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EP3402621A1 - Noyau réfractaire comprenant un corps principal et une coque - Google Patents

Noyau réfractaire comprenant un corps principal et une coque

Info

Publication number
EP3402621A1
EP3402621A1 EP17706528.1A EP17706528A EP3402621A1 EP 3402621 A1 EP3402621 A1 EP 3402621A1 EP 17706528 A EP17706528 A EP 17706528A EP 3402621 A1 EP3402621 A1 EP 3402621A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shell
core
main body
cavity
refractory core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP17706528.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3402621B1 (fr
Inventor
David Grange
Ngadia Taha NIANE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP3402621A1 publication Critical patent/EP3402621A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3402621B1 publication Critical patent/EP3402621B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B22C9/24—Moulds for peculiarly-shaped castings for hollow articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • Refractory core comprising a main body and a shell
  • the present disclosure relates to the foundry type lost wax, and more particularly to a refractory core for the manufacture of a hollow turbine engine blade by lost-wax casting process.
  • a turbomachine comprises a combustion chamber in which air and fuel are mixed before being burned.
  • the gases from this combustion flow downstream of the combustion chamber and then feed a high pressure turbine and a low pressure turbine.
  • Each turbine has one or more rows of stationary blades (called distributors) alternating with one or more rows of moving blades (called moving wheels), circumferentially spaced around the rotor of the turbine.
  • These turbine blades are subjected to very high temperatures of the combustion gases, which reach values much higher than those which can bear without damage these blades which are in direct contact with these gases, which necessarily implies to ensure their cooling continuously by an integrated cooling circuit which, when it wishes to ensure efficient and precise cooling without significantly increasing the air flow and without penalizing the engine performance, has multiple cavities.
  • the hollow vanes thus formed are manufactured by the so-called "lost wax” foundry process which requires the use of a model piece or core whose outer surface corresponds to the internal surface of the finished blade, as described in patent application FR2961552. filed in the name of the plaintiff.
  • a ceramic refractory core is placed in a mold and then a metal or metal alloy is cast between the mold and the core to form a blade.
  • the metal blade retracts more than the ceramic core, the ceramic core then exerting on the dawn stresses that induce stresses in the dawn.
  • the induced stresses can cause recrystallizations which are unacceptable for the use of the blades.
  • the aim of the invention is at least to remedy in part these disadvantages.
  • the present disclosure relates to a refractory core for the manufacture of a hollow turbine engine blade according to the lost-wax foundry technique, comprising a main body and at least one shell connected to the main body and defining a cavity between the main body and the hull, the hull being configured to come into contact with the blade during manufacture.
  • the term "refractory” refers to a material that is sufficiently heat-resistant to be suitable for the lost wax casting of a turbomachine blade.
  • the refractory material constituting the core may be a ceramic material, for example a refractory material based on alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ) or zirconia (ZrO 2 ).
  • the refractory core may also be made of refractory metal.
  • the refractory core may comprise essentially at least one of the following elements: Si, Hf, Ta, B, W, Ti, Nb, Zr, Mo, V.
  • the refractory core has an elastic mechanical behavior and fragile.
  • the core extends in a longitudinal direction.
  • the longitudinal direction of the core corresponds to the longitudinal direction of the dawn, which extends from the foot of the blade to the head of the dawn. Sections perpendicular to the longitudinal direction are called cross sections. Viewed in cross section, the cavity is closed, so that the metal of the blade can be cast around the core, so around the shell, without penetrating the cavity.
  • the hull can be attached to the main body or made in one piece with the main body.
  • the cavity formed by the shell and the main body is not a porosity but a macroscopic cavity.
  • the average diameter of the cavity is of the order of a few tenths of a millimeter to a few millimeters.
  • the shell Due to the cavity, the shell can collapse on itself when it is subjected to forces applied to the outside of the cavity, in particular to the forces caused by the contraction of the metal of the blade during its cooling .
  • the rupture of the shell releases space allowing free withdrawal of the metal, which has the effect of reducing the residual stresses in the metal during cooling.
  • the shell is also subjected to forces during the casting of the metal.
  • these efforts are much lower than those exerted on the shell during the cooling of the metal.
  • the skilled person can size the hull to resist the casting of the metal and breaks from a certain level of stress during the cooling of the metal.
  • the shell defines a convex volume.
  • a convex volume is a volume (respectively a surface) such that whatever are two points belonging to this volume (respectively to this surface), the line segment connecting these two points is entirely contained in the volume (respectively in the surface).
  • the shell defines a convex surface.
  • the main body is full.
  • the term "full" means that the main body has no holes and is not porous. In these embodiments, the main body is dense and compact. Thus, despite the presence of the cavity, the refractory core as a whole retains sufficient flexural rigidity. In addition, the zones having cavities, that is to say the hulls, are reserved for areas of the dawn subject to strong cooling constraints.
