Perspectives de développement de la technologie de moulage de précision haut de gamme

De la collection de M. Chen Bing

Moulages de précision haut de gamme ou des fonderies de précision à haute valeur ajoutée, impliquant l'aérospatiale, l'armement, les turbines à gaz industrielles et d'autres secteurs importants, progressivement les variétés, les spécifications, qu'elles soient métallurgiques ou de qualité d'apparence, sont très exigeantes. Dans cet article, seuls quelques exemples typiques de l’histoire et des tendances du développement feront l’objet d’une brève introduction.

Industrie de la Défense

 1. Aubes de turbine de moteur d'avion

La partie centrale du moteur d’aviation moderne (ou moteur à réaction) est principalement composée de trois parties : le pressuriseur, la chambre de combustion et la turbine (Figure 1). Étroitement lié à la coulée de précision, le moteur à pression comprend plusieurs étages d'aubes et d'aubes de turbine, y compris des aubes statiques (aubes de guidage) et des aubes dynamiques (aubes de travail). Différents types et utilisations d'avions, les exigences du moteur ne sont pas les mêmes, mais une chose est commune, c'est-à-dire améliorer constamment le rapport poussée/poids et réduire la consommation de carburant. À cette fin, l'amélioration de l'efficacité thermique est la clé, et les principales mesures techniques pour améliorer l'efficacité thermique ne sont rien d'autre que de maximiser le rapport de pressurisation du pressuriseur et la température d'entrée avant de la turbine (Figure 1). Le résultat fera inévitablement augmenter la température de l'ensemble du système, les pièces concernées, en particulier la température de fonctionnement des aubes de turbine, devenant de plus en plus élevées. La température de fonctionnement des aubes de turbine de première classe est à peu près équivalente à la température d'entrée de la turbine, et la température actuelle d'entrée de la turbine du moteur d'avion le plus avancé atteint un incroyable 1 700 ℃, dépassant le point de fusion des hautes températures à base de nickel. -température des alliages d'environ 300 ℃.

Selon les principes de base de la métallurgie, les joints de grains sont des maillons faibles à haute température, de sorte que la zone de joint de grain du matériau en alliage d'aube de turbine est vouée à devenir de plus en plus petite, du développement de cristaux équiaxes (1950S) à la direction du mouvement. direction de contrainte principale du cristal en colonne orienté parallèle à la direction de la contrainte principale (1970S), la température de fonctionnement de la lame est également augmentée de 900 à 1 000 ℃ à 1 000 à 1 100 ℃, et les méthodes de coulée sont également en conséquence de la fusion sous vide ordinaire - coulée développée jusqu'à la solidification directionnelle jusqu'à la coulée du monocristal (Figures 2 et 3).

Différents pays ont développé la composition chimique de l'alliage monocristallin n'est pas la même, mais la microstructure est fondamentalement la même, c'est-à-dire que la phase γ de solution solide à base de nickel en tant que substrat est une phase cubique renforcée à haute température γ' incrustée dedans ( Figure 4). Jusqu'à présent, la R&D sur les alliages monocristallins a connu une, deux, trois générations, entre maintenant dans la quatrième, cinq et même la sixième génération de la phase de recherche et développement, se dirige vers l'utilisation de l'objectif de température de 1150 ℃. . Malgré des décennies d'efforts inlassables, du seul point de vue de l'alliage, la température de service n'a pas encore dépassé 1150 ℃. Cependant, la dernière exigence en matière de température d'entrée des turbines de moteurs d'avion atteint 1 700 ℃, soit une différence de près de 600 ℃. Comment combler cet écart de 600 ℃ ? À l'heure actuelle, principalement à l'aide de deux mesures techniques, à savoir le refroidissement par air à l'intérieur de la pale et le revêtement de barrière thermique extérieure de la pale. Afin d'améliorer continuellement l'efficacité du refroidissement de l'air, le canal de refroidissement interne de la pale doit être tortueux, de sorte que son effet de refroidissement s'étende sur toutes les parties du corps de la pale, en particulier sur le bord de l'admission et de l'échappement. Cela se traduit par des formes structurelles de plus en plus élaborées et complexes pour les noyaux en céramique qui forment les cavités internes (Figure 5). Compte tenu des mauvaises propriétés de forgeage et d'usinage de presque tous les alliages à haute température, en particulier avec des cavités internes complexes (canaux de refroidissement), la coulée de précision est devenue à juste titre la seule méthode de moulage pour les aubes de turbine de moteurs d'avion.

