FR3096595A1 - Manufacturing process of a single crystal metal turbine blade - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une aube de turbine métallique monocristalline L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube de turbine métallique monocristalline comprenant au moins les étapes suivantes : l’obtention, par fabrication additive, d’un modèle métallique polycristallin de l’aube (12) et d’un modèle métallique polycristallin d’un conduit sélecteur de grain monocristallin (11) relié au modèle de l’aube, la formation d’une carapace en céramique autour des modèles ainsi obtenus pour former un moule, la fusion des modèles présent dans le moule, la solidification dirigée du métal en fusion présent dans le moule, et le retrait du moule pour obtenir l’aube monocristalline. Figure pour l’abrégé : Fig. 3.Method for manufacturing a single crystal metal turbine blade The invention relates to a process for manufacturing a single crystal metal turbine blade comprising at least the following steps: obtaining, by additive manufacturing, a polycrystalline metal model of the vane (12) and a polycrystalline metal model of a single crystal grain selector duct (11) connected to the vane model, the formation of a ceramic shell around the models thus obtained to form a mold, the fusion of the models present in the mold, the directed solidification of the molten metal present in the mold, and the withdrawal of the mold to obtain the single crystal blade. Figure for the abstract: Fig. 3.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces de turbomachine en métal par fonderie. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d’une aube de turbine monocristalline par ce type de procédé.The present invention relates to the general field of methods of manufacturing metal turbomachine parts by foundry. It relates more particularly to a process for manufacturing a single-crystal turbine blade by this type of process.
Dans certaines applications, et notamment dans les turbomachines aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée. Par exemple, dans les distributeurs des turbines de turbomachines aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes permet de limiter les effets de ces contraintes.In certain applications, and in particular in aeronautical turbomachines, it is necessary to have metal or metal alloy parts which have a controlled single-crystal structure. For example, in the distributors of the turbines of aeronautical turbomachines, the blades must withstand significant thermomechanical stresses due to the high temperature and the centrifugal forces to which they are subjected. A controlled monocrystalline structure in the metal alloys forming these blades makes it possible to limit the effects of these stresses.
Pour réaliser une pièce métallique de ce type, on connait le procédé du type fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, dans un tel procédé, on réalise tout d’abord un modèle en cire de la pièce à fabriquer, autour duquel on forme une carapace céramique formant un moule. Un métal en fusion est ensuite coulé dans le moule, et la solidification dirigée du métal permet d’obtenir, après retrait du moule, la pièce moulée. Ce procédé est avantageux pour fabriquer des pièces métalliques de formes complexes ayant une structure monocristalline.To produce a metal part of this type, the process of the lost wax casting type is known. In a manner known per se, in such a process, a wax model of the part to be manufactured is first produced, around which a ceramic shell is formed forming a mould. A molten metal is then poured into the mould, and the directed solidification of the metal makes it possible to obtain, after removal from the mould, the molded part. This method is advantageous for manufacturing metal parts of complex shapes having a monocrystalline structure.
Ce procédé présente toutefois l’inconvénient d’être long et de comporter un nombre important d’étapes. Il existe donc encore un besoin pour améliorer ce procédé.However, this process has the disadvantage of being long and involving a large number of steps. There is therefore still a need to improve this method.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une aube de turbine métallique monocristalline comprenant au moins les étapes suivantes :
- l’obtention, par fabrication additive, d’un modèle métallique polycristallin de l’aube et d’un modèle métallique polycristallin d’un conduit sélecteur de grain monocristallin relié au modèle de l’aube,
- la formation d’une carapace en céramique autour des modèles ainsi obtenus pour former un moule,
- la fusion d’au moins une partie du métal présent dans le moule,
- la solidification dirigée du métal en fusion présent dans le moule, et
- le retrait du moule pour obtenir l’aube monocristalline.To this end, the invention proposes a method for manufacturing a single-crystal metal turbine blade comprising at least the following steps:
- obtaining, by additive manufacturing, a polycrystalline metallic model of the blade and a polycrystalline metallic model of a monocrystalline grain selector pipe connected to the blade model,
- the formation of a ceramic shell around the models thus obtained to form a mould,
- the melting of at least part of the metal present in the mould,
- the directed solidification of the molten metal present in the mould, and
- removing the mold to obtain the monocrystalline blade.
