FR3068271A1

FR3068271A1 - Procede de fonderie avec coulee en moule chaud

Info

Publication number: FR3068271A1
Application number: FR1755990A
Authority: FR
Inventors: Serge Alain Fargeas; Serge TENNE; Dominique Coyez
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: FR3068271B1; US11235379B2; EP3645191A1; CN110831712A; US20200180016A1; EP3645191B1; WO2019002797A1

Abstract

L'invention concerne le domaine de la fonderie, et en particulier un procédé de fonderie comprenant le préchauffage d'un moule (1) dans un four (100) jusqu'à une première température, la coulée d'un métal à l'état liquide, à une deuxième température supérieure à la première température, dans le moule maintenu dans le four à la première température depuis le préchauffage, l'écart entre la première et la deuxième température n'étant pas supérieur à 80°C, les refroidissement et solidification du métal dans le moule (1), et le démoulage du métal solidifié.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention concerne le domaine de la fonderie du métal. On entend par « métal », dans le présent contexte, tant des métaux purs que des alliages métalliques.

Avec les procédés de fonderie connus, comportant au moins une étape de coulée d'un métal à l'état liquide dans un moule, suivie du refroidissement et de la solidification du métal dans le moule avant le démoulage du métal solidifié, on peut rencontrer des défauts, en particulier lors de la production de pièces avec des parties particulièrement fines, comme par exemple les bords de fuite des aubes de turbomachine. En effet, la différence de température entre le métal et le moule au moment de la coulée peut provoquer un refroidissement et une solidification prématurés d'une partie du métal aux passages les plus étroits de la cavité de moulage, pouvant provoquer des criques, vides ou autres défauts dans la pièce ainsi moulée.

Afin de réduire le choc thermique au moment de la coulée, il a été proposé de procéder à une première étape de préchauffage du moule dans un four dédié. Toutefois, l'utilisation d'un tel four de préchauffage dédié impose l'extraction du moule du four de préchauffage et son transport vers l'endroit de la coulée. Pendant cette extraction et ce transport, le moule commence à refroidir, ce qui accroît à nouveau la possibilité de défauts. En outre, ces opérations supplémentaires avec un moule chaud compliquent le procédé de fonderie et exigent du temps et de l'espace additionnels, tout en augmentant aussi les risques d'accidents du travail.

Objet et résumé de l’invention

La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé de fonderie qui permette d'éviter plus efficacement les défauts, tout en réduisant les déplacements du moule et en simplifiant le procédé.

Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que, après le préchauffage du moule dans un four jusqu'à une première température, la coulée d'un métal à l'état liquide, à une deuxième température supérieure à la première température et, par exemple, au moins égale à 1250°C, est effectuée dans le moule maintenu dans le four à la première température depuis le préchauffage, l'écart entre la première et la deuxième température n'étant pas supérieur à 170°C, et de préférence pas supérieur à 100°C, voire 80°C.

Grâce à ces dispositions, le choc thermique de la coulée est réduit, limitant ainsi le risque de défauts dus à une solidification prématurée du métal aux passages les plus étroits de la cavité de moulage, tout en limitant aussi les déplacements du moule et le nombre d'opérations du procédé.

Afin de réduire encore plus le risque de défauts dans la pièce obtenue par ce procédé de fonderie, après l'étape de coulée, le moule peut être encore maintenu dans le four pendant une première étape de refroidissement avec un taux de refroidissement du four inférieur ou égal à une limite supérieure prédéterminée, par exemple de 7°C/min. Un tel refroidissement contrôlé permet d'éviter l'apparition de criques et autres défauts similaires, en particulier provoqués par les différents taux de contraction thermique du métal et du matériau du moule.

En particulier, le métal peut se solidifier en grains equiaxes. Ce procédé n'est donc pas limité à la fonderie à croissance dirigée des cristaux, mais est bien applicable aux alliages métalliques traditionnels polycristallins équiaxes qui forment, à l'état solide, une pluralité de grains de taille sensiblement identique, typiquement de l'ordre de 1 mm, mais d'orientation plus ou moins aléatoire.