  • the main body is intended to come into contact with the blade, in particular in contact with parts of the blade where the stresses during cooling are lower than in the parts intended to come into contact with the blade.
  • shell may be intended to come into contact with substantially flat portions of the blade. In these embodiments, the shell does not surround the main body in its entirety.
  • the refractory core further comprises at least one first reinforcement disposed within the cavity, extending from one point of the shell to another point of the shell.
  • the first reinforcement is distinct from the main body and the hull.
  • the first reinforcement can extend over the entire height of the core or only over part of the height of the core.
  • the first reinforcement can include one or several recesses.
  • the first reinforcement can be flat or non-planar.
  • the geometry of the first reinforcement can be calculated by those skilled in the art according to their general knowledge according to desired values for certain criteria such as breaking strength, yield strength, etc.
  • the refractory core may comprise several first reinforcements.
  • the refractory core further comprises at least one second reinforcement disposed within the cavity and extending from one point of the shell to a point of the first reinforcement.
  • the first reinforcement and the second reinforcement form a reinforcing structure of the shell.
  • the second reinforcement may have all or some of the previously mentioned features about the first reinforcement.
  • the first and second reinforcements may be arranged so that their cross section is in the general shape of T.
  • At least one of the reinforcements has an intermediate portion forming a preferential rupture zone.
  • a preferential rupture zone makes it possible to control the breaking point of the reinforcements and thus to accurately dimension the breaking strength of the shell.
  • the intermediate portion may belong to the first reinforcement and / or the second reinforcement.
  • the intermediate portion forming a preferential rupture zone may be located at the intersection of the first reinforcement and the second reinforcement.
  • the intermediate portion forming preferential rupture zone may take the form of a thinning of the reinforcement or reinforcements, or a notch in at least one of the reinforcements.
  • one or each reinforcement in cross-section, has an aspect ratio of at least 2, preferably at least 2.5, more preferably at least 3, preferably still at least 3.5, more preferably at least 4. Further, it is preferable that the aspect ratio is at most 50, more preferably at most 40, more preferably at least more than 30, more preferably at most 20, more preferably at most 10.
  • the aspect ratio is the ratio of the greatest length to the shortest length. It determines the strength of the reinforcement, in particular when it is subjected to compressive, tensile and / or flexural stresses.
  • the cavity has the general shape of a tube, the cavity being plugged near the ends of the tube.
  • the ends of the cavity are plugged into parts of the shell that are not intended to come into contact with the metal.
  • the shell remains locally hollow in its parts intended to come into contact with the metal.
  • the cavity can be plugged so that the metal can not penetrate inside the parts of the shell intended to come into contact with the metal.
  • the ends of the cavity can be plugged during said additive manufacturing.
  • the main body and the shell are one-piece.
  • the main body and the shell are made of the same material and present between them a continuity of the material.
  • the shell can be attached to the main body.
  • the present disclosure also relates to a method of manufacturing a hollow turbine engine blade according to the lost-wax foundry technique using a refractory core as previously described.
  • the refractory wax core prior to injecting the wax onto the refractory core, is manually coated.
  • the preliminary coating forms a first layer of wax can directly wrap the kernel.
  • the first layer of wax after cooling, forms a buffer layer to mitigate the forces actually acting on the refractory core.
  • the core is resistant to the stresses generated by the contraction of the wax which is then injected onto the refractory core in greater amounts.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a blade cast around a refractory core according to a first embodiment
  • Figure 2 shows a detail of Figure 1
  • FIG. 3 represents a view similar to that of FIG. 2 when the metal of the blade exerts forces on the refractory core during the cooling which follows the solidification of the metal;
  • FIG. 4 shows a schematic view of a detail of a refractory core according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a blade 10 cast around a refractory core 12 according to a first embodiment.
  • the blade 10 is a turbine blade but the refractory core 12 could also be used to cast other types of blades.
  • the refractory core 12 is made of ceramic and will therefore be referred to hereinafter as "ceramic core 12". More specifically, the refractory core 12 has the following composition (mass percentages): vitreous silica 58% to 69%, fine vitreous silica from 8% to 19%, zircon (ZrSiO 4 ) 20% and cristobalite 3%. However, as previously indicated, the refractory core 12 could also be composed of another material, typically of refractory metal or refractory metal alloy.
  • the blade 10 is hollow in order to allow its cooling by an internal circulation of air.
  • the ceramic core 12 makes it possible to form the internal cavities of the blade, the outer surface of the ceramic core 12 substantially corresponding to the inner surface of the blade 10.
  • the ceramic core 12 comprises a main body 14 and a shell 16.
  • the ceramic core 12 comprises a single shell 16 but it could include several.
