FR3126894A1 - Dispositif et procede de fabrication d’un noyau en ceramique pour aube - Google Patents

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Abstract

Procédé (100) de fabrication d’un noyau (40) à l’aide d’un dispositif comprenant un moule (51) qui comprend une empreinte ayant une première zone (54) et une seconde zone (56) destinées respectivement à former une première partie (42) et une seconde partie (44) du noyau (40), et un canal de liaison (58) reliant la première zone (54) à la seconde zone (56), le procédé comportant les étapes: disposer, dans le moule (51), une tige (48) destinée à relier la première partie (42) à la seconde partie (44) du noyau (40) ; injecter une barbotine (60) dans l’empreinte ; découper un appendice d’injection (46) formé par solidification de la barbotine (60) dans le canal de liaison (58) ; démouler le noyau (40) obtenu ; procéder à une élimination d’un liant de la barbotine (60) solidifiée et/ou à une consolidation des particules céramiques de la barbotine (60) solidifiée. Figure de l’abrégé : Figure 6

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE FABRICATION D’UN NOYAU EN CERAMIQUE POUR AUBE
La présente description se rapporte à un dispositif et procédé de fabrication d’un noyau en céramique de fonderie destiné à former au moins une partie d’un circuit de refroidissement d’une aube de turbomachine.
Une turbomachine s’étend classiquement selon un axe et comporte, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression et une tuyère d’éjection. La turbine haute pression est couplée en rotation au compresseur haute pression, par l’intermédiaire d’un arbre haute pression, de manière à former un corps haute pression. La turbine basse pression est couplée en rotation au compresseur basse pression, par l’intermédiaire d’un arbre basse pression, de manière à former un corps basse pression. La soufflante est reliée à l’arbre basse pression, soit directement, soit par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesses.
Les aubes des turbines basse pression et haute pression d’une turbomachine sont soumises aux températures très élevées des gaz de la chambre de combustion, ce qui peut entraîner une dégradation prématurée desdites aubes et limiter leur durée de vie.
Afin de maîtriser la température de ces aubes, ces dernières comportent des circuits de refroidissement internes. De l’air issu par exemple du compresseur basse pression, est envoyé dans les circuits de refroidissement des aubes, de manière à limiter la température.
Dans la suite de la description, les termes axial, radial et circonférentiel sont utilisés par référence à l’axe de la turbomachine.
La illustre une aube 10 de turbine haute pression de turbomachine. Ladite aube 10 comporte, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, un pied 12, une plate-forme 18 et une pale 16. La pale 16 comporte des surfaces d’intrados 20 et d’extrados 22 reliées à l’amont par un bord d’attaque 24 et à l’aval, par un bord de fuite 26.
L’extrémité radialement externe 14 ou sommet de la pale 16 comprend une partie creuse en forme dite de baignoire 30. Cette dernière est délimitée par un fond transversal à la pale 16 et par une paroi périphérique formant son bord dans le prolongement de la paroi de la pale 16. La pale 16 comprend en outre une pluralité de cavités interne communiquant avec une entrée d’air de refroidissement située au niveau du pied 12 de l’aube 10 et débouchant au niveau de perforations 28 réparties sur la pale 16. Les perforations 28 sont situées au niveau des surfaces d’intrados 20 et d’extrados 22 de la pale 16 et au niveau des bords d’attaque 24 et de fuite 26 de la pale 16.
Les perforations 28 au niveau du bord du fuite 26 présentent la forme de fentes, les autres perforations 28 présentant des formes globalement circulaires ou ovales.
De telles aubes 10 sont fabriquées par moulage d’un matériau métallique. Ces moules 51 comportent une empreinte, c’est-à-dire une forme en creux délimitant notamment l’aube 10 à réaliser. Un ou plusieurs noyaux 40 en céramique peuvent être montés dans le moule 51, au niveau de l’empreinte, de manière à former des zones en creux dans la pièce à fabriquer, en particulier lorsque celle-ci présente une géométrie complexe. Les noyaux 40 sont notamment destinés à délimiter les cavités définissant les circuits de refroidissement ainsi que la baignoire 30 au niveau du sommet 14 de la pale 16.
La illustre un noyau 40 connu pour la réalisation d’une aube 10 de turbine. Celui-ci s’étend selon une première direction X et comporte une première partie 42 et une seconde partie 44 écartées l’une de l’autre selon la première direction X. La première partie 42 et la seconde partie 44 sont reliées l’une à l’autre par au moins une tige 48, ici deux tiges 48.
La première partie 42 forme, lors du procédé ultérieur de moulage de l’aube 10, des cavités ou canaux destinés à former au moins une partie du circuit de refroidissement de l’aube 10.
Lors du procédé ultérieur de moulage de l’aube 10, la seconde partie 44 est notamment destinée à former, la baignoire 30 de l’aube 10.
