EP1595618B1 - Procédé de fonderie à cire perdue avec couche de contact - Google Patents

Procédé de fonderie à cire perdue avec couche de contact Download PDF

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EP1595618B1
EP1595618B1 EP05103895A EP05103895A EP1595618B1 EP 1595618 B1 EP1595618 B1 EP 1595618B1 EP 05103895 A EP05103895 A EP 05103895A EP 05103895 A EP05103895 A EP 05103895A EP 1595618 B1 EP1595618 B1 EP 1595618B1
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slip
layer
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Arnaud Biramben
Christian Marty
Patrice Ragot
Jean-Christophe Husson
Patrick Chevalier
Serge Fargeas
Franck Truelle
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Safran Aircraft Engines SAS
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SNECMA SAS
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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
    • B22C9/04—Use of lost patterns

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of parts such as metal vanes with complex geometries according to the technique known as lost-wax foundry.
  • turbofan bladders such as parts of rotors or stators, or structural parts according to this technique
  • it is first made a model wax or other equivalent material easily removable later. If necessary, we group together several models into one cluster.
  • a ceramic mold is made around this model by dipping in a first slip to form a first layer of material in contact with its surface. The surface of this layer is sanded in order to reinforce it and facilitate the attachment of the next layer, and the assembly is dried: this constitutes the stuccage and drying operations respectively.
  • the soaking operation is then repeated in slips of possibly different compositions, an operation always associated with the successive operations of stuccage and drying.
  • a ceramic shell made of a plurality of layers is thus produced.
  • the slips are composed of particles of ceramic materials, in particular a flour, such as alumina, mullite, zircon or other, with a mineral colloidal binder and adjuvants where appropriate depending on the desired rheology.
  • a flour such as alumina, mullite, zircon or other
  • adjuvants where appropriate depending on the desired rheology.
  • It may be a wetting agent, a fluidizer or a texturizer depending, for the latter, the desired thickness for the deposit.
  • the carapace mold is then dewaxed, which is an operation by which the material constituting the original model is removed. After elimination of the model, we obtain a ceramic mold whose cavity reproduces all the details of the model. The mold then undergoes heat treatment at high temperature or "cooking" which gives it the necessary mechanical properties. The shell mold is thus ready for the manufacture of the metal part by casting.
  • the next step is to sink a molten metal into the mold cavity and then to solidify it.
  • solidification techniques there are currently several solidification techniques, and therefore several casting techniques, depending on the nature of the alloy and the expected properties of the part resulting from the casting. It may be directed solidification with columnar structure (DS), directed solidification with monocrystalline structure (SX) or equiaxed solidification (EX) respectively.
  • DS columnar structure
  • SX monocrystalline structure
  • EX equiaxed solidification
  • the shell is broken by a shake-out operation, and the manufacturing of the metal part is completed.
  • each carapace must have specific properties that ensure the desired type of solidification.
  • the shells can be made from different fillers, based on silico-aluminous, silica-zircon or silica.
  • the first layer for each of these carapaces plays a vital role. It forms the interface between the shell mold and the cast alloy. It must, in the case of a solidification directed columnar or monocrystalline structure, be non-reactive with the cast alloy. In the case of equiaxial solidification, it must allow the equiaxial germination of the grains. Furthermore, the integrity of this contact layer determines the final quality of the casting, in terms of surface condition in particular.
  • the first layer must meet certain requirements in order to avoid defects such as ceramic decohesion and surface defects.
  • the decohesions of the contact layer before or during the casting can generate harmful marks on parts.
  • the surface defects result from excessive micro-porosity of the contact layer which generates surpluses forming reliefs on the surface of the parts.
  • the major surface defects are often the result of a surface capillary phenomenon at the interface between the wax model and the first layer.
  • the grains of sand form stacks, which have many capillaries.
  • the depression promotes a capillary rise of the slip towards the stucco until the column of liquid thus formed restores the pressure difference. This results in the formation of a cavity withdrawal zone which leads to the formation of surface defects. This phenomenon is accentuated by a first layer of too low thickness.
