FR3057187A1 - Procede de determination du retrait d'un noyau de fonderie lors d'un traitement thermique du noyau - Google Patents

Abstract

Procédé de de détermination du retrait d'un noyau de fonderie (2), le retrait se produisant au cours d'une étape de traitement thermique du noyau (2), caractérisé en ce que le procédé comprend une première détermination de la distance (D) entre une première (22) et une deuxième cavité de mesure (23) du noyau, avant le traitement thermique, et une deuxième détermination de la distance (D) entre ladite première (22) et ladite deuxième cavité (23) de mesure du noyau (2), après le traitement thermique, le retrait étant déterminé en fonction de la première distance déterminée et de la deuxième distance déterminée.

Description

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication de pièces telles que des aubages métalliques de turbomachines, présentant des cavités internes à géométrie complexe formant notamment des circuits de refroidissement, selon la technique de fonderie à cire perdue. L’invention concerne en particulier un procédé de détermination du retrait d’un noyau céramique de fonderie utilisé dans cette technique de fonderie à cire perdue.

ETAT DE L’ART

Les aubes mobiles d’une turbine de turbomachine, telle qu’une turbine basse pression ou une turbine haute pression, comprennent chacune un circuit interne de refroidissement qui leur permet de supporter les contraintes thermiques auxquelles les aubes sont soumises, lorsque la turbomachine est en fonctionnement. Le circuit interne de refroidissement est traversé par un flux d’air de refroidissement.

Un circuit de refroidissement comprend par exemple au moins une ouverture d’admission située à proximité du pied de l’aube, au moins une cavité interne et au moins une ouverture d’échappement située à proximité du sommet de l’aube, le flux d’air traversant successivement l’ouverture d’admission, la cavité puis l’ouverture d’échappement.

La fabrication des aubes selon la technique de fonderie à cire perdue passe par la réalisation d’un modèle en cire ou autre matériau équivalent qui peut comprendre une pièce interne formant un noyau, appelé noyau de fonderie, et qui permettra la formation des cavités de l’aube. On utilise pour former le modèle en cire un moule d’injection pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d’une suspension de particules céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on cuit le moule carapace. On obtient l’aube en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau. Grâce à un germe ou un sélecteur approprié et un refroidissement contrôlé, le métal se solidifie selon une structure voulue. Selon la nature de l’alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée, il peut s’agir de solidification dirigée à structure colonnaire (DS), de solidification dirigée à structure monocristalline (SX) ou de solidification équiaxe (EX) respectivement. Les deux premières familles de pièces concernent des superalliages pour pièces soumises à de fortes contraintes tant thermiques que mécaniques dans le turboréacteur, comme les aubes de turbine HP.

Après solidification de l’alliage, la carapace et le noyau sont décochés. Il en résulte l’aube désirée.

Les noyaux de fonderie utilisés sont composés d’une matière céramique à structure généralement poreuse. Ils sont réalisés à partir d’un mélange constitué d’une charge réfractaire sous forme de particules et d’une fraction organique plus ou moins complexe formant un liant. Des exemples de compositions sont donnés dans les brevets EP 328452, FR 2371257 et FR 1785836. Comme cela est connu, on met en forme les noyaux de fonderie par moulage en utilisant par exemple une injection à la presse. Cette mise en forme est suivie d’une opération de déliantage au cours de laquelle la fraction organique du noyau est éliminée par un moyen tel que la sublimation ou la dégradation thermique, suivant les matériaux utilisés. Une structure poreuse en résulte. Le noyau est ensuite consolidé par un traitement thermique dans un four. Une étape de finition est éventuellement nécessaire pour éliminer et ébavurer les traces de plans de joint et obtenir la géométrie du noyau. On utilise dans ce but des outils abrasifs. Il peut être encore nécessaire de renforcer le noyau afin qu’il ne soit pas endommagé dans les cycles ultérieurs d’utilisation. On imprègne dans ce cas le noyau avec une résine organique.

Lors du déliantage du noyau de fonderie et de son traitement thermique de consolidation, il se produit une contraction du noyau, appelée retrait du noyau.

