FR3130659A1 - Moule de fonderie, sa fabrication et son utilisation - Google Patents
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Abstract
Moule de fonderie, sa fabrication et son utilisation L’invention concerne la fonderie, et en particulier un moule (1), sa fabrication et son utilisation. Le moule (1) comprend un descendant central (2), une pluralité de cavités de moulage (4) disposées en grappe autour du descendant central (2), et une première pluralité de plusieurs bras de support (10) d’écran thermique, s’étendant radialement à partir du descendant central (2). Un procédé de fabrication du moule (1) comporte les étapes de montage d’une grappe (20) de modèles (21) en matériau fusible autour d’une colonne centrale, formation d’une carapace autour de la grappe (20) par trempage dans une barbotine et saupoudrage avec du sable réfractaire, évacuation du matériau fusible des modèles (21) à l’état liquide, et cuisson de la carapace. Le moule (1) peut être utilisé pour fabriquer une pièce métallique en coulant du métal en fusion dans les cavités de moulage (4) à travers le descendant central (2), refroidissant et solidifiant le métal, et décochant le moule (1) pour récupérer des pièces métalliques formées dans les cavités de moulage (4). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention concerne le domaine de la fonderie, et plus particulièrement un moule, ainsi que la fabrication d’un tel moule et la fabrication d’une pièce métallique avec un tel moule.
Dans la description qui suit, les termes « haut », « bas », « horizontal » et « vertical » sont définis par l’orientation normale d’un tel moule lors de la coulée de métal dans son intérieur.
Des procédés de fonderie dits à cire perdue ou à modèle perdu sont connus depuis l’antiquité. Ils sont particulièrement adaptés pour la production de pièces métalliques avec des formes complexes. Ainsi, la fonderie à modèle perdu est notamment utilisée pour la production de pales de turbomachines.
Dans la fonderie à modèle perdu, la première étape est normalement la réalisation d’un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine. Ce modèle est lui-même enrobé de matériau réfractaire pour former un moule, et notamment un moule de type moule-carapace. Après évacuation ou élimination du matériau du modèle de l’intérieur du moule, ce qui donne son nom à ces procédés dits à modèle perdu, un métal en fusion est coulé dans ce moule, afin de remplir la cavité formée par le modèle dans le moule après son évacuation ou élimination. Une fois que le métal se refroidit et solidifie, le moule peut être ouvert ou détruit afin de récupérer une pièce métallique conforme à la forme du modèle. On entend par « métal », dans le présent contexte, tant des métaux purs que, surtout, des alliages métalliques.
Afin de pouvoir produire plusieurs pièces simultanément, il est possible de réunir plusieurs modèles dans une seule grappe dans laquelle ils sont reliés par un arbre formant, dans le moule, des canaux de coulée pour le métal en fusion.
Parmi les différents types de moules pouvant être utilisés dans la fonderie à modèle perdu, on connaît notamment les moules dits moules carapace, formés par trempage du modèle ou de la grappe de modèles dans une barbotine, suivi d’un saupoudrage du modèle ou de la grappe enduits de barbotine avec du sable réfractaire pour former une carapace autour du modèle ou de la grappe, et de la cuisson de cette carapace pour la fritter de manière à consolider l’ensemble. Plusieurs trempages et saupoudrages successifs peuvent être envisagés afin d’obtenir une carapace d’une épaisseur suffisante avant sa cuisson. On entend par « sable réfractaire », dans le présent contexte, tout matériau granulaire avec une granulométrie suffisamment fine pour satisfaire aux tolérances de production souhaitées, capable de résister, à l’état solide, aux températures du métal en fusion, et pouvant être consolidé d’un seul tenant lors de la cuisson de la carapace. Un tel moule carapace, ainsi que sa fabrication et son utilisation dans un procédé de fonderie, a été divulgué par exemple dans la publication de demande internationale de brevet WO 2014/167243 A1.
Parmi les différents types de moules pouvant être utilisés dans la fonderie à modèle perdu, on connaît notamment les moules dits moules carapace, formés par trempage du modèle ou de la grappe de modèles dans une barbotine, suivi d’un saupoudrage du modèle ou de la grappe enduits de barbotine avec du sable réfractaire pour former une carapace autour du modèle ou de la grappe, et de la cuisson de cette carapace pour la fritter de manière à consolider l’ensemble. Plusieurs trempages et saupoudrages successifs peuvent être envisagés afin d’obtenir une carapace d’une épaisseur suffisante avant sa cuisson. On entend par « sable réfractaire », dans le présent contexte, tout matériau granulaire avec une granulométrie suffisamment fine pour satisfaire aux tolérances de production souhaitées, capable de résister, à l’état solide, aux températures du métal en fusion, et pouvant être consolidé d’un seul tenant lors de la cuisson de la carapace. Un tel moule carapace, ainsi que sa fabrication et son utilisation dans un procédé de fonderie, a été divulgué par exemple dans la publication de demande internationale de brevet WO 2014/167243 A1.