  • the properties of the contact layer must therefore make it possible to find a compromise between these antagonistic characteristics, in order to overcome any defects on parts.
  • the composition of the slip it is possible to fulfill the objectives assigned for all foundry molds, the properties of which satisfy the casting conditions in particular meeting the constraints of solidification processes DS and SX.
  • the contact layer is not reactive to cast superalloys.
  • the slip is advantageously composed of mullite flour in an amount of between 65 and 90% by weight, without zircon.
  • the sand particles or "stuccos" for this contact layer are formed from mullite and not zircon grains.
  • additives in the slip allows to control wax deposits and ensure optimal characteristics in terms of thickness and distribution on parts.
  • the binder is a water-based mineral colloidal solution, such as colloidal silica, and not an alcohol base binder.
  • the method of manufacturing the shell molds comprises a first step of manufacturing the model in wax or in another equivalent material known in the field.
  • the most commonly known is wax.
  • the cluster models can be grouped so that they can be simultaneously.
  • the models are shaped to the dimensions of the final pieces, to the shrinkage near the alloys.
  • the carapace manufacturing steps are preferably carried out by a robot whose movements are programmed to have an optimal action on the quality of the deposits made, and to overcome the geometric aspect of the various blades.
  • slips are prepared in which the models or the cluster are quenched successively to deposit ceramic materials.
  • the covered model undergoes a phase of dewatering and then topping.
  • Sand stucco grains are then sprinkled to avoid disturbing the thin layer of contact.
  • Mullite is used, the particle size of which in this first layer is fine. It is between 80 and 250 microns. The surface condition of the final pieces depends in part.
  • the layer is dried.
  • the dipping is then carried out in a second slip to form a so-called "intermediate" layer.
  • the model is then quenched in a third slip to form the layer 3 which is the first so-called "reinforcing" layer.
  • the stucco is then applied and dried.
  • the soaking operations are repeated in the third slip, stucco and drying to obtain the desired shell thickness.
  • a glazing operation is carried out for the last layer.
  • the second and third slip may comprise a mixture of alumina and mullite flours in amounts of from 45 to 95% by weight, and mullite grains in amounts of from 0 to 25% by weight.
  • the soaked layers for the different layers are made in different ways and adapted to obtain a uniform distribution of thicknesses and to avoid the formation of bubbles, especially in enclosed areas.
  • the carapace can thus comprise from 5 to 12 layers.
  • the baking cycle of the molds comprises a temperature rise phase during a given period, a plateau at the baking temperature and a cooling phase.
  • the firing cycle is chosen to optimize the mechanical properties of the shells so as to allow cold handling without risk of breakage, and so as to minimize their sensitivity to thermal shocks that can be generated during the various stages of casting.
  • This contact layer can be associated with all types of layers as required, even if necessary with layers made from zircon particles.

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Description

  • La présente invention porte sur la fabrication de pièces telles que des aubages métalliques à géométries complexes selon la technique connue sous le nom de fonderie à cire perdue.
  • Pour la fabrication des aubages de turboréacteurs, tels que les pièces de rotors ou de stators, ou bien des pièces de structure selon cette technique, on en réalise d'abord un modèle en cire ou autre matériau équivalent facilement éliminable par la suite. Le cas échéant, on regroupe plusieurs modèles en une grappe. On confectionne autour de ce modèle un moule céramique par trempage dans une première barbotine pour former une première couche de matière au contact de sa surface. On sable la surface de cette couche afin de la renforcer et de faciliter l'accrochage de la couche suivante, et on sèche l'ensemble : ce qui constitue respectivement les opérations de stuccage et de séchage. On répète ensuite l'opération de trempage dans des barbotines de compositions éventuellement différentes, opération toujours associée aux opérations successives de stuccage et de séchage. On réalise ainsi une carapace céramique constituée d'une pluralité de couches. Les barbotines sont composées de particules de matériaux céramiques, notamment une farine, tel que l'alumine, la mullite, le zircon ou autre, avec un liant colloïdal minéral et des adjuvants le cas échéant en fonction de la rhéologie souhaitée. Ces adjuvants permettent de maîtriser et de stabiliser les caractéristiques des différents types de couches, tout en s'affranchissant des effets des différentes caractéristiques physicochimiques des matières premières constituant les barbotines. Il peut s'agir d'un agent mouillant, d'un fluidifiant ou d'un texturant en fonction, pour ce dernier, de l'épaisseur désirée pour le dépôt.
