FR3022812A1 - Procede de fabrication d'un noyau pour le moulage d'une aube - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau pour le moulage d'une aube d'une turbomachine, comprenant des étapes consistant à : - découper au moins un motif d'évidement (41, 42) dans une feuille de céramique(1) souple ; - disposer la feuille de céramique (1) découpée dans un moule de manière à mettre en forme la feuille de céramique (1) ; - chauffer le moule ; - compresser la feuille de céramique (1) à l'intérieur du moule ; - fritter la feuille de céramique (1) de manière à rigidifier la feuille de céramique (1).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau destiné à servir au moulage d'une aube d'une turbomachine. ETAT DE LA TECHNIQUE Afin d'augmenter les performances aérodynamiques des aubes des turbomachines, il est nécessaire de réduire l'épaisseur du bord de fuite des aubes. L'épaisseur du bord de fuite des aubes dépend d'une part de l'épaisseur de la fente de bord de fuite par laquelle débouche le circuit d'air de refroidissement de l'aube et d'autre part de l'épaisseur des deux parois métalliques de l'aube, disposées de part et d'autre de la fente de bord de fuite. Une réduction de l'épaisseur du bord de fuite des aubes peut être obtenue par une diminution de l'épaisseur de la fente de bord de fuite. Cependant, cette diminution de l'épaisseur de la fente de bord de fuite nécessite de réduire l'épaisseur du noyau en céramique utilisé traditionnellement lors du moulage de l'aube. Or, une telle réduction d'épaisseur pose des problèmes de fragilité du noyau servant à la fabrication des aubes. En effet, les noyaux servant au moulage des aubes de turboréacteurs sont très fragiles lors de leur fabrication.
Les noyaux destinés au moulage des aubes sont généralement fabriqués par les étapes suivantes : - préparer une solution de pâte de céramique ; - injecter, dans un moule de forme souhaité, la pâte de céramique préparée précédemment ; - cuire par frittage le noyau obtenu dans l'étape précédente ; - imprégner dans une résine le noyau obtenu dans l'étape précédente. Le noyau obtenu est utilisé pour mouler une aube. La présence du noyau permet de ménager une cavité dans l'épaisseur de l'aube, 30 autorisant ainsi une circulation d'air à l'intérieur de l'aube.
Cependant, les noyaux fabriqués selon ce procédé habituel rencontrent des problèmes lorsque l'on réduit l'épaisseur du noyau au niveau du bord de fuite. Dans un premier temps, des criques peuvent apparaitre lors de la cuisson des noyaux à cause de problèmes survenus lors de l'injection. En 5 effet, la pâte céramique ayant du mal à passer les épaisseurs très fines à cause de sa viscosité, la pâte a alors tendance à remplir plus rapidement les zones épaisses en faisant le tour de la zone fine, puis à remplir en dernier la zone fine. Cela crée ainsi un recollement entre deux fronts de pâte dans la zone fine. Ce recollement favorise l'apparition de crique 10 après la cuisson. Dans un deuxième temps, des fissures peuvent se créer lors de la manipulation des noyaux entre la sortie du moule et la cuisson, car les noyaux sont alors dans un état transitoire entre un état visqueux requis pour l'injection et un état solide suite à la cuisson les rendant particulièrement fragiles, particulièrement au niveau de la zone fine. 15 Afin de résoudre ces problèmes, on connaît du document FR2785836 un procédé de fabrication d'un noyau de céramique pour le moulage d'une aube d'une turbomachine à partir d'une feuille de céramique fine et souple. Dans ce document, il est décrit un procédé comportant les étapes suivantes : 20 - préparer une solution de pâte de céramique ; - couler en forme de bande la pâte de céramique préparée dans l'étape précédente afin d'obtenir une feuille de céramique souple ; - sécher la feuille obtenue dans l'étape précédente ; - mettre en forme la feuille dans un moule ; 25 - préchauffer la feuille dans le moule ; - presser la feuille dans le moule ; - cuire la feuille obtenue dans l'étape précédente ; - imprégner la feuille obtenue dans l'étape précédente avec une résine ; 30 - assembler, si nécessaire, plusieurs feuilles obtenues selon le procédé décris précédemment, ou une feuille obtenue précédemment avec un noyau épais obtenu selon un procédé de moulage par injection standard ; - utiliser le noyau obtenu dans l'étape précédente pour mouler une aube.