Le moule peut notamment être un moule carapace formé autour d'une cavité de moulage, par exemple par le procédé dit à cire perdue ou modèle perdu. Dans ce cas, afin d'éviter de manière encore plus efficace la formation de défauts dans la pièce issue de ce procédé, au moins une première partie du moule autour de la cavité de moulage peut présenter une épaisseur de paroi inférieure à une deuxième partie du moule autour de la cavité de moulage. En particulier, quand le moule est formé par une pluralité de couches superposées, comme le sont en général les moules carapaces formés en trempant plusieurs fois un modèle dans un bain de barbotine, la deuxième partie du moule peut présenter un plus grand nombre de couches que la première partie du moule. En modulant ainsi l'épaisseur de paroi du moule, notamment en fonction de l'épaisseur de la cavité au même endroit, il est possible d'éviter que les différents taux de contraction thermique du métal et du matériau du moule causent des contraintes mécaniques excessives sur le métal lors de son refroidissement et solidification, contraintes qui pourraient provoquer l'apparition de criques et autres défauts similaires. Une réduction locale de l'épaisseur de paroi du moule, en particulier autour des parties les plus vulnérables du métal dans la cavité de moulage, permet de réduire les contraintes que le moule peut transmettre à ces endroits au métal sousjacent, lors de leur refroidissement.

Afin d'éviter une solidification prématuré du métal pendant la coulée, celle-ci peut avoir une durée inférieure à 2 secondes, voire égale ou inférieure à 1 seconde.

Ce procédé de fonderie peut notamment être utilisé pour former, avec le métal solidifié, des pièces avec des parties particulièrement fines comme par exemple au moins une aube de turbomachine.

Brève description des dessins

L’invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d’un mode de réalisation représenté à titre d’exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre une grappe de modèles en cire crée dans une première étape d'un procédé de fonderie suivant un mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 2A et 2B illustrent deux étapes suivantes du procédé, dans lesquelles la grappe est plongée entièrement dans un bain de barbotine et ensuite saupoudrée pour former une couche d'un moule carapace ;

- les figures 3A et 3B illustrent deux étapes suivantes du procédé, dans lesquelles la grappe est plongée partiellement dans le bain de barbotine et ensuite saupoudrée pour former une couche supplémentaire du moule carapace ;

- la figure 4 illustre une étape suivante de cuisson du moule carapace ;

- la figure 5 illustre le moule carapace après cuisson ;

- les figures 6A, 6B et 6C illustrent des étapes consécutives de préchauffage du moule carapace, coulée, et refroidissement contrôlé, effectuées dans un même four ; et

- la figure 7 illustre une étape finale de démoulage.

Description détaillée de l'invention

Une première étape d'un procédé de fonderie suivant un mode de réalisation de l'invention est la création d'une grappe non permanente 21 comprenant une pluralité de modèles 22 reliés par un arbre 23 soutenu par un plateau 19, comme celle illustrée sur la figure 1. Les parties de l'arbre 23 destinées à former des volumes creux dans le moule 1 sont formées en une matière à basse température de fusion, comme une cire ou résine de modelage, tandis que d'autres parties de l'arbre 23, formant des raidisseurs, peuvent être en matériau réfractaire (hachuré sur la figure 1). Les modèles 22, qui vont former des cavités de moulage dans le moule, sont également formés en une matière à basse température de fusion. Lorsque la production de grands nombres de pièces est envisagée, il est notamment possible de produire ces éléments par injection de la cire ou résine de modelage dans un moule permanent. Dans le mode de réalisation illustré, destiné à la production d'aubes de turbomachine, les modèles 22 représentent des telles aubes, avec la tête d'aube orientée vers le bas.

Pour produire un moule, plus spécifiquement un moule carapace à partir de cette grappe non permanente 21, on procède au trempé de la grappe 21 dans une barbotine, pour ensuite la saupoudrer avec un sable réfractaire, c'est-à-dire des grains de matière réfractaire. Les matériaux utilisés pour la barbotine et le sable réfractaire, ansi que la granulométrie du sable réfractaire peuvent être par exemple ceux divulgués dans les publications de demande de brevet français FR 2 870 147 Al et FR 2 870 148 Al. Ainsi, la barbotine peut par exemple contenir des particules de matériaux céramiques, notamment en forme de farine, avec un liant colloïdal minéral et éventuellement des adjuvants en fonction de la rhéologie désirée pour la barbotine, tandis que le sable réfractaire peut également être céramique. Parmi les matériaux céramiques pouvant être considérés pour la barbotine et/ou le sable réfractaire, on compte l'alumine, la mullite et le zircon. Le liant colloïdal minéral peut être par exemple une solution colloïdale minérale base eau, telle que notamment la silice colloïdale. Les adjuvants peuvent comprendre un agent mouillant, un fluidifiant et/ou un texturant. Ces étapes de trempé et saupoudrage peuvent être répétées plusieurs fois, éventuellement avec des barbotines et sables différents, jusqu'à former une carapace de sable imprégné de barbotine d'une épaisseur souhaitée autour de la grappe 21.