Afin d’éviter les défauts de cristallisation, il a aussi été divulgué, par exemple dans les publications de demandes internationales de brevet WO 2014/049223 A2 et WO 2019/002797 A1, d’installer des écrans thermiques sur les moules en grappe. Ces écrans thermiques, typiquement en matériau textile non-tissé incorporant des fibres de carbone, peuvent notamment être flexibles, de manière à faciliter leur installation sur le moule. Ils peuvent alors être disposés horizontalement à des différents niveaux du moule, soutenus par des disques solidaires de l’arbre central du moule. La flexibilité des écrans thermiques, bien qu’elle facilite leur installation, peut alors avoir l’inconvénient d’un affaissement périphérique des écrans thermiques sous leur propre poids, qui diminue leur efficacité.
Par ailleurs, pendant la coulée, il peut être souhaitable d’alimenter par le bas, les cavités de moulage formées par les modèles perdus et destinées à conformer les pièces métalliques résultantes. Pour une telle coulée, dite « en source », dans un moule en grappe, les canaux de coulée comportent typiquement un descendant central et des bras d’alimentation s’étendant à partir de ce descendant central jusqu’en dessous des cavités de moulage. Toutefois, la disposition de ces bras d’alimentation peut interférer avec celle des soutiens d’un écran thermique situé relativement bas, et en particulier en dessous des cavités de moulage. Or, une telle disposition basse de l’écran thermique peut notamment être souhaitable pour éviter des défauts de cristallisation manifestés par exemple par des surfaces tachetées sur les pièces métalliques résultant du moulage.
Suivant un premier aspect, un moule est proposé comprenant un descendant central, et une pluralité de cavités de moulage disposées en grappe autour du descendant central, dans lequel un premier écran thermique peut être installé de forme stable et sans affaissement.
Pour cela, le moule proposé comporte en outre une première pluralité de bras de support d’écran thermique, s’étendant radialement à partir du descendant central. Ces bras de support, qui peuvent être disposés en étoile, peuvent ainsi soutenir au moins un écran thermique jusque dans sa périphérie, sans interférer avec d’autres éléments du moule.
Afin d’éviter des défauts de cristallisation, cette première pluralité de bras de support d’écran thermique peut en particulier être située en dessous des cavités de moulage. Pour permettre une coulée en source, le moule peut comprendre en outre une pluralité de bras d’alimentation débouchant sous les cavités de moulage, et les bras de support d’écran thermique de la première pluralité de bras de support d’écran thermique. Dans ce cas, pour permettre une disposition basse de l’écran thermique, et en particulier en dessous des cavités de moulage, sans interférer avec les bras d’alimentation débouchant sous les cavités de moulage, les bras d’alimentation peuvent descendre obliquement à partir d’embouchures reliées au descendant central, et les bras de support d’écran thermique de la première pluralité de bras de support d’écran thermique être reliés au descendant central plus bas que les embouchures des bras d’alimentation et s’étendre chacun radialement, entre les bras d’alimentation, jusqu’à une extrémité distale située plus haut que des extrémités distales des bras d’alimentation.
En situant les embouchures des bras d’alimentation plus haut que les bras de support d’écran thermique, il est possible d’éviter que le poids du métal fondu dans le descendant central pendant la coulée ne provoque des fuites au niveau des bras d’alimentation. En même temps, la disposition des bras de support d’écran thermique, intercalés entre les bras d’alimentation, permet d’éviter leur interférence malgré l’inclinaison des bras d’alimentation vers le bas.
Le moule peut comprendre en outre, afin de faciliter la production de pièces métalliques monocristallines ou à cristaux orientés, une cavité de démarrage située sous chaque cavité de moulage, et un canal sélecteur, par exemple en chicane, reliant chaque cavité de moulage à la cavité de démarrage située en dessous. Afin de permettre l’arrivée du métal fondu aux cavités de moulage par le bas, à travers les cavités de démarrage et les canaux sélecteurs, chaque bras d’alimentation peut alors déboucher, à son extrémité distale, sur une ou plusieurs desdites cavités de démarrage.
Pour assurer son intégrité structurelle, en particulier pendant la coulée, le moule peut comprendre des raidisseurs. Ces raidisseurs peuvent notamment inclure des tiges de soutien latéralement décalées par rapport aux canaux sélecteurs et reliant les cavités de démarrage aux cavités de moulage.
Afin de diriger l’écoulement de métal fondu vers les bras d’alimentation, le descendant central peut être bouché entre les embouchures des bras d’alimentation et la première pluralité de bras de support d’écran thermique. En outre, les cavités de moulage peuvent notamment être configurées pour le moulage d’aubes de turbomachine.
