WO2020120882A1 - Improved casting slurry for the production of shell molds - Google Patents
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Definitions
- the present presentation relates to the field of foundry, in particular the foundry processes of the lost-wax type, and more particularly the slip used in such processes, in particular for the manufacture of foundry shell molds.
- the first step is normally the manufacture of a shell mold, which generally includes the production of a model of material with a comparatively low melting temperature, such as for example a wax or resin, around which is then made a shell of refractory material.
- a molten metal is poured into this mold, in order to fill the cavity formed by the model. in the mold after its evacuation. Once the metal cools and solidifies, the mold can be opened or destroyed in order to recover a metal part conforming to the shape of the model.
- the wax model is generally
- contact slip plays a key role in the quality of the molded metal parts.
- this contact slip makes it possible to form the internal surface of the shell mold, coming directly into contact with the metal of the metal part to be molded.
- the present disclosure relates to a foundry slip for the manufacture of shell molds for the molding of a part comprising an alloy
- the slip comprising powder particles and a binder, the binder comprising colloidal yttrin, and the powder particles comprising zirconia stabilized by calcium oxide.
- a foundry slip is a slip suitable for being used for the formation of a shell mold in which molten metal will be cast.
- a slip comprises a binder, that is to say a compound ensuring cohesion between the powder particles and giving the shell mold its mechanical strength in raw and after sintering.
- the binder can be inorganic.
- the powder particles can be sand particles (also known as “flour”), in particular refractory particles, generally having a diameter between 1 micrometer and 100 micrometers.
- the foundry slip used in this presentation comprises a binder comprising colloidal yttrin, and powder particles comprising zirconia.
- CSZ from the English “calcia stabilized zirconia”, that is to say zirconia stabilized by calcium oxide
- CSZ from the English “calcia stabilized zirconia”, that is to say zirconia stabilized by calcium oxide
- the viscosity of a slip of the state of the art does not have the composition of the present description, that is to say that is, a binder comprising colloidal yttrin and powder particles comprising zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ), tends to increase over time, causing gelation of the slip.
- a binder comprising colloidal yttrin and powder particles comprising zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ) tends to increase over time, causing gelation of the slip.
- the use of zirconia stabilized by calcium oxide makes it possible to modify the interaction between the binder and the powder particles to stabilize the slip, while retaining a low reactivity with the metals to be molded, such as for example titanium aluminide alloys (TiAI), or even a lower reactivity than a slip comprising an yttrin powder and a binder comprising colloidal ytrin.
- TiAI titanium aluminide alloys
- the slip thus obtained therefore has an increased service life and can be reused.
- the baths used can also be larger, without causing loss.
- the slip is a contact slip configured to come into contact with the metal of the part to be molded.
- Called slip is the first slip used, which comes directly into contact with the metal of the part at the time of molding, as opposed to the following slip, called reinforcement slip and
- a Contact slip is configured to follow the shape of the part and not alter it.
- a contact slip is often kept for longer periods of time than a reinforcing slip which is consumed more quickly, hence an increased need for stability for a contact slip.
- the slip according to the present disclosure is therefore particularly suitable for use as a contact slip, due to its stability over time and its non-reactivity with certain metals such as TiAI.
- the mass content of calcium oxide in the zirconia stabilized by calcium oxide is between 1 and 30%, preferably between 3 and 20%, more preferably between 5 and 10 %.
- stabilized by calcium oxide in the slip is between 65 and 75%, preferably between 68% and 72%, more preferably equal to 70%.
- a mass ratio of the binder in the slip is between 20 and 40%, preferably between 25 and 35%, more preferably equal to 29.8%.
- a mass ratio of additives in the slip is less than 10%, preferably between 0.1 and 5%, more preferably still between 0.5 and 2%.
- the viscosity of the slip is a hydrophiliosity of the slip.
- the viscosity of the slip is maintained at a value between 0.1 and 2 Pa.s for a duration at least equal to 24 hours. These values make it possible in particular to facilitate the accessibility of the slip to certain narrow areas of the model.
- the foundry slip is
- the slip according to the present disclosure is particularly suitable for use as a contact slip, due to its stability over time. and its non-reactivity with metallic alloys based on titanium aluminide (T'AI).
- the present presentation also relates to the use of a foundry slip according to any one of the preceding embodiments for the manufacture of a shell mold.
- the present presentation also relates to a method of manufacturing a shell mold for molding a part, the method comprising steps of:
- the reinforcing slip comprises a binder and powder particles, the binder being chosen from: ethyl silicate, sodium silicate or colloids among which, in particular, colloidal silica, colloidal alumina, colloidal yttrin or colloidal zirconia.
- the powder particles are sized. In some embodiments, the powder particles
- mullite-zirconia composites include at least one compound from alumina, mullite, zirconia, mullite-zirconia composites.
- the present presentation also relates to a shell mold obtained by a process according to any one of the preceding embodiments.
- the shell mold obtained by the process according to the present description makes it possible to limit the oxygen-rich reaction layer which forms on the surface of a metal part, for example a blade of an aeronautical engine, molded in this mold. shell.
- the reaction layer is defined here as the thickness for which the oxygen concentration is greater than at least twice the concentration measured in the base alloy. In particular, for an isothermal contact at 1600 ° C. for a period of 5 min, this reaction flask remains less than 15 ⁇ m for the part thus obtained.
- FIG. 1 schematically represents the steps of a process for manufacturing a shell mold for foundry processes
- Figure 2 is a graph illustrating the evolution of the viscosity of a control slip, and of the slip of the present presentation, as a function of a shear stress.
- the process for manufacturing aeronautical parts is a foundry process.
- the various stages of this process are described for example in the document FR3031921.
- a first step in this process consists in manufacturing a wax cluster model called still 'non-permanent cluster'.
- the shell mold is made from the wax cluster.
- the wax constituting the cluster model is removed from the mold. This removal of the wax is carried out by bringing the shell mold in an autoclave oven (or other) to a temperature higher than the melting temperature of the wax.
