EP0663249B1 - Procédé de fabrication d'un moule carapace en matériau céramique pour fonderie à modèle perdu - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
- B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
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-
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- B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
- B22C7/02—Lost patterns
Definitions
- the present invention relates to a method of manufacturing a shell mold of ceramic material intended for manufacturing of parts by foundry using a technique called model lost.
- an additional step of control filling of the cavity by radiography is added.
- a plurality of models in cluster either by mounting completed models followed making the shell mold by soaking or immersion in a quick setting slip, either during assembly hollow models followed by the simultaneous production of the mold shell and filling of the internal cavity of the models hollow by immersion in a quick setting slip.
- Model 1 shows an example of model 1, replica of the part to be obtained.
- Said model 1 is made of wax or a resin type material or any material known per se for this use and capable of being eliminated by fusion, sublimation or thermal degradation.
- Model 1 has two parts, corresponding in the example shown in realization of a cavity blade for a turbomachine, in particular a cooled aeronautical engine blade, part 2 extrados carrying on its internal part a partition 3 transverse, a part 4 of the lower surface bearing on its part internal an oblique partition 5, each part carrying in addition respectively a half of partition 6 and 7.
- the geometry of the model, number and position of partitions is determined for each particular application according to the number and the shape of the blade cavities to be obtained.
- the partitions are integrated into either part of the model or can be made in halves on both sides.
- Figure 1 shows the result of the first step (a) of the manufacturing process of a shell mold made of material foundry ceramic for lost patterns, conforms to the invention, consisting in the realization of a model in two parts.
- the second step (b) of said method consists in carrying out assembly by gluing of the two parts of the model.
- the Figure 2 shows the result of the assembly of the two parts 2 and 4, the bonded areas being represented at 8a, 8b, 8c, 8d and 8e and corresponding respectively to the area of leading edge, trailing edge of the blade and connection partitions 3, 5 and 6-7.
- the third step (c) of said method consists in completing the internal cavity of the hollow model 1 obtained at the end of the second step (b) with a material based on a composition ceramic.
- said hollow model 1 is immersed in a slip made from ceramic material with chemical setting rapid whose composition is known per se.
- Container 9 containing slip 10 is placed inside a enclosure 11 evacuated, as shown schematically in the figure 3.
- the hollow models 1 are arranged so that the slip 10 enters the through cavities 12.
- the models 1 are carried by a support 13.
- the filling under vacuum notably avoids the creation of inclusions by the presence of air bubbles in the structure obtained in the model 1 cavity.
- next step (d) a quality control of the filling obtained is carried out by radiographic control on each model 1.
- the next step (e) consists in carrying out the shell mold in ceramic material including the model filled 1 by a conventional process of soaking in a ceramic slip and successive drying.
- step (e) is preceded by a step (e1) during which a plurality of filled models 1 are mounted in cluster, using standard model foundry techniques lost.
- step (e) can be replaced, according to an alternative embodiment, by immersion of hollow models 1 in a ceramic slip with rapid chemical setting, of composition known per se.
- the immersion is carried out in a vacuum chamber 11 in order to ensure a correct filling of the internal cavities of the models.
- a control by tomography process is carried out for the verification of results.
Landscapes
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- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un
moule carapace en matériau céramique destiné à la fabrication
de pièces par fonderie utilisant une technique dite à modèle
perdu.
En fonderie de précision, notamment dans les applications
aéronautiques et par exemple, dans la fabrication d'aubes
pour turboréacteurs où les pièces sont soumises à des
critères stricts de qualité, il est bien connu d'utiliser des
procédés du type à modèle perdu, encore appelés à la cire
perdue lorsque les modèles sont réalisés en cire, des
matériaux de type résine pouvant également être utilisés.