Les noyaux 40 en céramique sont eux-mêmes fabriqués par moulage d’une pâte de céramique, également appelée barbotine 60, dans un moule 51. Cette pâte est principalement composée d’une poudre de céramique et d’un liant. Le moule 51 est, en outre, composé de deux coquilles 52 plaquées l’une contre l’autre au niveau d’un plan de joint. Les deux coquilles 52 délimitent chacune une partie de l’empreinte du noyau 40 à réaliser.
Comme cela est illustré aux figures 3 à 5, l’empreinte s’étend selon une première direction coïncidant avec la direction du noyau 40. L’empreinte comporte une première zone 54 et une seconde zone 56 écartées l’une de l’autre selon la première direction. La première zone 54 de l’empreinte est destinée à former la première partie 42 du noyau 40. La seconde zone 56 de l’empreinte est destinée à former la seconde partie 44 du noyau 40.
La première zone 54 et la seconde zone 56 sont par ailleurs reliées l’une à l’autre par le biais d’un canal de liaison 58.
Lors de la fabrication du noyau 40, la tige 48 est introduite dans le logement du moule 51 puis la barbotine 60 est introduite dans le moule 51. La barbotine 60 débouche en particulier dans la première zone 54 de l’empreinte. La première zone 54 de l’empreinte est ainsi progressivement remplie de barbotine 60, comme illustré à la . Après remplissage de la première zone 54 de l’empreinte ( ), la barbotine 60 pénètre dans la seconde zone 56 de l’empreinte au travers du canal de liaison 58 ( ).
Le noyau 40 ainsi obtenu est alors démoulé puis soumis à un traitement thermique afin d’éliminer le liant et de consolider les particules de céramique. L’augmentation de la température produit une dilatation de la tige 48 et une rétraction du matériau à base de céramique. Ceci génère des efforts importants au niveau de la liaison entre d’une part les première et seconde parties 42, 44 du noyau 40 et d’autre part la tige 48, provoquant des défauts, par exemple des criques, au niveau de la première partie 42 et de la seconde partie 44 du noyau 40 et/ou une rupture de la tige 48.
La présente description vise à remédier à ces inconvénients.
Résumé
Il est proposé un procédé de fabrication d’un noyau en céramique pour aube de turbomachine à l’aide d’un dispositif comprenant un moule, le moule comprenant au moins une empreinte, l’empreinte comprenant une première zone destinée à former une première partie du noyau et une seconde zone destinée à former une seconde partie du noyau, lesdites zones de l’empreinte étant écartées l’une de l’autre selon une première direction, l’empreinte comprenant en outre un canal de liaison reliant la première zone à la seconde zone, le procédé comportant les étapes :
- disposer, dans le moule, au moins une tige s’étendant entre la première zone et la seconde zone, ladite au moins une tige étant destinée à relier la première partie du noyau à la seconde partie du noyau après fabrication,
- couler ou injecter une barbotine ou une pâte à base de particules céramiques dans l’empreinte,
- procéder à une solidification de la barbotine,
- découper un appendice d’injection formé par solidification de la barbotine à l’intérieur du canal de liaison,
- démouler le noyau obtenu par solidification de la barbotine, le noyau comprenant la première partie et la seconde partie reliées par la tige,
- procéder à une élimination d’un liant de la barbotine solidifiée du noyau et/ou à une consolidation des particules céramiques de la barbotine solidifiée du noyau.
Le retrait de l’appendice d’injection permet de réduire les efforts induits dans la première partie du noyau, la seconde partie du noyau et la tige pendant l’étape de démoulage et de déliantage et/ou consolidation du noyau. Le déliantage du noyau correspond à l’élimination du liant de la barbotine solidifiée du noyau. La consolidation du noyau correspond à consolidation des particules céramiques de la barbotine solidifiée du noyau. Ainsi, on réduit, voire on empêche, les risques d’endommagement de la première partie et de la seconde partie du noyau (formation de criques, par exemple) et les risques de rupture de la tige lors des étapes de démoulage et de déliantage et/ou de consolidation du noyau.
L’aube peut s’étendre, dans une configuration installée dans une turbomachine, selon une direction radiale entre un pied et une tête de l’aube. La première direction peut coïncider avec la direction radiale de l’aube.
Le canal de liaison peut être débouchant avec chacune de la première zone et de la seconde zone de l’empreinte. Le canal de liaison peut s’étendre dans la première direction.
La barbotine ou pâte à base de particules céramiques peut être principalement composée d’une poudre céramique et d’un liant, ce dernier pouvant être réalisé en matériau organique ou plastique.
La tige peut contribuer au maintien de la première partie du noyau avec la seconde partie du noyau. La tige peut être réalisée en un matériau céramique ou métallique. En particulier, la tige peut être en alumine. La tige peut s’étendre dans la première direction. Le moule peut comprendre un logement pour recevoir la tige.