  • the main body 14 and the shell 16 will now be detailed with reference to Figure 2, which shows a detail of Figure 1.
  • the shell 16 is connected to the main body 14.
  • the shell 16 defines with the main body 14 a cavity 18.
  • the cavity 18 is located between the main body 14 and the shell 16.
  • the shell 16 forms a relatively thin envelope by relative to the main body 14.
  • the shell 16 is configured to come into contact with the blade 10 during manufacture.
  • the main body 14 is full.
  • the presence of the shell 16 is advantageous in the regions of strong curvature of the cooling channels of the blade. Indeed, regions of high curvature have particularly high stress concentrations.
  • the shell 16 defines a convex volume, or at least in cross section (that is to say in the plane of Figures 1 and 2), the shell 16 defines a convex surface.
  • the ceramic core 12 comprises a first reinforcement 20 and a second reinforcement 22.
  • the first reinforcement 20 is disposed inside the cavity 20.
  • the first reinforcement 20 is here rectilinear, in cross section.
  • the first reinforcement 20 extends from one point of the shell 16 to another point of the shell 16, thus passing through the cavity 18.
  • the second reinforcement 22 is disposed inside the cavity 18.
  • the second reinforcement 22 is here rectilinear, in cross section.
  • the second reinforcement 20 extends from a point of the shell 16 to a point of the first reinforcement 20.
  • the first reinforcement 20 and the second reinforcement 22 have a generally T-shaped cross-section.
  • the first reinforcement 20 and the second reinforcement 22 extend here over the entire length (in the longitudinal direction, that is to say along an axis perpendicular to the plane of FIG. 2) of the ceramic core 12.
  • the first reinforcement 20 has an aspect ratio L / a of about 6.6.
  • the second reinforcement 22 has an aspect ratio of approximately 4. In any case, it is preferable that each reinforcement has an aspect ratio of between 2 and 50.
  • the metal does not enter the cavity 18 during the casting of the blade 10, it is also preferable to plug the cavity 18.
  • the cavity is plugged near its ends in the longitudinal direction, preferably in parts of the shell which are not intended to come into contact with the cooling metal.
  • the clogged parts can be manufactured continuously with the shell and the main body, as well as with any reinforcements.
  • the metal blade 10 retracts further than the ceramic core 12 and exerts on the ceramic core F efforts, shown schematically in Figure 3, directed towards the main body 14.
  • the first and second reinforcements have at their intersection an intermediate portion 24 forming a preferential rupture zone.
  • the intermediate portion 24 is sized to be the first breaking point under the effect of the forces due to the contraction of the blade 10.
  • the character of preferential breaking zone of the intermediate portion 24 is here ensured by the intersection of the first and second reinforcements 20, 22 in a T-shape, the intermediate portion 24 being located at the intersection of the first and second reinforcements 20, 22.
  • the intermediate portion 24 breaks, resulting in the weakening of the reinforcing structure formed by the reinforcements 20, 22 and the rupture of the shell 16.
  • the ceramic core 12 no longer obstructs, at the location of the hull 16 now destroyed, the free withdrawal of the blade 10. Consequently, the residual stresses in the blade 10 are greatly reduced and recrystallization phenomena can be avoided.
  • the ceramic core 12 may be formed by additive manufacturing or by any other method suitable for producing the shell 16 and its possible reinforcements 20, 22.
  • the lost wax manufacturing process of the blade 10 once the ceramic core 12 is made is conventional and first consists in forming an injection mold in which is placed the ceramic core 12 before injection of the wax. The wax model thus created is then dipped in slips consisting of ceramic suspension for making a casting mold (also called shell mold). Finally, the wax is removed and the shell mold is baked into which the molten metal can then be cast.
  • the cooling of the wax blade pattern may give rise to forces similar to those which occur during cooling of the metal blade.
  • the hull 16 must not break during this step.
  • the skilled person can size the shell 16, for example by means of numerical simulations, so that it resists the forces exerted by the wax in cooling and that it breaks under the effect of the more intense forces exerted by the metal in cooling.
  • the ceramic core 12 is wax coated manually. This step is called pre-waxing of the core.
  • This preliminary coating can be done directly on the surface of the ceramic core 12.
  • the coating can be made on the entire surface of the ceramic core 12, only on the shell 16 or on any part of the outer surface of the ceramic core 12.
  • This Prior coating forms a buffer layer to attenuate the forces effectively acting on the ceramic core 12, thus protecting the shell 16 from breaking.
  • the preliminary coating of wax can be removed from the core at the same time as the complete wax model.
  • FIG 4 shows another embodiment of the ceramic core.
