CA3031321A1

CA3031321A1 - Procede de fabrication de moule carapace

Info

Publication number: CA3031321A1
Application number: CA3031321A
Authority: CA
Inventors: Wen Zhang; Patrice Henri Claude Ragot
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran SA
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2018-01-25
Also published as: BR112019001244B1; RU2019103466A3; BR112019001244A2; CN109475928B; FR3054149B1; EP3487649B1; EP3487649A1; US10987723B2; RU2753188C2; CN109475928A; RU2019103466A; WO2018015701A1; FR3054149A1; US20190329317A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de moule carapace a plusieurs couches dont au moins une couche de contact, a partir d'un modèle de pièce à fabriquer en cire ou autre matériau semblable, le procédé comprenant une étape de trempage du modèle dans une barbotine de contact formant la couche de contact et comprenant un liant inorganique ou organique et une poudre, dans lequel la poudre est un composite mullite-zircone.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE MOULE CARAPACE
La présente invention concerne la fabrication d'un moule de fonderie dans un procédé dit à cire perdue , pour la fabrication de pièces métalliques de précision. Ce type de moule est également appelé moule carapace.
La réalisation des moules en cire perdue est connue et largement utilisée notamment pour la fabrication de pièces de précision ayant des géométries complexes ou de pièces de précision en très petite séries voire uniques.
Pour fabriquer un moule en cire perdue, on réalise d'abord un modèle de la pièce à fabriquer en cire ou dans un matériau éliminable qui pourra être fondu ou éliminé facilement du moule fabriqué.
Le modèle est successivement trempé, sablé et/ou enduit d'un renfort et séché. L'opération de trempe est réalisée dans une ou plusieurs barbotine(s). L'opération de sablage, également appelée stuccage, consiste à renforcer le dépôt constitué par la couche de barbotine déposée sur le modèle lors de la trempe. Après chaque opération de trempe et de sablage et/ou d'enduction, l'eau est éliminée des différentes couches. Ensuite, le modèle est éliminé par exemple lors d'un passage dans un autoclave (traitement par la pression et la température). Enfin, le moule subit un traitement thermique dans le but de lui conférer les caractéristiques nécessaires pour la coulée du métal.
Pour la fabrication de pièces métalliques de précision, un moule doit être stable lors de la coulée d'un métal fondu. Par stable, on entend que le métal fondu ne doit pas faire réagir le matériau du moule de telle sorte que celui-ci se déforme.
Afin que le moule présente un état de surface parfait pour la réalisation d'une pièce, il est important que la composition de la première couche en contact avec le modèle, couramment appelée couche de contact, soit compatible chimiquement et épouse fidèlement le profil du modèle. Cette

2 couche de contact est le résultat du trempage du modèle dans une barbotine de contact. La couche de contact se doit d'être homogène, stable, fluide, dense, non réactive avec le métal fondu de la pièce de précision à fabriquer et compatible avec les couches suivantes du moule. Par ailleurs, les coefficients de dilatation de la couche de contact et des couches suivantes constituant le moule doivent être compatibles de sorte à éviter tout endommagement causé par une différence de dilatation thermique des couches.
Il est connu d'utiliser différentes barbotines qui comprennent soit de l'alumine, soit du zircon, ou soit de la silice électro fondue. Chacun de ces composés présente au moins un inconvénient particulier. A titre d'exemple, l'alumine n'est pas compatible avec certains alliages constitutifs des pièces métalliques de précision à produire, la silice électro fondue manque de réfractarité, et le zircon, en plus d'être radioactif, perd en stabilité à
mesure que la température de l'alliage fondu augmente.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.
A cet effet, l'invention propose, un procédé de fabrication de moule carapace à plusieurs couches dont au moins une couche de contact, à partir d'un modèle de pièce à fabriquer en cire ou autre matériau semblable, le procédé comprenant une étape de trempage du modèle dans une barbotine de contact formant la couche de contact et comprenant un liant et une poudre, la poudre comprenant un composite mullite-zircone.
L'utilisation d'une poudre composite mullite-zircone permet de limiter les interactions chimiques entre le moule carapace et l'alliage métallique introduit par coulée dans le moule carapace. Le composite précité
est de préférence essentiellement ou quasi exclusivement formé de mullite et de zircone. Bien évidemment, on comprend qu'il pourra comprendre des impuretés en quantité négligeable. Ces impuretés peuvent être du calcium ou du sodium, notamment. Selon une caractéristique de l'invention, le liant