- the metal cluster of blades is formed in the shell mold by pouring molten metal into it.
- the cluster is released from the shell mold.
- each of the blades is separated from the rest of the cluster and finished by finishing processes, for example machining processes.
- the invention relates in particular to the manufacture of the shell mold in which the casting of the metal will be carried out, and more specifically the contact slip used for the manufacture of this mold.
- the different steps of this process are illustrated in Figure 1.
- the first step includes the provision of a wax model, or other equivalent material that can be easily removed later, of the part.
- the wax model is dipped in a first slip, the contact slip (step S2), comprising powder particles and a binder.
- Sandblasting in other words a deposit of sand particles called contact stucco, is then carried out, followed by drying of the layer obtained (step S3). This sanding step makes it possible to strengthen the layer and facilitate the attachment of the next layer.
- step S4 A deposit of sand particles called reinforcing stucco is then carried out, followed by drying of the layer obtained (step S5). Steps S4 and S5 are repeated N times, until a determined shell thickness is obtained. Finally, when the desired thickness is reached, a dewaxing step, consisting of removing the wax model from the model, then heat treatment, is carried out (step S6). After elimination of the wax model, we obtain a ceramic shell mold whose cavity reproduces in negative all the details of the part to be molded.
- the heat treatment comprises cooking the mold obtained, the cooking temperature preferably being between 1000 and 1200 ° C.
- the slip used is composed of particles of materials
- ceramics in particular alumina, mullite, zirconia or the like, with a mineral colloidal binder and additives if necessary, such as wetting agents or anti-foaming agents.
- the contact slip used in step S2 comprises yttrin.
- the contact stucco used in step S3 may also include yttrin.
- the reinforcing slip and the reinforcing stucco used in steps S4 and S5 can comprise mullite, alumina, silico-aluminous, silica, zircon, zirconia or yttrine, for example.
- the invention relates more particularly to the contact slip used in step S2, and in particular the presence of colloidal yttrin and of zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ) in the powder particles which comprises that -this.
- CSZ calcium oxide
- slip A intended to be used as contact slip for the manufacture of a shell mold.
- Slip A may have the following composition, expressed in percentages by mass:
- slip B which the inventors have determined that it exhibits reactivity with TiAI similar to that of slip A, and whose powder particles comprise zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ), CaO acting as a stabilizing agent.
- the CSZ can for example be obtained by reactive sintering.
- the level of CaO in percentage by mass present in the powder is between 1 and 20%. Slip B thus obtained has the following mass percentages:
- Slip B also includes unavoidable impurities.
- unavoidable impurities mention may, for example, be made of silicon dioxide (Si02), titanium dioxide (Ti02), iron oxide (Fe203) or alumina (AI203). Elements which are not intentionally added to the composition and which are provided with other elements are defined as inevitable impurities.
- the curves illustrated in Figure 2 illustrate the influence of the composition used for the contact slip according to this presentation on the stability thereof.
- This figure shows the evolution of the dynamic viscosity h in Pa.s of the slip, as a function of a shear applied to this slip.
- These measurements are carried out using a rotary rheometer having coaxial cylindrical geometries, making it possible to apply to the slip a shear of between 0.1 and 100 s 1 .
- Curve (a) represents the viscosity of slip A after 0.5 h
- curve (b) represents the viscosity of slip A after 2 h
- curve (c) represents the viscosity of slip A after 3.5 h
- curve (d) represents the viscosity of the slip B of the invention after 24 h.
- the durations mentioned above are determined from an instant t0 corresponding to the end of the manufacture of the slip.
- Curves (a) and (b) illustrating the viscosity of slip A after 0.5 h and after 2 h are substantially combined.
- the viscosity of slip A is approximately equal to 4 Pa.s after 2 h. This viscosity then increases very rapidly over time, and reaches a value greater than 25 Pa.s after 3.5 h. In other words, the slip quickly becomes very viscous, and tends to gel.
- slip B shows that the viscosity of slip B remains below 1 Pa.s after 24 h, whatever the shear applied to it.
- Slip B therefore has increased stability compared to slurry A, and remains fluid while retaining a low viscosity even 24 hours after the preparation of this slurry.
- the composition of slip B makes it possible to maintain a low reactivity with TiAI alloys, equivalent to or even less than that of slip A.
- references to a process can be transposed, alone or in combination, to a device, and conversely, all the characteristics described with reference to a device can be transposed, alone or in combination, to a process.
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Abstract
The invention relates to a casting slurry for the production of shell molds for molding a part comprising a metal alloy, the slurry comprising powder particles and a binder, wherein the binder comprises colloidal yttria and the powder particles comprise zirconia stabilized by calcium oxide.
Description
Description Description
Titre de l'invention : Barbotine de fonderie améliorée pour la fabrication de moules carapaces Title of the invention: Improved foundry slip for the manufacture of shell molds
Domaine Technique Technical area
[0001 ] Le présent exposé concerne le domaine de la fonderie, notamment les procédés de fonderie du type à cire perdue, et plus particulièrement les barbotines utilisées dans de tels procédés, notamment pour la fabrication de moules carapaces de fonderie. The present presentation relates to the field of foundry, in particular the foundry processes of the lost-wax type, and more particularly the slip used in such processes, in particular for the manufacture of foundry shell molds.