  • the ceramic core 112 of Figure 4 is identical to the ceramic core 12 of the first embodiment except for the reinforcements and the detailed aspects thereafter. Thus, the main body 114, the shell 116 and the cavity 118 will not be described again.
  • the ceramic core 112 comprises a first reinforcement 120 having a substantially V-shaped shape.
  • the first reinforcement comprises an intermediate portion 124 forming a preferential rupture zone.
  • the intermediate portion 124 takes the form of a notch in the first reinforcement.
  • the intermediate portion 124 thus forms a stress concentration zone, which results in a preferential rupture zone.
  • the ceramic core 112 is obtained by a method in which the main body 114 and the shell 116 are made separately, for example by ceramic injection, and then assembled, for example by gluing.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Noyau réfractaire (12) pour la fabrication d'une aube creuse (10) de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, comprenant un corps principal (14) et au moins une coque (16) reliée au corps principal (14) et définissant une cavité (18) entre le corps principal et la coque, la coque (16) étant configurée pour venir au contact de l'aube (10) lors de la fabrication.

Description

Noyau réfractaire comprenant un corps principal et une coque
DOMAINE DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne la fonderie de type à la cire perdue, et plus particulièrement un noyau réfractaire pour la fabrication d'une aube creuse de turbomachine par procédé de fonderie à la cire perdue.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
De façon connue en soi, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l'air et du carburant sont mélangés avant d'y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s'écoulent vers l'aval de la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute pression et une turbine basse pression. Chaque turbine comporte une ou plusieurs rangées d'aubes fixes (appelées distributeurs) alternant avec une ou plusieurs rangées d'aubes mobiles (appelées roues mobiles), espacées de façon circonférentielle tout autour du rotor de la turbine. Ces aubes de turbine sont soumises aux températures très élevées des gaz de combustion, lesquelles atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages ces aubes qui sont en contact direct avec ces gaz, ce qui implique nécessairement d'assurer leur refroidissement en continu par un circuit de refroidissement intégré qui, lorsqu'on souhaite assurer un refroidissement efficace et précis sans augmenter significativement le débit d'air et sans pénaliser les performances du moteur, comporte de multiples cavités. Les aubes creuses ainsi formées sont fabriquées par le procédé de fonderie dit « à cire perdue » qui nécessite le recours d'une pièce modèle ou noyau dont la surface extérieure correspond à la surface interne de l'aube finie, comme décrit dans la demande FR2961552 déposée au nom de la demanderesse.
Selon les techniques actuellement employées, un noyau réfractaire en céramique est placé dans un moule puis un métal ou alliage métallique est coulé entre le moule et le noyau pour former une aube. Lors du refroidissement, compte tenu de la différence de coefficients de dilatation thermique entre le métal et le noyau, l'aube métallique se rétracte davantage que le noyau céramique, le noyau céramique exerçant alors sur l'aube des efforts qui induisent des contraintes dans l'aube. Dans le cas d'aubes monocristallines, les contraintes induites peuvent provoquer des recristallisations qui sont rédhibitoires pour l'utilisation des aubes.
L'invention vise au moins à remédier en partie à ces inconvénients.
PRÉSENTATION DE L'INVENTION
A cet effet, le présent exposé concerne un noyau réfractaire pour la fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, comprenant un corps principal et au moins une coque reliée au corps principal et définissant une cavité entre le corps principal et la coque, la coque étant configurée pour venir au contact de l'aube lors de la fabrication.
Dans le présent exposé, le terme « réfractaire » désigne un matériau qui résiste suffisamment à la chaleur pour convenir à la fonderie à la cire perdue d'une aube de turbomachine. Le matériau réfractaire composant le noyau peut être un matériau céramique, par exemple un matériau réfractaire à base d'alumine (AI2O3), de silice (SiO2) ou de zircone (ZrO2). Le noyau réfractaire peut également être composé de métal réfractaire. Selon un exemple, le noyau réfractaire peut comprendre essentiellement au moins l'un des éléments suivants : Si, Hf, Ta, B, W, Ti, Nb, Zr, Mo, V. En outre, le noyau réfractaire a un comportement mécanique élastique et fragile.
Par la suite, sauf indication contraire, par « une » ou « la » coque, on entend « au moins une » ou « la au moins une » ou encore « chaque » coque. Réciproquement, l'emploi générique du pluriel peut inclure le singulier.
Le noyau s'étend selon une direction longitudinale. La direction longitudinale du noyau correspond à la direction longitudinale de l'aube, qui s'étend du pied de l'aube à la tête de l'aube. Des sections perpendiculaires à la direction longitudinale sont appelées sections transversales. Vue en section transversale, la cavité est fermée, de sorte que le métal de l'aube puisse être coulé autour du noyau, donc autour de la coque, sans pénétrer dans la cavité.