3 peut être inorganique ou organique ou encore être un mélange de composés organiques et inorganiques.
La poudre composite mullite-zircone permet notamment de réaliser une barbotine de contact ayant une bonne stabilité rhéologique, une bonne inertie chimique vis-à-vis de l'alliage fondu et dont on maîtrise la fabrication.
On rappelle qu'un composite est un matériau composé de plusieurs composants élémentaires dont l'association confère à l'ensemble des propriétés qu'aucun des composants pris séparément ne possède.
La poudre composite mullite-zircone peut être obtenue par synthèse chimique à l'aide d'un précurseur de la mullite tels que l'alumine et /ou la silice et d'un précurseur de la zircone tel que le zircon. Les grains de la poudre sont alors formés d'un agrégat de mullite et de zircone.
De préférence, les grains de la poudre composite mullite-zircone ont une taille moyenne comprise entre 5 et 20 pm et une distribution de la taille s'étalant entre une taille sous-micronique jusqu'à une taille de 100 pm.
Selon une autre caractéristique, la couche de contact peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm. Il est souhaitable de limiter l'épaisseur de la couche de contact pour éviter d'affaiblir mécaniquement le moule carapace du fait de la présence de zircone.
Pour obtenir une barbotine de contact de bonne qualité, le taux de zircone dans la poudre est compris entre 5% et 90% en masse et, de préférence entre 10% et 50% en masse et encore plus préférentiellement entre 30% et 50%.
Avantageusement, le liant est de la silice colloïdale.
Pour favoriser le mouillage de la couche de contact sur la surface du modèle, la barbotine de contact comprend également au moins un agent mouillant et/ou au moins un agent anti-moussant.
Pour réaliser un moule résistant permettant la fabrication d'une pièce de précision, le procédé comprend, à la suite du trempage du modèle dans la barbotine de contact, des étapes dans lesquelles :

4 - on sable le modèle, - on sèche le modèle sablé, - on trempe le modèle sablé et séché dans une deuxième barbotine qui peut être de préférence dépourvue de zircone afin de lui conférer une meilleure résistance mécanique, - on enduit le modèle trempé dans la deuxième barbotine d'un matériau de renfort, - on sèche le modèle enduit du matériau de renfort, et - on réalise un traitement thermique sur le modèle enduit du matériau de renfort et séché.
Avantageusement, les étapes de trempage dans la deuxième barbotine, d'enduction dans le matériau de renfort et de séchage du modèle enduit du matériau de renfort et séché sont réitérées.
La succession d'étapes de ce procédé et, le cas échéant, la réitération de certaines étapes permettent d'obtenir un moule de bonne qualité qui résistera à la fabrication d'une pièce de précision et offrira un bon état de surface extérieure à la pièce de précision fabriquée.
Ce procédé, préalablement au trempage du modèle dans la barbotine de contact, comprend une phase de réalisation de la barbotine de contact comprenant les sous-étapes où :
- on introduit le liant dans récipient, - on ajoute la poudre composite mullilte-zircone dans le mélangeur, - on laisse le mélange de liant colloïdal minéral et de poudre composite se stabiliser.
Avantageusement, la phase de réalisation de la barbotine de contact comprend également une sous-étape d'ajout de l'anti-moussant et/ou de l'agent mouillant.
En outre, l'invention concerne également l'utilisation d'un moule selon le procédé qui vient d'être décrit, pour la fabrication d'une pièce de turbomachine coulée et solidifiée.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

