FR3165193A1 - Noyau de fonderie à la cire perdue revêtu - Google Patents

Abstract

Noyau de fonderie à la cire perdue revêtu L’invention concerne un noyau de fonderie (10) comprenant une partie principale (100) en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu’il comprend un revêtement sur la surface externe de sa partie principale comprenant, du noyau vers l’extérieur, une première couche de carbonitrure de titane TiCN (101) et une deuxième couche d’alumine Al2O3(102). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Noyau de fonderie à la cire perdue revêtu

Le présent exposé concerne les outils de fonderie pour la fabrication de pièces métalliques et plus précisément les noyaux de fonderie utilisés pour la réalisation de pièces creuses.

Le présent exposé concerne plus précisément un revêtement particulier pour de tels noyaux.

Le procédé de fonderie à la cire perdue est connu de la littérature et permet d’obtenir une pièce métallique directement aux dimensions souhaitées grâce à l’utilisation d’un modèle en cire de la pièce à obtenir, en formant un moule autour du modèle et en retirant la cire pour obtenir dans le moule une cavité à la forme du modèle de cire, et donc de la pièce souhaitée.

Lorsque la pièce est creuse, c’est-à-dire lorsqu’elle comporte des évidements, il est possible de créer ces derniers au moyen d’un noyau de fonderie ayant la forme de l’évidement voulu. Le noyau de fonderie est positionné dans le moule, de sorte que le métal fondu introduit dans le moule ne puisse pas occuper l’espace du noyau de fonderie.

Le retrait ultérieur du noyau permet d’obtenir dans la pièce métallique un évidement ayant la forme du noyau de fonderie en lieu et place du noyau de fonderie initialement présent.

L’utilisation d’un tel noyau de fonderie permet d’éviter un usinage ultérieur d’une pièce métallique massive pour créer l’évidement souhaité, permettant ainsi de créer simplement des évidements aux géométries complexes.

Toutefois, le noyau de fonderie est au contact du métal qui est coulé dans le moule, et doit à ce titre supporter les températures mises en jeu. En outre, il est important que le noyau soit facilement éliminable une fois la pièce en matériau métallique obtenue, afin de créer la porosité souhaitée.

Des compositions de noyaux sont connues, par exemple des compositions céramiques, par exemple avec des bases silice, alumine et/ou zircone. D’autres compositions sont également connues à base de molybdène ou d’alliages de molybdène (parfois dits RMC pour l’acronyme anglais « Refractory Metal Core »).

Néanmoins, ces alliages ne présentent pas une résistance à l’oxydation en température suffisante pour une application directe dans des procédés de fonderie et sont en outre solubles dans les superalliages base nickel. C’est pourquoi il est généralement proposé de les revêtir avec un revêtement protecteur contre l’oxydation.

En outre, le revêtement doit être apte à protéger le noyau du métal en fusion qui sera coulé dans le moule pour former la pièce souhaitée. Réciproquement, le revêtement doit permettre d’éviter que les éléments constitutifs du noyau ou du revêtement ne se dissolvent dans le métal fondu.

Toutefois, il est intéressant de continuer à développer les revêtements disponibles pour obtenir des solutions différentes de celles qui sont actuellement disponibles et encore plus adaptées aux noyaux de fonderie.

La présente invention vise précisément à répondre à ce besoin.

Pour cela, elle concerne selon un premier de ses aspects, un noyau de fonderie comprenant une partie principale en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu’il comprend un revêtement sur la surface externe de sa partie principale comprenant, du noyau vers l’extérieur, une première couche de carbonitrure de titane TiCN et une deuxième couche d’alumine Al₂O₃.

Il est du mérite des inventeurs d’avoir déterminé qu’un revêtement comprenant ces deux couches permettait une protection excellente du noyau de fonderie.

Plus précisément, la première couche de carbonitrure de titane TiCN présente un coefficient d’expansion thermique très proche de celui du molybdène ou des alliages de molybdène. La première couche permet donc de limiter les fissures qui pourraient apparaître lors de cycles thermiques que voient les noyaux de fonderie.

En outre, le carbonitrure de titane TiCN a une excellente compatibilité chimique avec le molybdène et les alliages de molybdène, ce qui favorise d’une part l’adhérence du revêtement à la surface du noyau et d’autre part l’intégrité du revêtement pendant les étapes de fonderie.

La deuxième couche du revêtement a une excellente stabilité à haute température, et une excellente accroche sur la première couche.

Dans un mode de réalisation, la première couche de carbonitrure de titane TiCN est déposée directement au contact de la surface externe de la partie principale du noyau.