II apparaît nécessaire de déterminer précisément le retrait du noyau, de manière à ce que le noyau ait la forme et les dimensions souhaitées et pour pouvoir positionner précisément le noyau dans le moule d’injection pour cire. II est en outre important que le noyau présente la forme souhaitée, car la forme du noyau détermine la forme des cavités formant le circuit de refroidissement.

II est connu pour déterminer le retrait du noyau d’utiliser des éléments témoin qui sont des éprouvettes présentant sensiblement les mêmes dimensions et la même concentration en céramique que le noyau, les éprouvettes étant par exemple de forme parallélépipédique ou cylindrique. Les éprouvettes subissent le même traitement thermique que le noyau et le retrait du noyau est estimé à partir du retrait des éprouvettes.

Ce procédé a toutefois pour inconvénient que la fabrication des éprouvettes rend le procédé plus complexe et plus onéreux. En outre, les éprouvettes ne sont pas représentatives des particularités de la géométrie de chaque noyau et le temps de mesure du retrait des éprouvettes n’est pas adapté à une production industrielle.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé de détermination du retrait d’un noyau de fonderie lors d’une étape de traitement thermique du noyau, le procédé permettant de déterminer le retrait de manière simple, précise et économique.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention a ainsi pour objet un procédé de détermination du retrait d’un noyau de fonderie, le retrait se produisant au cours d’une étape de traitement thermique du noyau.

Le procédé selon l’invention comprend une première détermination de la distance entre une première et une deuxième cavité de mesure du noyau, avant le traitement thermique, et une deuxième détermination de la distance entre ladite première et ladite deuxième cavité de mesure du noyau, après le traitement thermique, le retrait étant déterminé en fonction de la première distance déterminée et de la deuxième distance déterminée.

Ainsi, avantageusement, grâce à la présence des cavités de mesure, le retrait peut être mesuré directement sur le noyau, ce qui permet d’éviter l’utilisation d’éprouvettes. En outre, les cavités permettent une grande précision de la mesure. Les cavités sont typiquement réalisées par injection dans le moule d’injection, ce qui permet d’éviter l’utilisation d’un point de repère qui subira des transformations, comme par exemple une surface subissant un usinage. Enfin, la mesure présente une bonne répétabilité, également grâce aux cavités réalisées dans le moule d’injection.

La première détermination de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure, avant le traitement thermique, peut être réalisée par une mesure de ladite distance ou en prenant en compte une distance théorique prédéterminée.

La deuxième détermination de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure du noyau, après le traitement thermique, peut être réalisée par une mesure de laite distance.

La mesure de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure peut être réalisée à l’aide d’un pied à coulisse.

Le retrait peut être déterminé en fonction du rapport de la première distance déterminée sur la deuxième distance déterminée.

Alternativement, le retrait peut être déterminé en fonction de la différence entre la première distance déterminée et la deuxième distance déterminée. Plus généralement, le retrait peut être déterminé par toute fonction appropriée de la première distance déterminée et de la deuxième distance déterminée.

Le noyau étant de forme allongée, la première et la deuxième cavité de mesure peuvent être disposées sur un axe longitudinal du noyau.

La première cavité de mesure peut être disposée au voisinage d’une extrémité longitudinale du noyau et la deuxième cavité de mesure peut être disposée au voisinage de l’autre extrémité longitudinale du noyau.

Le noyau étant destiné à la fabrication d’une aube de turbomachine, la première cavité de mesure et la deuxième cavité de mesure sont avantageusement disposées dans des parties du noyau situées hors de parties fonctionnelles correspondant aux cavités de l’aube et du pied de l’aube, c’est-à-dire dans des parties qui n’auront pas d’impact sur l’aube. En particulier, le noyau étant destiné à la fabrication d’une aube de turbomachine, la première cavité de mesure peut être disposée dans une partie du noyau correspondant à une baignoire située au sommet de l’aube et la deuxième cavité de mesure peut être disposée dans une partie de préhension du noyau.

L’étape de traitement thermique peut comprendre un déliantage et un frittage du noyau lors de sa fabrication.

