FR3146077A1

FR3146077A1 - Procédé de réalisation d’un moule carapace pour fabriquer une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine

Info

Publication number: FR3146077A1
Application number: FR2301677A
Authority: FR
Inventors: Wen Zhang; Florian BOUTENEL; Thierry Chartier; Vincent PATELOUP
Original assignee: Institut De Rech Sur Les Ceramiques; Institut De Recherche Sur Les Ceramiques; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Limoges; Safran SA
Current assignee: Institut De Rech Sur Les Ceramiques; Institut De Recherche Sur Les Ceramiques; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Limoges; Safran SA
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2024-08-30
Anticipated expiration: 2043-02-23
Also published as: FR3146077B1

Abstract

Procédé de réalisation d’un moule de fabrication par moulage d’une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine, le procédé comprenant :a) réalisation par fabrication additive du moule de la pièce par dépôts successifs de couches de fil extrudé (10) de manière à former une surface interne (13) complémentaire de la surface externe de la pièce de turbomachine, b) au cours de l’étape a) ou postérieurement à l’étape a), lisser ou usiner la surface interne (13) du moule de manière à obtenir un état de surface correspondant à celui de la pièce de turbomachine. Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Procédé de réalisation d’un moule carapace pour fabriquer une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine

La présente divulgation relève du domaine des aubages de turbomachine, celui en particulier des aubages obtenus par coulée d’un alliage en fusion dans un moule carapace. La présente divulgation relève plus précisément du domaine de la réalisation d’un tel moule carapace pour fabriquer une pièce de turbomachine.

Classiquement, un moule carapace, ou moule de fabrication par moulage, est obtenu par la technique de fonderie dite à cire perdue, qui consiste en premier lieu à réaliser un modèle en cire, ou en tout autre matériau facilement éliminable par la suite, de la pièce à réaliser ; ce modèle peut comprendre une pièce interne formant un noyau en céramique qui figure les cavités que l’on souhaite voir apparaitre à l’intérieur de l’aubage. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d’une suspension de particules céramiques, suivis par des opérations dites de stucage et de séchage, pour confectionner un moule carapace.

On procède ensuite au décirage du moule carapace, qui est une opération par laquelle on élimine de la carapace la cire ou le matériau constituant le modèle d'origine. Après cette élimination, on obtient un moule céramique dont la cavité reproduit toutes les formes de l'aube et qui renferme encore le noyau céramique destiné à générer les cavités internes de celle-ci. Le moule subit ensuite un traitement thermique à haute température ou « cuisson » qui lui confère les propriétés mécaniques nécessaires.

Le moule carapace est alors prêt pour la fabrication de la pièce métallique par coulée. Après contrôle de l'intégrité interne et externe du moule carapace, l'étape suivante consiste à couler un métal en fusion, qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau, puis à le solidifier. Dans le domaine de la fonderie à cire perdue, on distingue actuellement plusieurs techniques de solidification, et plusieurs techniques de coulée, selon la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée. Il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire (DS), de solidification dirigée à structure monocristalline (SX) ou de solidification équiaxe (EX).

Après la coulée de l'alliage, on élimine la carapace par une opération de décochage. Au cours d'une autre étape, on élimine chimiquement le noyau céramique qui est resté enfermé dans l'aube obtenue. L'aube métallique obtenue subit ensuite des opérations de parachèvement qui permettent d'obtenir la pièce finie.

Des exemples de réalisation d'aubes de turbine par la technique de fonderie à la cire perdue sont donnés dans les demandes de brevets FR2875425 et FR2874186 de la demanderesse.

Dans ce procédé conventionnel, les propriétés du moule carapace, notamment les propriétés thermomécaniques, jouent un rôle primordial sur la qualité de la pièce métallique produite. Avant la coulée du métal liquide, le moule initialement froid est directement introduit dans le four de fusion à plus de 1000°C. Il doit donc résister à un choc thermique important, avec une rapide variation de température supérieure à 1000°C, entrainant un risque de développement de macro et microfissures. Ensuite, le moule carapace est rempli par le métal liquide à plus de 1500°C. La pression hydrostatique importante peut conduire à la rupture du moule carapace. Le moule reste alors à cette température pendant plusieurs dizaines de minutes, d’où un risque de fluage du moule. Lors du refroidissement et de la solidification du métal, le moule carapace ne doit pas être trop rigide afin de ne pas contraindre la pièce métallique lors de son retrait (c’est-à-dire lors de la diminution de ses dimensions après refroidissement). En effet, une contrainte locale trop importante générée par le moule risque d’engendrer des défauts tels que des grains recristallisés et/ou des criques sur la pièce métallique. Après solidification (environ 1300°C) et au cours du refroidissement jusqu’à température ambiante, le moule doit être le plus friable possible pour faciliter le décochage et éviter toute mise sous contrainte de la pièce métallique.