Le procédé selon l’invention permet de supprimer des étapes au procédé connu de fonderie à la cire perdue, puisqu’il n’est plus nécessaire de fabriquer un modèle en cire, d’enlever la cire du moule, et de couler le métal en fusion dans le moule. Par rapport aux procédés de l’art antérieur, on peut obtenir directement par fabrication additive un modèle métallique de l’aube relié à un modèle de conduit sélecteur de grain, de sorte qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un germe monocristallin et de prévoir un logement pour celui-ci. Le procédé selon l’invention permet de gagner en répétabilité et en efficacité pour fabriquer des aubes de turbine.The method according to the invention makes it possible to eliminate steps in the known lost wax casting method, since it is no longer necessary to manufacture a wax model, to remove the wax from the mold, and to cast the metal in fusion in the mould. Compared to the methods of the prior art, it is possible to obtain directly by additive manufacturing a metallic model of the blade connected to a model of grain selector duct, so that it is not necessary to use a monocrystalline seed. and provide accommodation for it. The method according to the invention makes it possible to gain in repeatability and in efficiency for manufacturing turbine blades.
En d’autres termes, les modèles métalliques polycristallins de l’aube et du conduit sélecteur de gain peuvent être obtenus simultanément par fabrication additive et former une seule et même pièce. Le modèle d’aube correspond généralement à l’aube à fabriquer à la différence qu’il est polycristallin et que l’on cherche à fabriquer une aube monocristalline.In other words, the polycrystalline metal models of the blade and the gain selector duct can be obtained simultaneously by additive manufacturing and form a single and same part. The blade model generally corresponds to the blade to be manufactured, except that it is polycrystalline and the aim is to manufacture a monocrystalline blade.
Dans un exemple de réalisation, l’aube est une aube mobile ou une aube fixe de turbine de turbomachine aéronautique.In an exemplary embodiment, the blade is a moving blade or a fixed blade of an aeronautical turbomachine turbine.
Dans un exemple de réalisation, l’aube et son modèle peuvent être creux, et le procédé peut comprendre en outre, avant l’étape de formation de la carapace en céramique, une étape de formation d’un noyau en céramique dans la ou chacune des parties creuses du modèle de l’aube. La ou les parties creuses peuvent correspondre par exemple à des canaux de refroidissement de l’aube.In an exemplary embodiment, the blade and its model may be hollow, and the method may further comprise, before the step of forming the ceramic shell, a step of forming a ceramic core in the or each hollow parts of the dawn model. The hollow part(s) may correspond for example to blade cooling channels.
Dans un exemple de réalisation, l’étape de formation du noyau en céramique peut comprendre au moins une première sous-étape de remplissage de la ou chacune des parties creuses du modèle de l’aube avec une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, et une deuxième sous-étape de cuisson pour obtenir le noyau en céramique.In an exemplary embodiment, the step of forming the ceramic core may comprise at least a first sub-step of filling the or each of the hollow parts of the blade model with a slip or a paste comprising a ceramic powder, and a second firing sub-step to obtain the ceramic core.
Dans un exemple de réalisation, le modèle de l’aube peut comprendre en outre au moins un modèle de masselotte de compensation de la contraction volumique du métal lors de la solidification dirigée. En intégrant le modèle de masselotte directement au moment de l’obtention par fabrication additive, on gagne également en répétabilité et en efficacité.In an exemplary embodiment, the blade model may also comprise at least one model of a flyweight to compensate for the volume contraction of the metal during directional solidification. By integrating the feeder model directly at the time of obtaining by additive manufacturing, we also gain in repeatability and efficiency.
Dans un exemple de réalisation, l’étape de fabrication de la carapace en céramique peut comprendre au moins une première sous-étape de trempage des modèles dans une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique, une deuxième sous-étape de sablage des modèles trempés, et une troisième sous-étape de cuisson pour obtenir la carapace en céramique.In an exemplary embodiment, the step of manufacturing the ceramic shell may comprise at least a first sub-step of dipping the models in a slip or a paste comprising a ceramic powder, a second sub-step of sandblasting the hardened models , and a third firing sub-step to obtain the ceramic shell.
Dans un exemple de réalisation, les modèles peuvent être en alliage à base de nickel.In an exemplary embodiment, the models can be made of a nickel-based alloy.