5 - la figure 1 est un ordinogramme montrant les étapes de réalisation d'un moule de fonderie à cire perdue selon l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un moule de fonderie préalablement à une étape de traitement thermique.
- les figures 3 et 4 sont des images obtenues en microscopie électronique à balayage des grains de deux composites mullite-zirone différents pouvant l'un et l'autre être utilisés dans le procédé selon l'invention ;
- la figure 5 est une illustration de différents grains d'une poudre du composite mullite-zircone.
On a représenté, sur la figure 1, un ordinogramme montrant les étapes de la fabrication d'un moule 1 à cire perdue pour la fabrication de pièces de précision. Le nom moule à carapace est également utilisé pour appeler ce type de moule, toutefois, dans la suite de la description, nous utiliserons le terme simplifié de moule 1.
Le moule 1, schématiquement représenté en coupe sur la figure 2 comprend une pluralité de couches 2, 3, 4, 5, superposées les unes sur les autres et recouvrant un modèle 6 en cire ou dans un matériau semblable, c'est-à-dire un matériau ayant des caractéristiques similaires et facilement éliminable.
Le procédé de réalisation du moule 1 comprend les étapes 100 à
700 qui vont maintenant être décrites.
Dans une première étape 100, on réalise le modèle 6, en cire, de la pièce de précision à fabriquer.
Pour permettre la réalisation d'une pièce de précision parfaite, le modèle 6 est réalisé aux dimensions exactes de la pièce de précision et comprend un état de surface 7 extérieure de grande qualité. Ainsi, seules

6 quelques légères aspérités peuvent être visibles ou détectables sur la surface 7 extérieure du modèle 6 de sorte que la pièce de précision finale n'aura besoin que d'une passe (c'est-à-dire une opération d'usinage) de finition visant à rectifier la surface externe de la pièce de précision obtenue.
Avantageusement, le modèle 6 aura un état de surface tel, qu'une passe de finition ne sera pas nécessaire et la pièce de précision pourra être utilisée directement à la sortie du moule.
Par exemple, la pièce de précision à fabriquer sera une aube de turbomachine qui doit avoir une surface extérieure dépourvue d'aspérités de sorte à :
- limiter le risque de cassure de l'aube qui est soumise à une force centrifuge importante en utilisation, ou encore - limiter les perturbations d'un flux d'air s'écoulant sur la surface extérieure de l'aube.
Dans une deuxième étape 200, on trempe le modèle dans une barbotine de contact afin de former, autour du modèle 6, une couche 2 de contact pouvant avoir une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm.
La couche 2 de contact a un rôle essentiel dans l'utilisation du moule 1 puisque c'est elle qui donnera à la pièce de précision produite sa surface extérieure. Il est ainsi nécessaire que la barbotine de contact soit dense et résistante à la fois, et que sa viscosité et son pouvoir couvrant soient maîtrisés.
La viscosité et la densité sont nécessaires de sorte que lors du trempage, la barbotine de contact épouse parfaitement le modèle 6 en cire, et plus précisément la surface 7 extérieure du modèle 6 en cire sans créer, entre la barbotine de contact et la surface 7 extérieure du modèle 6, de bulles d'air qui formeraient, sur une surface 8 interne du moule 1, une cavité
propice à la création d'aspérité sur la surface extérieure de la pièce de précision.
En revanche, la résistance de la barbotine de contact sera nécessaire, pour que la couche 2 de contact ne se déforme pas lors de la fabrication de la pièce de précision.

7 Pour répondre à ce double critère de viscosité et de résistance, la barbotine de contact est composée d'un liant inorganique et/ou organique et d'une poudre, en l'espèce un composite mullite-zircone.
De préférence, le liant est un liant colloïdal minéral tel que de la silice colloïdale dans une quantité massique comprise entre 10% et 40 % et, de préférence, entre 20% et 30%.
A titre d'exemples non limitatifs, le liant inorganique peut être du silicate de soude ou encore du silicate éthyle et le liant organique comprend de l'eau.
La poudre comprend, en masse, un taux de zircone compris entre 5% et 90% et, de préférence, compris entre 10% et 50% et encore plus préférentiellement entre 30% et 50%.
Selon un mode préféré de réalisation, la répartition massique des éléments composant la barbotine de contact est la suivante :
- liant (silice colloïdale) : 29,8% ;
- poudre composite (mullite-zircone) : 70,0%;
- agent mouillant, anti-moussant et autres additifs : 0,2%.
La répartition massique est ici donnée à titre d'exemple, étant entendu qu'une variation de la répartition massique comprise entre 0,1% et 10% est possible.
A titre d'exemples, les autres additifs pouvant être ajoutés peuvent être un agent bactéricide pour limiter les bactéries et augmenter la stabilité de la barbotine, ou d'autres liants organiques permettant de garantir un dépôt uniforme et résistant de la couche 2 de contact sur le modèle 6 en cire.
Avantageusement, la barbotine de contact comprend également un agent mouillant et un agent anti-moussant.
La confection de la barbotine de contact peut être réalisée comme suit:
- on introduit et mélange le liant colloïdal minéral et l'agent mouillant dans un récipient, en l'espèce un mélangeur,