Les principales limitations de ce procédé conventionnel sont qu’il ne permet pas de contrôler l’uniformité de l’épaisseur du moule carapace notamment en fonction de ses courbures et d’adapter localement les propriétés du moule carapace en termes par exemple de composition, de microstructure ou encore d’épaisseur, afin de garantir l’obtention d’une pièce obtenue par coulée qui correspondent aux critères de non mise au rebut.

La technique de fabrication additive du moule carapace tente de pallier ces inconvénients, et permet notamment de s’affranchir des limites de fabricabilité du procédé standard, en adaptant localement l’épaisseur, la microstructure et la composition de la carapace en fonction du besoin thermomécanique du moule. Le procédé additif permet également de gérer la résistance à la compression du moule carapace, afin de ne pas générer des contraintes dans la pièce métallique au refroidissement, par exemple par diminution localisée de son épaisseur ou par insertion d’architectures spécifiques dans certaines zones du moule carapace.

Il est connu du document US 2019/0001403A1 de fabriquer un moule carapace avec noyau en utilisant la stéréolithographie. Ce procédé additif consiste à construire une pièce couche par couche par polymérisation sélective d’une section de couche d’un système réactif qui est une dispersion de particules céramiques dans une résine photo polymérisable. Ce procédé présente une résolution dimensionnelle élevée, mais la taille des grains céramiques nécessaires à la tenue au choc thermique et au dimensionnel du moule va imposer une épaisseur de couche au moins de l’ordre du millimètre, ce qui implique une rugosité de surface interne de moule trop importante par rapport aux exigences requises.

Il est en outre connu des documents EP3030367B1 et US7533713B2 un procédé additif utilisant le jet de liant. Ce procédé de jet de liant est également un procédé additif couche par couche qui consiste à agglomérer une section désirée d’un lit de poudre par éjection de gouttelettes de liant. C’est une technologie permettant de répondre au besoin dimensionnel final d’un moule carapace en grappe (moule carapace de grande taille). En revanche, il présente l’inconvénient en termes de mauvais état de surface et tenue mécanique insuffisante. D’autre part, le procédé de jet de liant est par nature mono-matériau.

De tous les procédés connus, aucun ne permet de répondre à l’ensemble des critères recherchés pour un moule carapace avec noyaux. En particulier, aucun ne permet de combiner une précision dimensionnelle élevée avec la réalisation d’une pièce en plusieurs matériaux.

En outre, le recherche de performances accrues des moteurs implique notamment un refroidissement plus efficace des aubes de turbine situées immédiatement en aval de la chambre de combustion. Cette exigence nécessite la formation à l’intérieur de ces aubes de cavités internes de circulation du fluide de refroidissement plus élaborées. Ces cavités sont obtenues par la réalisation de noyaux céramiques ayant la forme des cavités finales, ce ou ces noyaux étant agencés dans le moule carapace. Or les procédés connus ne permettent pas de fabriquer une pièce multi-matériau, c’est-à-dire un moule carapace avec son ou ses noyaux, tout en présentant la précision dimensionnelle citée ci-avant.

L’invention a donc notamment pour but d’apporter une solution simple aux problèmes de l’art antérieur décrit précédemment par la fabrication simplifiée d’un moule carapace.

Résumé

A cet effet, la présente divulgation propose un procédé de réalisation d’un moule carapace pour fabriquer une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine, le procédé comprenant :
a) réalisation par fabrication additive du moule de la pièce par dépôts successifs de couches de fil extrudé de manière à former une surface interne complémentaire de la surface externe de la pièce de turbomachine,
b) au cours de l’étape a) ou postérieurement à l’étape a), lisser ou usiner la surface interne du moule de manière à obtenir un état de surface correspondant à celui de la pièce de turbomachine.

