Etude phénoménologique du déport noyau lors de la mise en forme des aubes de turbines par fonderie à la cire perdue – EDDY

Les débuts de la fabrication de pièces par fonderie à cire perdue datent d’il y a plus de 6000 ans. Safran PFX, la Plateforme de recherche aubes de turbines avancées de Safran Tech, fait partie de ces quelques acteurs mondiaux qui s’appuient sur cet héritage millénaire, pour fabriquer des objets de très haute technologie, en élaborant des aubes monocristallines aux formes complexes, avec des tolérances géométriques fines, et fonctionnant à des températures extrêmes.
Améliorer les performances de ces aubes est une étape clef pour l’optimisation du rendement des turbomachines et le maintien de la souveraineté française en matière d’avions et d'hélicoptères de combats. Dans sa stratégie de recherche, Safran Tech identifie la problématique dite du « déport noyau » comme étant hautement stratégique. En effet, à travers l’analyse des défauts dimensionnels observés lors de la production d’aubes creuses, PFX a acquis la conviction qu’au cours de la coulée, les efforts générés par le métal en fusion sur le noyau de fonderie sont suffisants pour déplacer voire déformer ce dernier, et donc altérer les dimensions du circuit de refroidissement au point de générer des rebuts. Or, avec la complexification des circuits de refroidissement dictée par l’augmentation de la température de fonctionnement des moteurs, les futures aubes seront plus sensibles à ce phénomène. Pour maitriser l’occurrence de ce défaut, PFX mise, entre autres choses, sur la simulation numérique. La plateforme développe ainsi des outils qui sont utilisés durant la phase de conception des aubes, avec lesquels Safran imagine des concepts d’aubes plus robustes, et grâce auxquelles le groupe cherche à accélérer leurs phases mise au point.
Cependant, les conditions d’apparition du déport sont très mal comprises, y compris dans la littérature scientifique. En particulier, la hiérarchie des effets physiques qui sont à l’origine des forces exercées par le métal en fusion sur le noyau n’est pas établie. Cette incompréhension vient du fait que l’instrumentation du procédé de fonderie est drastiquement limitée, à cause de ses conditions de mise en œuvre très sévères. D’un point de vue académique, la configuration est loin de correspondre à un problème résolu. On peut la rapprocher d’un problème de solide déformable (le noyau) pénétrant dans un liquide (l’alliage en fusion) dont la densité est nettement plus élevée que la sienne, mais il faut ajouter que le maintien de ce solide (dans le moule) se fait par un encastrement non parfait et que l’écoulement autour du noyau se fait dans un espace confiné. Aussi, les aubes sont fabriquées dans grappes de géométrie complexes présentant de nombreuses symétries mais dont la symétrie des conditions aux limites pose question, du fait de leur alimentation gravitaire par un jet libre. Sans observation expérimentale fine, ni la stratégie de modélisation ni la robustesse des outils numériques développés ne peuvent être complètement établies.
Le projet EDDY permettra de passer un cap dans cette compréhension, en s’appuyant sur des dispositifs expérimentaux représentatifs des enjeux du procédé. Au LMFA, un modèle expérimental de déport noyau en similitude hydrodynamique complète avec l’application industrielle sera développé en utilisant un alliage métallique liquide à température ambiante. Il doit être doté d’une instrumentation in situ dont le développement fera partie des enjeux du projet. A l’IRDL, des dispositifs en eau permettront de conforter cette approche grâce à des mesures optiques sur des cas similaires et en adressant les problématiques de verse et d’encastrement non parfait. Par cette stratégie, le projet EDDY mènera à une compréhension fine de la phénoménologie du problème d’interaction fluide-structure sous-jacent au déport noyau, et produira des observables de référence pour la validation des modèles numériques développés à PFX.