Le procédé décrit dans ce document est coûteux à réaliser car il comprend des étapes supplémentaires par rapport à la fabrication traditionnelle d'un noyau épais, notamment afin de maintenir en forme la feuille de céramique pour la cuisson. En effet, la souplesse de la feuille de céramique étant telle qu'un simple passage dans un moule ne suffit pas pour mettre en forme la feuille de céramique, la feuille de céramique reprenant sa forme initiale lors de sa sortie du moule. RESUME DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer un procédé plus simple de fabrication d'un noyau d'épaisseur faible permettant de produire des 15 aubes présentant une fente de bord de fuite de faible épaisseur, tout en limitant les problèmes de fissuration lors de la fabrication des noyaux. Ce but est atteint selon un premier aspect de l'invention grâce à un procédé de fabrication d'un noyau pour le moulage d'une aube d'une turbomachine, comprenant des étapes consistant à : 20 - placer une feuille de céramique souple dans une cavité d'un moule de manière à mettre en forme la feuille de céramique, - introduire une pâte de céramique dans la cavité du moule, la pâte de céramique formant au moins un cadre en contact avec la feuille de céramique, et 25 - cofritter la feuille de céramique et le cadre de manière à solidariser la feuille de céramique et le cadre entre eux, le cadre maintenant la forme de la feuille de céramique donnée par le moule durant les étapes précédant le cofrittage. Par « cofritter », on désigne l'étape consistant à cuire ensemble la 30 feuille de céramique et la pâte de céramique formant le cadre à une température telle que le liant compris dans la feuille et la pâte s'évapore, ce qui a pour effet de les souder ensemble. Le procédé proposé permet de diminuer l'épaisseur du noyau sans augmenter le risque de fissuration en apportant une souplesse suffisante au noyau pour résoudre les problèmes de fissuration dus à leur manipulation, et ce, sans augmentation du nombre d'étapes dans le procédé. Selon une autre caractéristique, le procédé comprend une étape préalable consistant à découper des motifs d'évidements dans la feuille de 10 céramique. Selon une caractéristique additionnelle, les motifs d'évidements sont de forme rectangulaire, triangulaire et/ou sinusoïdale. Selon une caractéristique supplémentaire, l'espace entre les motifs d'évidements est inférieur à 5 millimètres. 15 Selon une autre caractéristique, la feuille de céramique comprend de la silice et de l'alumine. Selon une caractéristique additionnelle, la pâte de céramique dans laquelle est formé le cadre comprend de la silice et du zircon. Selon une caractéristique supplémentaire, la feuille de céramique 20 présente un module d'Young inférieur à 5 GigaPascals. Selon une autre caractéristique, la feuille de céramique a une épaisseur comprise entre 0,04 millimètres et 0,5 millimètres. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau pour le moulage d'une aube d'une turbomachine, comprenant 25 des étapes consistant à : - découper au moins un motif d'évidement dans une feuille de céramique souple ; - disposer la feuille de céramique découpée dans un moule ; - chauffer le moule ; 30 - compresser la feuille de céramique à l'intérieur du moule de manière à mettre en forme la feuille de céramique; - fritter la feuille de céramique de manière à rigidifier la feuille de céramique mise en forme. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine comprenant au moins une étape consistant à : - mouler l'aube dans un moule contenant un noyau obtenu par un procédé tel que défini précédemment. Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbomachine comprenant une aube fabriquée selon un procédé de fabrication tel que défini précédemment.
PRESENTATION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est un logigramme illustrant des étapes d'un procédé de fabrication d'un noyau selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention ; - les figures 2a et 2b représentent chacune un schéma de moulage de pâte de céramique autour d'une feuille de céramique ; - les figures 3a et 3b représentent chacune un schéma de moulage de pâte de céramique autour d'une feuille de céramique dans lequel la déformation de la feuille de céramique est schématisée ; - les figures 4a, 4b et 4c représentent chacune une feuille de céramique dans lesquelles des motifs ont été découpés conformément à un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 5 est un logigramme illustrant des étapes d'un procédé de fabrication d'un noyau selon un autre aspect de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE MISE EN OEUVRE Comme représenté par les figures 1, 2a, 2b, 3a et 3b, le procédé de 30 fabrication d'un noyau pour la fabrication d'une aube d'une turbomachine selon le premier mode de mise en oeuvre de l'invention, comprend des étapes de : - (a) fabriquer une feuille de céramique 1 fine et souple par coulage en bande fine sur un support d'une bande fine de pâte de céramique, et séchage de la feuille de céramique 1 ainsi obtenue ; - (b) disposer la feuille de céramique 1 souple dans un moule 2 d'injection de pâte de céramique ; - (c) injecter de la pâte de céramique aux endroits désirés dans le moule 2 de manière à entourer localement la feuille de céramique 1 en formant des cadres 3 de pâte de céramique en contact avec ladite feuille de céramique 1 de manière à enrober des portions de ladite feuille de céramique 1. L'injection de pâte de céramique est réalisée de telle sorte que la feuille de céramique 1 et les cadres 3 en pâte de céramique constituent un noyau dont la forme est la forme finale désirée pour la fabrication de l'aube ; - (d) cuire le noyau ainsi obtenu selon un procédé de frittage de céramique standard en coffritant la feuille de céramique 1 avec les cadres 3 de pâte de céramique, de sorte que la feuille de céramique 1 et les cadres 3 deviennent solidaires les uns des autres et forment un noyau rigide (le module de Young étant alors de l'ordre de 400 GPa) ; - (e) imprégner le noyau obtenu avec une résine ou un polymère organique. Le procédé selon le premier mode de mise en oeuvre permet de réduire l'épaisseur minimum du noyau à l'épaisseur de la feuille de céramique 1 utilisée, et d'augmenter localement l'épaisseur du noyau par les injections de cadres 3 en pâte de céramique. De cette façon, il est possible de réduire l'épaisseur minimum du noyau à une épaisseur de l'ordre de 0,04 mm, une épaisseur aujourd'hui réalisable avec des feuilles en céramique. De préférence, l'épaisseur de la feuille de céramique est comprise entre 0,04 mm et 0,5 mm.
