FR3125446A1

FR3125446A1 - Procédé de réalisation d’une préparation réfractaire pour la fabrication d’un moule en céramique, préparation obtenue par ce procédé, procédé de fabrication d’un moule en céramique et moule pour aube de turbomachine obtenu par ce procédé

Info

Publication number: FR3125446A1
Application number: FR2107858A
Authority: FR
Inventors: Wen Zhang; Virginie Jaquet; Thierry Chartier; Vincent PATELOUP
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Limoges; Safran SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Limoges; Safran SA
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-27

Abstract

Procédé de réalisation d’une préparation réfractaire pour la fabrication d’un moule en céramique, préparation obtenue par ce procédé, procédé de fabrication d’un moule en céramique et moule pour aube de turbomachine obtenu par ce procédé Un aspect de l’invention concerne un procédé de réalisation d’une préparation réfractaire à base d’une poudre céramique de grade réfractaire, destinée à la fabrication additive d’un moule en céramique, ce procédé comportant une opération préalable d’enrobage de la poudre céramique par un liant inorganique actif, formant une couche inorganique active autour des grains de ladite poudre. Un autre aspect de l’invention concerne une préparation réfractaire pour la fabrication additive d’un moule en céramique, obtenue par ce procédé de réalisation et comportant une poudre céramique dont les grains sont enrobés d’un liant inorganique actif D’autres aspects de l’invention concernent un procédé de fabrication d’un moule à partir d’une préparation réfractaire réalisée avec le procédé de réalisation précédent et un moule pour aube de turbomachine obtenu par ce procédé de fabrication. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Procédé de réalisation d’une préparation réfractaire pour la fabrication d’un moule en céramique, préparation obtenue par ce procédé, procédé de fabrication d’un moule en céramique et moule pour aube de turbomachine obtenu par ce procédé

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé de réalisation d’une préparation réfractaire à base de poudre céramique réfractaire, pour la fabrication d’un moule en céramique, avec ou sans noyau, par fabrication additive. Elle concerne également une préparation réfractaire obtenue par ce procédé. Elle concerne de plus un procédé de fabrication d’un moule en céramique utilisant cette préparation réfractaire ainsi qu’un moule d’aube de turbomachine réalisée au moyen de ce procédé de fabrication.

L’invention trouve des applications dans les domaines de la fonderie par fabrication additive, pour la fabrication de pièces métalliques. Elle trouve en particulier des applications dans le domaine de la fonderie appliquée à l’aéronautique, pour réaliser des moules de pièces aéronautiques et, en particulier, des moules d’aubes de turbomachine.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Actuellement, les pièces métalliques de formes complexes, comme les aubes de turbomachine, sont généralement réalisées par un procédé de fonderie dit « à cire perdue ». La fonderie à cire perdue est un procédé de mise en forme des métaux dans lequel un moule en céramique est fabriqué autour d’un modèle en cire correspondant à la pièce métallique à réaliser. Pour cela, un modèle en cire est fabriqué, par exemple par injection. Ce modèle en cire est trempé dans une barbotine puis égoutté, sablé et séché avant d’être à nouveau trempé dans la barbotine, etc. Plusieurs couches de barbotine et de sable sont ainsi déposées autour du modèle en cire pour former un moule en cru.

Lorsque la pièce métallique à réaliser est creuse, par exemple pour une pièce métallique destinée à recevoir un circuit de refroidissement à l’intérieur, le moule en cru doit comporter un noyau. Ce noyau est fabriqué, préalablement à l’injection de cire, dans un matériau similaire à celui du moule en cru. Le modèle en cire est ensuite fabriqué autour du noyau puis trempé, avec le noyau, dans la barbotine, de la façon expliquée ci-dessus.

Une fois le moule en cru (avec ou sans noyau) terminé, le modèle en cire est éliminé par chauffage de l’ensemble moule et modèle. Lorsque la cire est fondue et éliminée, le moule en cru est cuit afin d’être consolidé. Un métal fondu à très haute température peut ensuite être coulé dans le moule pour obtenir, après refroidissement du moule et du métal puis décochage du moule, la pièce métallique souhaitée.

