FR3094655A1 - Procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur par fonderie - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pluralité de secteu rs de distributeur par fonderie L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur monocristallins comprenant chacun au moins une première pale s’étendant entre deux plateformes par fonderie à la cire perdue. Le procédé comprend la coulée d’un métal en fusion dans une pluralité de moules céramiques (100) répartis en grappe autour d’un axe (A), et la solidification dirigée du métal coulé dans un four comprenant un élément chauffant rayonnant configuré pour être disposé autour de la grappe, un front de solidification du métal progressant dans chaque moule selon une direction (DS) parallèle à l’axe de la grappe au cours de la solidification dirigée. Le procédé est caractérisé par la présence dans chaque moule (100) d’une deuxième carapace séparée d’une première carapace de moulage du secteur de distributeur, qui délimite une deuxième cavité (130) de moulage d’une pale factice servant d’écran thermique. Figure pour l’abrégé : Fig. 5.

Description

Procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur par fonderie
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces de turbomachine en métal par fonderie. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur monocristallins comprenant chacun au moins une pale s’étendant entre deux plateformes.
Dans certaines applications, 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 des turbines de turbomachines aéronautiques, les pales 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 connait 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 en fusion est ensuite coulé dans le moule, et la solidification dirigée du métal permet d’obtenir, après retrait du moule, la pièce moulée. 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 dispositif fournisseur de grain monocristallin tel qu’un germe ou un conduit sélecteur de grain.
On connait la fabrication de secteurs de distributeurs de turbomachine aéronautique par un tel procédé. La figure 1 montre par exemple un secteur de distributeur monopale 1. La figure 2 montre par exemple un secteur de distributeur bipale 2. Un secteur de distributeur comprend généralement une ou plusieurs pales 3 qui s’étendent entre deux plateformes 4 délimitant la veine d’écoulement du flux gazeux. De par leur forme complexe, et afin d’obtenir une pièce monocristalline, il est souvent nécessaire d’élaborer des moules en céramiques comprenant des artifices tels que des conduits d’amenée de grain reliant un dispositif fournisseur de grain monocristallin à différentes parties de la cavité du moule, et notamment à la partie destinée à former la ou les pale(s) du secteur de distributeur.
La figure 3 montre une vue du volume interne d’un moule 5 pour fabriquer un secteur de distributeur bipale 2 tel que celui de la figure 2, comprenant un dispositif fournisseur de grain 6 logeant ici un germe monocristallin relié aux parties 7 de la cavité du moule destinées à former les pales 3 par des conduits d’amenée de grain 8.
Malgré ces artifices, des grains parasites sont toujours présents, notamment au niveau de la pale du distributeur sur les zones 9 identifiées de la figure 3, et le taux de rebut des pièces est élevé. En outre, après la solidification du métal, des usinages complémentaires, longs et couteux, sont nécessaires pour éliminer les conduits d’amenée de grain au niveau de parties essentielles comme le bord d’attaque des pales.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication de secteurs de distributeur monocristallins qui ne présente pas les inconvénients précités.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur monocristallins comprenant chacun au moins une première pale s’étendant entre deux plateformes, le procédé comprenant la coulée d’un métal en fusion dans une pluralité de moules céramiques répartis en grappe autour d’un axe, et la solidification dirigée du métal coulé dans un four comprenant un élément chauffant rayonnant configuré pour être disposé autour de la grappe, un front de solidification du métal progressant dans chaque moule selon une direction parallèle à l’axe de la grappe au cours de la solidification dirigée, dans lequel chaque moule comprend :
une première carapace délimitant une première cavité de moulage d’un secteur de distributeur, la première cavité ayant des parties formant les plateformes du secteur de distributeur, et une partie formant une première pale présentant une face externe par rapport à l’axe de la grappe correspondant à une face extrados de la première pale, un premier bord et un deuxième bord correspondant respectivement à un bord d’attaque et à un bord de fuite de la première pale, le premier bord étant situé en amont du deuxième bord par rapport à la direction de progression du front de solidification, et
un dispositif fournisseur de grain monocristallin relié par deux conduits d’alimentation aux parties de la première cavité formant les plateformes du secteur de distributeur en amont de celles-ci,
caractérisé en ce que chaque moule comprend en outre une deuxième carapace séparée de la première carapace et située en amont de celle-ci par rapport à la direction de progression du front de solidification, la deuxième carapace délimitant une deuxième cavité de moulage d’une pale factice reliée au dispositif fournisseur de grain, la deuxième cavité présentant une face correspondant à une face extrados de la pale factice parallèle à la face externe de la première cavité.
