importante de dimensions entre le modèle en cire et la pièce finale, et peuvent parfois être déformées ou vrillées.

Il existe donc un besoin pour disposer d'un moule pour la fabrication d'une aube de turbomachine, ainsi que d'un procédé de fabrication d'une telle aube qui réduise l'apparition des défauts précités.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un moule en matériau céramique destiné à être utilisé pour mouler une aube de turbomachine à partir d'un métal fondu, l'aube comprenant un pied, une plateforme, une pale, et un talon, le moule comprenant : - une cavité ayant la forme de l'aube, et - un conduit de grain auxiliaire comprenant une première portion et une deuxième portion prolongeant la première portion, ladite première portion débouchant à une extrémité dans une première partie de la cavité formant le pied de l'aube et à une autre extrémité dans une deuxième partie de la cavité formant un becquet de la plateforme de l'aube, ladite deuxième portion débouchant à une extrémité dans ladite deuxième partie de la cavité et à une autre extrémité dans une troisième partie de la cavité formant un becquet du talon de l'aube.

La présence du conduit de grain auxiliaire dans le moule selon l'invention permet de minimiser les défauts introduits précédemment. Tout d'abord, le conduit de grain auxiliaire permet de s'assurer que la plateforme et le talon de l'aube ne se solidifient pas en dernier, ce qui réduit l'apparition de défauts du type porosités dans ces portions de l'aube.

Ensuite, le conduit de grain auxiliaire joue le rôle d'un hauban qui maintient l'aube et la rigidifie tout au long du procédé de fabrication.

En la maintenant ainsi, les contraintes résiduelles qui peuvent subsister dans l'aube sont réduites, et l'apparition de grains recristallisés après un traitement thermique est également diminuée.

Les Inventeurs ont observé que l'aube obtenue avec un moule selon l'invention présente des dimensions qui sont plus proches de celles souhaitées, par rapport à une aube fabriquée dans un moule dépourvu de conduit de grain auxiliaire. Les Inventeurs ont également observé que l'aube obtenue est moins vrillée lorsqu'elle est fabriquée dans un moule selon l'invention.

Le conduit de grain auxiliaire peut être positionné en face du bord d'attaque ou du bord de fuite de l'aube.

Les caractéristiques facultatives suivantes relatives au conduit auxiliaire de grain permettent encore de limiter l'épaisseur de la carapace céramique, ce qui lui permet de rompre plus facilement et ainsi de réduire l'apparition de grains recristallisés : - la première portion du conduit de grain auxiliaire peut s'étendre à partir d'une paroi de la première partie de la cavité dans une direction formant un angle compris entre 54® et 62® avec ladite paroi, - la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire peut s'étendre à partir de la deuxième partie de la cavité dans une direction formant un angle compris entre 110® et 115® avec ladite deuxième partie, - la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire peut s'étendre à partir de la troisième partie de la cavité dans une direction formant un angle compris entre 110® et 115® avec ladite troisième partie, - la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire peut présenter au moins une partie ayant une section circulaire de diamètre D, ladite partie étant éloignée d'une distance L de la cavité, un rapport R=L/D entre la distance L et le diamètre D étant compris entre 15,4 et 18,9 le long de ladite partie.

Pour réduire encore l'apparition de porosités au niveau de la plateforme et du talon, la deuxième portion du conduit de grain auxiliaire peut comprendre une masselotte à chacune de ses extrémités. La première portion peut comprendre une masselotte à une extrémité. L'aube peut être une aube de turbine de turbomachine aéronautique.

Pour faciliter le démoulage de l'aube, la deuxième portion du conduit auxiliaire de grain peut présenter une striction, c'est-à-dire un rétrécissement local de sa section, par exemple au niveau du milieu de ladite deuxième portion. En effet, le conduit auxiliaire de grain pourra rompre plus facilement au niveau de cette striction lors du démoulage.

Linvention vise également une installation pour fabriquer une aube moulée à partir d'un métal fondu, comprenant un moule tel que celui présenté précédemment, et des moyens d'obtention de grain monocristallin reliés au moule.