  • On procède ensuite au décirage du moule carapace, qui est une opération par laquelle on élimine le matériau constituant le modèle d'origine. Après élimination du modèle, on obtient un moule céramique dont la cavité reproduit tous les détails du modèle. Le moule subit ensuite un traitement thermique à haute température ou « cuisson » qui lui confère les propriétés mécaniques nécessaires. Le moule carapace est ainsi 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 dans la cavité du moule puis à le solidifier. Dans le domaine de la fonderie à cire perdue, on distingue actuellement plusieurs techniques de solidification, donc 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) respectivement. Les deux premières familles de pièces concernent des superalliages pour des pièces soumises à de fortes contraintes, tant thermiques que mécaniques dans le turboréacteur, comme les aubes de turbines HP.
  • Après la coulée de l'alliage, on casse la carapace par une opération de décochage, et on parachève la fabrication de la pièce métallique.
  • Lors de l'étape de moulage, plusieurs types de carapaces peuvent être réalisés au travers de plusieurs procédés. Chaque carapace doit posséder des propriétés spécifiques qui permettent d'assurer le type de solidification désiré.
  • Par exemple, pour la solidification équiaxe, plusieurs procédés différents peuvent être mis en oeuvre, l'un utilisant un liant à base de silicate d'éthyle, un autre utilisant un liant à base de silice colloïdale. Pour la solidification dirigée, les carapaces peuvent être réalisées à partir de charges différentes, à base silico-alumineuse, silice-zircon ou silice.
  • La première couche pour chacune de ces carapaces joue un rôle essentiel. Elle constitue l'interface entre le moule carapace et l'alliage coulé. Elle doit, dans le cas d'une solidification dirigée à structure colonnaire ou monocristalline, être non réactive avec l'alliage coulé. Dans le cas d'une solidification équiaxe, elle doit permettre la germination équiaxe des grains. Par ailleurs, l'intégrité de cette couche de contact détermine la qualité finale de la pièce coulée, en terme d'état de surface notamment.
  • La première couche doit en effet satisfaire à certaines exigences afin d'éviter des défauts tels que les décohésions céramiques, et les défauts de surface.
  • Les décohésions de la couche de contact avant ou pendant la coulée, peuvent générer des marques néfastes sur pièces.
  • Les défauts surfaciques résultent d'une micro porosité excessive de la couche de contact qui génère des surplus formant des reliefs en surface des pièces.
  • Les défauts surfaciques majeurs sont souvent la résultante d'un phénomène capillaire surfacique à l'interface entre le modèle en cire et la première couche. Après trempé de la première couche, lors du saupoudrage, les grains de sable forment des empilements, lesquels présentent de nombreux capillaires. Chacun agit comme une ventouse qui donne lieu à une dépression. Celle-ci est d'autant plus grande que le capillaire est petit. Cela correspond à une première couche d'épaisseur insuffisante. La dépression favorise une ascension capillaire de la barbotine vers le stucco et ce, jusqu'à ce que la colonne de liquide ainsi formée rétablisse la différence de pression. Il s'ensuit la formation d'une zone de retrait avec cavité qui conduit à la formation de défauts surfaciques. Ce phénomène est accentué par une première couche d'épaisseur trop faible.
  • Ces deux types de défauts, majeurs en fonderie, sont liés à des caractéristiques antagonistes intrinsèques de la couche de contact. En effet, pour éviter les défauts de décohésions céramiques on tend vers un dépôt de première couche fin et uniforme, alors que pour éviter les défauts surfaciques on vise plutôt un dépôt de première couche uniforme mais plus épais.