Dans tout l’exposé, on parle de carapace pour désigner l’enveloppe en céramique du moule, et de cavité pour désigner un volume interne du moule dans lequel un métal peut être coulé.
Le procédé selon l’invention diffère notamment des procédés de l’art antérieur par l’emploi de moules munis de cavités de moulage de pales factices. La présence de ces pales factices permet de former un écran thermique anti-rayonnement pour chaque secteur de distributeur moulé, notamment pour la ou les pales de celui-ci, lors de la solidification dirigée du métal coulé. La séparation entre la première et la deuxième carapace permet d’éviter les ponts thermiques entre elles. Les caractéristiques précitées (deuxième carapace de moulage d’une pale factice, et séparation de la première et de la deuxième carapace), notamment, permettent ainsi de réduire drastiquement la formation de grains parasites et le nombre de pièces rebutées à cause de ceux-ci.
Dans un exemple de réalisation, chaque pale factice peut être indépendante, c’est-à-dire n’est pas reliée à des plateformes.
Dans un exemple de réalisation, la partie de chaque première cavité formant une première pale peut être seulement en communication avec les parties de ladite cavité formant les plateformes.
Dans un exemple de réalisation, chaque moule peut être dépourvu de conduit d’amenée de grain entre le dispositif fournisseur de grain et la partie formant la première pale, et entre le dispositif fournisseur de grain et une deuxième pale le cas échéant.
Dans un exemple de réalisation, chaque pale factice peut avoir la forme d’une bande courbée. Cette forme permet d’obtenir une pale factice de masse réduite conservant une fonction d’écran thermique avec peu d’impact sur la masse et la solidité de la grappe.
Dans un exemple de réalisation, chaque pale factice peut comprendre une partie d’une face intrados de sorte que chaque deuxième carapace forme une languette s’étendant à l’intérieur de la grappe. La carapace formée autour de cette languette peut être utilisée pour faire tenir par exemple un isolant thermique à l’intérieur de la grappe.
Dans un exemple de réalisation, un isolant thermique peut être placé à l’intérieur de la grappe pendant la solidification dirigée, l’isolant thermique étant maintenu sur au moins une languette d’une deuxième carapace. La présence d’un tel isolant thermique permet d’améliorer l’homogénéité de la température lors de la solidification dirigée, obtenir un front de solidification plus stable, et ainsi encore réduire l’apparition de grains parasites. L’isolant thermique peut être un feutre en carbone.
Dans un exemple de réalisation, chaque moule peut comprendre en outre une cavité d’alimentation présentant une forme triangulaire, les conduits d’alimentation et le dispositif fournisseur de grain monocristallin étant reliés à ladite cavité au niveau des sommets de la cavité d’alimentation, la deuxième cavité étant reliée à la cavité d’alimentation au niveau d’un côté de celle-ci situé entre les deux conduits d’alimentation.
Dans un exemple de réalisation, une jonction peut relier la cavité d’alimentation à la deuxième cavité, ladite jonction présentant une longueur d’au moins 12 mm.
Dans un exemple de réalisation, chaque secteur de distributeur peut comprendre en outre une deuxième pale, la partie de la première cavité formant la deuxième pale étant située en aval de la partie de la première cavité formant la première pale par rapport à la direction de progression du front de solidification. Cette disposition permet de fabriquer un secteur de distributeur bipale.
Dans un exemple de réalisation, chaque dispositif fournisseur de grain peut comprendre un logement dans lequel est présent un germe monocristallin.
Dans un exemple de réalisation, la grappe peut comprendre entre quatre et douze moules céramiques, par exemple six moules céramiques.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
La figure 1 montre un exemple de secteur de distributeur monopale.
La figure 2 montre un secteur de distributeur bipale.
La figure 3 montre un moule pour fabriquer un secteur de distributeur bipale utilisé dans un procédé de l’art antérieur.
La figure 4 montre une grappe comprenant plusieurs moules pour fabriquer des secteurs de distributeur bipales dans un procédé selon l’invention.
La figure 5 montre une vue en perspective d’un moule de la grappe de la figure 4.
La figure 6 montre une vue détaillée de face du moule de la figure 5.
La figure 7 montre une vue détaillée de derrière du moule de la figure 5.
La figure 8 montre une vue agrandie de la figure 6 au niveau de la deuxième cavité.
La figure 9 montre une vue agrandie et de profil du moule de la figure 5.