Les moyens d'obtention de grain monocristallin peuvent comprendre un germe monocristallin ou un conduit sélecteur de grain. L'invention vise enfin un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine monocristalline, comprenant les étapes suivantes : - le remplissage d'un moule d'une installation telle que celle présenté précédemment avec un métal fondu, et - la solidification dirigée du métal présent dans le moule de façon à obtenir une aube moulée.

Le procédé peut comprendre en outre une étape de traitement thermique de l'aube obtenue. Ce traitement thermique permet de relaxer les contraintes résiduelles à l'intérieur de l'aube moulée qui peuvent être dues notamment au moulage et à la solidification du métal, afin d'obtenir une microstructure stable et des propriétés mécaniques contrôlées dans la pièce finale.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective d'une installation selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe d'un moule selon un mode de réalisation de Hnvention, - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe de moules selon différents modes de réalisation de l'invention, et - la figure 5 est un ordinogramme représentant les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une aube monocristalline selon un mode de réalisation de Hnvention.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 montre une installation 1 pour fabriquer par fonderie une aube de turbine de turbomachine aéronautique monocristalline selon l'invention. L'installation 1 comprend un godet 2 par lequel un métal fondu peut être versé, le godet 2 est configuré pour remplir avec ce métal un moule 3 comprenant une cavité 4 ayant ici la forme d'une aube de turbine de turbomachine aéronautique. Le moule 3 comprend, conformément à l'invention, un conduit de grain auxiliaire 5. Le moule 4 surmonte et est relié à un conduit sélecteur de grain 6 qui permet d'obtenir une aube monocristalline après une solidification dirigée du métal présent dans le moule 3. On notera que l'installation représentée sur la figure 1 est prévue pour fabriquer une seule aube, il est bien entendu envisageable de disposer d'une installation pour fabriquer une pluralité d'aubes.

La figure 2 montre une vue en coupe de la cavité 4 du moule 3 à laquelle est relié le conduit auxiliaire de grain 5. On notera que sur les figures 1 et 2, pour plus de lisibilité, la paroi en matériau céramique de l'installation 1 et du moule 3 n'a pas été représentée ; en d'autres termes, ces figures montrent seulement les parties internes de l'installation 1 ou du moule 3 dans lesquelles un métal fondu peut être introduit.

Dans tout l'exposé, les termes « inférieur » et « supérieur » sont définis par rapport à la direction DR, la flèche de la direction DR pointant vers l'extérieur. Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la direction DA, la flèche de la direction DA pointant vers l'aval. En d'autres termes, l'amont et l'aval sont définis par rapport à la direction d'écoulement du flux gazeux autour de l'aube lorsque l'aube est montée dans une turbomachine.

La cavité 4 présente la forme d'une aube de turbine de turbomachine aéronautique et comprend : une partie 40 formant le pied de l'aube, une partie 41 formant la plateforme de l'aube, une partie 42 formant la pale de l'aube, et une partie 43 formant le talon de l'aube. La partie 40 formant pied est reliée au niveau de son fond au conduit sélecteur de grain 6. De façon connue en soi, l'aube s'étend longitudinalement entre un pied et un sommet. Dans l'aube moulée, la plateforme est positionnée du côté de i'extrémité inférieure de la pale, entre le pied et ia paie, et ie taion est positionné à l'extrémité supérieure de la pale, c'est-à-dire au sommet de i'aube. La piateforme s'étend transversalement entre une extrémité aval, aussi appelée becquet aval, et une extrémité amont, aussi appelée becquet amont. Le talon s'étend transversalement entre une extrémité amont, aussi appelée becquet amont, et une extrémité aval, aussi appelée becquet aval. La plateforme et le talon ont notamment pour rôle de définir la veine d'écoulement du flux gazeux dans la turbine. La pale s'étend longitudinalement entre la plateforme et le talon, et transversalement entre un bord d'attaque et un bord de fuite.

