Comment sont moulées les roues à aubes et les roues de guidage en alliage de titane ?

Les roues à aubes et les roues directrices en alliage de titane sont coulées sous vide avec une fusion et un remplissage du moule protégés, car le titane liquide réagit facilement avec les gaz et de nombreux matériaux de moulage. La roue à aubes utilise une carapace en graphite pour moulage à la cire perdue et une coulée centrifuge ; la roue directrice utilise un moule en graphite traité et un remplissage centrifuge sous vide. Les alliages de titane de fonderie Ti-6Al-4V et Ti-5Al-2.5Sn font partie des matériaux étudiés ; la composition et les propriétés représentatives du Ti-6Al-4V sont indiquées ci-dessous.

Composition et propriétés de l'alliage de titane coulé Ti-6Al-4V

Remarque : Cet alliage contient généralement aussi de faibles quantités de C, O, N et H, le reste étant constitué de titane.

La coulée des alliages de titane est difficile. Les températures de fusion sont généralement supérieures à 1 700 °C, et le titane est très réactif. Au-delà de 500 °C, il réagit avec de nombreux matériaux, tandis que le titane fondu peut réagir avec presque tous les matériaux réfractaires ainsi qu’avec l’oxygène, l’hydrogène et l’azote. Sa fluidité est également faible. Les matériaux de moulage, les techniques de fusion et le remplissage des moules nécessitent donc des contrôles particuliers. Les matériaux de moulage doivent présenter une réfractarité et une stabilité thermique élevées et ne doivent pas réagir avec le métal en fusion. Les systèmes de moulage actuels comprennent les moules en graphite damé, les coques de moulage à la cire perdue, les moules en céramique et les moules en sable de zircon.

En raison de cette réactivité, la fusion en lingot avec électrode consommable et la coulée du titane doivent être réalisées sous vide ou sous protection de gaz inerte, dans un creuset à refroidissement forcé. La production fait généralement appel à un four de fusion sous vide de type « skull ».

Roue à aubes en titane moulée en carapace de graphite

Cette roue utilise un moule à coque. Le système de coque utilise de la résine phénolique comme liant, ainsi que de la poudre de graphite et du sable de différentes granulométries comme charges réfractaires et comme enduit. La résistance de la coque atteint 5,7 à 6,8 MPa. Les moules destinés aux roues et aux rotors de ventilateurs présentent une enveloppe extérieure de 350 mm × 350 mm × 350 mm. Le moule est positionné au centre du plateau tournant d'une machine de moulage centrifuge verticale, puis la chambre à vide est fermée pour permettre la mise sous vide et la fusion.

Une fois la fusion terminée, le four à crâne s'incline automatiquement pour permettre la coulée. La vitesse de rotation du moule pendant la coulée est comprise entre 200 et 400 tr/min. Les pièces moulées obtenues peuvent présenter une épaisseur de paroi minimale de 1,5 à 2 mm et une rugosité de surface comprise entre Ra 3,2 et 6,3 μm.

Roue directrice en titane coulée dans un moule en graphite

La roue de guidage présente un diamètre maximal de 363,5 mm et comporte 18 ailettes réparties de manière uniforme. La paroi à l’extrémité des pales a une épaisseur de 4 mm, la tolérance d’épaisseur des pales est inférieure à 0,2 mm et l’erreur d’arc des pales est inférieure à 0,15 mm. Les surfaces des pales doivent présenter un rugosité Ra de 6,3 μm, tandis que les surfaces usinées de la roue de guidage comportent une surépaisseur d’usinage de 2 à 3 mm.

Un seul noyau annulaire sert à former toutes les ailettes, ce qui permet de contrôler leurs dimensions et leur position. Le noyau des ailettes, les noyaux de contour supérieur et inférieur, ainsi que la section de la coupelle de coulée sont assemblés à l'intérieur d'un moule extérieur. Les moules et noyaux en graphite finis contiennent souvent de l’humidité et nécessitent un traitement à haute température. Placez le moule dans un four sous vide, mettez-le sous vide, chauffez-le lentement jusqu’à 950 °C, maintenez cette température pendant environ 4 h, puis laissez-le refroidir avec le four. Coulez le moule traité dès que possible afin de limiter une nouvelle absorption de gaz.

La coulée est réalisée dans un four à crâne à électrode consommable sous vide, avec remplissage centrifuge sous vide. En fonction du rayon moyen, utiliser un facteur de gravité G de 15 et une vitesse de rotation du moule de 350 tr/min. Laisser refroidir la pièce moulée sous vide après la coulée.