Le procédé permet ainsi de modifier, au cours de la fabrication du moule, l’état de surface interne qui sera en contact avec le métal liquide lors de la coulée. En effet, au cours d’un procédé de fabrication additif conventionnel par dépôt de fil fondu ou par extrusion (communément connu sous le terme anglais « robocasting »), le moule obtenu peut être complexe, mais l’état de surface limité, notamment en raison de la taille et de la forme du fil de matière utilisé, de la précision de positionnement de la tête de dépôt par rapport au plateau de fabrication mais aussi du retrait de la matière au séchage et de la tenue mécanique de cette dernière au fur et à mesure de la construction de la pièce. Le parachèvement, par lissage et/ou usinage, utilisé au cours du procédé de la présente divulgation permet de rectifier l’état de surface de la pièce, en parachevant la surface interne au fur et à mesure des dépôts de couche de matière, et donc de sa construction. Cette étape de modification de la surface interne est réalisée au cours de la construction du moule afin que toutes les surfaces du moule en contact avec le métal liquide lors de la coulée soient accessibles à l’outil à un moment de la fabrication pour être parachevées. Même les surfaces les plus difficiles du fait de la géométrie complexe du moule sont donc accessibles. Le procédé permet donc de fabriquer un moule avec un état de surface optimal, simplement et rapidement. Ce procédé présente ainsi l’avantage d’une mise en œuvre simplifiée, en ne nécessitant pas d’étapes de fonderie complexes.

Alternativement, les étapes a) et b) peuvent être répétées pour former des couches successives de fil extrudé jusqu’à la formation de la surface interne du moule.

L’étape de lissage/usinage peut en outre être réalisée au moyen d’une tête de fraisage, de préférence configurée pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 3 µm. L’état de surface obtenu est ainsi équivalent à celui de la surface du moule carapace obtenu par un procédé conventionnel tel que le moulage à la cire perdue.

Alternativement ou au surplus, l’étape de lissage/usinage est réalisée au moyen d’un outil d’aplanissement, de préférence configuré pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 3 µm.

En outre, les couches de fil extrudé peuvent comprendre un premier matériau et un deuxième matériau, le premier matériau étant différent du deuxième matériau.

Selon une alternative, au cours du procédé, pour :
- l’étape a), on fournit une première tête d’extrusion et une deuxième tête d’extrusion, chacune déposant une ou plusieurs couches de fil extrudé de matériau différent,
- l’étape b) on fournit un outil de lissage.

En outre, le fil extrudé peut comprendre plusieurs composants choisis parmi au moins l’un de : une ou des poudres céramiques, un dispersant, un ou des liants, un ou des plastifiants, un ou des solvants, un lubrifiant. Le fil extrudé peut en outre comprendre des particules choisies parmi au moins l’une de : alumine, zircone, zircon, silice, cristobalite, mullite, chamotte, molochite, yttrine, carbure de silicium.

La présente divulgation propose en outre un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine, le procédé comprenant couler du métal dans un moule de fabrication, ledit moule de fabrication étant obtenu selon le procédé de réalisation 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 :

Fig. 1

montre un schéma de principe d’un exemple de réalisation d’un moule de fabrication obtenu au cours d’une première phase du procédé de fabrication du moule.

Fig. 2

montre un autre schéma de principe d’un exemple de réalisation d’un moule de fabrication obtenu au cours d’une deuxième phase du procédé de fabrication du moule.

Pour des raisons de performance notamment, une pièce de turbomachine, et notamment une aube, doit comprendre une surface externe dont son état de surface doit être parfaitement maitrisé, avec par exemple une rugosité de surface Ra inférieure à 0,2. Cette pièce est obtenue par coulage d’un métal dans un moule de fabrication, également dénommé moule carapace.

Le moule carapace obtenu par le procédé décrit ci-après comprend une surface interne prévue pour recevoir directement le métal fondu composant la pièce. La surface interne du moule est donc complémentaire de la surface externe de la pièce de turbomachine et doit présenter les mêmes caractéristiques d’état de surface que celle de la pièce à fabriquer.