La figure 10 montre une vue en coupe selon le plan X identifié sur la figure 6.
La figure 11 montre les principales étapes d’un procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 12 illustre le placement d’une grappe dans un four pour réaliser la solidification dirigée du métal coulé.
Sauf mention contraire, on notera que sur les figures, pour plus de lisibilité, la carapace correspondant à la paroi en matériau céramique (ou enveloppe) de la grappe et donc des moules n’a pas été représentée. En d’autres termes, on a seulement montré les volumes internes ou cavités d’une grappe comprenant plusieurs moules ou d’un moule. Ces figures montrent ainsi les parties dans lesquelles un métal en fusion peut être introduit, ce qui correspond aussi au modèle en cire qui peut être utilisé pour fabriquer le moule, et à l’ensemble obtenu après coulée et solidification dirigée du métal.
La figure 4 montre une installation ou grappe 10 comprenant une pluralité de moules 100 pour mouler des secteurs de distributeur bipale 2 comme celui de la figure 2 par un procédé selon l’invention, ici les moules sont au nombre de six. Bien entendu, la grappe 10 peut comprendre un nombre différent de moules, par exemple un nombre compris entre quatre et douze. La grappe 10 présente un axe central A autour duquel les moules 100 sont répartis. La grappe 10 comprend un godet 11 par lequel un métal liquide peut être introduit dans la grappe 10. Le godet 11 surmonte un conduit central vertical ou descendant 12. A proximité de l’ouverture du godet 11 se trouve une pluralité de conduits 13 qui permettent d’extraire la cire avant l’étape de coulée d’un métal en fusion pour chacun les moules 100. Une couronne 14 reliée au descendant 12 par des raidisseurs 15 permet de répartir le métal en fusion coulé entre les moules 100 et de les alimenter par l’intermédiaire de conduits d’alimentation 16. Dans cet exemple, il y a deux conduits d’alimentation 16 par moule 100. L’ensemble de la grappe 10 peut être posé sur une sole horizontale 17 prévue pour supporter l’ensemble tout au long du procédé de fabrication qui sera décrit ultérieurement en lien avec la figure 11. La sole 17 permet également d’éviter la fusion complète du germe monocristallin.
On définit une direction DScorrespondant à la direction de propagation du front de solidification du métal progressant dans la grappe lors de la solidification dirigée. La direction DSest parallèle à l’axe A de la grappe 10. Sur les figures, un tel front va progresser depuis la sole 17 jusqu’au godet 11. On définit une direction DRcorrespondant à une direction radiale par rapport à l’axe A de la grappe 10, qui permet de définir les termes « intérieur » et « extérieur » par rapport à la grappe 10.
Les figures 5 à 9 montrent différentes vues d’un moule 100 correspondant à un secteur de la grappe 10.
Le moule 100 comprend une première carapace qui délimite une première cavité 110 de moulage du secteur de distributeur 2. La première cavité 110 comprend des parties 111 formant les plateformes 4 du secteur de distributeur 2, une partie 112 formant une première pale 3 (figures 6 et 7) et une partie 113 formant une deuxième pale 3. Les parties 112 et 113 sont ainsi chacun en communication seulement avec les parties 111 formant les plateformes. Les conduits 13 pour évacuer la cire, et les conduits d’alimentation 17 sont reliés aux parties 111 de la première cavité 110. Dans chaque moule 100, la partie 112 formant la première pale est située en amont par rapport à la direction DSde la partie 112 formant la deuxième pale.
Chaque partie 112 et 113 formant une première et une deuxième pale est orientée de sorte que la première et la deuxième pale aient une face extrados qui soit située radialement (selon la direction DR) à l’extérieur par rapport à leur face intrados. Dit autrement, la partie 112 formant la première pale et la partie 113 formant la deuxième pale présentent chacune une face externe 112a et 113a par rapport à l’axe A de la grappe 10 qui correspond à la face extrados de la première ou de la deuxième pale.
En outre, la partie 112 formant la première pale et la partie 113 formant la deuxième pale présentent chacune un premier bord 112b et 113b correspondant au bord d’attaque de la pale correspondante et un deuxième bord 112c et 113c correspondant au bord de fuite de la pale correspondante. Le secteur de distributeur est orienté de telle sorte que les premiers bords 112b et 113b sont situés en amont par rapport à la direction DSdes deuxièmes bords 112c et 113c.