  • Les propriétés de la couche de contact doivent donc permettre de trouver un compromis entre ces caractéristiques antagonistes, afin de s'affranchir de tous défauts sur pièces.
  • L'invention parvient à ces objectifs avec le procédé conforme aux caractéristiques de la revendication 1.
  • Grâce à la composition de la barbotine, on parvient à remplir les objectifs assignés pour tous les moules de fonderie, dont les propriétés satisfont aux conditions de coulées répondant notamment aux contraintes des procédés de solidification DS et SX. En particulier, la couche de contact n'est pas réactive face aux superalliages coulés.
  • On connaît US 5618633 qui porte sur la fabrication d'une structure en nid d'abeille par coulée d'un métal en fusion dans un moule carapace. Le moule est réalisé par trempages successifs dans une barbotine formée de particules céramiques en suspension dans un fluide.
  • Pour satisfaire aux contraintes économiques liées aux rejets, la barbotine est avantageusement composée de farine de mullite en quantité comprise entre 65 et 90% en poids, sans zircon. De même, les particules de sable ou « stuccos », pour cette couche de contact, sont formées à partir de grains de mullite et non de zircon.
  • L'ajout des adjuvants dans la barbotine permet de maîtriser les dépôts sur cire et d'en assurer des caractéristiques optimales en terme d'épaisseurs et de répartition sur pièces.
  • De préférence et pour satisfaire aux contraintes environnementales, le liant est une solution colloïdale minérale base eau, telle que la silice colloïdale, et non un liant base alcool.
  • Le dépôt de couche de contact sur cire, associé à un renfort par saupoudrage d'un sable de mullite de granulométrie comprise entre 80 et 250 microns permet d'obtenir une très bonne cohésion de première couche et de très bons états de surface des pièces coulées.
  • On décrit ci-après le procédé plus en détail.
  • Le procédé de fabrication des moules carapaces comprend une première étape de fabrication du modèle en cire ou en un autre matériau équivalent connu dans le domaine. Le plus généralement connu est la cire. Selon le type de pièce, on peut regrouper les modèles en grappe de manière à pouvoir en fabriquer plusieurs simultanément. Les modèles sont façonnés aux dimensions des pièces définitives, au retrait près des alliages.
  • Les étapes de fabrication de la carapace sont de préférence menées par un robot dont les mouvements sont programmés pour avoir une action optimale sur la qualité des dépôts réalisés, et pour s'affranchir de l'aspect géométrique des différents aubages.
  • On prépare parallèlement des barbotines dans lesquelles on trempe successivement les modèles ou la grappe pour effectuer des dépôts de matières céramiques.
  • La composition de la première barbotine en pourcentage pondéral est la suivante :
    • farine de mullite   65 - 80
    • liant silice colloïdale   20 - 35
    • eau   0-5
    • 3 adjuvants organiques qui sont des agents respectivement mouillant, fluidifiant et texturant.
  • Les 3 adjuvants ont respectivement les fonctions suivantes :
    • Le fluidifiant permet d'obtenir plus rapidement la rhéologie désirée lors de la fabrication de la couche. Il agit en tant que dispersant. Il est choisi de préférence parmi les composés suivants : acides aminés, polyacrylates d'ammonium, tri-acides carboxyliques à groupements alcools.
    • Le mouillant permet de faciliter le nappage de la couche lors du trempé. Il est de préférence choisi parmi les composés suivants : alcools gras poly-alkylènes, alcools alkoxylates.
    • Le texturant permet d'optimiser la rhéologie de la couche afin d'obtenir des dépôt adaptés. Il est choisi de préférence parmi : les polymères de l'oxyde d'éthylène, les gommes de xanthane ou les gommes de guar.
  • Une fois le modèle retiré de la première barbotine après une phase d'immersion, le modèle recouvert subit une phase d'égouttage puis de nappage. On applique ensuite des grains de « stucco », particules de sable, par saupoudrage afin de ne pas perturber la fine couche de contact. On utilise de la mullite dont la granulométrie dans cette première couche est fine. Elle est comprise entre 80 et 250 microns. L'état de surface des pièces en final en dépend en partie.