Ce procédé de fonderie à cire perdue est utilisé pour la réalisation de pièces métalliques complexes comme certaines des pièces aéronautiques. Les moules sont généralement fabriqués à partir de poudres céramiques qui leur confèrent des propriétés thermomécaniques et un dimensionnel satisfaisants pour la plupart des applications. Cependant, la taille des particules de ces poudres céramiques les rend peu actives au frittage. Dans certaines applications, comme pour la fabrication d’aubes de turbomachine, les moules doivent être réfractaires car ils doivent supporter une coulée de métal à des températures de l’ordre de 1500 à 1600°C. Les poudres céramiques doivent alors être de grade réfractaire, c'est-à-dire qu’elles doivent avoir une granulométrie élevée (de l’ordre de quelques dizaines voire centaines de microns), ce qui est tout à fait envisageable en fonderie à cire perdue.

Cependant, le procédé de fonderie à cire perdue est un procédé long et fastidieux qui nécessite de nombreuses opérations manuelles pour obtenir un moule, en particulier pour les moules avec noyau. En outre, les pièces métalliques sont d’une géométrie de plus en plus complexe, de sorte que le procédé de fonderie à cire perdue atteint ses limites de fabricabilité.

Il existe par ailleurs des techniques dites de fabrication additive pour fabriquer des moules. Ces techniques de fabrication additive, comme par exemple la stéréolithographie ou le frittage laser, permettent de réaliser un moule par dépôt de couches successives d’un matériau à base de poudre céramique. Ces techniques de fabrication additive ont l’avantage, non seulement d’être fortement automatisables, mais également de permettre la fabrication d’un moule avec noyau aussi simplement qu’un moule sans noyau. En effet, en fabrication additive, toutes les parois du moule sont fabriquées simultanément, couche par couche de sorte que la fabrication d’un noyau, indépendant du moule carapace (c'est-à-dire l’enveloppe du moule), n’est pas nécessaire. La fabrication additive permet donc un gain de temps considérable par rapport à la technique habituelle de fonderie à cire perdue.

Cependant, en fabrication additive, les grains de poudre céramique doivent être fusionnés les uns aux autres par frittage. En effet, seule une opération de frittage permet de consolider les grains de poudre céramique entre eux et donc le moule. Or, si le frittage d’un moule en céramique de granulométrie réduite est réalisable, il est difficile de fritter des poudres céramiques à granulométrie élevée. En effet, du fait de leur granulométrie élevée, les poudres céramiques de grade réfractaire sont peu réactives et donc difficiles à consolider. Un moule réalisé en poudre céramique de grade réfractaire avec un procédé de frittage classique (par exemple par stéréolithographie, frittage laser, micro-extrusion, etc.), à une température de frittage classique, présenterait des propriétés mécaniques et thermomécaniques très faibles, tout à fait insuffisantes pour une application aéronautique. Des essais ont été réalisés dans lesquels certains moules se sont même écroulés sous leur propre poids au cours du frittage. Pour consolider un moule en cru réalisé en poudre céramique de grade réfractaire, il pourrait être envisagé de réaliser un traitement thermique de frittage à de très hautes températures, de l’ordre de 1700°C ou 1800°C. Cependant, non seulement un tel traitement thermique induirait des transformations de phase indésirables dans les matériaux, mais il nécessiterait également des installations spécifiques particulièrement couteuses et difficiles à mettre en place.

Afin d’abaisser la température de frittage de ces poudres céramiques à grade réfractaire pour qu’elles puissent être utilisées en fabrication additive (FA), il a été envisagé d’incorporer, au sein de la préparation de base, des additifs de frittage. Cependant, ces additifs sont difficiles à répartir de manière homogène dans la préparation. De plus, leur effet est très limité, voir nul ou quasi-nul, notamment dans les préparations à base de poudres céramiques réfractaires de grande granulométrie.