Les inventeurs ont en effet déterminé qu’il n’était aucunement nécessaire de disposer une couche entre la couche de carbonitrure de titane TiCN et la couche du molybdène ou de l’alliage de molybdène formant la partie principale.

Il s’ensuit un procédé simplifié sans perte de propriété pour le revêtement ou sa qualité d’accroche.

Dans un mode de réalisation, la première couche de carbonitrure de titane TiCN a une épaisseur comprise entre 1,0 µm et 30 µm.

Dans un mode de réalisation, la deuxième couche d’alumine Al₂O₃est disposée directement au contact de la couche de carbonitrure de titane TiCN.

Dans un mode de réalisation alternatif, une couche de nitrure d’aluminium AlN est disposée directement au contact de la couche de carbonitrure de titane TiCN, puis cette couche de nitrure d’aluminium AlN est directement recouverte de la couche d’alumine Al₂O₃.

Bien que facultative, la couche intermédiaire de nitrure d’aluminium AlN a un coefficient d’expansion thermique intermédiaire entre celui du carbonitrure de titane TiCN et celui de l’alumine Al₂O₃, ce qui favorise la bonne tenue du revêtement.

En particulier, la présence d’une couche intermédiaire de nitrure d’aluminium AlN évite la propagation de fissures profondes ce qui est particulièrement avantageux quand les noyaux ont des formes particulièrement complexes.

En plus d’assurer une transition plus progressive dans les coefficients expansion thermique, la présence du nitrure d’aluminium AlN permet d’assurer une protection contre l’oxydation, même dans le cas où la couche d’alumine Al₂O₃externe est fissurée lors d’une étape de fonderie.

En effet, la présence de la couche de nitrure d’aluminium AlN permet alors une réaction avec l’oxygène qui peut traverser la couche d’alumine pour former avec le nitrure d’aluminium une couche d’alumine Al₂O₃imperméable à l’oxygène.

L’intégrité du noyau en molybdène ou en alliage de molybdène est ainsi préservée encore davantage.

Dans un mode de réalisation, l’épaisseur de la couche d’alumine Al₂O₃est comprise entre 5,0 µm et 50 µm.

Dans un mode de réalisation où elle est présente, l’épaisseur de la couche de nitrure d’aluminium AlN peut être comprise entre 1,0 µm et 40 µm.

Dans un mode de réalisation, la partie principale du noyau a la forme des circuits de refroidissement d’une aube de turbomachine.

En effet, les aubes de turbomachines sont généralement réalisées par fonderie, en particulier pour les aubes de partie chaude de turbomachine, c’est-à-dire celles situées après la chambre de combustion.

Il est alors particulièrement avantageux d’utiliser un noyau de fonderie plutôt qu’un usinage ultérieur pour fabriquer les circuits de refroidissement d’une aube de turbomachine.

En effet, la géométrie particulièrement complexe des circuits de refroidissement d’une aube de turbomachine n’est pas nécessairement atteignable par un usinage après fabrication de la pièce. En outre, pour les aubes de turbomachines monocristallines, un tel usinage n’est pas envisageable, et il est donc préférable d’utiliser des noyaux de fonderie.

Le noyau de fonderie décrit permet alors d’obtenir les circuits de refroidissement dans une telle aube, sans complexifier le procédé de fonderie.

Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne également un procédé de fabrication d’un noyau tel que décrit plus haut.

En effet, le revêtement du noyau peut être intégralement obtenu par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (en anglais « Chemical Vapor Deposition » ou CVD).

Ainsi, selon un mode de réalisation, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un noyau tel que décrit ci-avant comprenant au moins les étapes suivantes :
- une étape de dépôt d’une couche de carbonitrure de titane TiCN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sur la partie principale d’un noyau de fonderie en molybdène ou en alliage de molybdène ; puis
- une étape de dépôt d’une couche d’alumine Al₂O₃par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.

Dans un mode de réalisation, le procédé permet un excellent revêtement d’un noyau assurant à l’ensemble une bonne protection contre l’oxydation.

En particulier, le procédé est parfaitement adapté d’un noyau de fonderie qui a la forme des circuits de refroidissement d’une aube de turbomachine.

En effet, la géométrie particulièrement complexe et étriquée de ces noyaux bénéficie grandement d’un revêtement réalisé par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur qui permet de recouvrir l’intégralité du noyau même dans les zones où la géométrie serait difficilement recouvrable par d’autres méthodes de dépôt.

Dans un mode de réalisation, l’étape de dépôt de la couche de carbonitrure de titane TiCN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 200 mbar et 600 mbar, en utilisant comme précurseur TiCl₄.