Le moule 100 comprend en outre un dispositif fournisseur de grain monocristallin 120, pouvant par exemple comprendre un germe monocristallin dans un logement, relié par une cavité d’alimentation triangulaire 121 et deux conduits d’alimentation 122 aux parties 111 de la première cavité 110 formant les plateformes. Le dispositif 120 et les conduits d’alimentation 121 sont reliés aux sommets de la cavité d’alimentation triangulaire 121.
Dans le procédé selon l’invention, chaque moule 100 présente en outre une deuxième carapace, séparée de la première carapace et située en amont de celle-ci par rapport à la direction DS, délimitant une deuxième cavité 130 de moulage d’une pale factice. On parle de pale « factice » car celle-ci simule la présence d’une pale du secteur de distributeur, mais ne fait pas partie de celui-ci. D’ailleurs, la pale factice qui sera moulée dans la deuxième cavité sera séparée du secteur de distributeur (ou retirée ou éliminée) à la fin du procédé de fabrication. Elle n’est en effet utilisée qu’au cours de la solidification dirigée où elle joue le rôle d’écran thermique anti-rayonnement pour réduire l’apparition de grains parasites.
La deuxième cavité 130 est reliée par une jonction 131 seulement à la cavité d’alimentation triangulaire 121 au niveau d’une partie médiane d’un de ses côtés. La jonction 131 présente, dans cet exemple, une longueur L (figure 9) d’au moins 12 mm.
La deuxième cavité 130 présente une partie de profil aérodynamique, et notamment une face externe 130a correspondant à une face extrados d’une pale, et un premier bord 130b correspondant à un bord d’attaque d’une pale. La pale factice (et donc la cavité pour la mouler) présente ici la forme d’une bande courbée. Dans l’exemple illustré, pale factice comprend aussi une partie d’une face intrados de pale de sorte que la deuxième carapace forme une languette 132 (figure 10) s’étendant à l’intérieur de la grappe 10. La deuxième cavité 130 est orientée de sorte que la face externe 112a de la partie 112 de la première cavité 110 formant la première pale et la face externe 130a sont parallèles (figure 9).
La deuxième cavité 130 peut être séparée d’une distance minimale D0 (figure 8) d’au moins 8 mm de la première cavité 110.
La figure 10 montre une vue en coupe selon le plan X identifié sur la figure 6. Exceptionnellement sur cette figure, on a représenté la carapace en céramique du moule 100. On peut ainsi voir notamment la première carapace 110a, la deuxième carapace 130c et la languette 132 de la deuxième carapace 130c. On peut ainsi voir que la première carapace 110a et la deuxième carapace 130c sont séparées de sorte à éviter un pont thermique entre elles. Sur cette figure, on a également illustré le fait que le moule 100 peut être agencé de sorte que la distance D1 séparant le premier bord 130b de la deuxième cavité du premier bord 112b, et la distance D2 séparant le premier bord 112b du premier bord 113b peuvent être sensiblement égales.
Lorsque l’on fabrique des secteurs de distributeur monopales, on peut par exemple faire en sorte que les premiers bords 112b et 130b de la première cavité et de la deuxième cavité soient séparés d’une distance correspondant à la distance séparant deux bords d’attaque dans le distributeur considéré.
La grappe 10 et les moules 100 qui la composent peuvent être réalisés en matériau céramique. De façon connue en soi, un modèle de la grappe 10 en cire est d’abord obtenu. Puis, ce modèle en cire est recouvert d’une carapace de céramique par trempes successives dans une barbotine adéquate et sablage (trempe-stuccage). Le modèle recouvert est enfin déciré et cuit.
La figure 11 illustre les principales étapes d’un procédé de fabrication d’un secteur de distributeur monocristallin 1 ou 2 selon l’invention mettant en œuvre plusieurs moules 100 agencés en une grappe 10 telle que celle présentée ci-avant.
La première étape E1 du procédé consiste à remplir les moules 100 de la grappe 10 en coulant un métal en fusion dans la grappe 10. Pour ce faire, on peut verser le métal directement dans le godet 11 de l’installation, et il pourra cheminer par gravité jusqu’à remplir les moules 100.
