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Article

1 - DESCRIPTION DU PROCÉDÉ

2 - PERFORMANCES DU PROCÉDÉ

3 - CONTRÔLES MÉTALLURGIQUES ET DIMENSIONNELS

  • 3.1 - Moyens de CND métallurgiques
  • 3.2 - Moyens de CND dimensionnels
  • 3.3 - Limites des moyens de CND. Plan d’Assurance Qualité
  • 3.4 - Évolution de l’usage des moyens de CND et maîtrise statistique des procédés

| Réf : M3580 v1

Performances du procédé
Fonderie de précision à modèle perdu - Application aux super-alliages

Auteur(s) : Jean-Claude DORIATH, Serge PRIGENT

Date de publication : 10 sept. 2007

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RÉSUMÉ

Cet article traite des caractéristiques de la fonderie de précision à modèle perdu pour une de ses applications les plus modernes, celles des aubes de turboréacteurs. Ce type de fonderie s’applique bien aux matériaux métalliques à hautes caractéristiques mécaniques à chaud comme les alliages à base de nickel ou à base de cobalt, utilisés dans les turbomachines. De plus, la fonderie à modèle perdu permet d’obtenir des tolérances dimensionnelles réduites et des états de surface de haute qualité à des coûts de fabrication considérablement moindres que par toute autre technique d’usinage, classique ou non.

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ABSTRACT

This article discusses the characteristics of precision lost-wax casting for one of its most modern applications, turbojet blades. This type of casting is well suited to metallic materials having high-heat mechanical characteristics such as nickel-based and cobalt-based alloys, used in turbomachinery. In addition, the lost-wax casting model makes it possible to obtain reduced dimensional tolerances and high-quality surfaces at significantly lower manufacturing costs than by any other machining technique, traditional or not.

Auteur(s)

  • Jean-Claude DORIATH : Ingénieur de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA – Lyon) - Fonderie SNECMA – Gennevilliers

  • Serge PRIGENT : Docteur de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA – Rennes) - GLOBAL R&D ALSTOM POWER HYDRO – Grenoble

INTRODUCTION

Ce dossier traite des caractéristiques de la fonderie de précision à modèle perdu (Investment Casting en langage anglo‐saxon) pour une de ses applications les plus modernes, celles des aubes de turboréacteurs. La description faite des procédés trouve ses limites dans la propriété industrielle des sociétés qui les ont développés et peut être complétée par la bibliographie (en fin de dossier).

On retrouvera ici les étapes bien connues de la fonderie à la cire perdue pratiquée depuis au moins le deuxième millénaire avant Jésus‐Christ en différents lieux de la planète et qui a permis le moulage de très nombreuses œuvres artistiques en bronze remarquables. Citons, entre autres, Donatello (1386-1466) qui le premier depuis l’antiquité coula en Europe une statue équestre.

Les progrès réalisés ces quarante dernières années dans la formulation des matériaux métalliques à hautes caractéristiques mécaniques à chaud ont conduit à la mise au point d’alliages à base de nickel ou à base de cobalt à durcissement structural et à leur emploi dans les composants les plus sollicités en température des turbomachines.

Le recours aux techniques de moulage de précision pour leur mise en forme est particulièrement justifié sinon imposé par les raisons suivantes :

  • ces alliages qui, par définition, sont peu déformables à chaud, ne sont ni forgeables ni facilement usinables ;

  • pour étendre la durée de vie des pièces soumises en fonctionnement aux plus hautes températures, le concepteur de celles‐ci inclut en leur sein un circuit de ventilation parcouru, en service, par un flux d’air destiné à les refroidir ; la technique du noyautage, partie intégrante de tout procédé de fonderie, permet la réalisation de ces pièces creuses ;

  • les formes aérodynamiques complexes de certains composants de turboréacteurs sont obtenues directement de fonderie avec des tolérances dimensionnelles réduites et des états de surface de haute qualité à des coûts de fabrication considérablement moindres que par toute autre technique d’usinage, classique ou non ;

  • la maîtrise des structures métallurgiques par le contrôle des modes de solidification du métal après la coulée et par les traitements thermiques associés permet d’optimiser les propriétés des matériaux en fonction des conditions de service ;

  • enfin, la mise en place de procédures d’Assurance Qualité associées aux performances des moyens de contrôle non destructif permet de garantir l’intégrité de la matière et son niveau de caractéristiques.

On pourra se reporter utilement aux articles Solidification Cristallisation et microstructures [M 58] et Solidification Macrostructures et qualité des produits [M 59] du présent traité.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m3580


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2. Performances du procédé

Au-delà des propriétés intrinsèques des alliages mis en forme par ce procédé de fonderie, les performances de celui-ci, dans le domaine des fabrications aéronautiques, sont liées en grande part aux formules retenues pour constituer les moules-carapaces et les noyaux céramiques ainsi qu’aux progrès considérables réalisés ces dernières années dans la conduite et dans la maîtrise du mode de refroidissement des alliages après la coulée qui conditionnent très directement la structure de l’alliage solidifié et, partant, ses propriétés mécaniques et physiques finales.

2.1 Moules-carapaces et noyaux céramiques

Les principales qualités attendues des matériaux céramiques qui constituent ces produits sont :

  • une très grande inertie chimique vis-à-vis du métal liquide avec lequel ils sont en contact direct après la coulée à des températures élevées (1 400 à 1 600 oC) pendant des temps qui peuvent, dans certaines circonstances, être très longs (supérieurs à 1 h dans le cas du moulage de pièces monocristallines) ;

  • une grande qualité d’état de surface qui est un facteur dimensionnant majeur de leur rendement aérodynamique ;

  • une forte tenue mécanique et une grande stabilité structurale à chaud pour garantir la précision dimensionnelle attendue ;

  • de plus, un ensemble de propriétés physiques (émissivité, conductivité thermique, chaleur massique, masse volumique, distribution granulométrique, coefficient de dilatation, modules d’élasticité, porosité, tension superficielle...) doit être parfaitement maîtrisé pour garantir la parfaite compatibilité des matériaux entre eux à chaque étape du procédé de fonderie.

Les matériaux le plus communément utilisés sont (liste non exhaustive) :

  • la silice (SiO2), généralement amorphe, qui joue le double rôle :

    • de liant, sous la forme de silicate d’éthyle ou de silice colloïdale en phase liquide dans les barbotines d’enduction,

    • de charge de renfort sous la forme de farine et de sable obtenues par broyage d’une galette de silice purifiée électrofondue ;

  • le zircon (silicate de zirconium ZrSiO4)...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Investment casting handbook  -  . Investment Casting Institute, Chicago (1968).

  • (2) - SIMS (C.T.), HAGEL (W.C.) -   The superalloys  -  . John Wiley and Sons (1972).

  • (3) - FLEMINGS (M.E.) -   Solidification processing  -  . Mc Graw Hill (1974).

  • (4) -   Superalloys metallurgy and manufacture  -  . 3e International symposium, Seven Springs Aime. – Clairtor’s Publishing Division (1976).

  • (5) - Mc LEAN (M.) -   Directionally solidified materials for high temperature service  -  . The Metal Society Londres (1983).

  • (6) - BENARD (J.), MICHEL (A.), PHILIBERT (J.), TALBOT (J.) -   Métallurgie générale  -  . Masson Paris (1984).

  • ...

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