La coque peut être rapportée sur le corps principal ou faite d'une seule pièce avec le corps principal.
La cavité formée par la coque et le corps principal n'est pas une porosité mais une cavité macroscopique. En particulier, en section transversale, le diamètre moyen de la cavité est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres.
Du fait de la cavité, la coque peut s'effondrer sur elle-même lorsqu'elle est soumise à des efforts appliqués à l'extérieur de la cavité, notamment aux efforts provoqués par la contraction du métal de l'aube lors de son refroidissement. La rupture de la coque libère de l'espace permettant le libre retrait du métal, ce qui a pour effet de diminuer les contraintes résiduelles dans le métal pendant le refroidissement. Grâce à un tel noyau, il est désormais possible de fondre des aubes monocristallines creuses en évitant les recristallisations dues à des contraintes excessives dans le métal, même pour des géométries d'aube qui présentent usuellement de fortes concentrations de contraintes.
Par ailleurs, la coque est également soumise à des efforts lors de la coulée du métal. Toutefois, ces efforts sont bien inférieurs à ceux s'exerçant sur la coque lors du refroidissement du métal. Grâce à ses connaissances générales, l'homme du métier peut donc dimensionner la coque pour qu'elle résiste à la coulée du métal et casse à partir d'un certain niveau de contraintes lors du refroidissement du métal.
Le présent exposé concerne également la fabrication d'un noyau tel que précédemment décrit par fabrication additive, par exemple par stéréolithographie. Dans certains modes de réalisation, la coque définit un volume convexe. On rappelle qu'un volume (respectivement une surface) convexe est un volume (respectivement une surface) tel que quels que soient deux points appartenant à ce volume (respectivement à cette surface), le segment de droite reliant ces deux points est entièrement contenu dans le volume (respectivement dans la surface). En particulier, vue selon une ou toute section transversale, la coque définit une surface convexe. Une telle géométrie est avantageuse dans la mesure où les contraintes se concentrent dans les zones à forte courbure.
Dans certains modes de réalisation, le corps principal est plein.
Dans le présent exposé, le terme « plein » signifie que le corps principal ne comporte pas de trou et n'est pas poreux. Dans ces modes de réalisation, le corps principal est dense et compact. Ainsi, malgré la présence de la cavité, le noyau réfractaire dans son ensemble conserve une rigidité suffisante en flexion. En outre, les zones présentant des cavités, c'est-à-dire les coques, sont réservées aux zones de l'aube sujettes à de fortes contraintes en refroidissement.
Dans certains modes de réalisation, le corps principal est destiné à venir au contact de l'aube, en particulier au contact des parties de l'aube où les contraintes lors du refroidissement sont moins élevées que dans les parties destinées à venir au contact de la coque. Par exemple, le corps principal peut être destiné à venir au contact de parties sensiblement planes de l'aube. Dans ces modes de réalisation, la coque n'entoure pas le corps principal en totalité.
Dans certains modes de réalisation, le noyau réfractaire comprend en outre au moins un premier renfort disposé à l'intérieur de la cavité, s'étendant d'un point de la coque à un autre point de la coque. Le premier renfort est distinct du corps principal et de la coque. Le premier renfort peut s'étendre sur toute la hauteur du noyau ou seulement sur une partie de la hauteur du noyau. Le premier renfort peut comprendre un ou plusieurs évidements. Le premier renfort peut être plan ou non plan. La géométrie du premier renfort peut être calculée par l'homme du métier selon ses connaissances générales en fonction de valeurs souhaitées pour certains critères tels que la résistance à la rupture, la limite élastique, etc. Le noyau réfractaire peut comprendre plusieurs premiers renforts.
Dans certains modes de réalisation, le noyau réfractaire comprend en outre au moins un deuxième renfort disposé à l'intérieur de la cavité et s'étendant d'un point de la coque à un point du premier renfort. Ainsi, le premier renfort et le deuxième renfort forment une structure de renforcement de la coque. Le deuxième renfort peut avoir tout ou partie des caractéristiques précédemment mentionnées à propos du premier renfort. Selon un exemple, les premier et deuxième renforts peuvent être agencés de sorte que leur section transversale soit en forme générale de T.
Dans certains modes de réalisation, au moins un des renforts comporte une partie intermédiaire formant une zone de rupture préférentielle. La présence d'une zone de rupture préférentielle permet de contrôler le point de rupture des renforts et donc de dimensionner précisément la résistance à la rupture de la coque.
La partie intermédiaire peut appartenir au premier renfort et/ou au deuxième renfort. Par exemple, la partie intermédiaire formant une zone de rupture préférentielle peut se situer à l'intersection du premier renfort et du deuxième renfort. Ainsi, la structure de renforcement soutenant la coque est brisée lorsque la partie intermédiaire rompt.