Le noyau de fonderie peut être destiné à être utilisé pour la fabrication d’une aube de turbomachine selon la technique de fonderie à cire perdue.

Le noyau peut comprendre une partie correspondant aux cavités de l’aube, une partie correspondant aux cavités du pied de l'aube, une partie formant une poignée de préhension, et une partie correspondant à une baignoire située au sommet de l’aube.

DESCRIPTION DES FIGURES

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe d’une aube de turbine refroidie,

- la figure 2 illustre en perspective une ébauche de noyau de fonderie après extraction d’un moule simplifié, et

- la figure 3 est une vue schématique en coupe d’un noyau de fonderie lors du procédé de détermination du retrait du noyau selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

La description qui suit correspond à l'application de l'invention à la formation d'un noyau de fonderie pour une aube de turbine haute pression dans un moteur à turbine à gaz pour une utilisation aéronautique ou terrestre. Cet exemple n'est pas limitatif.

Comme on le voit sur la figure 1, une aube 1 de turbine comprend une surface intrados IN, une surface extrados EX, un bord d'attaque BA et un bord de fuite BF. Lorsqu'il s'agit d'une aube de turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz pour une utilisation aéronautique, l'aube comprend des cavités internes 1A à 1G, ici au nombre de sept. Le bord de fuite comprend une ouverture 1H s'étendant parallèlement à celui-ci. Elle est alimentée depuis la dernière cavité 1G par une pluralité de canaux 1 GH, calibrés, parallèles entre eux, pour l'échappement du fluide de refroidissement qui est de l'air prélevé au compresseur.

Les cavités sont séparées les unes des autres par des cloisons 1AB, 1BC, etc. Lorsqu'on fabrique ces aubes par coulée d'un métal en fusion, on doit incorporer au moule carapace un noyau en céramique qui occupe les vides des cavités à former dans l'aube. Ce noyau comme on le devine à partir de la figure 1 est de structure complexe.

On voit sur la figure 2 un noyau 2 issu d'un moule. Il comprend une partie 2A correspondant aux cavités de l’aube, une partie 2B correspondant aux cavités du pied de l'aube et une partie 2C formant une poignée de préhension pendant la fabrication. En tête de pale on voit aussi une partie 2D correspondant à ce qui est désigné par baignoire.

On prévoit en effet classiquement entre les aubes d'une turbine de turbomachine et la face interne de l'anneau dans lequel ledit rotor tourne, un jeu en sommet d'aube qui permet la rotation dudit rotor. Du fait du mouvement du rotor et de la différence de pression entre l'intrados et l'extrados des aubes, des écoulements de fuite se créent au niveau du jeu entre le sommet de chacune des aubes et la face interne de l'anneau. Ces écoulements, et les tourbillons qu'ils créent au niveau de l'extrados, sont la source de nombreux problèmes aérodynamiques et aérothermiques qui affectent directement les performances de la turbomachine.

Le jeu entre le sommet des aubes et la surface interne de l'anneau est généralement ajusté afin de réduire ces écoulements. Néanmoins, la réduction de ce jeu augmente le risque de contacts entre les aubes et la surface interne de l'anneau et limite fortement la durée de vie des aubes ; en outre, elle entraîne également une augmentation de la température du sommet des aubes, ce qui a aussi un impact sur la durée de vie des aubes.

Pour pallier cet inconvénient, il est classiquement connu de prévoir des baignoires au sommet des aubages, ce qui permet de limiter la surface de contact entre l'aube et l'anneau. Ces baignoires sont généralement définies par un rebord qui délimite un contour fermé et qui s'étend à cet effet, au niveau du sommet de l'aube, le long de l'extrados et de l'intrados, du bord d'attaque au bord de fuite. Des configurations de baignoires destinées à permettre d'optimiser les performances aérodynamiques et aérothermiques des aubes ont notamment été proposées. Les documents EP1748153 et W02009/115728 proposent par exemple des configurations de baignoires comportant plusieurs cavités ou intégrant des déflecteurs pour guider les écoulements de fuite au niveau du sommet de l'aube.