Technique antérieure Prior art
[0002] Des procédés de fonderie dits à cire perdue ou à modèle perdu sont So-called lost-wax or lost-model foundry processes are
connus, en eux-mêmes, depuis l'Antiquité. Un tel procédé est par exemple décrit dans le document FR3031921. Ils sont particulièrement adaptés pour la production de pièces métalliques avec des formes complexes. Ainsi, la fonderie à modèle perdu est notamment utilisée pour la production de pales de known in themselves since Antiquity. Such a method is for example described in the document FR3031921. They are particularly suitable for the production of metal parts with complex shapes. Thus, the lost model foundry is used in particular for the production of
turbomachines ou de secteurs de roue aubagée. Dans la fonderie à modèle perdu, la première étape est normalement la fabrication d’un moule carapace, qui comprend généralement la réalisation d'un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine, autour duquel est ensuite réalisée une carapace en matériau réfractaire. Après destruction du modèle, le plus souvent par évacuation du matériau du modèle de l'intérieur du moule carapace, ce qui donne son nom à ces procédés, un métal en fusion est coulé dans ce moule, afin de remplir la cavité formée par le modèle dans le moule après son évacuation. Une fois que le métal se refroidit et solidifie, le moule peut être ouvert ou détruit afin de récupérer une pièce métallique conforme à la forme du modèle. turbomachinery or bladed wheel sectors. In the lost model foundry, the first step is normally the manufacture of a shell mold, which generally includes the production of a model of material with a comparatively low melting temperature, such as for example a wax or resin, around which is then made a shell of refractory material. After destruction of the model, most often by evacuating the material of the model from the interior of the shell mold, which gives its name to these processes, a molten metal is poured into this mold, in order to fill the cavity formed by the model. in the mold after its evacuation. Once the metal cools and solidifies, the mold can be opened or destroyed in order to recover a metal part conforming to the shape of the model.
[0003] Pour réaliser le moule carapace, le modèle en cire est généralement To make the shell mold, the wax model is generally
trempé dans une barbotine de fonderie, puis enduit de sables et séché. Ces opérations peuvent être répétées afin de former plusieurs couches et d’obtenir l’épaisseur et la tenue mécanique souhaitées pour le moule carapace. soaked in a foundry slip, then coated with sands and dried. These operations can be repeated in order to form several layers and to obtain the desired thickness and mechanical strength for the shell mold.
Cependant, la première couche de barbotine utilisée, appelée barbotine de contact, joue un rôle primordial sur la qualité des pièces métalliques moulées. En
effet, cette barbotine de contact permet de former la surface interne du moule carapace, venant directement en contact avec le métal de la pièce métallique à mouler. However, the first layer of slip used, called contact slip, plays a key role in the quality of the molded metal parts. In Indeed, this contact slip makes it possible to form the internal surface of the shell mold, coming directly into contact with the metal of the metal part to be molded.
[0004] Dans le domaine de l’aéronautique, la fabrication de pièces telles que des aubes de turbine utilise notamment ces procédés de fonderie à cire perdue. En particulier, des alliages intermétalliques à base d’aluminure de titane (TiAI), de par leur faible densité, sont fréquemment utilisés pour la fabrication de ces aubes. Ce type d’alliage présente la particularité de réagir facilement avec les constituants du moule carapace, le contact de ce moule carapace avec le métal de la pièce pouvant détériorer l’état de surface de cette pièce. Pour limiter cet effet, il est connu d’utiliser une barbotine de contact incluant une poudre d’yttrine et un liant comportant de l’yttrine colloïdale. Cette barbotine présente néanmoins l’inconvénient d’être instable. En effet, la barbotine de contact présentant cette composition tend à gélifier rapidement, au bout de quelques heures, par exemple au bout de trois ou quatre heures. Cet inconvénient limite l’application industrielle de ce type de barbotine. De plus, ce type de barbotine présente un coût élevé. In the aeronautical field, the manufacture of parts such as turbine blades uses in particular these lost wax casting methods. In particular, intermetallic alloys based on titanium aluminide (TiAI), due to their low density, are frequently used for the manufacture of these blades. This type of alloy has the particularity of reacting easily with the constituents of the shell mold, the contact of this shell mold with the metal of the part can deteriorate the surface state of this part. To limit this effect, it is known to use a contact slip comprising an yttrin powder and a binder comprising colloidal yttrine. This slip nevertheless has the disadvantage of being unstable. Indeed, the contact slip having this composition tends to gel quickly, after a few hours, for example after three or four hours. This drawback limits the industrial application of this type of slip. In addition, this type of slip has a high cost.
[0005] Alternativement, certains additifs ont pu être utilisés, mais aucun de ces additifs n’a apporté satisfaction dans la mesure où l’amélioration d’un paramètre de la barbotine était compensée par la dégradation inacceptable d’un autre paramètre. Alternatively, some additives could have been used, but none of these additives was satisfactory to the extent that the improvement of one parameter of the slip was offset by the unacceptable degradation of another parameter.
[0006] Il existe donc un besoin pour un nouveau type de barbotine de contact, présentant une stabilité accrue dans le temps. There is therefore a need for a new type of contact slip, having increased stability over time.
Exposé de l’invention Statement of the invention
[0007] Le présent exposé concerne une barbotine de fonderie pour la fabrication de moules carapaces pour le moulage de pièce comprenant un alliage The present disclosure relates to a foundry slip for the manufacture of shell molds for the molding of a part comprising an alloy
métallique, la barbotine comprenant des particules de poudre et un liant, le liant comprenant de l’yttrine colloïdale, et les particules de poudre comprenant de la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium. metallic, the slip comprising powder particles and a binder, the binder comprising colloidal yttrin, and the powder particles comprising zirconia stabilized by calcium oxide.
[0008] Une barbotine de fonderie est une barbotine apte à être utilisée pour la formation d’un moule carapace dans lequel sera coulé du métal en fusion. En particulier, par différence avec une suspension quelconque, une telle barbotine comprend un liant, c’est-à-dire un composé assurant une cohésion entre les
particules de poudre et conférant au moule carapace sa tenue mécanique en cru et après frittage. Le liant peut être inorganique. De manière classique, les particules de poudre peuvent être des particules de sables (aussi connu sous le nom de « farine »), notamment des particules réfractaires, ayant généralement un diamètre compris entre 1 micromètre et 100 micromètres. A foundry slip is a slip suitable for being used for the formation of a shell mold in which molten metal will be cast. In particular, in contrast to any suspension, such a slip comprises a binder, that is to say a compound ensuring cohesion between the powder particles and giving the shell mold its mechanical strength in raw and after sintering. The binder can be inorganic. Conventionally, the powder particles can be sand particles (also known as “flour”), in particular refractory particles, generally having a diameter between 1 micrometer and 100 micrometers.