Le document de brevet KR 2017/0108305 propose d’enrober la poudre céramique avec un premier polymère ayant un bas point d’ébullition, puis avec un deuxième polymère ayant un point d’ébullition élevé. Après la mise en forme par fabrication additive de cette poudre céramique à deux polymères, celui à bas point d’ébullition est éliminé. Le moule en cru (c'est-à-dire avant frittage) est ensuite imprégné d'un liant inorganique destiné à assurer la cohésion du moule pour la suite du procédé. Ce procédé présente l’inconvénient, d’une part, que l’imprégnation dans un liant inorganique en état cru fragilise le moule et, d’autre part, que cette imprégnation est peu homogène et a un effet limité sur la cohésion du moule.

Un autre document de brevet, référencé US 5 147 587 A, décrit une méthode de fabrication de pièces céramiques par frittage laser. Cette méthode propose d’utiliser un précurseur, comme un sel de phosphate, ayant un point de fusion plus bas que le matériau réfractaire pour qu'en fondant il lie le matériau réfractaire. Cependant, cette méthode n’est pas compatible avec toutes les techniques de fabrication additive. Elle n’est, en particulier, pas compatible avec les procédés de fabrication additive par voie humide (c'est-à-dire dont la préparation se présente sous la forme d’une pâte ou d’une suspension contenant de l’eau) à cause de la forte solubilité du sel de phosphate dans l’eau, ni avec les applications à haute température à cause de la faible réfractarité du phosphate.

Il existe donc un réel besoin d’une préparation réfractaire à base de poudre céramique de grade réfractaire qui permette la fabrication par fabrication additive d’un moule en cru et sa consolidation par frittage à une température de frittage classique.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de consolidation d’un moule en cru réalisé en fabrication additive à partir d’une préparation à base de poudre céramique de grade réfractaire, le demandeur propose un procédé dans lequel la poudre céramique de grade réfractaire est préalablement enrobée d’un liant inorganique actif.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de réalisation d’une préparation réfractaire à base d’une poudre céramique de grade réfractaire, destinée à la fabrication additive d’un moule en céramique. Ce procédé se caractérise par le fait qu’il comporte une opération préalable d’enrobage de la poudre céramique par un liant inorganique actif, formant une couche inorganique active autour des grains de ladite poudre.

Le fait que les grains de la poudre céramique de grade réfractaire soient tous enrobés d’un liant inorganique actif permet auxdits grains d’être actifs et de s’agglomérer les uns aux autres de sorte qu’un frittage à une température classique soit suffisant pour consolider les grains de poudre entre eux aussi bien pendant la fabrication additive qu’après fabrication d’un moule en cru.

On appelle « moule en cru », un moule formé par les couches successives de poudre céramique avant consolidation par frittage. En effet, certains procédés de fabrication additive proposent de réaliser un moule en cru avec la poudre céramique puis de réaliser le frittage de ce moule en cru. D’autres procédés de fabrication additive proposent de réaliser l’étape de frittage au fur et à mesure de la pose des couches de poudre céramique, le frittage pouvant être réalisé, par exemple au moyen d’un laser. Que le frittage ait lieu pendant la pose des couches ou après réalisation complète du moule en cru, le fait que les grains de poudre céramique soient enrobés d’un liant inorganique actif permet à ceux-ci, lors du frittage, de se consolider entre eux pour former un moule consolidé, appelé simplement « moule ».