Dans ces applications qui concernent des pièces creuses,
comme c'est notamment le cas pour des aubes creuses à
refroidissement interne, le procédé courant de fonderie à la
cire perdue fait appel à des noyaux en matériau céramique,
tenus dans le moule lors de la coulée du métal. La surface
extérieure du noyau forme la surface intérieure d'une cavité
interne du produit fini obtenu de cette façon. Diverses
techniques ont été mises au point et utilisées pour la
fabrication de ces noyaux céramiques se présentant sous forme
d'éléments distincts, le cycle de fabrication se poursuivant
ensuite par les opérations suivantes :
- injection du modèle cire autour du noyau,
- réalisation du moule carapace en matériau céramique,
- élimination du modèle cire,
- finition du moule,
- préchauffage et coulée de l'alliage,
- refroidissement de l'alliage,
- élimination du noyau et du moule.
Malgré les progrès réalisés, la préparation des noyaux avec
les contraintes liées aux applications notées ci-dessus reste
un procédé de mise en oeuvre délicate. Outre la nécessité
d'utiliser
des outillages spécifiques et d'un temps passé qui reste
élevé, conduisant à un coût élevé de fabrication, les mises
au point sont souvent longues et délicates et laissent
subsister des taux de rebuts en fabrication relativement
importants.
Dans le but d'éviter les nombreux inconvénients des procédés
connus et antérieurement utilisés pour la préparation et
l'utilisation des noyaux de fonderie en matériau céramique,
l'invention prévoit de modifier le procédé de fabrication
d'un moule carapace en matériau céramique par fonderie à
modèle perdu, de manière à comporter les étapes suivantes :
et, en outre une étape de réalisation du moule carapace englobant le modèle puis une élimination du modèle perdu.
De manière avantageuse, une étape complémentaire de contrôle
du remplissage de la cavité par radiographie est adjointe.
Notamment pour des applications particulières visées par
l'invention telles que des aubes à cavité pour turbomachines,
il est avantageux de monter une pluralité de modèles en
grappe, en procédant soit au montage de modèles remplis suivi
de la réalisation du moule carapace par trempage ou
immersion dans une barbotine à prise rapide, soit au montage
de modèles creux suivi de la réalisation simultanée du moule
carapace et du remplissage de la cavité interne des modèles
creux par immersion dans une barbotine à prise rapide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va
suivre d'exemples de modes de réalisation de l'invention, en
référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe par un plan transversal d'un modèle en deux parties d'un exemple de pièce à réaliser par fonderie à modèle perdu en utilisant un procédé de fabrication d'un moule en matériau céramique conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente, selon une vue analogue à la figure 1, ledit modèle à un stade assemblé ;
- la figure 3 représente une vue schématique montrant la mise en oeuvre d'une étape dudit procédé conforme à l'invention ;
- la figure 4 représente, selon une vue schématique partielle en perspective, un exemple de grappe suivant une variante de réalisation selon le procédé conforme à l'invention.
En vue de la fabrication de pièces par fonderie dite à modèle
perdu, la figure 1 montre un exemple de modèle 1, réplique de
la pièce à obtenir. Ledit modèle 1 est réalisé en cire ou en
un matériau de type résine ou tout matériau connu en soi pour
cet usage et susceptible d'être éliminé par fusion,
sublimation ou dégradation thermique. Le modèle 1 comporte
deux parties, correspondant dans l'exemple représenté à la
réalisation d'une aube à cavité pour turbomachine, notamment
une aube refroidie de moteur aéronautique, une partie 2
d'extrados portant sur sa partie interne une cloison 3
transversale, une partie 4 d'intrados portant sur sa partie
interne une cloison oblique 5, chaque partie portant en outre
respectivement une moitié de cloison 6 et 7. La géométrie du
modèle, nombre et position des cloisons est déterminée pour
chaque application particulière en fonction du nombre et de
la forme des cavités d'aube à obtenir. Comme indiqué, les
cloisons sont intégrées à une partie ou l'autre du modèle ou
peuvent être réalisées par moitiés sur les deux parties.