La partie 41 de ia cavité 4 formant piateforme est pourvue d'une sous-partie 411 formant un becquet amont de la plateforme, et d'une sous-partie 412 formant un becquet aval de la plateforme. Les sous-parties formant becquets 411, 412 ont une forme sensiblement plane et s'étendent sensiblement selon la direction DA.

La partie 43 de la cavité 4 formant talon est pourvue d'une sous-partie 431 formant becquet amont du talon (ou une première extrémité du talon), et d'une sous-partie 432 formant becquet avai du talon (ou une deuxième extrémité du talon). Les sous-parties 431, 432 formant becquets son sensiblement planes. La sous-partie 432 formant le becquet aval du talon s'étend vers l'aval sensiblement selon la direction DA, alors que la sous-partie 431 formant le becquet amont s'étend vers l'amont et est inclinée par rapport à la direction DA. La partie 43 comprend en outre des sous-parties 433 qui s'étendent généralement selon la direction DR et qui sont destinées à former les léchettes de l'aube. Le remplissage de la cavité 4 est effectué par sa partie supérieure au niveau de la partie 43, les conduits de remplissage à partir du godet 2 de l'installation 1 sont représentés en pointillés sur la figure 2.

Conformément à l'invention, le moule 3 comprend un conduit de grain auxiliaire 5 comprenant une première portion 51 et une deuxième portion 52 prolongeant la première portion 51. Les première 51 et deuxième 52 portions du conduit 5 sont en communication fluidique l'une avec l'autre. La première portion 51 débouche à une extrémité inférieure 511 dans la partie 40 de la cavité 3 formant pied, et à une extrémité supérieure 512 dans la sous-partie 412 formant becquet aval de la plateforme. La deuxième portion 52 débouche à une extrémité inférieure 521 dans la sous-partie 412, ici au même endroit que la première portion 51, et à une extrémité supérieure 522 dans la sous-partie 432 formant becquet aval du talon.

La première portion 51 du conduit 5 s'étend, au niveau de son extrémité inférieure 511, à partir d'une paroi aval 401 de la partie 40 de la cavité 4. Dans l'exemple illustré, la première portion 51 s'étend à partir de la paroi aval 401 en formant un angle a avec celle-ci d'environ 60°, cet angle a peut être compris entre 54° et 62°. La première portion 51 décrit une forme courbe ou arrondie entre la partie 40 et la sous-partie 412.

La deuxième portion 52 du conduit 5 s'étend, au niveau de son extrémité inférieure 521, à partir de la sous-partie 412 formant becquet aval de la plateforme. Dans l'exemple illustré, la deuxième portion 52 s'étend à partir de la sous-partie 412 en formant un angle β avec celle-ci d'environ 115°, cet angle β peut être compris entre 110° et 115°. A son extrémité supérieure 522, la deuxième portion 52 s'étend à partir de la sous-partie 432 formant becquet aval du talon. Dans l'exemple Illustré, la deuxième portion 54 s'étend à partir de la sous-partIe 432 en formant un angle γ d'environ 115° avec celle-ci, cet angle γ peut être également compris entre 110° et 115°.

La deuxième portion 52 peut présenter au moins en partie une section circulaire de diamètre D. Dans l'exemple illustré, la deuxième portion 52 peut présenter des portions 523 qui sont éloignées de la partie 42 de la cavité 3 formant pale d'une distance L. Les portions 523 sont ici sensiblement rectilignes. Le rapport R=L/D peut, le long de ces portions 523, être compris entre 16,4 et 18,9.

Dans l'exemple illustré, la deuxième portion 52 présente au niveau d'une partie médiane de celle-ci, une striction 524, correspondant à une diminution locale du diamètre de la deuxième portion 52. Cette striction peut permettre ultérieurement une rupture plus facile de la deuxième portion 52 du conduit 5 après solidification dirigée du métal, afin de réduire les contraintes imposées à l'aube moulée.