La première partie du noyau peut être une partie fonctionnelle du noyau. Le terme « fonctionnelle » utilisé en référence au noyau permet d’indiquer si la pièce ainsi qualifiée permet de réaliser une face de la géométrie finale de l’aube. Ainsi, une partie non-fonctionnelle fait référence à une zone d’un élément du noyau qui n’a pas d’impact sur la géométrie finale de l’aube. La première partie du noyau peut être un corps de noyau. La seconde partie du noyau peut être une partie non fonctionnelle du noyau. La seconde partie du noyau peut être une partie destinée à former une baignoire d’aube.
La solidification de la barbotine peut être réalisée par cuisson. L’élimination du liant de la barbotine solidifiée du noyau peut être réalisée par traitement thermique. La consolidation des particules céramiques de la barbotine solidifiée du noyau peut être réalisée par cuisson et/ou frittage.
Le dispositif peut comprendre au moins une lame reçue dans une fente du moule, la lame étant mobile en translation dans une deuxième direction transverse à la première direction, l’étape de découpe de l’appendice d’injection étant réalisée par translation de la lame dans la deuxième direction à l’intérieur de la fente.
Une première tige et une seconde tige peuvent être disposées dans le moule en s’étendant entre la première zone et la seconde zone, la première tige et la seconde tige étant disposées de part et d’autre du canal de liaison, et écartées l’une par rapport à l’autre dans une troisième direction transverse à la première direction, et dans lequel une portion d’extrémité de la lame présente une dimension, selon la troisième direction, qui est inférieure à la distance entre les tiges selon la troisième direction. Ainsi, la portion d’extrémité de la lame présente une dimension adaptée pour la découpe de l’appendice d’injection sans endommager les tiges.
La première tige et la seconde tige peuvent être parallèles.
La portion d’extrémité de la lame peut avoir une forme en pointe. La lame peut comprendre une base. La portion d’extrémité de la lame peut être un ergot s’étendant depuis la base de la lame.
Le dispositif peut comprendre des moyens de chauffage aptes à chauffer la lame, la lame étant chauffée préalablement à l’étape de découpe de l’appendice d’injection. La lame peut être chauffée à une température comprise entre 50°C et 100°C. Une telle caractéristique facilite la découpe de l’appendice d’injection. Les moyens de chauffage peuvent comporter au moins une résistance électrique.
Le dispositif peut comprendre des moyens d’entrainement de la lame dans la deuxième direction et un organe de commande des moyens d’entrainement, la découpe de l’appendice d’injection étant obtenue par translation de la lame dans la deuxième direction à l’aide des moyens d’entrainement. Ainsi, l’étape de découpe de l’appendice d’injection est réalisée de manière automatisée. Une telle caractéristique réduit le temps de fabrication du noyau. Cette caractéristique assure aussi une répétabilité de l’étape de découpe, diminuant le taux de mise au rebut des noyaux ainsi fabriqués.
La translation de la lame peut être réalisée selon des paramètres de translation prédéterminés, qui peuvent comprendre la course de la lame dans la deuxième direction, la vitesse de déplacement de la lame ou l’accélération de la lame. En particulier, la course de la lame peut être comprise entre 0 mm et 20 mm, la vitesse de déplacement de la lame peut être comprise entre 0,5 m.s-1 et 5 m.s-1 et/ou l’accélération de la lame peut être comprise entre 0 m.s-2 et 4,5 m.s-2. Les paramètres de translation peuvent être déterminés selon les dimensions du noyau à fabriquer, la composition de la barbotine utilisée, la température de la barbotine solidifiée du noyau, le taux de solidification du noyau ou la température de la lame ou encore la forme de l’appendice d’injection. Les paramètres de translation peuvent être enregistrés dans ou calculés par l’organe de commande.
Les moyens d’entrainement peuvent comprendre un moteur, une manivelle entrainée en rotation par le moteur, une bielle reliée à une première extrémité à la manivelle et un coulisseau relié à une seconde extrémité de la bielle, le coulisseau étant apte à coulisser selon la deuxième direction et étant solidaire de la lame.
L’étape de découpe de l’appendice d’injection peut être initiée après un temps de solidification prédéterminé. Le temps de solidification peut être déterminé à partir du début de l’injection ou de la coulée de la barbotine dans le moule. Alternativement, le temps de solidification peut être déterminé à partir d’une phase de compaction de la barbotine au cours de laquelle la pression à l’intérieur du moule augmente. En particulier, le temps de solidification peut être compris entre 0 s et 360 s.