Par exemple, la partie intermédiaire formant zone de rupture préférentielle peut prendre la forme d'un amincissement du ou des renforts, ou encore d'une encoche dans au moins un des renforts.
Dans certains modes de réalisation, en section transversale, un ou chaque renfort a un rapport d'aspect au moins égal à 2, de préférence au moins égal à 2,5, de préférence encore au moins égal à 3, de préférence encore au moins égal à 3,5, de préférence encore au moins égal à 4. En outre, il est préférable que le rapport d'aspect soit au plus égal à 50, de préférence encore au plus égal à 40, de préférence encore au plus égal à 30, de préférence encore au plus égal à 20, de préférence encore au plus égal à 10. Le rapport d'aspect est le ratio de la plus grande longueur sur la plus petite longueur. Il détermine la résistance du renfort, notamment lorsqu'il est soumis à des efforts de compression, de traction et/ou de flexion.
Dans certains modes de réalisation, la cavité a la forme générale d'un tube, la cavité étant bouchée au voisinage des extrémités du tube. De préférence, les extrémités de la cavité sont bouchées dans des parties de la coque qui ne sont pas destinées à entrer en contact avec le métal. Inversement, il est préférable que la coque reste localement creuse dans ses parties destinées à entrer en contact avec le métal.
Ainsi, la cavité peut être bouchée de sorte que le métal ne puisse pénétrer à l'intérieur des parties de la coque destinées à entrer en contact avec le métal.
Par exemple, lorsque le noyau réfractaire est réalisé par fabrication additive, les extrémités de la cavité peuvent être bouchées au cours de ladite fabrication additive.
Dans certains modes de réalisation, le corps principal et la coque sont monoblocs. Le corps principal et la coque sont faits du même matériau et présentent entre eux une continuité de la matière. Alternativement, la coque peut être rapportée sur le corps principal.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau réfractaire tel que précédemment décrit.
Dans certains modes de réalisation de ce procédé, avant d'injecter la cire sur le noyau réfractaire, on enduit manuellement le noyau réfractaire de cire. L'enduit préalable forme une première couche de cire pouvant envelopper directement le noyau. La première couche de cire, après son refroidissement, forme une couche tampon permettant d'atténuer les efforts s'exerçant effectivement sur le noyau réfractaire. Ainsi, il est fait en sorte que le noyau résiste aux contraintes générées par la contraction de la cire qui est ensuite injectée sur le noyau réfractaire en plus grande quantité.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique en section transversale d'une aube coulée autour d'un noyau réfractaire selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 2 représente un détail de la figure 1 ;
- la figure 3 représente une vue similaire à celle de la figure 2 lorsque le métal de l'aube exerce des efforts sur le noyau réfractaire, au cours du refroidissement qui suit la solidification du métal ;
- la figure 4 représente une vue schématique d'un détail d'un noyau réfractaire selon un deuxième mode de réalisation.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La figure 1 représente une vue schématique en section transversale d'une aube 10 coulée autour d'un noyau réfractaire 12 selon un premier mode de réalisation. Dans le cas présent, l'aube 10 est une aube de turbine mais le noyau réfractaire 12 pourrait également être utilisé pour couler d'autres types d'aubes.
Dans le présent mode de réalisation, le noyau réfractaire 12 est réalisé en céramique et sera donc désigné par la suite comme « noyau céramique 12 ». Plus précisément, le noyau réfractaire 12 a ici la composition suivante (pourcentages massiques) : silice vitreuse grosse de 58% à 69%, silice vitreuse fine de 8% à 19%, zircon (ZrSi04) 20% et cristobalite 3%. Toutefois, comme précédemment indiqué, le noyau réfractaire 12 pourrait également être composé d'un autre matériau, typiquement de métal réfractaire ou d'alliage métallique réfractaire.
Comme indiqué précédemment, l'aube 10 est creuse afin de permettre son refroidissement par une circulation interne d'air. Le noyau céramique 12 permet de former les cavités internes de l'aube, la surface extérieure du noyau céramique 12 correspondant sensiblement à la surface interne de l'aube 10.
Le noyau céramique 12 comprend un corps principal 14 et une coque 16. En l'occurrence, le noyau céramique 12 comprend une unique coque 16 mais il pourrait en comprendre plusieurs. Le corps principal 14 et la coque 16 vont maintenant être détaillés en référence à la figure 2, qui présente un détail de la figure 1.
La coque 16 est reliée au corps principal 14. Ainsi, la coque 16 définit avec le corps principal 14 une cavité 18. La cavité 18 est donc située entre le corps principal 14 et la coque 16. La coque 16 forme une enveloppe relativement fine par rapport au corps principal 14. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 2, la coque 16 est configurée pour venir au contact de l'aube 10 lors de la fabrication. De plus, par opposition à la coque 16, le corps principal 14 est plein.