La première portion 51 peut présenter au niveau de son extrémité supérieure 512 une masselotte 513 visible sur la figure 1. La deuxième portion 52 peut présenter au niveau de son extrémité inférieure 521 et au niveau de son extrémité supérieure 522 deux masseiottes 525 et 526 (figure 1). Les masseiottes correspondent à un élargissement des portions 51, 52 du conduit 5 au niveau des becquets 412, 432. Comme indiqué précédemment, ces masseiottes 513, 525, 526 peuvent permettre de réduire l'apparition de porosités dans les becquets de l'aube moulée. En effet, les masseiottes permettent d'améliorer l'alimentation en métal liquide des parties de la cavité 4 formant becquets de l'aube, ce qui modifie les isothermes de refroidissement dans ces parties et réduit la formation de porosités lors de la solidification.

On notera que, dans l'exemple illustré, le conduit 5 est positionné du côté aval de la cavité 4 (c'est-à-dire notamment relié aux sous-parties 412, 432 formant becquets avals), il est toutefois envisageable de le positionner du côté amont en le reliant notamment aux sous-parties 411,431 formant becquets amont.

On notera également que les caractéristiques préférées concernant les angles a, β et γ, ainsi que le rapport R ont été illustrées sur un même moule 3, mais peuvent ne pas être appliquées simultanément.

Les figures 3 et 4 montrent respectivement le moule 3 présenté précédemment ainsi qu'un moule 3' selon un autre mode de réalisation de Hnvention. Sur ces figures, les moules 3, 3' sont représentés munis de leur carapace en céramique 7. Les carapaces céramiques des moules 3 et 3' sont réalisées selon un même mode opératoire pour pouvoir être comparées.

Le conduit de grain auxiliaire 5' du moule 3' présente une première portion 51' qui est rectiligne et s'étend avec un angle strictement inférieur à 54° à partir de la partie 40, cet angle est ici de l'ordre de 45°. Le conduit 5' présente une deuxième portion 52' qui prolonge la première portion 51' et qui s'étend à partir de la sous-partie 412 formant becquet aval de la plateforme avec un angle de l'ordre de 90°.

On peut voir que la géométrie du conduit 5 du moule 3 (figure 3) permet d'obtenir une épaisseur e de carapace céramique 7 au niveau de ia paroi de la partie 42 située en face du conduit 5 qui est inférieure à l'épaisseur e.' obtenue pour le moule 3' (figure 4). Cette différence d'épaisseur est rendue possible grâce à la forme optimisée du conduit 5, présentée précédemment, par rapport au conduit 5'. En outre, dans le moule 3, on peut voir que la géométrie du premier conduit 51 permet d'obtenir un espace vide 70 entre le premier conduit 51 et la partie 40 ; alors que dans le moule 3', la géométrie du premier conduit 5Γ peut entrainer le comblement de cet espace par de la céramique et former une carapace céramique plus épaisse. Comme expliqué précédemment, la réduction de l'épaisseur de la carapace céramique permet de réduire encore les contraintes exercées sur l'aube moulée, et l'apparition éventuelle de grains recristallisés suite à un traitement thermique.

Linstallation 1 qui a été décrite précédemment peut être réalisée entièrement en matériau céramique, par exemple par un procédé de fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, un modèle de llnstallation 1 en cire doit tout d'abord être fabriqué. Puis, ce modèle en cire est recouvert d'une carapace de céramique par trempes successives dans une barbotine adéquate (trempe/stucage). La céramique est ensuite cuite et la cire retirée pour obtenir l'installation 1 en matériau céramique.

La figure 5 illustre les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un métal fondu mettant en oeuvre une installation 1 telle que celle décrite précédemment. La première étape El du procédé consiste à remplir le moule 3, 3' de l'installation 1 en versant un métal fondu dans l'installation. Pour ce faire, on peut verser le métal directement dans le godet 2 de l'Installation 1, et il pourra cheminer par gravité jusqu'à remplir le moule 3, 3'.