Il est rappelé qu’en fabrication additive, les noyaux permettant de fabriquer des pièces métalliques creuses sont formés couches par couches, simultanément avec la carapace du moule. Le terme « moule » utilisé dans la description inclut donc les moules dits carapaces comme les noyaux, le moule étant l’ensemble des parois à l’intérieur desquelles le métal sera coulé.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

Il comporte, après l’opération d’enrobage, une opération de calcination de la poudre céramique enrobée, à une température inférieure à 1000°C.
l’opération de calcination est réalisée à une température comprise entre 600 et 1000°C.
l’opération de calcination est réalisée pendant une durée inférieure à 1 heure.
l’opération d’enrobage de la poudre céramique est réalisée par voie physique avec un liant inorganique actif sous forme de suspension colloïdale.
la suspension colloïdale est un sol de silice, d’alumine, de zircone ou d’yttrine.
l’opération d’enrobage comporte une étape de mélange de la poudre céramique et de la solution colloïdale et une étape de séchage de la poudre céramique enrobée.
l’opération de séchage est réalisée par atomisation ou séchage à lit fluidisé.
l’opération d’enrobage de la poudre céramique est réalisée par voie chimique avec un liant inorganique actif sous forme de précurseurs dans un solvant non-aqueux.
les précurseurs sont des précurseurs de silice, d’alumine, de zircone ou d’yttrine.

Un deuxième aspect de l’invention concerne une préparation réfractaire pour la fabrication additive d’un moule en céramique, obtenue par le procédé défini ci-dessus et comportant une poudre céramique dont les grains sont enrobés d’un liant inorganique actif.

Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un moule par fabrication additive à partir d’une préparation réfractaire réalisée avec le procédé défini précédemment.

Avantageusement, ce procédé de fabrication comporte une opération de frittage du moule à une température de 900 à 1200°C.

Un quatrième aspect de l’invention concerne un moule pour aube de turbomachine, caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La représente, sous forme de diagrammes fonctionnels, deux modes de réalisation du procédé de réalisation de la préparation réfractaire selon l’invention ; et

La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, les étapes du procédé de fabrication par fabrication additive d’un moule avec la préparation réfractaire selon l’invention.

Claims

Procédé de réalisation d’une préparation réfractaire à base d’une poudre céramique de grade réfractaire, destinée à la fabrication additive d’un moule en céramique,
caractérisé en ce qu’il comporte une opération préalable d’enrobage de la poudre céramique par un liant inorganique actif, formant une couche inorganique active autour des grains de ladite poudre.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte, après l’opération d’enrobage, une opération de calcination de la poudre céramique enrobée, à une température inférieure à 1000°C.
Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’opération de calcination est réalisée à une température comprise entre 600 et 1000°C.
Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l’opération de calcination est réalisée pendant une durée inférieure à 1 heure.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’opération d’enrobage de la poudre céramique est réalisée par voie physique avec un liant inorganique actif sous forme de suspension colloïdale.
Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la suspension colloïdale est un sol de silice, d’alumine, de zircone ou d’yttrine.
Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l’opération d’enrobage comporte une étape de mélange de la poudre céramique et de la solution colloïdale et une étape de séchage de la poudre céramique enrobée.
Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’opération de séchage est réalisée par atomisation ou séchage à lit fluidisé.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’opération d’enrobage de la poudre céramique est réalisée par voie chimique avec un liant inorganique actif sous forme de précurseurs dans un solvant non-aqueux.
Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les précurseurs sont des précurseurs de silice, d’alumine, de zircone ou d’yttrine.
Préparation réfractaire pour la fabrication additive d’un moule en céramique, caractérisée en ce qu’elle est obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 et qu’elle comporte une poudre céramique dont les grains sont enrobés d’un liant inorganique actif.
Préparation selon la revendication 11, caractérisée en ce que le liant inorganique actif comporte des polymères tels que l’acide polylactique (PLA), l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polycarbonate, le nylon et/ou le polyéthylène téréphtalate glycolisé (PETG), la poudre céramique étant dans une proportion comprise entre environ 40 et 60%.
Préparation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce qu’elle comporte des additifs, tels que des polymères photosensibles, un solvant, un dispersant, un liant, un plastifiant et/ou un lubrifiant.
Procédé de fabrication d’un moule par fabrication additive à partir d’une préparation réfractaire, caractérisé en ce que ladite préparation réfractaire est réalisée avec le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’il comporte une opération de frittage à une température de 900 à 1200°C.
Moule pour aube de turbomachine, caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé selon la revendication 14 ou 15.