En bref, le revêtement barrière thermique est un revêtement calorifuge, une nouvelle technologie développée seulement à la fin du siècle dernier. Sa structure de base se compose de deux couches, une couche supérieure en céramique avec une faible conductivité thermique et une couche adhésive conçue pour empêcher l'oxydation du substrat et le lier étroitement (Fig. 6). Le premier est formé principalement par des méthodes de dépôt physique en phase vapeur telles que le faisceau d'électrons ou le plasma, tandis que le second est formé par dépôt chimique en phase vapeur. Le coefficient de dilatation thermique global du revêtement doit correspondre à celui du matériau du substrat pour garantir qu'il ne se fissure pas et ne s'écaille pas à une température élevée de 1 700 °C. Le revêtement doit également être appliqué sur le matériau du support. La figure 7 montre une aube de turbine creuse dotée d'un revêtement barrière thermique.

2. Grands composants structurels intégraux

Un profil typique d'un moteur d'avion est illustré à la figure 8. Le boîtier se compose d'un certain nombre de compartiments, souvent appelés « chargeur ». Après la chambre de combustion, il n'y a généralement pas de coulée, tandis que la partie sous pression de certaines formes très complexes du chargeur ne se fait souvent que par coulée de moulage. Le rapport de suralimentation des exigences toujours croissantes de la température de fonctionnement du compresseur d'air sous pression continue d'augmenter, de sorte que la méthode de moulage de ces magasins à partir d'aluminium, moulage au sable en alliage de magnésium (développement des années 1950 ~ 1960 de la tôle d'acier inoxydable - soudée à l'alliage de titane actuel ou moulage de précision d'alliages à haute température. La figure 9 montre le grand magasin en alliage de titane produit par PCC, et les figures 10 et 11 montrent le magasin en alliage de titane et le moule en cire produits respectivement par Howmet.

Étant donné que les alliages de titane ont une résistance spécifique et une rigidité spécifique plus élevées que les autres alliages, les grands composants structurels complexes à parois minces des alliages de titane ont également été largement utilisés dans les grands composants structurels porteurs des avions (Fig. 12) et des coques de missiles (Fig. 13). ) depuis les années 1970.

3. Moulages de précision en alliage d'aluminium avec structure intégrale

Ces pièces moulées sont largement utilisées dans les racks, les cadres, les bases et les radiateurs pour les équipements électroniques et de télécommunications, etc. La figure 14 montre quelques exemples typiques. Pièces moulées de précision en alliage d'aluminium avec structure intégrale.

 Turbines à gaz industrielles

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est devenue un défi de taille pour toute l’humanité. La plus grande quantité de dioxyde de carbone est sans aucun doute émise par les centrales thermoélectriques (thermiques) du monde entier. Généralement, la production d’énergie thermique est classée en deux catégories : au charbon, au fioul ou au gaz, selon le combustible utilisé. Les émissions de dioxyde de carbone par unité de chaleur produite par ces trois systèmes sont très différentes, avec des valeurs relatives de 1,00, 0,76 et 0,53 respectivement, ce qui signifie que les émissions de dioxyde de carbone peuvent être réduites d'environ la moitié si toute la production d'électricité conventionnelle au charbon est remplacée. par la production d’électricité au gaz. Comme nous le savons tous, à l'heure actuelle, les équipements de production d'énergie thermique en Chine sont encore principalement des turbines à vapeur alimentées au charbon. Du point de vue de l'amélioration de l'efficacité énergétique des équipements de production d'électricité, les pays industrialisés se sont depuis longtemps tournés vers des turbines à gaz alimentées au pétrole ou gaz. Non seulement les équipements de production d'électricité, l'énergie des navires et certaines pompes et pressuriseurs mécaniques de haute puissance et autres équipements sont également alimentés par des turbines à gaz. Par conséquent, dans presque tous les pays industrialisés, les turbines à gaz constituent l’un des principaux marchés de l’industrie du moulage de précision, ses ventes représentaient environ un tiers de la part de marché. Malheureusement, pour diverses raisons, l'industrie chinoise des turbines à gaz est encore à un niveau de développement assez faible, y compris les aubes de turbine, dont de nombreux composants clés sont encore en phase de développement, ce qui représente une part négligeable du marché du moulage de précision.