[0009] La barbotine de fonderie utilisée dans le présent exposé comprend un liant comprenant de l’yttrine colloïdale, et des particules de poudre comprenant de la zircone. De manière surprenante, il a été constaté par les inventeurs que la présence de CSZ (de l’anglais « calcia stabilized zirconia », c’est-à-dire de la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium) dans les particules de poudre permettait de stabiliser significativement une barbotine comprenant de l’yttrine, et de conserver une fluidité suffisante, c’est-à-dire une viscosité faible. Inversement, la viscosité d’une barbotine de l’état de la technique (par exemple un liant comprenant de l’yttrine colloïdale et des particules de poudre comprenant de l’yttrine) ne présentant pas la composition du présent exposé, c’est-à-dire un liant comprenant de l’yttrine colloïdale et des particules de poudre comprenant de la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium (CSZ), a tendance à augmenter avec le temps, entraînant la gélification de la barbotine. The foundry slip used in this presentation comprises a binder comprising colloidal yttrin, and powder particles comprising zirconia. Surprisingly, it was found by the inventors that the presence of CSZ (from the English “calcia stabilized zirconia”, that is to say zirconia stabilized by calcium oxide) in the particles of powder made it possible to significantly stabilize a slip comprising yttrin, and to maintain sufficient fluidity, that is to say a low viscosity. Conversely, the viscosity of a slip of the state of the art (for example a binder comprising colloidal yttrin and powder particles comprising yttrin) does not have the composition of the present description, that is to say that is, a binder comprising colloidal yttrin and powder particles comprising zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ), tends to increase over time, causing gelation of the slip.
[0010] Dans la barbotine du présent exposé, l’utilisation de la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium permet de modifier l’interaction entre le liant et les particules de poudre pour stabiliser la barbotine, tout en conservant une faible réactivité avec les métaux à mouler, comme par exemple les alliages d’aluminure de titane (TiAI), voire une réactivité plus faible qu’une barbotine incluant une poudre d’yttrine et un liant comportant de l’yttrine colloïdale. La barbotine ainsi obtenue présente donc une durée de vie accrue et peut être réutilisée. Les bains utilisés peuvent également être plus grands, sans entraîner de perte. In the slip of the present presentation, the use of zirconia stabilized by calcium oxide makes it possible to modify the interaction between the binder and the powder particles to stabilize the slip, while retaining a low reactivity with the metals to be molded, such as for example titanium aluminide alloys (TiAI), or even a lower reactivity than a slip comprising an yttrin powder and a binder comprising colloidal ytrin. The slip thus obtained therefore has an increased service life and can be reused. The baths used can also be larger, without causing loss.
[0011 ] Dans certains modes de réalisation, la barbotine est une barbotine de contact configurée pour venir au contact du métal de la pièce à mouler. In some embodiments, the slip is a contact slip configured to come into contact with the metal of the part to be molded.
[0012] On appelle barbotine de contact la première barbotine utilisée, qui vient directement au contact du métal de la pièce au moment du moulage, par opposition aux barbotines suivantes, appelées barbotines de renfort et Called slip is the first slip used, which comes directly into contact with the metal of the part at the time of molding, as opposed to the following slip, called reinforcement slip and
recouvrant les couches précédentes de moule carapace en formation. Une
barbotine de contact est configurée pour épouser la forme de la pièce et ne pas l’altérer. Une barbotine de contact est souvent conservée pendant des durées plus longues qu’une barbotine de renfort qui est consommée plus rapidement, d’où un besoin accru en stabilité pour une barbotine de contact. La barbotine selon le présent exposé est donc particulièrement adaptée pour une utilisation en tant que barbotine de contact, de par sa stabilité dans le temps et sa non- réactivité avec certains métaux tels que les TiAI. covering the previous layers of shell mold in formation. A Contact slip is configured to follow the shape of the part and not alter it. A contact slip is often kept for longer periods of time than a reinforcing slip which is consumed more quickly, hence an increased need for stability for a contact slip. The slip according to the present disclosure is therefore particularly suitable for use as a contact slip, due to its stability over time and its non-reactivity with certain metals such as TiAI.
[0013] Dans certains modes de réalisation, la teneur massique en oxyde de calcium dans la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium est comprise entre 1 et 30 %, de préférence entre 3 et 20 %, de préférence encore entre 5 et 10%. In certain embodiments, the mass content of calcium oxide in the zirconia stabilized by calcium oxide is between 1 and 30%, preferably between 3 and 20%, more preferably between 5 and 10 %.
[0014] Dans certains modes de réalisation, un ratio massique de la zircone In some embodiments, a mass ratio of zirconia
stabilisée par de l’oxyde de calcium dans la barbotine est compris entre 65 et 75 %, de préférence entre 68% et 72%, de préférence encore égal à 70%. stabilized by calcium oxide in the slip is between 65 and 75%, preferably between 68% and 72%, more preferably equal to 70%.
[0015] Dans certains modes de réalisation, un ratio massique du liant dans la barbotine est compris entre 20 et 40 %, de préférence entre 25 et 35 %, de préférence encore égal à 29,8%. In certain embodiments, a mass ratio of the binder in the slip is between 20 and 40%, preferably between 25 and 35%, more preferably equal to 29.8%.
[0016] Dans certains modes de réalisation, un ratio massique d’additifs dans la barbotine est inférieur à 10 %, de préférence entre 0,1 et 5 %, de préférence encore égal à entre 0,5 et 2 %. In some embodiments, a mass ratio of additives in the slip is less than 10%, preferably between 0.1 and 5%, more preferably still between 0.5 and 2%.
[0017] Dans certains modes de réalisation, la viscosité de la barbotine est In certain embodiments, the viscosity of the slip is
comprise entre 0,1 et 2 Pa.s. between 0.1 and 2 Pa.s.