Dans un exemple de réalisation, les modèles peuvent être obtenus par un procédé de fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, ou par un procédé de dépôt direct de métal.In an exemplary embodiment, the models can be obtained by a process of selective melting or selective sintering on a powder bed, or by a process of direct metal deposition.
Dans un exemple de réalisation, le modèle du conduit sélecteur de grain peut présenter une forme en chicane.In an exemplary embodiment, the model of the grain selector duct may have a chicane shape.
La figure 1 montre une aube 1 de turbine, par exemple une aube mobile destinée à être montée sur un rotor. La turbine en question peut être une turbine de turbomachine terrestre ou aéronautique. L’aube 1 peut en variante être une aube fixe ou aube de distributeur destinée à être montée sur un stator. L’aube 1 est en un métal ou alliage métallique monocristallin et peut être obtenue par un procédé selon l’invention. L’aube 1 comprend, dans cet exemple, un pied 2 prolongé par un aubage 3 et une plateforme 4 entre le pied 2 et l’aubage 3.FIG. 1 shows a turbine blade 1, for example a moving blade intended to be mounted on a rotor. The turbine in question can be a land or aeronautical turbomachine turbine. The vane 1 can alternatively be a stationary vane or distributor vane intended to be mounted on a stator. The blade 1 is made of a monocrystalline metal or metal alloy and can be obtained by a method according to the invention. The blade 1 comprises, in this example, a root 2 extended by a blade 3 and a platform 4 between the root 2 and the blade 3.
La figure 2 montre l’enchaînement des étapes d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.Figure 2 shows the sequence of steps of a method according to one embodiment of the invention.
Dans une étape E1, on obtient, par fabrication additive, un modèle métallique polycristallin de l’aube et un modèle métallique polycristallin d’un conduit sélecteur de grain monocristallin relié au modèle de l’aube. Par « fabrication additive », on entend tout procédé de fabrication d’une pièce dans lequel la pièce est formée couche par couche à partir d’un matériau ou d’un mélange de matériaux. On peut citer à titre d’exemple non limitatif les procédés suivants : fusion sélective ou frittage sélectif sur lit de poudre, par faisceau laser ou faisceau d’électrons ; ou le dépôt direct de métal, par exemple à partir d’un fil fondu ou d’une poudre fondue qui est projetée.In a step E1, a polycrystalline metallic model of the blade and a polycrystalline metallic model of a monocrystalline grain selector pipe connected to the blade model are obtained by additive manufacturing. By “additive manufacturing”, we mean any process for manufacturing a part in which the part is formed layer by layer from a material or a mixture of materials. Mention may be made, by way of non-limiting example, of the following processes: selective melting or selective sintering on a powder bed, by laser beam or electron beam; or the direct deposition of metal, for example from a molten wire or a molten powder which is projected.
L’aube de turbine 1 peut être en alliage métallique à base de nickel, comme de l’AM1, le CMSX4, le CMSX4 SLS, le CMSX-4 Plus, l’AM3, le DS200, de l’Inconel®, etc.The turbine blade 1 can be made of a nickel-based metal alloy, such as AM1, CMSX4, CMSX4 SLS, CMSX-4 Plus, AM3, DS200, Inconel®, etc.
Le résultat de cette étape E1 est illustré sur la figure 3 où on a réalisé sur un support 10, successivement par fabrication additive : un modèle de conduit sélecteur de grain 11 ; un modèle de l’aube 12 avec un aubage 13 ayant une partie creuse 14, un pied 15, et une plateforme 16 entre le pied 15 et l’aubage 13 ; et un modèle de masselotte 17 de compensation de la contraction volumique du métal de l’aube lors d’une solidification dirigée. Le modèle de l’aube 12 est retourné par rapport au support 10, c’est-à-dire que son pied 15 se situe au-dessus de l’aubage 13 dans le procédé décrit. Le modèle de masselotte 17 est relié au modèle de l’aube 12 au niveau du pied 15 dudit modèle. La présence du modèle de masselotte 17 est optionnelle. La partie creuse 14 comporte ici des canaux 14a de refroidissement traversant l’aubage 13. La présence de la partie creuse 14 est optionnelle si l’on cherche à fabriquer une pièce pleine. On notera qu’il pourrait y avoir plusieurs parties creuses 14, et que la ou chaque partie creuse 14 peut avoir une forme plus complexe que celle illustrée. Le fait que l’ensemble obtenu soit polycristallin est dû au procédé d’obtention par fabrication additive, où l’on réalise l’agglomération ou le dépôt de grains métalliques cristallisés de façon aléatoire.The result of this step E1 is illustrated in FIG. 3 where the following has been produced on a support 10, successively by additive manufacturing: a model of grain selector duct 11; a blade model 12 with a blade 13 having a hollow part 14, a root 15, and a platform 16 between the root 15 and the blade 13; and a flyweight model 17 to compensate for the volume contraction of the blade metal during directed solidification. The blade model 12 is turned over with respect to the support 10, that is to say that its foot 15 is located above the blade 13 in the process described. The flyweight model 17 is connected to the blade model 12 at the level of the foot 15 of said model. The presence of the weight model 17 is optional. The hollow part 14 here comprises cooling channels 14a passing through the blading 13. The presence of the hollow part 14 is optional if one seeks to manufacture a solid part. It will be noted that there could be several hollow parts 14, and that the or each hollow part 14 can have a more complex shape than that illustrated. The fact that the assembly obtained is polycrystalline is due to the process of obtaining by additive manufacturing, where one carries out the agglomeration or the deposit of crystallized metallic grains in a random way.