Dans le procédé suivant le mode de réalisation illustré, on vise à produire un moule dans lequel au moins une première partie du moule présente, autour des cavités de moulage, une épaisseur de paroi inférieure à celle qu'une deuxième partie du moule présente autour des mêmes cavités de moulage. Plus spécifiquement, dans le mode de réalisation illustré, on vise à obtenir des parois plus fines au niveau des têtes d'aubes qu'au niveau des pieds d'aubes. Pour obtenir cette différence d'épaisseur, après des trempés initiaux, illustrés dans la figure 2A, dans lesquels la grappe 21 est trempée entièrement dans la barbotine B, comme illustré sur la Fig. 2A, avant d'être saupoudrée de sable comme illustré sur la Fig. 2B, on procède à des trempés partiels, illustrés sur la Fig. 3A dans lesquels la grappe 22 n'est plongée, inversée, que jusqu'à mihauteur d'aube avant d'être saupoudrée comme illustré sur la Fig. 3B. La partie supérieure de la carapace ainsi formée va donc comprendre un plus grand nombre de couches que sa partie inférieure. Alternativement, toutefois, il est également envisageable de commencer par les trempés partiels, et finir par les trempés intégraux : seulement l'ordre des couches changera, mais la distribution des épaisseurs de paroi restera la même. Il est également envisageable de procéder à des trempés à plus de deux niveaux différents.

La grappe 21 enrobée de cette carapace peut ensuite être chauffée, par exemple dans un autoclave à une température entre 160 et 180 °C et à une pression de 1 MPa, pour faire fondre et évacuer de l'intérieur de la carapace la matière à basse température de fusion de la grappe 21. Ensuite, dans une étape de cuisson à plus haute température, par exemple entre 900 et 1200°C, la barbotine se solidifie de manière à consolider le sable réfractaire pour former les parois réfractaires du moule 1, comme illustré sur la figure 4.

Le moule 1 ainsi formé, illustré aussi sur la figure 5, est un moule carapace comportant un fût central 4 s'étendant, en direction de l'axe principal X, entre un godet de coulée 5 et une base 6 en forme de plateau. Le moule 1 comprend aussi une pluralité de cavités de moulage 7 arrangées en grappe autour du fût central 4. Chaque cavité de moulage 7 est reliée au godet de coulée 5 par un canal d'amenée 8 au travers duquel le métal en fusion s'y est introduit lors de sa coulée. La base 6 du moule 1 est en forme de plateau. En outre, des raidisseurs 20 en forme de colonnes inclinées relient le sommet de chaque cavité de moulage 7 à celui du godet de coulée 5, et d'autres raidisseurs 30 en forme de colonnes verticales relient le fond de chaque cavité de moulage 7 à la base 6. A cause du plus grand nombre de couches de barbotine cuite et sable réfractaire dans la partie supérieure la du moule 1 par rapport à sa partie inférieure lb, l'épaisseur d_a des parois de la partie supérieure la du moule 1 autour de chaque cavité de moulage 7 est plus grande que l'épaisseur db des parois de la partie inférieure lb du moule 1 autour des mêmes cavités de moulage 7. Ainsi, l'épaisseur d_a peut être, par exemple, entre 2,5 et 9 mm, tandis que l'épaisseur db peut être, par exemple, entre 1,5 et 6 mm.

Dans le mode de réalisation illustré, avant de procéder à la coulée du métal à l'état liquide dans ce moule 1, on procède à une étape de préchauffage de ce moule 1, illustrée sur la figure 6A. Dans cette étape, après introduction du moule 1 dans un four 100, le moule 1 est chauffé dans le four 100, qui atteint une première température Ti. Ensuite, sans sortir le moule 1 du four 100, tout en maintenant le four 100 à la première température Ti, on procède à la coulée du métal à l'état liquide dans le moule 1, comme illustré sur la figure 6B, de manière à remplir les volumes creux du moule 1, et en particulier ses cavités de moulage 7. Le métal est versé dans le moule à une deuxième température T₂, supérieure à la première température Ti. Toutefois, l'écart de température ΔΤ entre la deuxième température T₂ et la première température Ti est limité, par exemple non supérieur à 170°C, voire 100°C, voire même 80°C. Ainsi, si le métal est, par exemple, un alliage équiaxe à base nickel de type René 77, avec un solidus à environ 1240°C et un liquidus à environ 1340 °C, la deuxième température T₂ peut être, par exemple, de 1450°C, et la première température Ti être alors 1350°C, avec un écart ΔΤ non supérieur à 170°C. Ainsi, on évite un choc thermique excessif au métal fondu versé dans le moule 1, réduisant ainsi notamment le risque de solidification prématurée et intempestive du métal dans les passages les plus étroits du moule 1, solidification qui pourrait causer des blocages et des défauts locaux dans les pièces ainsi produites. La coulée du métal liquide est effectuée rapidement et complétée ainsi en un temps t_v, qui peut par exemple être d'environ 2 secondes, voire une seule seconde.