[0018] Plus précisément, la viscosité de la barbotine est maintenue à une valeur comprise entre 0,1 et 2 Pa.s pour une durée au moins égale à 24 heures. Ces valeurs permettent notamment de faciliter l’accessibilité de la barbotine à certaines zones étroites du modèle. More specifically, the viscosity of the slip is maintained at a value between 0.1 and 2 Pa.s for a duration at least equal to 24 hours. These values make it possible in particular to facilitate the accessibility of the slip to certain narrow areas of the model.
[0019] Dans certains modes de réalisation, la barbotine de fonderie est In some embodiments, the foundry slip is
configurée pour la fabrication de moules carapaces pour le moulage de pièce comportant un alliage métallique à base d’aluminure de titane. configured for the manufacture of shell molds for the molding of a part comprising a metal alloy based on titanium aluminide.
[0020] La barbotine selon le présent exposé est particulièrement adaptée pour une utilisation en tant que barbotine de contact, de par sa stabilité dans le temps
et sa non-réactivité avec les alliages métalliques à base d’aluminure de titane (T'AI). The slip according to the present disclosure is particularly suitable for use as a contact slip, due to its stability over time. and its non-reactivity with metallic alloys based on titanium aluminide (T'AI).
[0021 ] Le présent exposé concerne également une utilisation d’une barbotine de fonderie selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents pour la fabrication d’un moule carapace. The present presentation also relates to the use of a foundry slip according to any one of the preceding embodiments for the manufacture of a shell mold.
[0022] Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’un moule carapace pour le moulage de pièce, le procédé comprenant des étapes de : The present presentation also relates to a method of manufacturing a shell mold for molding a part, the method comprising steps of:
- fourniture d'un modèle d'une pièce à fabriquer ; - supply of a model of a part to be manufactured;
- trempage du modèle dans une barbotine de contact selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents ; - dipping the model in a contact slip according to any one of the preceding embodiments;
- sablage du modèle trempé dans un sable de contact comportant de l'yttrine ; - sanding of the model dipped in contact sand containing yttrin;
- séchage de la couche obtenue par les étapes précédentes ; - drying of the layer obtained by the preceding steps;
- trempage du modèle dans une barbotine de renfort, sablage du modèle trempé dans un sable de renfort, et séchage de la couche obtenue, jusqu'à obtenir une épaisseur de moule carapace souhaitée ; - soaking the model in a reinforcing slip, sandblasting the model soaked in reinforcing sand, and drying the layer obtained, until a desired shell mold thickness is obtained;
- enlèvement du modèle de pièce. - removal of the part model.
[0023] Dans certains modes de réalisation, la barbotine de renfort comporte un liant et des particules de poudre, le liant étant choisi parmi : le silicate d’éthyle, le silicate de soude ou les colloïdes parmi lesquels, notamment, la silice colloïdale, l’alumine colloïdale, l’yttrine colloïdale ou la zircone colloïdale. In certain embodiments, the reinforcing slip comprises a binder and powder particles, the binder being chosen from: ethyl silicate, sodium silicate or colloids among which, in particular, colloidal silica, colloidal alumina, colloidal yttrin or colloidal zirconia.
[0024] Dans certains modes de réalisation, les particules de poudre In some embodiments, the powder particles
comprennent au moins un composé parmi l’alumine, la mullite, la zircone, les composites mullite-zircone. include at least one compound from alumina, mullite, zirconia, mullite-zirconia composites.
[0025] Le présent exposé concerne également un moule carapace obtenu par un procédé selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. The present presentation also relates to a shell mold obtained by a process according to any one of the preceding embodiments.
[0026] Le moule carapace obtenu par le procédé selon le présent exposé permet de limiter la couche de réaction riche en oxygène qui se forme à la surface d’une pièce métallique, par exemple une aube d’un moteur aéronautique, moulée dans ce moule carapace. La couche de réaction est définie ici comme étant l’épaisseur pour laquelle la concentration en oxygène est supérieure à au moins deux fois la
concentration mesurée dans l’alliage de base. En particulier, pour un contact isotherme à 1600°C pour une durée de 5 min, cette œuche de réaction reste inférieure à 15 pm pour la pièce ainsi obtenue. The shell mold obtained by the process according to the present description makes it possible to limit the oxygen-rich reaction layer which forms on the surface of a metal part, for example a blade of an aeronautical engine, molded in this mold. shell. The reaction layer is defined here as the thickness for which the oxygen concentration is greater than at least twice the concentration measured in the base alloy. In particular, for an isothermal contact at 1600 ° C. for a period of 5 min, this reaction flask remains less than 15 μm for the part thus obtained.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
[0027] L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la The invention and its advantages will be better understood on reading the
description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : detailed description given below of various embodiments of the invention given by way of nonlimiting examples. This description refers to the pages of attached figures, on which:
[0028] [Fig. 1 ] La figure 1 représente schématiquement les étapes d'un procédé de fabrication d'un moule carapace pour procédés de fonderie ; [Fig. 1] FIG. 1 schematically represents the steps of a process for manufacturing a shell mold for foundry processes;
[0029] [Fig. 2] La figure 2 est un graphique illustrant l'évolution de la viscosité d'une barbotine témoin, et de la barbotine du présent exposé, en fonction d'une contrainte de cisaillement. [Fig. 2] Figure 2 is a graph illustrating the evolution of the viscosity of a control slip, and of the slip of the present presentation, as a function of a shear stress.
Description des modes de réalisation Description of the embodiments
[0030] Le procédé de fabrication de pièces aéronautiques, notamment une aube de turbine ou une grappe d’aubes de turbine, est un procédé par fonderie. Les différentes étapes de ce procédé sont décrites par exemple dans le document FR3031921. The process for manufacturing aeronautical parts, in particular a turbine blade or a cluster of turbine blades, is a foundry process. The various stages of this process are described for example in the document FR3031921.