La deuxième étape E2 consiste à réaliser la solidification dirigée du métal présent dans le moule, de façon à obtenir l'aube moulée. La solidification dirigée est réalisée dans un four adapté dans lequel on place l'Installation. Le four permet de contrôler la croissance des grains cristallisés, afin d'obtenir une aube monocristalline grâce à la présence d'un conduit sélecteur de grain 6 ou d'un germe monocristallin. La carapace peut avoir déjà commencé à rompre dès la fin de la solidification dirigée. Une fois la pièce solidifiée, on peut la décocher. On peut ensuite découper les parties reliées à l'aube correspondant notamment au conduit auxiliaire de grain 5, 5'.

Enfin, il est possible de réaliser une dernière étape E3 consistant en un traitement thermique qui permet notamment de dissiper les contraintes résiduelles dans la pièce moulée. Pour une aube en superalliage du type AMI, le traitement thermique peut par exemple consister à soumettre l'aube à une température comprise entre 1270°C et 1330°C pendant une durée comprise entre 18 heures et 23 heures. Grâce à remploi d'un moule 3, 3' selon l'invention, une réduction de l'apparition de grains recristallisés suite à cette étape a été observée.

Dans tout l'exposé, les termes « compris entre ... et... » doivent être compris comme incluant les bornes.

Claims (10)

1. REVENDICATONS

   1. Moule (3 ; 3') en matériau céramique destiné à être utilisé pour mouler une aube de turbomachine à partir d'un métal fondu, l'aube comprenant un pied, une plateforme, une pale, et un talon, le moule comprenant : - une cavité (4) ayant la forme de l'aube, et - un conduit de grain auxiliaire (5, 5') comprenant une première portion (51 ; 51') et une deuxième portion (52 ; 52') proiongeant ia première portion, iadite première portion débouchant à une extrémité (511) dans une première partie (40) de ia cavité formant ie pied de l'aube et à une autre extrémité (512) dans une deuxième partie (412) de la cavité formant un becquet de la plateforme de l'aube, ladite deuxième portion (52 ; 52') débouchant à une extrémité (521) dans ladite deuxième partie (412) de la cavité et à une autre extrémité (522) dans une troisième partie (432) de la cavité formant un becquet du talon de l'aube.
2. 2. Moule (3) selon la revendication 1, dans lequel la première portion (51) du conduit de grain auxiliaire (5) s'étend à partir d'une paroi (401) de la première partie (40) de la cavité (4) dans une direction formant un angle (a) compris entre 54° et 62° avec ladite paroi.
3. 3. Moule (3) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la deuxième portion (52) du conduit de grain auxiliaire (5) s'étend à partir de la deuxième partie (412) de la cavité (4) dans une direction formant un angle (β) compris entre 110° et 115° avec ladite deuxième partie.
4. 4. Moule (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième portion (52) du conduit de grain auxiliaire (5) s'étend à partir de la troisième partie (432) de la cavité (4) dans une direction formant un angle (γ) compris entre 110° et 115° avec ladite troisième partie.
5. 5. Moule (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième portion (52) du conduit de grain auxiliaire (5) présente au moins une partie (523) ayant une section circulaire de diamètre D, ladite partie étant éloignée d'une distance L de la cavité, un rapport R=L/D entre la distance L et le diamètre D étant compris entre 16,4 et 18,9 le long de ladite partie.
6. 6. Moule (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième portion (52) du conduit de grain auxiliaire (5) comprend une masselotte (525, 526) à chacune de ses extrémités.
7. 7. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'aube est une aube de turbine de turbomachine aéronautique.
8. 8. Installation (1) pour fabriquer une aube moulée à partir d'un métal fondu, comprenant : - un moule (3 ; 3') selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, et - des moyens d'obtention de grain monocristallin (6) reliés au moule.
9. 9. Installation (1) selon la revendication 8, dans laquelle les moyens d'obtention de grain monocristallln comprennent un germe monocristallin ou un conduit sélecteur de grain (6).
10. 10. Procédé de fabrication d'une aube de turbomachine monocristalline, comprenant les étapes suivantes : - le remplissage (El) d'un moule (3 ; 3') d'une installation (1) selon l'une quelconque des revendications 8 et 9 avec un métal fondu, et - la solidification dirigée (E2) du métal présent dans le moule (3 ; 3') de façon à obtenir une aube moulée.