En fait, le principe de fonctionnement et la structure d'une turbine à gaz industrielle sont fondamentalement les mêmes que ceux d'un moteur d'aviation, et la partie centrale est également composée de trois parties, telles que le pressuriseur, la chambre de combustion et la turbine (Fig. 15). Par conséquent, de nombreuses technologies avancées de coulée fine utilisées dans les moteurs d’aviation, telles que la solidification directionnelle, la coulée de monocristaux, le refroidissement des pales et le revêtement de barrière thermique, ont été transplantées en grande quantité dans les turbines à gaz. Comme pour les moteurs d’avion, le rendement thermique des turbines à gaz est directement lié à la température d’entrée de l’avant de la turbine. Par exemple, pour le type traditionnel de groupe électrogène à cycle combiné populaire dans le monde, la température d'entrée avant de la turbine est de 1 100 à 1 300 ℃ et l'efficacité thermique est de 43 à 48 % ; tandis que le nouveau type de température d'entrée avant de turbine à gaz est de 1 500 ℃ et que l'efficacité thermique est de 52 % ; et la valeur cible de l'efficacité thermique de la turbine à gaz à très haut rendement en cours de recherche et développement est de 56 % à 60 %, et la température d'entrée avant de la turbine sera encore augmentée jusqu'à 1 700 ℃.

Même si les exigences des turbines à gaz industrielles en termes de rapport poussée/poids ne sont pas aussi élevées que celles des moteurs d'avion, la difficulté réside dans leur grande taille. La figure 16 montre les aubes de turbine primaire et secondaire de la turbine à gaz industrielle MS9001FA de GE, avec des longueurs de 43 cm et 56 cm et des masses de 13,5 kg et 12,6 kg, respectivement. La figure 17 montre la section du ventilateur de l'aube directrice de la turbine, d'une longueur de 60 cm et d'une masse >60 kg. Il a également été rapporté que la longueur de conception des aubes de turbine à gaz industrielles a même atteint 90 cm. La figure 18 montre une aube de turbine monocristalline de 30 cm de long développée avec succès par Mitsubishi Heavy Industries au Japon en 2011. La figure 19 montre un moule en cire en cours de pressage. La figure 20 montre un noyau en céramique (ébauche) en cours de découpe.

 Turbocompresseur de moteur automobile

Le but initial de l'installation d'un turbocompresseur dans une automobile est d'utiliser pleinement les gaz d'échappement du moteur pour entraîner la turbine du turbocompresseur en rotation, qui à son tour entraîne la roue du compresseur coaxial pour comprimer l'air et le fournir au moteur. , augmentant ainsi la puissance et le couple du moteur pour obtenir l'effet de réduire la consommation de carburant et de rendre les gaz d'émission plus propres (Figures 21 et 22).

Généralement, les moteurs diesel des voitures particulières émettent des gaz d’échappement à une température maximale d’environ 850°C, tandis que les moteurs à essence peuvent atteindre jusqu’à 1 050°C. Par conséquent, les turbines sont généralement moulées avec précision à partir d’alliages haute température à base de nickel tels que le 713C ou le MarM. La technologie brevetée de coulée antigravité (coulée sous vide) de Hitchiner Manufacturing Co., Inc. aux États-Unis (Fig. 23) est considérée comme la méthode la plus efficace pour fabriquer de tels produits. Les turbines du compresseur avant, en revanche, ne fonctionnent pas à des températures élevées et sont généralement fabriquées à partir d'un moulage de précision de type plâtre en alliage d'aluminium. Les turbines et les turbines des compresseurs sont généralement de petite taille, mais ont des vitesses de rotation très élevées, jusqu'à 250 000 tr/min ou plus, ce qui entraîne des exigences de qualité très strictes pour ces deux turbines. Bien qu'un certain nombre de fabricants nationaux produisent également ces deux roues, la production dans la demande totale ne représente pas une grande proportion.