[0031 ] Une première étape de ce procédé consiste à fabriquer un modèle de grappe en cire appelé encore‘grappe non permanente’. Dans une deuxième étape, on fabrique le moule carapace à partir de la grappe en cire. A la fin de cette opération, on élimine du moule la cire constituant le modèle de grappe. Cette élimination de la cire est réalisée en portant le moule carapace dans un four autoclave (ou autre) à une température supérieure à la température de fusion de la cire. Dans une troisième étape, on forme la grappe métallique d’aubes dans le moule carapace en coulant du métal en fusion dans celui-ci. Dans une quatrième étape, après le refroidissement et la solidification du métal dans le moule carapace, la grappe est décochée du moule carapace. Enfin, dans
une cinquième étape chacune des aubes est séparée du reste de la grappe et finie par des procédés de parachèvement par exemple des procédés d'usinage. A first step in this process consists in manufacturing a wax cluster model called still 'non-permanent cluster'. In a second step, the shell mold is made from the wax cluster. At the end of this operation, the wax constituting the cluster model is removed from the mold. This removal of the wax is carried out by bringing the shell mold in an autoclave oven (or other) to a temperature higher than the melting temperature of the wax. In a third step, the metal cluster of blades is formed in the shell mold by pouring molten metal into it. In a fourth step, after the metal has cooled and solidified in the shell mold, the cluster is released from the shell mold. Finally, in a fifth stage, each of the blades is separated from the rest of the cluster and finished by finishing processes, for example machining processes.
[0032] L’invention concerne notamment la fabrication du moule carapace dans lequel la coulée du métal sera effectuée, et plus spécifiquement la barbotine de contact utilisée pour la fabrication de ce moule. Les différentes étapes de ce procédé sont illustrées sur la figure 1. The invention relates in particular to the manufacture of the shell mold in which the casting of the metal will be carried out, and more specifically the contact slip used for the manufacture of this mold. The different steps of this process are illustrated in Figure 1.
[0033] La première étape (étape S1 ) comprend la fourniture d’un modèle en cire, ou autre matériau équivalent facilement éliminable par la suite, de la pièce. Dans une deuxième étape, le modèle en cire est trempé dans une première barbotine, la barbotine de contact (étape S2), comprenant des particules de poudre et un liant. Un sablage, autrement dit un dépôt de particules de sable appelé stucco de contact, est ensuite effectué, suivi d’un séchage de la couche obtenue (étape S3). Cette étape de sablage permet de renforcer la couche et de faciliter l’accrochage de la couche suivante. The first step (step S1) includes the provision of a wax model, or other equivalent material that can be easily removed later, of the part. In a second step, the wax model is dipped in a first slip, the contact slip (step S2), comprising powder particles and a binder. Sandblasting, in other words a deposit of sand particles called contact stucco, is then carried out, followed by drying of the layer obtained (step S3). This sanding step makes it possible to strengthen the layer and facilitate the attachment of the next layer.
[0034] La couche ainsi obtenue est ensuite trempée dans une deuxième The layer thus obtained is then dipped in a second
barbotine, appelée barbotine de renfort (étape S4). Un dépôt de particules de sable appelé stucco de renfort, est alors effectué, suivi d’un séchage de la couche obtenue (étape S5). Les étapes S4 et S5 sont réitérées N fois, jusqu’à obtenir une épaisseur de moule carapace déterminée. Enfin, lorsque l’épaisseur souhaitée est atteinte, une étape de décirage, consistant à enlever le modèle en cire du modèle, puis de traitement thermique, est effectuée (étape S6). Après élimination du modèle en cire, on obtient un moule carapace céramique dont la cavité reproduit en négatif tous les détails de la pièce à mouler. Le traitement thermique comprend la cuisson du moule obtenu, la température de cuisson étant de préférence comprise entre 1000 et 1200 °C. slip, called reinforcing slip (step S4). A deposit of sand particles called reinforcing stucco is then carried out, followed by drying of the layer obtained (step S5). Steps S4 and S5 are repeated N times, until a determined shell thickness is obtained. Finally, when the desired thickness is reached, a dewaxing step, consisting of removing the wax model from the model, then heat treatment, is carried out (step S6). After elimination of the wax model, we obtain a ceramic shell mold whose cavity reproduces in negative all the details of the part to be molded. The heat treatment comprises cooking the mold obtained, the cooking temperature preferably being between 1000 and 1200 ° C.
[0035] Les barbotines utilisées sont composées de particules de matériaux The slip used is composed of particles of materials
céramiques, notamment de l’alumine, de la mullite, de la zircone ou autre, avec un liant colloïdal minéral et des adjuvants le cas échéant, tels que des agents mouillants ou des anti-moussants. ceramics, in particular alumina, mullite, zirconia or the like, with a mineral colloidal binder and additives if necessary, such as wetting agents or anti-foaming agents.
[0036] Dans le cadre de la fabrication de pièce aéronautique à base d’aluminure de titane (TiAI), la barbotine de contact utilisée à l’étape S2 comporte de l’yttrine. Le stucco de contact utilisé à l’étape S3 peut également comporter de l’yttrine. La
barbotine de renfort et le stucco de renfort utilisés aux étapes S4 et S5 peuvent comporter de la mullite, de l’alumine, de la silico-alumineuse, de la silice, du zircon, de la zircone ou de l’yttrine, par exemple. In the context of the manufacture of an aeronautical part based on titanium aluminide (TiAI), the contact slip used in step S2 comprises yttrin. The contact stucco used in step S3 may also include yttrin. The reinforcing slip and the reinforcing stucco used in steps S4 and S5 can comprise mullite, alumina, silico-aluminous, silica, zircon, zirconia or yttrine, for example.
[0037] L’invention concerne plus particulièrement la barbotine de contact utilisée à l’étape S2, et notamment la présence d’yttrine colloïdale et de zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium (CSZ) dans les particules de poudre que comporte celle-ci. The invention relates more particularly to the contact slip used in step S2, and in particular the presence of colloidal yttrin and of zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ) in the powder particles which comprises that -this.