Le procédé selon le premier mode de mise en oeuvre permet également, grâce à l'injection de cadres 3 en pâte de céramique autour de la feuille de céramique 1, de résoudre les problèmes de fissuration dus à la manipulation avant la cuisson. En effet, la feuille de céramique 1 est suffisamment souple pour résister à cette manipulation, contrairement à une zone fine faite selon un procédé d'injection standard. Avantageusement, la feuille de céramique 1 a un module d'Young inférieur à 5 GPa, afin d'avoir une souplesse lui permettant de résister aux contraintes rencontrées durant la manipulation avant cuisson.
Le procédé selon le premier mode de mise en oeuvre permet également de résoudre les problèmes de criques apparaissant à la cuisson suite à des problèmes survenant lors de l'étape d'injection, en substituant l'injection de pâte de céramique dans une zone fine par une la mise en forme de la feuille de céramique 1 dans le moule 2. La feuille de céramique 1, grâce à sa souplesse, s'adapte à la forme du moule 2. Avantageusement, la feuille de céramique à un module d'Young inférieur à 5 GPa, permettant ainsi à la feuille de céramique 1 d'avoir une souplesse suffisante pour s'adapter à des formes complexes afin de pouvoir réaliser une structure de cavités complexe à l'intérieure de l'aube. Le procédé selon le premier mode de mise en oeuvre permet également de limiter le nombre d'étapes de fabrication, et ainsi de limiter le coût de fabrication. En effet, en injectant des cadres 3 de pâte de céramique autour de la feuille de céramique 1 tandis que la feuille de céramique 1 est mise en forme dans le moule 2, la feuille de céramique 1 ne reprend pas sa forme initiale et garde la forme imposée par le moule 2. De plus, un tel procédé permet également de supprimer l'étape d'assemblage après cuisson de plusieurs noyaux, en formant dès la sortie du moule 2 un noyau dont la forme correspond à la forme finale désirée, et en cuisant le noyau ainsi obtenu par cofrittage de la feuille de céramique 1 et des cadres 3 en céramique.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur les figures 4a, 4b et 4c, le procédé de fabrication comprend une étape (b') de découpe de motifs d'évidements 41, 42, 43 dans la feuille de céramique 1, réalisée avant l'étape (b) de mise en forme dans le moule 2.
Ces motifs évidements 41, 42, 43 permettent de créer un noyau avec un réseau d'évidements. Après le processus de fonderie, ces évidements correspondent à des zones de métal de l'aube, et le noyau en céramique à des cavités internes de l'aube. La réalisation des motifs d'évidements 41, 42, 43 permet de créer un 10 circuit de cavités dans l'aube, le noyau en céramique étant le parfait négatif de ce circuit de cavités. Les techniques actuelles de découpe permettent de réaliser des motifs d'évidements 41, 42, 43 dont la taille peut être inférieure à 5 mm, et dont l'espacement entre chaque motif d'évidemment 41, 42, 43 peut être 15 inférieur à 5 mm. Il est alors possible de réaliser des couches de métal (correspondant aux motifs d'évidements 41, 42, 43) d'une taille inférieure à 5 mm disposées de part et d'autre de fentes de bord de fuite dont la largeur est inférieure à 5 mm (correspondant aux espaces entre les motifs d'évidements 41, 42, 43). 20 La forme des motifs d'évidements 41, 42, 43 peut varier. Un premier motif d'évidement 41, comme représenté sur les figures 4a, 4b, 4c peut être de forme rectangulaire. Un second motif d'évidemment 42, comme représenté sur la figure 4b, peut être de forme triangulaire. Un troisième motif d'évidemment 43, comme représenté sur la figure 4c, peut être de 25 forme sinusoïdale. Selon un troisième mode de mise en oeuvre, le procédé de fabrication est réalisé conformément au premier ou au second mode de mise en oeuvre en utilisant une feuille de céramique 1 comprend un mélange de silice et d'alumine, et des cadres 3 en une pâte de céramique comprenant 30 un mélange de silice et de zircon. En effet, ce mode de mise en oeuvre permet d'obtenir un compromis entre rigidité et facilité de désintégration. En effet, la céramique à base d'alumine est particulièrement rigide, mais est difficilement attaquable chimiquement. Cela a pour conséquence que cette nuance de céramique est difficilement utilisable pour la fabrication de noyaux servant à fabriquer des aubes. La céramique à base de zircon est moins rigide, mais est plus facile à dissoudre chimiquement que la céramique à base d'alumine. Ainsi, cette nuance de céramique est couramment utilisée pour la fabrication de noyaux servant à fabriquer des aubes. Un noyau fabriqué selon la troisième mise en oeuvre comporte donc une bonne rigidité grâce à la feuille en céramique à base d'alumine qui, une fois cuite, forme une âme rigide, et est à la fois facile à éliminer chimiquement car en dissolvant la céramique à base de zircon, la feuille en céramique à base d'alumine n'est plus soutenue et est plus facilement éliminable de l'intérieure de l'aube.