Le moule peut comporter une première coquille et une seconde coquille délimitant chacune une partie de l’empreinte du moule, la première coquille et la seconde coquille étant adaptées à être plaquées l’une sur l’autre au niveau d’un plan de joint, le démoulage du noyau étant obtenu par séparation de la première coquille et de la seconde coquille. Une telle caractéristique permet de faciliter le démoulage du noyau.
La fente peut être formée au travers de la première coquille ou de la seconde coquille.
Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-avant.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
est une vue en perspective d’une aube de turbine de l’art antérieur ;
est une vue en perspective d’un noyau de l’art antérieur pour la fabrication de l’aube de la ;
, et illustrent une étape de fabrication du noyau de la ;
est une vue en perspective d’un dispositif pour la fabrication d’un noyau selon la présente description ;
est une vue à plus grande échelle d’un détail du moule de la ;
est un schéma fonctionnel d’un procédé de fabrication d’un noyau pour aube selon la présente description.

Claims (9)

  1. Procédé (100) de fabrication d’un noyau (40) en céramique pour aube (10) de turbomachine à l’aide d’un dispositif comprenant un moule (51), le moule (51) comprenant au moins une empreinte, l’empreinte comprenant une première zone (54) destinée à former une première partie du noyau (42) et une seconde zone (56) destinée à former une seconde partie (44) du noyau (40), lesdites zones (54, 56) de l’empreinte étant écartées l’une de l’autre selon une première direction (d1), l’empreinte comprenant en outre un canal de liaison (58) reliant la première zone (54) à la seconde zone (56), le procédé (100) comportant les étapes:
    - disposer, dans le moule (51), au moins une tige (48) s’étendant entre la première zone (54) et la seconde zone (56), ladite au moins une tige (48) étant destinée à relier la première partie (42) du noyau (40) à la seconde partie (44) du noyau (40) après fabrication,
    - injecter une barbotine (60) dans l’empreinte,
    - procéder à une solidification de la barbotine (60),
    - découper un appendice d’injection (46) formé par solidification de la barbotine (60) à l’intérieur du canal de liaison (58),
    - démouler le noyau (40) obtenu par solidification de la barbotine (60), le noyau (40) comprenant la première partie (54) et la seconde partie (56) reliées par la tige (48),
    - procéder à une élimination d’un liant de la barbotine (60) solidifiée du noyau (40) et/ou à une consolidation des particules céramiques de la barbotine (60) solidifiée du noyau (40).
  2. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif (50) comprend au moins une lame (62) reçue dans une fente du moule (51), la lame (62) étant mobile en translation dans une deuxième direction (d2) transverse à la première direction (d1), l’étape de découpe de l’appendice d’injection (46) étant réalisée par translation de la lame (62) dans la deuxième direction (d2) à l’intérieur de la fente.
  3. Procédé (100) selon la revendication 2, dans lequel une première tige (48) et une seconde tige (48) sont disposées dans le moule (51) en s’étendant entre la première zone (54) et la seconde zone (56), la première tige (48) et la seconde tige (48) étant disposées de part et d’autre du canal de liaison (46), et écartées l’une par rapport à l’autre dans une troisième direction (d3) transverse à la première direction (d1), et dans lequel une portion d’extrémité de la lame (62) présente une dimension, selon la troisième direction (d3), qui est inférieure à la distance entre les tiges (48) selon la troisième direction (d3).
  4. Procédé (100) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le dispositif (51) comprend des moyens de chauffage aptes à chauffer la lame (62), la lame (62) étant chauffée préalablement à l’étape de découpe de l’appendice d’injection (46).
  5. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le dispositif (51) comprend des moyens d’entrainement (64) de la lame (62) dans la deuxième direction (d2) et un organe de commande des moyens d’entrainement (64), la découpe de l’appendice d’injection (46) étant obtenue par translation de la lame (62) dans la deuxième direction (d2) à l’aide des moyens d’entrainement (64).
  6. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’étape de découpe de l’appendice d’injection (46) est initiée après un temps de solidification prédéterminé.
  7. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moule (51) comporte une première coquille (52) et une seconde coquille (52) délimitant chacune une partie de l’empreinte du moule (51), la première coquille (52) et la seconde coquille (52) étant adaptées à être plaquées l’une sur l’autre au niveau d’un plan de joint, le démoulage du noyau étant obtenu par séparation de la première coquille (52) et de la seconde coquille (52).
  8. Procédé (100) selon la revendication précédente, la revendication 2 s’appliquant, la fente étant formée au travers de la première coquille (52) ou de la seconde coquille (52).
  9. Dispositif (50) pour la mise en œuvre du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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WO2013167847A2 (fr) * 2012-05-11 2013-11-14 Snecma Outillage de fabrication d'un noyau de fonderie pour une aube de turbomachine
FR3107848A1 (fr) * 2020-03-03 2021-09-10 Safran Aircraft Engines Moule pour la fabrication d’un noyau céramique de fonderie

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