[0038] Afin d’apprécier l’influence de la présence de CSZ dans une barbotine de contact, les inventeurs ont d’abord étudié une barbotine témoin, notée barbotine A, destinée à être utilisée comme barbotine de contact pour la fabrication d’un moule carapace. La barbotine A peut avoir la composition suivante, exprimée en pourcentages massiques : In order to assess the influence of the presence of CSZ in a contact slip, the inventors first studied a control slip, denoted slip A, intended to be used as contact slip for the manufacture of a shell mold. Slip A may have the following composition, expressed in percentages by mass:
- liant (yttrine colloïdale) : 24 ,5% ; - binder (colloidal ytrin): 24.5%;
- particules de poudre (poudre d'yttrine) : 75% ; - powder particles (yttrin powder): 75%;
- agent mouillant, anti-moussant et autres additifs : 0.5%. - wetting agent, anti-foaming agent and other additives: 0.5%.
Cette répartition massique est ici donnée à titre d’exemple, étant entendu qu’une variation de la répartition massique pouvant aller jusqu’à 10% est possible. La barbotine A ne comporte pas de CSZ. This mass distribution is given here by way of example, it being understood that a variation of the mass distribution of up to 10% is possible. Slip A does not have a CSZ.
[0039] Par ailleurs, les inventeurs ont étudié une barbotine B dont les inventeurs ont déterminé qu’elle présentait une réactivité avec le TiAI similaire à celle de la barbotine A, et dont les particules de poudre comprennent de la zircone stabilisée par de l’oxyde de calcium (CSZ), le CaO agissant comme un agent stabilisant. La CSZ peut être par exemple obtenue par frittage réactif. Le taux de CaO en pourcentage massique présent dans la poudre est compris entre 1 et 20%. La barbotine B ainsi obtenue présente les pourcentages massiques suivants : Furthermore, the inventors have studied a slip B which the inventors have determined that it exhibits reactivity with TiAI similar to that of slip A, and whose powder particles comprise zirconia stabilized by calcium oxide (CSZ), CaO acting as a stabilizing agent. The CSZ can for example be obtained by reactive sintering. The level of CaO in percentage by mass present in the powder is between 1 and 20%. Slip B thus obtained has the following mass percentages:
- liant (yttrine colloïdale) : 29,8 % ; - binder (colloidal yttrine): 29.8%;
- particules de poudre (CSZ) : 70 %, dont 5 % de CaO ; - powder particles (CSZ): 70%, of which 5% CaO;
- agent mouillant, anti-moussant et autres additifs : 0,2 %. - wetting agent, anti-foaming agent and other additives: 0.2%.
[0040] De la même façon, cette répartition massique est ici donnée à titre In the same way, this mass distribution is given here by way of
d’exemple, étant entendu qu’une variation de la répartition massique est possible dans les plages précédemment citées.
[0041 ] La barbotine B comprend également des impuretés inévitables. Parmi les impuretés inévitables, on peut citer par exemple le dioxyde de silicium (Si02), le dioxyde de titane (Ti02), de l’oxyde de fer (Fe203) ou de l’alumine (AI203). On définit comme impuretés inévitables les éléments qui ne sont pas ajoutés de manière intentionnelle dans la composition et qui sont apportés avec d’autres éléments. example, it being understood that a variation of the mass distribution is possible in the above-mentioned ranges. Slip B also includes unavoidable impurities. Among the unavoidable impurities, mention may, for example, be made of silicon dioxide (Si02), titanium dioxide (Ti02), iron oxide (Fe203) or alumina (AI203). Elements which are not intentionally added to the composition and which are provided with other elements are defined as inevitable impurities.
[0042] Les courbes illustrées sur la figure 2 permettent d’illustrer l’influence de la composition utilisée pour la barbotine de contact selon le présent exposé sur la stabilité de celle-ci. Cette figure présente l’évolution de la viscosité dynamique h en Pa.s de la barbotine, en fonction d’un cisaillement appliqué à cette barbotine. Ces mesures sont effectuées à l’aide d’un rhéomètre rotatif ayant des géométries cylindriques coaxiales, permettant d’appliquer à la barbotine un cisaillement compris entre 0,1 et 100 s 1. Plus précisément, la viscosité dynamique h peut être calculée de manière non normalisée à partir de la contrainte de cisaillement t et d’un taux de cisaillement Ÿ, selon la relation h = t/Ϋ. La courbe (a) représente la viscosité de la barbotine A au bout de 0,5 h, la courbe (b) représente la viscosité de la barbotine A au bout de 2 h, la courbe (c) représente la viscosité de la barbotine A au bout de 3,5 h, et la courbe (d) représente la viscosité de la barbotine B de l’invention au bout de 24 h. Les durées mentionnées ci-dessus sont déterminées à partir d’un instant tO correspondant à la fin de la fabrication de la barbotine. The curves illustrated in Figure 2 illustrate the influence of the composition used for the contact slip according to this presentation on the stability thereof. This figure shows the evolution of the dynamic viscosity h in Pa.s of the slip, as a function of a shear applied to this slip. These measurements are carried out using a rotary rheometer having coaxial cylindrical geometries, making it possible to apply to the slip a shear of between 0.1 and 100 s 1 . More precisely, the dynamic viscosity h can be calculated in a non-normalized way from the shear stress t and a shear rate Ÿ, according to the relation h = t / Ϋ. Curve (a) represents the viscosity of slip A after 0.5 h, curve (b) represents the viscosity of slip A after 2 h, curve (c) represents the viscosity of slip A after 3.5 h, and curve (d) represents the viscosity of the slip B of the invention after 24 h. The durations mentioned above are determined from an instant t0 corresponding to the end of the manufacture of the slip.