On notera que le modèle de conduit sélecteur de grain 11, le modèle de l’aube 12 et le modèle de masselotte 17 de compensation de la contraction volumique du métal lors de la solidification dirigée peuvent être obtenus simultanément (c’est-à-dire au cours d’une même étape de fabrication additive), ou, en variante, être obtenus séparément puis reliés par assemblage.It will be noted that the grain selector duct model 11, the blade model 12 and the flyweight model 17 for compensating the volume contraction of the metal during directed solidification can be obtained simultaneously (i.e. during the same additive manufacturing step), or, as a variant, be obtained separately then connected by assembly.
Puis, dans une étape E2, optionnelle s’il n’y a pas de partie creuse 14, on peut former un noyau en céramique 18 (figure 4) dans la partie creuse 14 du modèle de l’aube 12. Pour cela, dans une première sous-étape on peut introduire dans la partie creuse 14 une pâte ou barbotine comprenant une poudre céramique en suspension. Une fois cette pâte introduite, une deuxième sous-étape de cuisson permet d’obtenir le noyau en céramique 18 au sein du modèle de l’aube 12.Then, in a step E2, optional if there is no hollow part 14, a ceramic core 18 (FIG. 4) can be formed in the hollow part 14 of the blade model 12. For this, in a first sub-step can be introduced into the hollow part 14 a paste or slip comprising a ceramic powder in suspension. Once this paste has been introduced, a second firing sub-step makes it possible to obtain the ceramic core 18 within the blade model 12.
Ensuite, dans une étape E3, on forme une carapace en céramique 19 (figure 5) autour des modèles 11, 12 et 17 ainsi obtenus pour obtenir un moule 20 dans lequel sont présents les modèles 11, 12, 17 et le noyau en céramique 18. Pour ce faire, on réalise une première sous-étape durant laquelle on trempe les modèles 11, 12 et 17 dans une barbotine ou une pâte comprenant une poudre céramique en suspension, et une deuxième étape de sablage (ou stuccage) des modèles trempés. On peut répéter plusieurs fois les première et deuxième sous-étapes pour obtenir une carapace d’épaisseur plus importante. Ensuite, dans une troisième sous-étape, on cuit l’ensemble pour obtenir la carapace céramique 19 et finalement le moule 20.Then, in a step E3, a ceramic shell 19 (FIG. 5) is formed around the models 11, 12 and 17 thus obtained to obtain a mold 20 in which the models 11, 12, 17 and the ceramic core 18 are present. To do this, a first sub-step is carried out during which the models 11, 12 and 17 are dipped in a slip or paste comprising a ceramic powder in suspension, and a second step of sandblasting (or stuccoing) of the dipped models. The first and second sub-steps can be repeated several times to obtain a shell of greater thickness. Then, in a third sub-step, the whole is fired to obtain the ceramic shell 19 and finally the mold 20.