Ces dernières années, l'utilisation de petits moteurs équipés de turbocompresseurs pour remplacer les gros moteurs atmosphériques est devenue une tendance populaire en Europe en raison des appels croissants à une réduction de la consommation de carburant et à une amélioration de la qualité de l'air urbain, et avec 2011 comme année de référence, le taux d'installation Le nombre de superchargeurs va doubler ou plus d’ici 2016, représentant jusqu’à 76 % du total. Cependant, étant donné que les générateurs automobiles des pays européens sont principalement des moteurs diesel, seule l'installation d'un turbocompresseur ne suffit pas pour répondre aux normes d'émissions des véhicules de l'UE constamment mises à jour, mais doit également être équipé de systèmes d'admission et d'échappement pour minimiser les PM2,5 et les NOx. et autres émissions nocives. De nombreuses pièces du système, la plupart du matériau est en acier inoxydable, avec une géométrie complexe, une paroi mince et des exigences de précision dimensionnelle de caractéristiques plus élevées, sont très appropriées pour le moulage avec une méthode de moulage de précision, ce qui rend les pièces moulées de précision automobiles prises en compte l'expansion rapide de la part de marché est passée de 5 % en 2004 à 16 % en 2011, au cours de la même période au Japon, de 24 % à 43 %. Bien que les pièces moulées de précision du système d'admission et d'échappement du compresseur automobile, d'un point de vue général sur le marché du moulage de précision, ne peuvent être considérées que comme un produit de milieu de gamme, mais en raison de la demande du marché, le développement de l'industrie chinoise du moulage de précision fournit un opportunité rare. Au 21e siècle, le delta du fleuve Yangtze, la mer de Bohai et d'autres régions de nombreuses entreprises de moulage de précision, s'appuyant sur la réforme et l'ouverture pour offrir des avantages politiques et géographiques, ne perdent pas de temps pour saisir l'opportunité d'intégrer cette partie du moulage de précision. les produits dans ces domaines se sont installés et se sont rapidement développés en un nouveau marché de produits, en même temps, que ce soit de la gestion de l'entreprise à la technologie et à l'équipement de traitement, mais aussi sur la base de l'original pour améliorer une étape. Il convient de mentionner que les moteurs automobiles nationaux, bien que les voitures particulières soient toujours dominées par les moteurs à essence, mais les wagons de marchandises sont dominés par les moteurs diesel. Avec l'amélioration progressive des exigences chinoises en matière de qualité de l'air, les turbocompresseurs et leurs équipements de soutien sont appelés à former rapidement un nouveau marché intérieur, ce qui entraînera le développement de l'industrie chinoise du moulage de précision, puis ajoutera une nouvelle vague de vitalité de développement.

La réduction de la densité des pièces rotatives du compresseur a un effet positif à la fois sur le rendement du moteur et sur la réponse transitoire. Densité spécifique de l'alliage titane-aluminium (TiAl) de 4,2 et densité spécifique de l'alliage à base de nickel (713 C) de 7,9, donc si le premier au lieu du second, la masse sera réduite de près de moitié (47 %), réduisant ainsi l'inertie de la turbine, raccourcissant le temps de réponse de l'augmentation du couple, de sorte que les caractéristiques de réponse transitoire du turbocompresseur puissent être améliorées. Selon la société japonaise Daido Casting Co. (Daido Casting Co.), l'utilisation d'une combinaison de fusion en suspension et de coulée sous vide a permis de couler avec succès une turbine de turbocompresseur en alliage de titane et d'aluminium et de la mettre en production de masse. Figure 24 pour le principe de fusion en suspension (à gauche) et de bain de fusion (à droite), Figure 25 pour le schéma du dispositif de fusion en suspension - coulée par aspiration sous vide.

   Aluminium titanemoulage de précision en alliage

L'alliage titane-aluminium est un composé intermétallique à faible densité, avec de bonnes propriétés mécaniques à haute température et une résistance à l'oxydation, qui peut être utilisé pour remplacer certains alliages à haute température et d'autres matériaux résistants aux hautes températures dans les industries aérospatiale, industrielle des turbines à gaz et automobile. . Les résultats des tests de propriétés mécaniques prouvent qu'il présente une résistance élevée au fluage et une excellente résistance à la fatigue à 760 ℃. Mais ces matériaux sont fragiles, l'allongement à température ambiante est inférieur à 2 %, la résistance aux chocs et les performances d'extension des fissures sont médiocres, de sorte que le moulage sous pression devient le meilleur moyen de former de tels matériaux. Depuis les années 90 du siècle dernier, on utilise de plus en plus d'alliages à haute température à base de nickel pour fabriquer des aubes de turbines à gaz industrielles (Figure 26a), l'ensemble de la turbine de coulée (Figure 26b), des aubes de moteurs d'avion (Figure 26c), des moteurs automobiles. soupapes d'admission et d'échappement de cylindre de moteur à combustion interne et autres produits.