Dans l'étape suivante, illustrée sur la figure 6C, le moule 1 est encore maintenu dans le four 100 pendant une première étape de refroidissement et solidification du métal dans le moule 1, dans laquelle le taux de refroidissement dT/dt du four est contrôlé et limité, par exemple, à environ 7°C/min maximum. Cette limite supérieure au taux de refroidissement permet de limiter également les efforts exercés sur le métal par la différence de contraction thermique entre le moule 1 et le métal qui refroidit. Que, autour des cavités de moulage 7, l'épaisseur db des parois de la partie inférieure lb du moule 1 soit inférieure à l'épaisseur d_a des parois de la partie supérieure la du moule 1 permet également de limiter ces efforts sur le métal dans les parties les plus étroites des cavités de moulage 7, qui sont celles correspondant aux têtes d'aube, en particulier à proximité du bord de fuite. Les parois plus étroites du moule 1 à ces endroits céderont sous les contraintes, plutôt que le métal. Ainsi, des éventuelles criques se formeront dans le moule 1, plutôt que dans le métal.

Dans le mode de réalisation illustré, comme l'alliage René 77 est un alliage polycristallin équiaxe, le métal formera, lors de sa solidification, une pluralité de grains de taille sensiblement identique, typiquement de l'ordre de 1 mm, mais d'orientation plus ou moins aléatoire.

Quand le four a suffisamment refroidi, jusqu'à atteindre une troisième température T3 de, par exemple, de 800°C à 900°C , il est possible de le retirer du four 100 pour qu'il continue à refroidir naturellement après avoir été placé sous une cloche isolante entourée de tissu réfractaire, jusqu'à l'étape de décochage de la carapace, illustrée sur la figure 7, dans laquelle le moule est détruit pour en retirer le métal solidifié, comprenant les aubes 200 de turbomachine ainsi formées, sur lequel des étapes subséquentes de découpage et finition pourront ensuite être effectuées.

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

1. Procédé de fonderie comprenant les étapes suivantes : préchauffage d'un moule (1) dans un four (100) jusqu'à une première température ;

coulée d'un métal à l'état liquide, à une deuxième température supérieure à la première température, dans le moule maintenu dans le four à la première température depuis le préchauffage, l'écart entre la première et la deuxième température n'étant pas supérieur à 170°C ;

refroidissement et solidification du métal dans le moule (1) ; et démoulage du métal solidifié.

2. Procédé de fonderie suivant la revendication 1, dans lequel l'écart entre la première température et la deuxième température n'est pas supérieur à 100°C.

3. Procédé de fonderie suivant la revendication 2, dans lequel l'écart entre la première température et la deuxième température n'est pas supérieur à 80°C.

4. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, après l'étape de coulée, le moule (1) est encore maintenu dans le four (100) pendant une première étape de refroidissement avec un taux de refroidissement du four (100) inférieur ou égal à une limite supérieure prédéterminée.

5. Procédé de fonderie suivant la revendication 4, dans lequel ladite limite supérieure du taux de refroidissement du four (100) est de 7°C/min.

6. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le métal se solidifie en grains equiaxes.

7. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moule (1) est un moule carapace formé autour d'une cavité de moulage (7).

8. Procédé de fonderie suivant la revendication 7, dans lequel au moins une première partie du moule (1) autour de la cavité de moulage (7) présente une épaisseur de paroi (d_b) inférieure à une épaisseur de paroi (d_a) d'une deuxième partie du moule (1) autour de la cavité de moulage (7).

9. Procédé de fonderie suivant la revendication 8, dans lequel le moule (1) est formé par une pluralité de couches superposées, et la deuxième partie du moule (1) présente un plus grand nombre de couches que la première partie du moule (1).

10. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de coulée a une durée inférieure à 2 secondes.

11. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième température est au moins égale à 1450 °C et inférieure à 1480°C.

12. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le métal solidifié forme au moins une aube de turbomachine.