Les figures 1 et 2 illustrent à titre d’exemple un procédé de réalisation du moule de fabrication. Au cours du procédé, le moule de fabrication est réalisé par fabrication additive du moule de la pièce par dépôt successifs de couches de fil extrudé 10 de manière à former une surface interne 13 complémentaire de la surface externe de la pièce de turbomachine. Tel qu’illustré schématiquement et à titre d’exemple sur les figures 1 et 2, Le procédé de fabrication additive utilisé peut être un procédé utilisant la micro-extrusion. Ce procédé consiste à construire une pièce, strate par strate, par dépôt d’un filament, ou cordon, extrudé au travers d’une tête d’extrusion 30, ou buse, qui se déplace par rapport à un plateau 20 de fabrication. La précision dimensionnelle de la pièce obtenue dépend directement de la taille et de la forme du cordon, de la précision de positionnement de la tête d’extrusion 30 par rapport au plateau 20 de fabrication mais aussi du retrait de la matière au séchage et de la tenue mécanique de cette dernière au fur et à mesure de la construction de la pièce.

Une pâte alimente la tête d’extrusion 30 pour la formation d’un filament. Sa rhéologie est donc adaptée au procédé d’extrusion, au maintien de la forme souhaitée et à une bonne cohésion des cordons entre eux au sein d’une strate et entre strates. La pâte comporte plusieurs composants qui peuvent être choisi, par exemple parmi : la ou les poudres céramiques, un dispersant, un(des) liant(s), un(des) plastifiant(s) pour assurer la cohésion et la flexibilité, un(des) solvant(s), un lubrifiant, éventuellement un agent permettant d’améliorer l’adhésion entre les filaments déposés. Un liant inorganique (particules nanométriques de silice, d’alumine, de zircone et d’yttrine etc.) peut être ajouté pour assurer la cohésion du moule après déliantage.

Des particules céramiques peuvent entre outre composer la formulation de la pâte, ces particules pouvant être choisies par exemple parmi : alumine, zircone, zircon, silice, cristobalite, mullite, chamotte, molochite, yttrine, carbure de silicium ainsi que leurs mélanges. La granulométrie des grains céramiques est adaptée aux dimensions des têtes d’extrusion utilisées.

Selon un exemple de réalisation du procédé, les couches de fils extrudé 10 peuvent comprendre un premier matériau 11 et un deuxième matériau 12, le premier matériau 11 étant différent du deuxième matériau 12. Dans cet exemple, une première tête d’extrusion peut déposer une première couche de fil extrudé comprenant un premier matériau 11 et une deuxième tête d’extrusion peut déposer une deuxième couche de fil extrudé comprenant un deuxième matériau 12. Le premier et le deuxième matériaux peuvent être déposés l’un après l’autre, formant ainsi une première couche d’un premier matériau 11 et une deuxième couche d’un deuxième matériau 12, la deuxième couche étant distincte de la première, ou le premier et le deuxième matériaux peuvent être déposés l’un à la suite de l’autre, formant une couche composée de deux matériaux 11, 12 adjacents dans cette même couche. Plus généralement, le procédé ne se limite pas à deux têtes d’extrusion, ce qui permet d’utiliser autant de matériaux que nécessaire. Avantageusement, la possibilité de déposer plusieurs matériaux en utilisant plusieurs buses pilotées, ouvre la possibilité de construire simultanément, avec une même machine, le moule carapace et un noyau figurant les cavités que l’on souhaite voir apparaitre à l’intérieur de l’aubage, le moule et le noyau utilisant des matériaux différents. Ce procédé, outre la diminution du nombre d’étapes apportée par ce procédé additif multi matériaux, permet donc de diminuer le nombre d’étapes requises pour la fabrication d’un ensemble moule/noyau et donc le temps nécessaire à cette fabrication. En outre, le positionnement du noyau est directement assuré de façon précise dans le moule lors la construction.

On comprend donc que le procédé décrit présente les avantages par rapport à un autre procédé additif connu d’être simple, rapide et de permettre la construction de pièces multi matériaux. Le procédé de micro-extrusion conduit néanmoins à un état de surface qui correspond à un empilement des filaments extrudés, comme visible à titre d’exemple sur l’agrandissement de la . On peut observer qu’une extrémité libre 15 d’une couche 10 forme une surface interne du moule, cette surface étant incurvée et convexe. Un empilement de plusieurs couches 10 forme au niveau des extrémités libres 15 de ces couches une pluralité de bossages. L’état de surface formé par ces bossages pose des problèmes de qualité de l’état de surface recherché, qui ne correspond pas à l’état de surface recherché sur la pièce de turbomachine à fabriquer. En effet, chaque couche 10 correspond au dépôt d’un cordon de diamètre par exemple inférieur à 1 mm, en particulier compris entre 100 et 1000 µm et par exemple d’environ 400 µm. La surface interne du moule obtenue par l’empilement des couches et en particulier des bossages, peut donc comprendre une succession de bossages de rayon par exemple d’environ 200µm, ce qui n’est pas compatible avec les exigences d’état de surface recherché pour la surface externe de la pièce de turbomachine.