[0043] Les courbes (a) et (b) illustrant la viscosité de la barbotine A au bout de 0,5 h et au bout de 2h sont sensiblement confondues. Pour un faible cisaillement, de l’ordre de 0,1 s 1, la viscosité de la barbotine A est environ égal à 4 Pa.s au bout de 2 h. Cette viscosité augmente ensuite très rapidement avec le temps, et atteint une valeur supérieure à 25 Pa.s au bout de 3,5 h. En d’autres termes, la barbotine devient rapidement très visqueuse, et tend à se gélifier. Curves (a) and (b) illustrating the viscosity of slip A after 0.5 h and after 2 h are substantially combined. For low shear, of the order of 0.1 s 1 , the viscosity of slip A is approximately equal to 4 Pa.s after 2 h. This viscosity then increases very rapidly over time, and reaches a value greater than 25 Pa.s after 3.5 h. In other words, the slip quickly becomes very viscous, and tends to gel.
[0044] A l’inverse, la courbe (d) illustrant la viscosité de la barbotine B de Conversely, curve (d) illustrating the viscosity of slip B of
l’invention montre que la viscosité de la barbotine B reste inférieure à 1 Pa.s au bout de 24 h, quel que soit le cisaillement appliqué à celle-ci. La barbotine B présente donc une stabilité accrue par rapport à la barbotine A, et reste fluide en conservant une viscosité faible même 24 h après la préparation de cette barbotine. Par ailleurs, la composition de la barbotine B permet de conserver une
réactivité faible avec les alliages TiAI, équivalente voire inférieure à celle de la barbotine A. the invention shows that the viscosity of slip B remains below 1 Pa.s after 24 h, whatever the shear applied to it. Slip B therefore has increased stability compared to slurry A, and remains fluid while retaining a low viscosity even 24 hours after the preparation of this slurry. Furthermore, the composition of slip B makes it possible to maintain a low reactivity with TiAI alloys, equivalent to or even less than that of slip A.
[0045] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des Although the present invention has been described with reference to
exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation specific embodiments, it is obvious that modifications and changes can be made to these examples without departing from the general scope of the invention as defined by the claims. In particular, individual characteristics of the different embodiments
illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. illustrated / mentioned can be combined in additional embodiments. Therefore, the description and the drawings should be considered in an illustrative rather than restrictive sense.
[0046] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en It is also obvious that all the characteristics described in
référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.
reference to a process can be transposed, alone or in combination, to a device, and conversely, all the characteristics described with reference to a device can be transposed, alone or in combination, to a process.
Claims
[Revendication 1] Barbotine de fonderie pour la fabrication de moules carapaces pour le moulage de pièce comprenant un alliage métallique, la barbotine comprenant des particules de poudre et un liant, caractérisée en ce que le liant comprend de l'yttrine colloïdale, et en ce que les particules de poudre comprennent de la zircone stabilisée par de l'oxyde de calcium, un ratio massique de la zircone stabilisée par de l'oxyde de calcium dans la barbotine étant compris entre 65 et 75 %, de préférence entre 68% et 72%, de préférence encore égal à 70%. [Claim 1] Foundry slip for the manufacture of shell molds for molding a part comprising a metal alloy, the slip comprising powder particles and a binder, characterized in that the binder comprises colloidal yttrine, and in that that the powder particles comprise zirconia stabilized by calcium oxide, a mass ratio of zirconia stabilized by calcium oxide in the slip being between 65 and 75%, preferably between 68% and 72 %, preferably still equal to 70%.
[Revendication 2] Barbotine selon la revendication 1, la barbotine étant une [Claim 2] The slip according to claim 1, the slip being a
barbotine de contact configurée pour venir au contact du métal de la pièce à mouler. Contact slip configured to come into contact with the metal of the part to be molded.
[Revendication 3] Barbotine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la teneur massique en oxyde de calcium dans la zircone stabilisée par de l'oxyde de calcium est comprise entre 1 et 20 %. [Claim 3] Barbotine according to claim 1 or 2, wherein the mass content of calcium oxide in the zirconia stabilized by calcium oxide is between 1 and 20%.
[Revendication 4] Barbotine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la viscosité de la barbotine est comprise entre 0,1 et 2 Pa.s.[Claim 4] A slip according to any one of claims 1 to 3, in which the viscosity of the slip is between 0.1 and 2 Pa.s.
[Revendication 5] Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des [Claim 5] Foundry slip according to any one of
revendications 1 à 4, configurée pour la fabrication de moules carapaces pour le moulage de pièce comportant un alliage métallique à base d'aluminure de titane. Claims 1 to 4, configured for the production of shell molds for molding a part comprising a metal alloy based on titanium aluminide.
[Revendication 6] Utilisation d'une barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la fabrication d'un moule carapace. [Claim 6] Use of a foundry slip according to any one of the preceding claims for the manufacture of a shell mold.
[Revendication 7] Procédé de fabrication d'un moule carapace pour le moulage de pièce, le procédé comprenant des étapes de : [Claim 7] Method for manufacturing a shell mold for molding a part, the method comprising steps of:
- Fourniture d'un modèle d'une pièce à fabriquer ; - Supply of a model of a part to be manufactured;
- trempage du modèle dans une barbotine de contact selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ; - dipping the model in a contact slip according to any one of claims 1 to 5;
- sablage du modèle trempé dans un sable de contact comportant de l'yttrine ;
- séchage de la couche obtenue par les étapes précédentes ; - sanding of the model dipped in contact sand containing yttrin; - drying of the layer obtained by the preceding steps;
- trempage du modèle dans une barbotine de renfort, sablage du modèle trempé dans un sable de renfort, et séchage de la couche obtenue, jusqu'à obtenir une épaisseur de moule carapace souhaitée ; - soaking the model in a reinforcing slip, sandblasting the model soaked in reinforcing sand, and drying the layer obtained, until a desired shell mold thickness is obtained;
- enlèvement du modèle de pièce. - removal of the part model.
[Revendication 8] Moule carapace obtenu par un procédé selon la revendication 7.
[Claim 8] Shell mold obtained by a process according to claim 7.
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