8 - on ajoute ensuite la poudre composite mullite-zircone dans le mélangeur, - on ajoute l'anti-moussant, - on maintient le mélangeur en marche pendant une durée comprise entre 1 heure et 48 heures, et de préférence pendant une durée de 24 heures, - on transfère le mélange obtenu dans un récipient permettant de réaliser le trempage du modèle, par exemple une cuve de trempée, et - on laisse le mélange se stabiliser pendant une durée comprise entre 24 heures et 48 heures, et de préférence pendant une durée de 24 heures.
A la suite de ces étapes, le mélange dans la cuve de trempé est alors la barbotine de contact.
La composition de la barbotine de contact présente de nombreux avantages par rapport à la barbotine de l'art antérieur, parmi lesquels une meilleure durée de vie, une bonne stabilité chimique, un temps de fabrication réduit, une formulation non radioactive et une qualité accrue du moule obtenu.
A titre d'exemple, par rapport à la barbotine de l'art antérieur, la barbotine de contact selon l'invention offre :
- un temps de fabrication divisé au minimum par deux, - une densité supérieure d'au moins 16%, - une viscosité inférieure d'au moins 60% à la fin de la fabrication et d'environ 50% trente jours après la fin de la fabrication, et - un meilleur recouvrement du modèle 6 en cire, notamment dans ses formes complexes, par exemple des renfoncements ou des rainures.
Dans une troisième étape 300, le modèle 6 trempé dans la barbotine de contact, est sablé puis séché. Le sablage est réalisé de manière

9 peu agressive avec une poudre qui n'affectera pas la couche 2 de contact et notamment l'état de la surface 8 interne du moule 1.
Le sablage permet notamment de renforcer la couche 2 de contact et de faciliter l'accrochage d'une deuxième couche du moule 1.
Dans une quatrième étape 400, on trempe le modèle 6 entouré de la couche 2 de contact sablée et séchée, dans une deuxième barbotine pouvant être de même composition que la barbotine de contact ou de composition différente.
Dans une cinquième étape 500, le modèle, sorti de la deuxième barbotine, est sablé puis séché.
A la fin de l'étape 500, on obtient un modèle 6 sur lequel sont superposées la couche 2 de contact et une première couche 3 de renfort.
Comme cela est représenté sur l'ordinogramme de la figure 1 par la flèche en traits pointillés, les étapes 400 et 500 peuvent être réitérées en fonction de l'épaisseur à donner au moule 1.
Dans l'exemple de moule 1 illustré sur la figure 2, une deuxième couche 4 de renfort et une troisième couche 5 de renfort ont été superposées sur la première couche de renfort.
Toutefois, cet exemple de moule 1 n'est nullement limitatif et un nombre supérieur ou inférieur de couches 3 de renfort pourrait être prévu.
Dans une sixième étape 600, le modèle 6 en cire est fondu de sorte qu'il ne reste que le moule 1.
Enfin, dans une septième (et dernière) étape 700, le moule 1, comprenant un nombre adéquat de couches de renfort (ici trois couches 3, 4, 5 de renfort) subit un traitement thermique, en l'espèce une cuisson dans un four, afin de solidifier le moule 1.
Toutefois, d'une manière générale, l'élimination du modèle 6 en cire (également appelée étape de décirage) est effectuée avant le traitement thermique du moule 1. Il est également possible que le modèle 6 en cire soit éliminé lors de l'étape 700 de traitement thermique, la température pour consolider le moule 1 étant suffisante pour faire fondre la cire du modèle 6, les étapes 600 et 700 étant alors combinées en une seule étape.
Lorsque le moule 1 est terminé, une matière, par exemple un alliage métallique pour la fabrication des aubes, peut être coulé dans le 5 moule 1, contre la surface interne 8. A l'issue de son refroidissement, ce matériau coulé forme alors la pièce de précision à fabriquer.
Pour retirer la pièce de précision du moule 1, on peut éliminer le moule 1 par voie mécanique (cassage du moule 1), par voie chimique (dissolution du moule 1), ou par une combinaison mécanique et chimique.