Dans un mode de réalisation, l’étape de dépôt de la couche d’alumine Al₂O₃par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 20 mbar et 500 mbar, en utilisant comme précurseur AlCl₃et HCl.

Dans un mode de réalisation, le procédé peut en outre comprendre, entre l’étape de dépôt de la couche de carbonitrure de titane TiCN et l’étape de dépôt de la couche d’alumine Al₂O₃une étape de dépôt d’une couche de nitrure d’aluminium AlN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.

Par exemple, l’étape de dépôt de la couche de nitrure d’aluminium AlN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 50 mbar et 500 mbar, en utilisant comme précurseur HCl, AlCl₃et NH₃.

Dans un mode de réalisation, le procédé de revêtement ne comprend pas d’autre étapes de dépôt que l’étape de dépôt d’une couche de carbonitrure de titane TiCN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, que l’étape de dépôt d’une couche d’alumine Al₂O₃par un procédé un procédé de dépôt chimique en phase vapeur et éventuellement l’étape de dépôt d’une couche de nitrure d’aluminium AlN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.

Dans un mode de réalisation, les différentes étapes de dépôt peuvent être réalisées dans la même enceinte de dépôt.

FIG. 1LaFIG. 1représente de manière schématique un noyau dans un mode de réalisation de l’invention.

FIG. 2LaFIG. 2représente de manière schématique un noyau dans un autre mode de réalisation de l’invention que celui de laFIG. 1.

L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière.

LaFIG. 1représente de manière schématique un noyau 10 de fonderie.

La complexité réelle de la géométrie d’un noyau n’est pas représentée car cela nuirait à la compréhension de la figure.

Dans un mode de réalisation, le noyau 10 de fonderie peut comprendre une partie principale 100 en molybdène ou en alliage de molybdène.

Ici et dans toute la demande il est entendu par « partie principale », la partie utile du noyau, i.e. la partie du noyau ayant la forme de la cavité à obtenir dans la pièce finale.

Dans un mode de réalisation, la partie principale s’entend comme l’intégralité du noyau 10 en molybdène.

Dans d’autres modes de réalisation, le noyau 10 peut comprendre en plus de la partie principale 100 des parties non-utiles, permettant par exemple l’accroche du noyau 10 dans un moule de fonderie, lesquelles peuvent ne pas être recouvertes par le revêtement.

Alternativement, et même dans le cas où le noyau comprend des parties non-utiles, il peut être fait le choix de recouvrir l’ensemble du revêtement de protection.

LaFIG. 1représente un mode de réalisation, dans lequel la partie principale 100 du noyau 10 est directement revêtue d’une couche de carbonitrure de titane TiCN 101.

Par exemple, l’épaisseur e₁de la couche de carbonitrure de titane TiCN 101 est comprise entre 1,0 µm et 30 µm.

Au sens de la présente demande, l’« épaisseur » prend son sens habituel et caractérise la plus petite dimension d’extension d’une couche. Par exemple, sur laFIG. 1, l’épaisseur d’une couche est mesurée dans le sens perpendiculaire à la surface de la couche sous-jacente.

Au sens de la présente demande une couche sera dite « d’un composé », si elle comprend en masse plus de 95%, voire plus de 99% voire plus 99,9% dudit composé.

LaFIG. 1représente en outre une couche d’alumine Al₂O₃102, disposée directement au contact de la couche de carbonitrure de titane TiCN 101.

L’épaisseur e₂de la couche d’alumine Al₂O₃102 est comprise entre 5,0 µm et 50 µm.

De préférence, le revêtement du noyau ne comprend pas d’autre couches que la couche de carbonitrure de titane TiCN 101 et celle d’alumine Al₂O₃102.

Dans un mode de réalisation, le revêtement peut être obtenu par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.

En particulier, ce procédé de dépôt permet d’obtenir des couches à des puretés très élevées.

Ce dépôt peut être réalisé dans un four connu en tant que tel.

LaFIG. 2illustre un noyau de fonderie 10 dans un autre mode de réalisation.

Dans le mode de réalisation représenté sur laFIG. 2, le noyau comprend en outre, entre la couche de carbonitrure de titane TiCN 101 et celle d’alumine Al₂O₃102 une couche de nitrure d’aluminium AlN 103.

Comme décrit, cette couche permet une évolution des coefficients d’expansion thermique entre la partie principale 100 du noyau et les couches de revêtement 101, 102, 103 qui soit plus graduelle.

Cela assure une encore meilleure résistance à la délamination et à la fissuration lors de la mise en température du noyau, par exemple lorsque ce dernier sera disposé au contact de métal fondu ou lors d’une étape de cuisson du moule carapace.