Selon un autre aspect représenté sur la figure 5, le procédé de fabrication d'un noyau en céramique pour une aube d'une turbomachine comporte les étapes suivantes : - (a) fabriquer une feuille de céramique 1 fine et souple par coulage en bande fine sur un support d'une bande fine de pâte de céramique (entre 0,04 mm et 0,5 mm d'épaisseur), et sécher de la feuille de céramique 1 ainsi obtenue ; - (b') découper au moins un motif d'évidement 41, 42, 43 dans la feuille de céramique 1 ; - (b) disposer la feuille de céramique 1 obtenue dans l'étape précédente dans un moule 2 ; - (a) chauffer le moule 2 à 100°C pendant 30 minutes ; - (B) presser l'intérieur du moule sous une pression de 40MPa pendant 3 minutes de sorte que la feuille de céramique 1 garde la forme imposée par le moule 2 ; - (d) cuire par un procédé de frittage standard la feuille de céramique 1 mise en forme dans l'étape précédente, de sorte que la feuille de céramique 1 deviennent rigide ; - (e) imprégner la feuille de céramique 1 cuite avec une résine ou un polymère organique ; - (f) assembler la feuille de céramique imprégnée avec une ou plusieurs autres feuilles de céramique imprégnées, et/ou avec un ou plusieurs noyaux massifs obtenus par un procédé d'injection de pâte de céramique standard.
Ce procédé permet d'obtenir un noyau dont l'épaisseur minimum (par exemple l'épaisseur de bord de fuite) est particulièrement fine (de 0,04 mm à 0,5 mm), et dont les motifs d'évidements 41, 42, 43 permettent, à terme, de créer un circuit complexe de cavités à l'intérieur de l'aube qui sera moulée à partir de ce noyau. Le circuit complexe de cavités à l'intérieur de l'aube servant, une fois l'aube moulée et en fonctionnement, à faire circuler de l'air permettant de refroidir l'aube et éviter sa fusion. D'autres modes de réalisation sont possibles, comme par exemple l'utilisation de plusieurs feuilles de céramique 1 pour réaliser un même noyau, l'utilisation d'autres compositions de céramiques, ou bien la découpe de motifs d'évidements de formes différentes.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un noyau pour le moulage d'une aube d'une 5 turbomachine, comprenant des étapes consistant à : - découper au moins un motif d'évidement (41, 42, 43) dans une feuille de céramique(1) souple ; - disposer la feuille de céramique (1) découpée dans un moule (2) de manière à mettre en forme la feuille de céramique (1) ; - chauffer le moule (2) ; - compresser la feuille de céramique (1) à l'intérieur du moule (2) ; - fritter la feuille de céramique (1) de manière à rigidifier la feuille de céramique (1).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la feuille de céramique (1) présente un module d'Young inférieur à 5 GigaPascals.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la feuille de céramique (1) a une épaisseur comprise entre 0,04 millimètres et 0,5 20 millimètres.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les motifs d'évidements (41, 42, 43) ont une forme rectangulaire, triangulaire et/ou sinusoïdale.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'espace entre les motifs d'évidements (41, 42, 43) est inférieur à 5 millimètres.
  6. 6. Procédé de fabrication d'une aube de turbomachine comprenant au moins étapes consistant à : - mouler l'aube dans un moule contenant un noyau obtenu par un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 5.
  7. 7. Turbomachine comprenant une aube fabriquée selon un procédé de 5 fabrication conforme à la revendication 6.
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