Fabrication additive indirecte des noyaux céramiques

Le durcissement des normes environnementales dans l’aéronautique ainsi que la prise de conscience globale sur les problématiques environnementales et leurs conséquences ont conduit SAFRAN à orienter ses travaux de recherches pour développer un moteur dit « bas carbone ». L'objectif est de réduire l'impact environnemental du transport aérien en réduisant les émissions de gaz à effet de serre ainsi que la consommation en carburant. Dans ce contexte, l'une des voies sélectionnées pour répondre à cet objectif est d'augmenter la Température d'Entrée des gaz dans la Turbine (TET). Pour ce faire, il est nécessaire d'améliorer l'ensemble des technologies d'aubes de turbine Haute Pression (HP). L'un des leviers majeurs pour augmenter cette TET est de développer des circuits de refroidissement plus efficaces. Pour cela, les géométries des circuits de refroidissement doivent être plus complexes avec des parties plus fines, des retournements, des multi-cavités, etc. Ces circuits de refroidissement sont actuellement obtenus à l'aide de noyaux céramiques de fonderie élaborés par le procédé de moulage par injection céramique (CIM). Cependant, ce procédé de production des noyaux atteint aujourd'hui ses limites en termes de complexité et de finesse des formes fabricables. La fabrication de noyaux de géométries complexes doit passer par une étape d'assemblage qui augmente le temps de fabrication et complexifie la maitrise du dimensionnel des pièces. De plus, le coût élevé de développement et de fabrication des outillages employés dans le procédé CIM rend impossible une fabrication compétitive de petites séries de pièces et le prototypage rapide.Afin de repousser la complexité géométrique des noyaux de fonderie tout en réduisant les temps de développement, ces travaux de thèse se sont consacrés au développement d'un procédé hybride. Celui-ci repose sur l'utilisation de moules sacrificiels fabriqués par impression 3D couplé au procédé gel casting. Des formulations de suspensions compatibles avec le procédé gel casting ont été développées, caractérisées et optimisées pour permettre leur gélification à partir de réactions de polymérisation dans des moules imprimés par dépôt de fil fondu ou par résine photopolymérisable. L'ensemble des caractérisations de stabilité et des propriétés rhéologiques des suspensions ainsi que des propriétés thermomécaniques/mécaniques des gels et pièces crues a permis de sélectionner les systèmes les plus compatibles pour les applications visées. Des pièces crues de différentes géométries ont été obtenues à partir de moules imprimés en différents matériaux et par différentes techniques de décochage. Ces pièces crues ont permis d'identifier les points forts et les axes d'amélioration de ce procédé hydride. L'analyse des propriétés thermiques, mécaniques et structurelles de pièces céramiques frittées à 1300°C pendant 6 heures a montré que ces dernières étaient compatibles avec le procédé de fonderie à cire perdue.Des résultats prometteurs ont ainsi été obtenus pour la production de pièces céramiques de géométries complexes via la fabrication additive couplée au procédé gel casting. Toutefois, la présence de défauts internes et de surface a été mise en évidence par des analyses de tomographie par absorption des rayons X. L'étude des propriétés mécaniques et structurelles des pièces crues associée aux analyses de tomographie a permis d'émettre des hypothèses sur l'apparition de ces défauts. Les verrous restants à lever sont liés au contrôle et à l'optimisation de chaque étape du procédé gel casting (remplissage des moules, gélification homogène et séchage), à la technologie de fabrication des moules (résolution et état de surface) et au matériau des moules (propriétés thermiques et décochage). Une fois ces verrous levés, il sera possible de réaliser des noyaux céramiques de géométrie complexe permettant de fabriquer des aubes de turbines disposant de circuits de refroidissement optimisés.