On retrouve sur la figure 3 les différentes parties du noyau de fonderie, à savoir une zone fonctionnelle comprenant les parties fonctionnelles centrales 2A et 2B, la partie 2A correspondant aux cavités de l’aube, la partie 2B correspondant aux cavités du pied de l'aube, ainsi que les parties d’extrémité 2C et 2D, la partie 2C formant la poignée de préhension pendant la fabrication et la partie 2D correspondant à la baignoire. Des cavités (non représentées) correspondant aux parois métalliques du circuit de refroidissement de l’aube peuvent être présentes dans le noyau.

Conformément à l’invention, le noyau 2 est muni de deux cavités de mesure 22, 23 qui vont permettre de réaliser une mesure directe du retrait du noyau de fonderie 2. Les cavités de mesure 22, 23 se présentent sous la forme d’encoches qui peuvent être par exemple creusées manuellement ou non une fois le noyau sorti du moule. Les encoches peuvent également être intégrées directement dans le moule. Les encoches présentent avantageusement une paroi rectiligne qui permettra d’avoir une surface plane pour que l’outil de mesure puisse venir en appui de manière précise et reproductible dans la cavité. Le reste de la géométrie de la cavité est conçu pour accueillir la forme de l’outil.

Le noyau 2 étant de forme allongée, les cavités de mesure 22, 23 sont avantageusement disposées à deux extrémités longitudinales du noyau 2. Les cavités de mesure 22, 23 sont de préférence sensiblement alignées selon un axe longitudinal X’X du noyau 2, par exemple selon l’axe correspondant à l’axe d’allongement de l’aube.

Pour ne pas perturber la formation du circuit de refroidissement dans l’aube, les cavités de mesure 22, 23 sont avantageusement disposées en dehors de la zone fonctionnelle du noyau 2, c’est-à-dire en dehors de la zone 2A-2B. Une première cavité de mesure 22 peut ainsi être située dans la partie 2D du noyau correspondant à la baignoire de l’aube, tandis que la deuxième cavité de mesure 23 peut être située dans la partie de préhension 2C du noyau 2.

On peut toutefois également envisager de disposer les cavités de mesure 22, 23 à d’autres endroits du noyau 2, comme par exemple à deux extrémités radiales du noyau 2.

Le procédé selon l’invention utilise un dispositif de mesure de la distance (écart) entre les deux cavités 22, 23. Le dispositif de mesure peut être par exemple un pied à coulisse 3.

Le pied à coulisse 3 se compose de deux parties : une partie fixe graduée (la règle), et une partie mobile (la coulisse) qui peut être graduée également et qui peut être bloquée sur la règle à l’aide d’une molette de serrage. La règle est munie d’une tête en deux parties, composée d’un bec fixe 31 et d’un bec mobile 32.

Le bec fixe 31 peut par exemple être disposé à l’intérieur de la première cavité 22 située dans la partie 2D du noyau correspondant à la baignoire de l’aube, tandis que le bec mobile 32 peut être disposé dans la deuxième cavité 23 située dans la partie de préhension 2C du noyau.

Le procédé comprend une première mesure de la distance D entre la première 22 et la deuxième cavité 23 de mesure, avant le traitement thermique. Alternativement, la mesure de la distance D entre la première 22 et la deuxième cavité 23 de mesure, avant le traitement thermique, peut être réalisée en prenant en compte une distance théorique prédéterminée, par exemple la distance théorique entre les cavités 22, 23 dans le moule d’injection.

Il comprend ensuite une deuxième mesure de la distance D entre la première et la deuxième cavité de mesure, après le traitement thermique. En divisant la première distance mesurée sur la deuxième distance mesurée, on détermine ainsi le pourcentage de retrait du noyau lors du traitement thermique. On peut également effectuer la différence entre la première distance mesurée et la deuxième distance mesurée, ce qui permet d’obtenir une valeur absolue du retrait.