Pour pallier cet inconvénient, la surface interne du moule est lissée, de manière à obtenir un état de surface correspondant à celui de la pièce de turbomachine. Le lissage peut être réalisé par un outil de lissage 40, par exemple une tête de fraisage ou un outil d’aplanissement, de préférence configuré pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 3 µm. De préférence, les résidus de matière engendrées par le lissage, notamment en cas de fraisage, peuvent être aspirées ou soufflées.

Le lissage ou usinage de la surface interne peut en outre être réalisé au cours du dépôt de couches 10 successives, ou après le dépôt de plusieurs couches formant une partie du moule. En outre, le dépôt d’une ou plusieurs couches et le lissage de la surface interne obtenue par ledit dépôt d’une ou plusieurs couches peut être répété pour former des couches successives de fil extrudé jusqu’à la formation partielle ou complète de la surface interne du moule. Ce procédé peut être ainsi défini comme un précédé hybride, associant un procédé additif et un procédé soustractif. L’étape de modification de la surface interne par lissage peut être réalisée au cours de la construction du moule afin que toutes les surfaces du moule en contact avec le métal liquide lors de la coulée soient accessibles à l’outil à un moment de la fabrication pour être retouchées.

Dans le cas d’une pâte de micro-extrusion base aqueuse, la construction du moule de fabrication peut être effectuée sous hygrométrie contrôlée afin de ne pas induire de retrait différentiel entre les différentes couches 10, notamment entre les premières couches 10 et le plateau 20. Après séchage contrôlé, l’ensemble peut être consolidé par traitement thermique.

Le procédé additif de micro-extrusion offre également l’avantage de pouvoir contrôler localement la résistance à la compression du moule carapace, en optimisant localement son épaisseur, sa structure et/ou sa composition. Les contraintes pouvant apparaitre dans la pièce métallique lors de son refroidissement en dessous de sa température de rigidification sont ainsi limitées.

Claims

Procédé de réalisation d’un moule carapace pour fabriquer une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine, le procédé comprenant :
a) réalisation par fabrication additive du moule de la pièce par dépôts successifs de couches de fil extrudé (10) de manière à former une surface interne (13) complémentaire de la surface externe de la pièce de turbomachine,
b) au cours de l’étape a) ou postérieurement à l’étape a), lisser ou usiner la surface interne (13) du moule de manière à obtenir un état de surface correspondant à celui de la pièce de turbomachine.
Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre :
c) répéter les étapes a) et b) pour former des couches successives de fil extrudé (10) jusqu’à la formation de la surface interne (13) du moule.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de lissage/usinage est réalisée au moyen d’une tête de fraisage (40), de préférence configurée pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 3 µm.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de lissage/usinage est réalisée au moyen d’un outil d’aplanissement (40), de préférence configuré pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure à 5 µm, de préférence inférieure à 3 µm.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les couches de fil extrudé (10) comprennent un premier matériau (11) et un deuxième matériau (12), le premier matériau étant différent du deuxième matériau.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour :
- l’étape a), on fournit une première tête d’extrusion et une deuxième tête d’extrusion, chacune déposant une ou plusieurs couches de fil extrudé (10) de matériau différent,
- l’étape b) on fournit un outil de lissage (40).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le fil extrudé comprend plusieurs composants choisis parmi au moins l’un de : une ou des poudres céramiques, un dispersant, un ou des liants, un ou des plastifiants, un ou des solvants et un lubrifiant.
Procédé selon la revendication 7, dans lequel le fil extrudé peut en outre comprendre des particules choisies parmi au moins l’une de : alumine, zircone, zircon, silice, cristobalite, mullite, chamotte, molochite, yttrine, carbure de silicium.
Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine, telle qu’une aube de turbomachine, le procédé comprenant couler du métal dans un moule de fabrication, ledit moule de fabrication étant obtenu selon le procédé de réalisation de l’une quelconque des revendications 1 à 8.