Dans un mode de réalisation, l’épaisseur e₃de la couche de nitrure d’aluminium AlN peut être comprise entre 1,0 µm et 40 µm.

Dans un mode de réalisation, le revêtement du noyau 10 peut ne comprendre aucune autre couche que la couche de carbonitrure de titane TiCN 101, la couche de nitrure d’aluminium AlN 103 et la couche d’alumine Al₂O₃102.

Dans un mode de réalisation, la couche externe du noyau revêtu est la couche d’alumine Al₂O₃102.

En effet, cette couche présente toutes les caractéristiques permettant au noyau de présenter les propriétés souhaitées en termes de résistance à l’oxydation dans toutes les étapes de fonderie, pour la protection de la partie principale 100 sous-jacente.

Dans un mode de réalisation, le noyau 10 peut être utilisé dans un procédé de fonderie à la cire perdue classique comprenant après l’étape de fabrication d’un noyau les étapes suivantes :
- la fabrication d’un modèle en cire de la pièce à obtenir autour du noyau de fonderie ;
- la formation d’un moule carapace autour du modèle en cire, par exemple par trempage du modèle en cire dans une barbotine céramique ;
- l’élimination de la cire, par un traitement thermique ;
- la coulée d’un métal fondu dans le moule carapace dans l’espace laissé vacant par la cire éliminée ;
- la solidification du métal fondu par refroidissement ;
- l’élimination du moule carapace, par exemple par une étape mécanique ;
- l’élimination du noyau pour former dans la pièce en métal une cavité.

Les étapes décrites ci-dessus sont caractéristiques d’un procédé de fonderie à la cire perdue et un noyau 10 tel que décrit plus haut est parfaitement adapté à un tel procédé.

Claims (12)

1. Noyau de fonderie (10) comprenant une partie principale (100) en molybdène ou en alliage de molybdène, caractérisé en ce qu’il comprend un revêtement sur la surface externe de sa partie principale comprenant, du noyau vers l’extérieur, une première couche de carbonitrure de titane TiCN (101) et une deuxième couche d’alumine Al₂O₃(102).
2. Noyau de fonderie (10) selon la revendication 1, dans lequel la première couche de carbonitrure de titane TiCN (101) est déposée directement au contact de la surface externe de la partie principale du noyau (100).
3. Noyau de fonderie (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première couche de carbonitrure de titane TiCN (101) a une épaisseur comprise entre 1,0 µm et 30 µm.
4. Noyau de fonderie (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième couche d’alumine Al₂O₃(102) est disposée directement au contact de la couche de carbonitrure de titane TiCN (101).
5. Noyau de fonderie (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une couche de nitrure d’aluminium AlN (103) est disposée directement au contact de la couche de carbonitrure de titane TiCN (101), puis cette couche de nitrure d’aluminium AlN (103) est directement recouverte de la couche d’alumine Al₂O₃(102).
6. Noyau de fonderie (10) selon la revendication 5, dans lequel l’épaisseur de la couche de nitrure d’aluminium AlN peut être comprise entre 1,0 µm et 40 µm.
7. Noyau de fonderie (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’épaisseur de la couche d’alumine Al₂O₃(102) est comprise entre 5,0 µm et 50 µm.
8. Procédé de fabrication d’un noyau de fonderie (10) selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant au moins les étapes suivantes :
   - une étape de dépôt d’une couche de carbonitrure de titane TiCN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sur la partie principale d’un noyau de fonderie en molybdène ou en alliage de molybdène ; puis
   - une étape de dépôt d’une couche d’alumine Al₂O₃par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
9. Procédé de fabrication d’un noyau de fonderie selon la revendication 8, rattachée à l’une des revendications 1 à 3 ou 5 à 7, comprenant en outre entre l’étape de dépôt de la couche de carbonitrure de titane TiCN (101) et l’étape de dépôt de la couche d’alumine Al₂O₃(102) une étape de dépôt d’une couche de nitrure d’aluminium AlN (103) par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’étape de dépôt de la couche de nitrure d’aluminium AlN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 50 mbar et 500 mbar, en utilisant comme précurseur TiCl₄.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel l’étape de dépôt de la couche d’alumine Al₂O₃par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 20 mbar et 500 mbar, en utilisant comme précurseur AlCl₃et HCl.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel l’étape de dépôt de la couche de carbonitrure de titane TiCN par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur est réalisée à une température entre 700°C et 1150°C, à une pression de dépôt entre 200 mbar et 600 mbar, en utilisant comme précurseur HCl, AlCl₃et NH₃.