Les cavités de mesure 22, 23 permettent une mesure de retrait, mais elles permettent également :

- de vérifier l’impact de l’injection en comparant la valeur théorique de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure dans le moule et de la première distance mesurée sur le noyau à cru (avant l’étape de traitement thermique du noyau), ce qui permet par exemple de vérifier si les paramètres d’injection et la pâte sont conformes aux prévisions,

- de suivre les possibles dérives de l’étape d’injection au cours du temps, en effectuant un suivi dans le temps des mesures de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure à cru, ce qui permet de vérifier le comportement du moule, mais également de la pâte,

- de suivre les dérives liées à l’étape de cuisson en suivant dans le temps des mesures de la distance entre la première et la deuxième cavité de mesure à l’état cuit (après l’étape de traitement thermique du noyau).

Le procédé selon l’invention présente de nombreux avantages. Le retrait peut être déterminé directement sur le noyau, sans avoir à utiliser des éprouvettes ou d’autres moyens spécifiques. Ceci entraîne un gain de productivité, car il n’y a plus besoin d’injecter ni de cuire des éprouvettes. Le procédé permet en outre une souplesse et une facilité d’utilisation pour les opérateurs, du fait de l’accessibilité et du positionnement aisé des cavités de mesure. Enfin, le contrôle qualité est amélioré, car il est possible de déterminer le retrait de l’intégralité des noyaux de fonderies, ce qui permet une meilleure analyse statistique.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de détermination du retrait d’un noyau de fonderie (2), le retrait se produisant au cours d’une étape de traitement thermique du noyau (2), caractérisé en ce que le procédé comprend une première détermination de la distance (D) entre une première (22) et une deuxième cavité de mesure (23) du noyau, avant le traitement thermique, et une deuxième détermination de la distance (D) entre ladite première (22) et ladite deuxième cavité de mesure (23) du noyau (2), après le traitement thermique, le retrait étant déterminé en fonction de la première distance déterminée et de la deuxième distance déterminée.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première détermination de la distance (D) entre la première (22) et la deuxième cavité de mesure (23), avant le traitement thermique, est réalisée par une mesure de ladite distance (D) ou en prenant en compte une distance théorique prédéterminée.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième détermination de la distance (D) entre la première (22) et la deuxième cavité de mesure (23), après le traitement thermique, est réalisée par une mesure de ladite distance (D).
4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la mesure de la distance (D) entre la première (22) et la deuxième cavité de mesure (23) du noyau (2) est réalisée à l’aide d’un pied à coulisse (3).
5. 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le retrait est déterminé en fonction du rapport de la première distance déterminée sur la deuxième distance déterminée.
6. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le retrait est déterminé en fonction de la différence entre la première distance déterminée et la deuxième distance déterminée.
7. 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, le noyau (2) étant de forme allongée, la première (22) et la deuxième cavité de mesure (23) sont disposées sur un axe longitudinal (X’X) du noyau (2).
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première cavité de mesure (22) est disposée au voisinage d’une extrémité longitudinale du noyau (2) et la deuxième cavité de mesure (23) est disposée au voisinage de l’autre extrémité longitudinale du noyau (2).
9. 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, le noyau (2) étant destiné à la fabrication d’une aube (1) de turbomachine, la première cavité de mesure (22) et la deuxième cavité de mesure (23) sont disposées dans des parties du noyau (2) situées hors de parties fonctionnelles (2A, 2B) correspondant aux cavités de l’aube (1) et du pied de l’aube (1).
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, le noyau (2) étant destiné à la fabrication d’une aube (1) de turbomachine, la première cavité de mesure (22) est disposée dans une partie (2D) du noyau (2) correspondant à une baignoire située au sommet de l’aube (1) et la deuxième cavité de mesure (23) est disposée dans une partie (2C) de préhension du noyau (2).
11. 11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l’étape de traitement thermique comprend un déliantage et un frittage du noyau (2) lors de sa fabrication.
12. 12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le noyau de fonderie (2) est destiné à être utilisé pour la fabrication d’une aube (1) de turbomachine selon la technique de fonderie à cire perdue.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le noyau (2) comprend une partie (2A) correspondant aux cavités de l’aube (1), une partie (2B) correspondant aux cavités du pied de l'aube (1), une partie (2C) formant une poignée de préhension, et une partie (2D) correspondant à une baignoire située au sommet de l’aube (1).

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