Comme représenté sur la figure 1, la présence de la coque 16 est avantageuse dans les régions de forte courbure des canaux de refroidissement de l'aube. En effet, les régions de forte courbure présentent des concentrations de contraintes particulièrement élevées. Ainsi, la coque 16 définit un volume convexe, ou, tout du moins, en section transversale (c'est-à-dire dans le plan des figures 1 et 2), la coque 16 définit une surface convexe.
Dans le présent mode de réalisation, le noyau céramique 12 comprend un premier renfort 20 et un deuxième renfort 22. Le premier renfort 20 est disposé à l'intérieur de la cavité 20. Le premier renfort 20 est ici rectiligne, en section transversale. Le premier renfort 20 s'étend d'un point de la coque 16 à un autre point de la coque 16, traversant donc la cavité 18. Le deuxième renfort 22 est disposé à l'intérieur de la cavité 18. Le deuxième renfort 22 est ici rectiligne, en section transversale. Le deuxième renfort 20 s'étend d'un point de la coque 16 à un point du premier renfort 20. En l'occurrence, le premier renfort 20 et le deuxième renfort 22 ont une section transversale en forme générale de T. De plus, le premier renfort 20 et le deuxième renfort 22 s'étendent ici sur toute la longueur (dans le sens longitudinal, c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire au plan de la figure 2) du noyau céramique 12.
Dans la section transversale représentée sur la figure 2, le premier renfort 20 a un rapport d'aspect L/a environ égal à 6,6. Le deuxième renfort 22 a un rapport d'aspect environ égal à 4. En tout état de cause, il est préférable que chaque renfort ait un rapport d'aspect compris entre 2 et 50.
Afin que le métal ne pénètre pas dans la cavité 18 lors de la coulée de l'aube 10, il est également préférable de boucher la cavité 18. De surcroît, afin que la partie bouchée ne fasse pas perdre le bénéfice de la cavité 18, il est préférable que la cavité soit bouchée au voisinage de ses extrémités dans la direction longitudinale, de préférence dans des parties de la coque qui ne sont pas destinées à entrer en contact avec le métal en refroidissement. Dans le cas d'une réalisation du noyau céramique par fabrication additive, les parties bouchées peuvent être fabriquées continûment avec la coque et le corps principal, ainsi qu'avec les éventuels renforts.
Lors du refroidissement de l'aube 10 après la coulée du métal, il s'opère une contraction différentielle de l'aube 10 et du noyau céramique 12 en raison des différences de coefficients de dilatation thermique. L'aube métallique 10 se rétracte davantage que le noyau céramique 12 et exerce sur le noyau céramique des efforts F, représentés schématiquement sur la figure 3, dirigés vers le corps principal 14. Sous l'effet de ces efforts, qui sont particulièrement intenses dans les zones de forte courbure de l'aube 10, la coque 16 et les renforts 20, 22 se déforment. En particulier, les premier et deuxième renforts présentent à leur intersection une partie intermédiaire 24 formant une zone de rupture préférentielle. La partie intermédiaire 24 est dimensionnée pour être le premier point de rupture sous l'effet des efforts dus à la contraction de l'aube 10. En l'occurrence, le caractère de zone de rupture préférentielle de la partie intermédiaire 24 est ici assuré par l'intersection des premier et deuxième renforts 20, 22 selon une forme en T, la partie intermédiaire 24 étant située à l'intersection des premier et deuxième renforts 20, 22.
Lorsque les efforts F dépassent un certain seuil prédéterminé par la géométrie et les matériaux du noyau céramique 12, la partie intermédiaire 24 rompt, ce qui entraîne l'affaiblissement de la structure de renforcement formée par les renforts 20, 22 et la rupture de la coque 16. De ce fait, le noyau céramique 12 ne fait plus obstacle, à l'emplacement de la coque 16 maintenant détruite, au libre retrait de l'aube 10. Par conséquent, les contraintes résiduelles dans l'aube 10 sont fortement diminuées et les phénomènes de recristallisation peuvent être évités.
Le noyau céramique 12 peut être formé par fabrication additive ou par toute autre méthode convenant à la réalisation de la coque 16 et de ses éventuels renforts 20, 22. Une fabrication par injection céramique de la partie massive du noyau céramique 12 et de la coque 16, séparément, suivie d'un collage, par exemple par une colle réfractaire, est également possible.
Le procédé de fabrication à cire perdue de l'aube 10 une fois le noyau céramique 12 réalisé est classique et consiste tout d'abord à former un moule d'injection dans lequel est placé le noyau céramique 12 avant injection de la cire. Le modèle en cire ainsi créé est ensuite trempé dans des barbotines constituées de suspension de céramique pour confectionner un moule de coulée (appelé aussi moule carapace). Enfin, on élimine la cire et on cuit le moule carapace dans lequel le métal fondu peut alors être coulé.