  • On sèche la couche.
  • Les essais ont montré que pour obtenir des caractéristiques rhéologiques satisfaisantes, l'incorporation d'adjuvants était avantageuse sinon nécessaire.
  • On procède ensuite au trempé dans une seconde barbotine pour former une couche dite « intermédiaire ».
  • Comme précédemment, on dépose un « stucco » et on sèche.
  • On trempe ensuite le modèle dans une troisième barbotine pour former la couche 3 qui est la première couche dite « de renfort ».
  • On applique ensuite le stucco et on sèche. On répète les opérations de trempage dans la troisième barbotine, de stuccage et de séchage pour obtenir l'épaisseur de carapace souhaitée. Pour la dernière couche, on procède à une opération de glaçage.
  • Les deuxième et troisième barbotines peuvent comprendre un mélange de farines d'alumine et de mullite en quantités comprises entre 45 et 95% en poids, et des grains de mullite en quantités comprises entre 0 et 25% en poids.
  • Les trempés pour les différentes couches sont effectués de manières différentes et adaptées afin d'obtenir une répartition homogène des épaisseurs et d'éviter la formation de bulles, notamment dans les zones enfermées.
  • On procède à un séchage final après la formation de la dernière couche.
  • La carapace peut ainsi comprendre de 5 à 12 couches.
  • Le cycle de cuisson des moules comprend une phase de montée en température pendant une période déterminée, un palier à la température de cuisson et une phase de refroidissement. Le cycle de cuisson est choisi pour optimiser les propriétés mécaniques des carapaces de manière à permettre les manipulations à froid sans risque de casses, et de manière à minimiser leurs sensibilités aux chocs thermiques pouvant être générés lors des différentes étapes de coulées.
  • On a décrit un exemple de procédé de fabrication de moule carapace à partir de la couche de contact selon l'invention. Cette couche de contact peut être associée à tous les types de couches selon les besoins, même le cas échéant avec des couches réalisées à partir de particules de zircon.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication de moule carapace céramique à plusieurs couches dont au moins une couche de contact à partir d'un modèle d'aube de turbomachine à fabriquer, en cire ou autre matériau semblable, comprenant le trempage du modèle dans une première barbotine contenant des particules céramique et un liant pour former la couche de contact, à déposer des particules de sable sur ladite couche et à sécher celle-ci, caractérisé par le fait que les particules céramiques de la première barbotine sont des particules de mullite, la barbotine comprend un agent mouillant, un agent fluidifiant et un agent texturant, et lesdites particules de sables sont formées de grains de mullite, de granulométrie comprise en 80 et 250 microns.
  2. Procédé selon la revendication 1 selon lequel les particules de céramiques ne comprennent pas de zircon.
  3. Procédé selon la revendication 1 dont l'agent mouillant est choisi parmi les alcools gras poly-alkylènes, ou alcools alkoxylates.
  4. Procédé selon la revendication 3 dont l'agent fluidifiant est choisi parmi les acides aminés, les polyacrylates d'ammonium ou les tri-acides carboxyliques à groupements alcools.
  5. Procédé selon la revendication 1 dont l'agent texturant est choisi parmi les polymères de l'oxyde d'éthylène, les gommes de xanthane, ou les gommes de guar.
  6. Procédé selon la revendication 1 dont le liant est à base de solutions colloïdales minérales à base eau, en particulier la silice colloïdale.
  7. Procédé selon la revendication 1 dont les particules de sables sont appliquées par saupoudrage.
  8. Procédé selon la revendication 1, dont la barbotine comprend une farine de mullite en quantité comprise entre 65 et 80 % en poids.
  9. Utilisation d'un moule carapace selon l'une des revendications précédentes pour la fabrication d'une aube de turbomachine avec solidification de type dirigé à structure colonnaire.
  10. Utilisation d'un moule carapace selon l'une des revendications 1 à 8 pour la fabrication d'une aube de turbomachine avec solidification de type dirigé à structure monocristalline.
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