La figure 1 représente le résultat de la première étape (a)
du procédé de fabrication d'un moule carapace en matériau
céramique pour fonderie à modèle perdu, conforme à
l'invention, consistant en la réalisation d'un modèle en deux
parties.
La deuxième étape (b) dudit procédé consiste à effectuer
l'assemblage par collage des deux parties du modèle. La
figure 2 montre ainsi le résultat de l'assemblage des deux
parties 2 et 4, les zones collées étant représentées en 8a,
8b, 8c, 8d et 8e et correspondant respectivement à la zone de
bord d'attaque, de bord de fuite de l'aube et de raccordement
des cloisons 3, 5 et 6-7.
La troisième étape (c) dudit procédé consiste à remplir la
cavité interne du modèle creux 1 obtenu à l'issue de la
deuxième étape (b) par un matériau à base d'une composition
céramique. Dans ce but, ledit modèle creux 1 est immergé dans
une barbotine à base de matériau céramique à prise chimique
rapide dont la composition est connue en soi. Le récipient 9
contenant la barbotine 10 est placé à l'intérieur d'une
enceinte 11 mise sous vide, tel que schématisé sur la figure
3. Les modèles creux 1 sont disposés de manière que la
barbotine 10 pénètre dans les cavités 12 débouchantes. Les
modèles 1 sont portés par un support 13. Le remplissage sous
vide permet notamment d'éviter la création d'inclusions par
la présence de bulles d'air dans la structure obtenue dans la
cavité du modèle 1.
A l'étape (d) suivante, un contrôle de la qualité du
remplissage obtenu est effectué par contrôle radiographique
sur chaque modèle 1. L'étape (e) suivante consiste à réaliser
le moule carapace en matériau céramique englobant le modèle
rempli 1 par un processus classique de trempages dans une
barbotine céramique et séchages successifs.
Dans les applications particulièrement visées par l'invention
telles que la fabrication d'aubes refroidies de turbomachine,
l'étape (e) est précédée par une étape (e1) au cours de
laquelle une pluralité de modèles remplis 1 sont montés en
grappe, suivant des techniques courantes de fonderie à modèle
perdu.
Les trempages en barbotine de l'étape (e) peuvent être
remplacés, suivant une variante de réalisation, par
l'immersion des modèles creux 1 dans une barbotine céramique
à prise chimique rapide, de composition connue en soi.
Suivant un autre mode de réalisation permettant d'obtenir un
gain de temps pour certaines applications particulières,
l'étape (b) d'assemblage des modèles 1 est suivie par les
étapes suivantes :
Comme représenté sur le schéma de la figure 3, l'immersion
est réalisée dans une enceinte 11 sous vide afin d'assurer un
remplissage correct des cavités internes des modèles. Un
contrôle par procédé de tomographie est effectué pour la
vérification des résultats.
Comme représenté sur la figure 4, entre les modèles 1 réunis
en grappe, avant l'immersion, des formes 14 en cire ou autre
matériau utilisé pour la réalisation du modèle perdu sont
insérées. Cette disposition permet après l'immersion
d'obtenir des écarts entre les moules céramiques 15
correspondant à chaque pièce et d'éviter la formation d'une
carapace entièrement monobloc. Les formes 14 peuvent être
intégrées à la grappe au moment de sa confection. Suivant une
variante de réalisation, une séparation entre les moules 15
peut être obtenue en disposant les modèles 1 constituant la
grappe dans un coffrage adéquat, ce coffrage pouvant être
démontable ou destructible après la sortie des moules du bain
d'immersion.
Les opérations qui viennent d'être décrites, remarquables
selon l'invention sont complétées pour la réalisation des
moules céramiques et leur utilisation par les étapes
classiques suivantes :
- élimination du modèle perdu,
- finition du moule,
- préchauffage du moule et coulée de l'alliage métallique,
- refroidissement des pièces de fonderie,
- élimination de toutes les parties céramiques tant à l'intérieur qu'à l'extérieur des pièces par les procédés courants adaptés à chaque application particulière, par décochage, sablage ou dissolution et nettoyage.