Puis, dans une étape E4, on fait fondre les modèles 11, 12 et 17 présents dans le moule 20. Pour ce faire, on dispose le moule 20 sur son support 10 dans un four de solidification dirigée 21 ou four Bridgman dans lequel on peut par exemple déplacer le support 10 verticalement pour modifier la position du gradient de température que voit le moule 20. On fait d’abord fondre toutes les parties métalliques dans le moule 20.Then, in a step E4, the models 11, 12 and 17 present in the mold 20 are melted. To do this, the mold 20 is placed on its support 10 in a directed solidification furnace 21 or Bridgman furnace in which for example, move the support 10 vertically to modify the position of the temperature gradient that the mold 20 sees. First, all the metal parts are melted in the mold 20.
Une fois l’ensemble du métal présent dans le moule 20 fondu, ou au moins jusqu’au bas du conduit sélecteur de grain, on peut « tirer » progressivement le moule 20 vers une partie plus froide (flèche 22) du four pour amorcer la solidification dirigée du métal en fusion (étape E5). Au cours de cette étape, un front de solidification progresse depuis le conduit sélecteur de grain jusqu’à la cavité dans laquelle sera moulée la masselotte. Lorsque le front de solidification dirigée monte à l’intérieur du conduit sélecteur de grain, une orientation de grain est privilégiée progressivement par la forme du conduit (par exemple en chicane) de sorte qu’en arrivant dans la cavité de moulage de l’aube il ne reste plus qu’une orientation cristallographique. Après cette étape, on obtient à l’intérieur du moule 20 une aube monocristalline. La présence de la masselotte qui est solidifiée en dernier permet de compenser la contraction volumique du métal lors de sa solidification et de réduire les défauts de forme qu’elle peut engendrer.Once all of the metal present in the mold 20 has melted, or at least to the bottom of the grain selector duct, the mold 20 can be gradually "pulled" towards a colder part (arrow 22) of the furnace to initiate the directed solidification of the molten metal (step E5). During this stage, a solidification front progresses from the grain selector duct to the cavity in which the feeder will be molded. When the directional solidification front rises inside the grain selector duct, a grain orientation is progressively favored by the shape of the duct (for example in a baffle) so that on arriving in the molding cavity of the blade only one crystallographic orientation remains. After this step, a monocrystalline blade is obtained inside the mold 20. The presence of the riser, which is solidified last, makes it possible to compensate for the volume contraction of the metal during its solidification and to reduce the shape defects that it can cause.
Enfin, dans une étape E6, on peut procéder au retrait du moule ou en d’autres termes au décochage de l’ensemble solidifié présent dans le moule, afin d’obtenir l’aube 1. Plus précisément, on peut retirer le moule en le cassant ou à l’aide d’une attaque chimique pour également supprimer le noyau en céramique, et ensuite séparer l’aube 1 du conduit sélecteur de grain et de la masselotte par usinage de façon connue.Finally, in a step E6, the mold can be removed or, in other words, the shake-out of the solidified assembly present in the mold, in order to obtain the blade 1. More specifically, the mold can be removed by breaking it or using a chemical attack to also remove the ceramic core, and then separate the blade 1 from the grain selector duct and from the feeder by machining in a known manner.
L’invention a été décrite dans le cadre de la fabrication d’une unique aube de turbine, bien entendu d’autres configurations permettent de fabriquer simultanément plusieurs aubes.The invention has been described in the context of the manufacture of a single turbine blade, of course other configurations make it possible to manufacture several blades simultaneously.
Claims (8)
- l’obtention (E1), par fabrication additive, d’un modèle métallique polycristallin de l’aube (12) et d’un modèle métallique polycristallin d’un conduit sélecteur de grain monocristallin (11) relié au modèle de l’aube,
- la formation (E3) d’une carapace en céramique (19) autour des modèles ainsi obtenus pour former un moule (20),
- la fusion (E4) d’au moins une partie du métal présent dans le moule,
- la solidification dirigée (E5) du métal en fusion présent dans le moule (20), et
- le retrait du moule (E6) pour obtenir l’aube monocristalline.Method of manufacturing a monocrystalline metal turbine blade (1) comprising at least the following steps:
- obtaining (E1), by additive manufacturing, a polycrystalline metallic model of the blade (12) and a polycrystalline metallic model of a monocrystalline grain selector duct (11) connected to the blade model ,
- the formation (E3) of a ceramic shell (19) around the models thus obtained to form a mold (20),
- the melting (E4) of at least part of the metal present in the mould,
- the directed solidification (E5) of the molten metal present in the mold (20), and
- removal of the mold (E6) to obtain the monocrystalline blade.
Priority Applications (2)
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