Au cours de ce procédé, après l'injection de la cire sur le noyau céramique 12, le refroidissement du modèle d'aube en cire peut donner lieu à des efforts similaires à ceux qui apparaissent lors du refroidissement de l'aube 10 en métal. Or, la coque 16 ne doit pas se briser lors de cette étape. Pour ce faire, selon une première possibilité, l'homme du métier peut dimensionner la coque 16, par exemple à l'aide de simulations numériques, pour qu'elle résiste aux efforts exercés par la cire en refroidissement et qu'elle rompe sous l'effet des efforts plus intenses exercés par le métal en refroidissement.
Selon une deuxième possibilité, alternativement ou en complément, avant d'injecter la cire sur le noyau céramique 12, on enduit manuellement le noyau céramique 12 de cire. Cette étape est appelée pré-cirage du noyau. Cet enduit préalable peut être fait directement à la surface du noyau céramique 12. L'enduit peut être fait sur toute la surface du noyau céramique 12, seulement sur la coque 16 ou encore sur toute partie de la surface externe du noyau céramique 12. Cet enduit préalable forme une couche tampon permettant d'atténuer les efforts s'exerçant effectivement sur le noyau céramique 12, protégeant ainsi la coque 16 de la rupture. En outre, l'enduit préalable de cire peut être retiré du noyau en même temps que le modèle en cire complet.
La figure 4 présente un autre mode de réalisation du noyau céramique. Le noyau céramique 112 de la figure 4 est identique au noyau céramique 12 du premier mode de réalisation hormis en ce qui concerne les renforts et les aspects détaillés par la suite. Ainsi, le corps principal 114, la coque 116 et la cavité 118 ne seront pas décrits à nouveau. Le noyau céramique 112 comprend un premier renfort 120 présentant une forme sensiblement en V. Par ailleurs, le premier renfort comporte une partie intermédiaire 124 formant une zone de rupture préférentielle. En l'espèce, la partie intermédiaire 124 prend la forme d'une encoche dans le premier renfort. La partie intermédiaire 124 forme donc une zone de concentration de contraintes, ce qui se traduit en une zone de rupture préférentielle.
En outre, dans ce mode de réalisation, le noyau céramique 112 est obtenu par un procédé dans lequel le corps principal 114 et la coque 116 sont fabriqués séparément, par exemple par injection céramique, puis assemblés, par exemple par collage.
Bien que la présente invention ait été décrite dans le cas d'un noyau en céramique et d'une aube en métal ou en alliage métallique, toutes les variations de formes ou de matériaux sont possibles, l'invention restant applicable dans le cas où les matériaux respectifs de l'aube et du noyau présentent le même phénomène de contraction différentielle.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à 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 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Noyau réfractaire (12, 112) pour la fabrication d'une aube creuse (10) de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue, comprenant un corps principal (14, 114) et au moins une coque (16, 116) reliée au corps principal (14, 114) et définissant une cavité (18, 118) entre le corps principal et la coque, la coque (16, 116) étant configurée pour venir au contact de l'aube (10) lors de la fabrication, la cavité (18, 118) étant bouchée de sorte que le matériau de fonderie ne pénètre pas dans la cavité lors de la coulée de l'aube (10).
2. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 1, dans lequel la coque (16, 116) définit un volume convexe.
3. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps principal (14, 114) est plein.
4. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre au moins un premier renfort (20, 120) disposé à l'intérieur de la cavité (18, 118), s'étendant d'un point de la coque (16, 116) à un autre point de la coque.
5. Noyau réfractaire (12) selon la revendication 4, comprenant en outre au moins un deuxième renfort (22) disposé à l'intérieur de la cavité (18) et s'étendant d'un point de la coque (16) à un point du premier renfort (20).
6. Noyau réfractaire (12, 112) selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel au moins un des renforts (20, 22, 120) comporte une partie intermédiaire (24, 124) formant une zone de rupture préférentielle.
7. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel en section transversale, chaque renfort
(20, 22, 120) a un rapport d'aspect compris entre 2 et 50.
8. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la cavité (18, 118) a la forme générale d'un tube, la cavité étant bouchée au voisinage des extrémités du tube.
9. Noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le corps principal (14, 114) et la coque (16, 116) sont monoblocs.
10. Procédé de fabrication d'une aube creuse (10) de turbomachine selon la technique de la fonderie à la cire perdue à l'aide d'un noyau réfractaire (12, 112) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel, avant d'injecter la cire sur le noyau réfractaire (12, 112), on enduit manuellement le noyau réfractaire (12, 112) de cire.
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