La deuxième étape E2 du procédé comprend la solidification dirigée du métal présent dans les moules. Pour ce faire, on place la grappe 10 remplie de métal en fusion dans un four 200 (figure12) présentant un élément chauffant rayonnant 210 disposé autour de la grappe 10. On peut également disposer un isolant thermique 220 à l’intérieur de la grappe, par exemple un feutre en carbone, qui est maintenu sur les languettes 132 des deuxièmes carapaces 130c formant les pales factices. L’isolant thermique 220 peut prendre une forme cylindrique ou conique et être disposé dans la grappe autour du canal central 12. Durant cette étape, on contrôle la solidification de la pièce à l’aide d’un gradient thermique dans le four 200. Le gradient thermique s’étend généralement selon la direction DS. Le front de solidification se déplace dans la direction DS depuis les dispositifs fournisseurs de grain monocristallin 120 vers le godet 11. On peut déplacer le front de solidification en déplaçant par exemple la grappe 10 verticalement (on parle aussi de « tirage ») dans le four 200 (flèche 230). Une fois la pièce solidifiée, on peut la décocher et procéder à des usinages de finition. En particulier, le procédé comprend une étape de retrait de la pale factice de l’ensemble solidifié pour obtenir le secteur de distributeur (en d’autres termes, on sépare la pale factice du secteur de distributeur ainsi fabriqué).
On notera que l’invention a été décrite dans le cadre de la fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur bipales. Le procédé est bien entendu applicable à la fabrication d’un distributeur monopale en utilisant une grappe munie de plusieurs moules comprenant chacun une première cavité de moulage ayant seulement une partie formant une première pale et des parties formant les plateformes du secteur.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’une pluralité de secteurs de distributeur (1 ; 2) monocristallins comprenant chacun au moins une première pale (3) s’étendant entre deux plateformes (4), le procédé comprenant (E1) la coulée d’un métal en fusion dans une pluralité de moules céramiques (100) répartis en grappe (10) autour d’un axe (A), et la (E2) solidification dirigée du métal coulé dans un four (200) comprenant un élément chauffant rayonnant (210) configuré pour être disposé autour de la grappe, un front de solidification du métal progressant dans chaque moule selon une direction (DS) parallèle à l’axe de la grappe au cours de la solidification dirigée, dans lequel chaque moule comprend :
    une première carapace (110a) délimitant une première cavité (110) de moulage d’un secteur de distributeur, la première cavité ayant des parties (111) formant les plateformes (4) du secteur de distributeur, et une partie (112) formant une première pale (3) présentant une face externe (112a) par rapport à l’axe (A) de la grappe correspondant à une face extrados de la première pale, un premier bord (112b) et un deuxième bord (112c) correspondant respectivement à un bord d’attaque et à un bord de fuite de la première pale, le premier bord étant situé en amont du deuxième bord par rapport à la direction (DS) de progression du front de solidification, et
    un dispositif fournisseur de grain monocristallin (120) relié par deux conduits d’alimentation (122) aux parties (111) de la première cavité formant les plateformes du secteur de distributeur en amont de celles-ci,
    caractérisé en ce que chaque moule (100) comprend en outre une deuxième carapace (130c) séparée de la première carapace (110) et située en amont de celle-ci par rapport à la direction (DS) de progression du front de solidification, la deuxième carapace délimitant une deuxième cavité (130) de moulage d’une pale factice reliée au dispositif fournisseur de grain (120), la deuxième cavité présentant une face (130a) correspondant à une face extrados de la pale factice parallèle à la face externe (112a) de la première cavité (110).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la partie (112) de chaque première cavité (110) formant une première pale (3) est seulement en communication avec les parties (111) de ladite cavité formant les plateformes (4).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque pale factice a la forme d’une bande courbée.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel chaque pale factice comprend une partie d’une face intrados de sorte que chaque deuxième carapace (130c) forme une languette (132) s’étendant à l’intérieur de la grappe (10).
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel un isolant thermique (220) est placé à l’intérieur de la grappe pendant la solidification dirigée, l’isolant thermique étant maintenu sur au moins une languette (132) d’une deuxième carapace (130c).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque moule comprend en outre une cavité d’alimentation (121) présentant une forme triangulaire, les conduits d’alimentation (122) et le dispositif fournisseur de grain monocristallin (120) étant reliés à ladite cavité au niveau des sommets de la cavité d’alimentation, la deuxième cavité étant reliée à la cavité d’alimentation au niveau d’un côté de celle-ci situé entre les deux conduits d’alimentation.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel une jonction (121) relie la cavité d’alimentation à la deuxième cavité, ladite jonction présentant une longueur d’au moins 12 mm.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque secteur de distributeur (2) comprend en outre une deuxième pale (3), la partie (113) de la première cavité (110) formant la deuxième pale étant située en aval de la partie (112) de la première cavité formant la première pale par rapport à la direction (DS) de progression du front de solidification.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque dispositif fournisseur de grain (120) comprend un logement dans lequel est présent un germe monocristallin.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la grappe (10) comprend entre quatre et douze moules céramiques (100).
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