Dans les applications en solidification orientée ou
monocristalline notamment, les écarts entre les moules
obtenus de la manière décrite ci-dessus en référence à la
figure 4 sont indispensables pour permettre les transferts
thermiques recherchés lors de la coulée du métal.
Aux avantages précédemment notés, on ajoutera que
l'utilisation du même matériau céramique pour la réalisation
du remplissage de la cavité du modèle et pour former le moule
carapace externe évite l'apparition de problèmes
dimensionnels dûs à des écarts de dilatation et l'utilisation
de cales de réglage pour y remédier.
Outre la simplification du procédé, le gain de temps et la
réduction des coûts qui en résultent, on relève que la
fabrication in-situ d'une partie interne de moule conforme à
l'invention, correspondant à l'utilisation antérieure de
noyaux, évite les difficultés de mise en oeuvre et autres
inconvénients de ces noyaux : problèmes de casse à différents
stades de fabrication et d'utilisation, notamment lors de
l'injection de cire ou matériau constituant le modèle,
problèmes liés aux déplacements et nécessitant un
repositionnement, taux de rebuts de fabrication.
Claims (9)
- Procédé de fabrication d'un moule carapace en matériau céramique pour fonderie dite à modèle perdu comportant les étapes suivantes :(a) - réalisation d'un modèle (1) en deux parties (2,4) en un matériau pouvant être éliminé par fusion, sublimation ou dégradation thermique ;(b) - assemblage des deux parties (2,4) du modèle (1) par collage de manière à obtenir un modèle (1) présentant une partie creuse interne ou cavité (12) ;(c) - remplissage de la cavité interne (12) du modèle (1) par un matériau à base d'une composition céramique;
et en outre, une étape de réalisation du moule carapace englobant le modèle puis une élimination du modèle perdu. - Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon la revendication 1 dans lequel à l'étape (c), le remplissage de la cavité interne (12) du modèle (1) est effectué sous vide et par une pâte céramique à prise chimique et l'étape (c) est suivie par les étapes suivantes :(d) - contrôle du remplissage de la cavité (12) par radiographie ;(e) - réalisation du moule carapace en matériau céramique englobant le modèle rempli.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon la revendication 2 dans lequel l'étape (d) est suivie par les étapes suivantes :(e1) - montage en grappe d'une pluralité de modèles remplis (1),(e2) - réalisation du moule carapace en matériau céramique par trempages dans une barbotine céramique et séchages successifs.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon la revendication 2 dans lequel l'étape (d) est suivie par les étapes suivantes :(e1) - montage en grappe d'une pluralité de modèles remplis (1),(e2) - réalisation du moule carapace en matériau céramique par immersion dans une barbotine céramique à prise chimique rapide.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon la revendication 1 dans lequel l'étape (b) est suivie par les étapes suivantes :(b1) - montage en grappe d'une pluralité de modèles creux (1),(c1) - réalisation du moule carapace (15) en matériau céramique et remplissage de la cavité interne (12) des modèles (1) par immersion dans une barbotine céramique à prise chimique rapide.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon la revendication 5 dans lequel, à l'étape (c1), ladite immersion est réalisée dans une enceinte sous vide.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel à l'étape (b1), des formes (14) en cire ou matériau constituant le modèle sont insérées entre les modèles (1) et intégrées à la grappe.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel à l'étape (b1), les modèles (1) sont séparés au moyen d'un coffrage, qui est retiré à la suite de l'étape (c1) par démontage ou par destruction.
- Procédé de fabrication d'un moule pour fonderie à modèle perdu selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 dans lequel une étape complémentaire est adjointe comportant un contrôle par tomographie du moule.
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