10 Un autre avantage offert par le choix d'une poudre composite mullite-zircone pour la barbotine de contact est que la couche 2 de contact présente un faible (voire inexistant) risque de réaction chimique avec une variété importante de matériaux pouvant être coulés pour former la pièce de précision.
En outre, le composite mullite-zircone assure une bonne facilité
de mise en oeuvre de la barbotine et permet de recouvrir les modèles 6 en cire à géométries complexes et notamment de se loger dans les rainures et autres cavités peu accessibles de sorte que tous les détails des modèles 6 en cire sont reproduits sur la couche 2 de contact.
Enfin le composite mullite-zircone offre l'avantage de ne pas être radioactif, et donc manipulable sans équipement spécifique.
On se réfère maintenant aux figures 3 et 4 qui représentent deux images obtenues en microscopie électronique à balayage des grains de deux composites mullite-zirone différents pouvant l'un et l'autre être utilisés dans le procédé selon l'invention. Le composite mullite-zircone peut être obtenu par synthèse par fusion (figure 3) ou par synthèse par frittage réactif à l'état solide (figure 4) suivi dans l'un et l'autre des cas par une solidification par refroidissement. Les blocs de composite mullite-zircone obtenus subissent ensuite une micron isation ou un broyage ultra-fin.
Sur l'image de la figure 3, on peut distinguer plusieurs grains 9 de la poudre composite mullite-zircone, la mullite étant indiquée par la référence

11 et la zircone par la référence 11. Sur l'image de la figure 4, on ne distingue pas la mullite de la zircone au sein d'un grain 9 du fait d'une plus grande homogénéité de la répartition de la mullite et de la zircone au sein d'un grain de la poudre composite mullite-zircone.
5 La figure 5 est une illustration schématique de plusieurs grains d'une poudre composite mullite-zircone montrant la diversité des formes de grains. De préférence, les grains de la poudre composite mullite-zircone ont une taille moyenne comprise entre 5 et 20 pm et une distribution de la taille s'étalant entre une taille sous-micronique jusqu'à une taille de 100 pm.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication de moule (1) carapace à plusieurs couches (2, 3, 4, 5) dont au moins une couche (2) de contact, à partir d'un modèle (6) de pièce à fabriquer en cire ou autre matériau semblable, le procédé comprenant une étape de trempage du modèle (6) dans une barbotine de contact formant la couche (2) de contact et comprenant un liant et une poudre, caractérisé en ce que la poudre comprend un composite mullite-zircone.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le taux de zircone dans la poudre est compris entre 5% et 90% en masse.

3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le taux de zircone dans la poudre est compris entre 10% et 50% en masse.

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le taux de zircone dans la poudre est compris entre 30% et 50% en masse.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les grains de la poudre composite mullite-zircone ont une taille moyenne comprise entre 5 et 20 µm.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche de contact a une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liant est de la silice colloïdale.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la barbotine de contact comprend également au moins un agent mouillant et/ou au moins un agent anti-moussant.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comprend, à la suite du trempage du modèle (6) dans la barbotine de contact, les étapes dans lesquelles :
- on sable le modèle (6), - on sèche le modèle (6) sablé, - on trempe le modèle (6) sablé et séché dans une deuxième barbotine, de préférence dépourvue de zircone, - on enduit le modèle (6) trempé dans la deuxième barbotine d'un matériau de renfort, - on sèche le modèle (6) enduit du matériau de renfort, et - on réalise un traitement thermique sur le modèle (6) enduit du matériau de renfort et séché.

10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les étapes de trempage dans la deuxième barbotine, d'enduction dans le matériau de renfort et de séchage du modèle (6) enduit du matériau de renfort et séché sont réitérées.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, lequel, préalablement au trempage du modèle (6) dans la barbotine de contact, comprend une phase de réalisation de la barbotine de contact comprenant les étapes où :
- on introduit le liant colloïdal minéral dans un récipient, en l'espèce un mélangeur, - on ajoute la poudre composite mullite-zircone dans le mélangeur, - on laisse le mélange de liant colloïdal minéral et de poudre se stabiliser.

12. Procédé selon la revendication précédente lorsqu'elle dépend de la revendication 7, dans lequel la phase de réalisation de la barbotine de contact comprend également une étape d'ajout de l'anti-moussant et/ou de l'agent mouillant.

13. Utilisation d'un moule (1) obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes pour la fabrication d'une pièce de turbomachine coulée et solidifiée.