Afin de permettre l’installation d’un écran thermique supplémentaire à un niveau différent du moule, le moule peut comprendre une deuxième pluralité de bras de support d’écran thermique, s’étendant radialement à partir du descendant central, et décalée verticalement par rapport à la première pluralité de bras de support d’écran thermique.
Le moule peut comprendre en outre un ou plusieurs écrans thermiques soutenu par les bras de support d’écran thermique. Les écrans thermiques peuvent notamment être en matériau non-tissé, formé par exemple par des fibres de carbone. Ils peuvent présenter des découpes pour ne pas interférer avec d’autres éléments du moule, comme par exemple les bras d’alimentation.
Chacun des bras de support d’écran thermique peut s’étendre radialement dans un plan horizontal, perpendiculaire au descendant central. Au moins un des bras de support d’écran thermique peut être incurvé, en particulier dans ledit plan horizontal, quoiqu’il puisse alternativement être droit.
Suivant un deuxième aspect, un procédé de fabrication de ce moule peut comprendre les étapes suivantes : montage d’une grappe de modèles en matériau fusible autour d’une colonne centrale, formation d’une carapace autour de la grappe par trempage dans une barbotine et saupoudrage avec du sable réfractaire, évacuation du matériau fusible des modèles à l’état liquide, et cuisson de la carapace.
Suivant un troisième aspect, l’utilisation de ce moule peut comprendre les étapes suivantes : coulée de métal en fusion dans les cavités de moulage, à travers le descendant central, refroidissement et solidification du métal, et décochage du moule pour récupérer des pièces métalliques formées dans les cavités de moulage.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
Claims (13)
- Moule (1) comprenant :
un descendant central (2),
une pluralité de cavités de moulage (4) disposées en grappe autour du descendant central (2), et
une première pluralité de bras de support (10) d’écran thermique, s’étendant radialement à partir du descendant central (2). - Moule (1) suivant la revendication 1, dans lequel la première pluralité de bras de support (10) d’écran thermique est située en dessous des cavités de moulage (4).
- Moule (1) suivant la revendication 2, comprenant en outre une pluralité de bras d’alimentation (7), descendant obliquement à partir d’embouchures (7p) reliées au descendant central (2), et débouchant sous les cavités de moulage (4), et
dans lequel les bras de support (10) d’écran thermique de la première pluralité de bras de support (10) d’écran thermique sont reliés au descendant central (2) plus bas que les embouchures (7p) des bras d’alimentation (7) et s’étendent chacun entre les bras d’alimentation (7) jusqu’à une extrémité distale (10d) située plus haut que des extrémités distales (7d) des bras d’alimentation (7). - Moule (1) suivant la revendication 3, comprenant en outre :
une cavité de démarrage (6) située sous chaque cavité de moulage (4), et
un canal sélecteur (5), par exemple en chicane, reliant chaque cavité de moulage (4) à la cavité de démarrage (6) située en dessous,
chaque bras d’alimentation (7) débouchant, à son extrémité distale (7d), sur une ou plusieurs desdites cavités de démarrage (6). - Moule (1) suivant la revendication 4, comprenant en outre, en tant que raidisseurs, des tiges de soutien (11) latéralement décalées par rapport aux canaux sélecteurs (5) et reliant les cavités de démarrage (6) aux cavités de moulage (4).
- Moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le descendant central (2) est bouché entre les embouchures (7p) des bras d’alimentation (7) et la première pluralité de bras de support (10) d’écran thermique.
- Moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant une deuxième pluralité de bras de support (10) d’écran thermique, s’étendant radialement à partir du descendant central (2), et décalée verticalement par rapport à la première pluralité de bras de support (10) d’écran thermique.
- Moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un ou plusieurs écrans thermiques (9) soutenus par les bras de support (10) d’écran thermique.
- Moule (1) suivant la revendication 8, dans lequel les écrans thermiques (9) sont en matériau non-tissé, formé par exemple par des fibres de carbone.
- Moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un des bras de support (10) d’écran thermique est incurvé.
- Moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les cavités de moulage (4) sont configurées pour le moulage d’aubes de turbomachine.
- Procédé de fabrication d’un moule suivant l’une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant les étapes suivantes :
montage d’une grappe (20) de modèles (21) en matériau fusible autour d’une colonne centrale,
formation d’une carapace autour de la grappe (20) par trempage dans une barbotine et saupoudrage avec du sable réfractaire,
évacuation du matériau fusible des modèles (21) à l’état liquide, et
cuisson de la carapace. - Procédé de fabrication d’une pièce métallique avec un moule (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant les étapes suivantes :
coulée de métal en fusion dans les cavités de moulage (4), à travers le descendant central (2),
refroidissement et solidification du métal, et
décochage du moule (1) pour récupérer des pièces métalliques formées dans les cavités de moulage (4).
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