Le moulage de grandes roues (généralement de diamètre extérieur supérieur à 500 mm, ou présentant des structures à canaux d'écoulement complexes et à parois minces) constitue un défi majeur dans l'industrie de la fonderie, en raison de leur structure complexe, de l'épaisseur irrégulière de leurs parois et des exigences extrêmement élevées en matière de précision des canaux d'écoulement et de qualité de surface. Le choix du procédé de moulage dominant et le contrôle ultérieur des défauts sont des facteurs déterminants pour la réussite ou l'échec de cette opération.
1. Sélection des procédés de fonderie courants
Pour différents matériaux et exigences de précision, les trois procédés suivants sont couramment utilisés pour les grandes roues à lames :
Moulage à la cire perdue : C’est le procédé le plus courant pour les turbines en acier inoxydable et en acier allié. Il permet de reproduire des surfaces de pales complexes avec une grande précision dimensionnelle (CT4-CT6) et convient aux turbines complexes de petite et moyenne taille. Cependant, pour les très grandes dimensions (jusqu’à 1 mètre), les moules en cire sont sujets à la déformation, ce qui rend difficile le contrôle de la résistance de la coque.
Moulage en sable résine : convient aux grandes roues en acier et en fonte (comme les roues de ventilateurs de centrales électriques de plusieurs mètres de diamètre). Faible coût et grande adaptabilité, mais la surface de la pièce est rugueuse et la précision dimensionnelle des canaux est légèrement inférieure, ce qui nécessitera un polissage ultérieur important.
Coulée composite (moule à cire perdue + moule en sable) : Pour les turbines de grande taille et à pales complexes, on utilise généralement des moules à cire perdue pour les pales et des moules en sable pour le moyeu et les rayons, qui sont ensuite assemblés et coulés. Ceci permet d'équilibrer la précision des pales malgré la complexité des structures.
Coulée basse pression/gravité : couramment utilisée pour les grandes turbines en alliage d’aluminium et de cuivre, avec un remplissage lisse et un bon effet de retrait, ce qui permet de réduire efficacement la porosité.
2. Difficultés liées au processus central et contre-mesures
Les aspects les plus problématiques du moulage de grandes roues à lames sont le remplissage incomplet, la porosité de retrait et les fissures à chaud.
Système de remplissage et de coulée : Les grandes pales de l’agitateur étant fines et le canal d’écoulement étroit, le métal en fusion est sujet à un refroidissement prématuré, entraînant une isolation thermique ou une coulée insuffisante. La coulée par le bas, la coulée par rainure ou la coulée circulaire sont couramment utilisées pour permettre au métal en fusion de remonter de façon régulière. Pour les agitateurs en acier inoxydable à parois minces, il est parfois nécessaire d’augmenter la température de coulée et d’accélérer la vitesse de coulée.
Contrôle du retrait et de la solidification : La jonction entre l’aube et le moyeu (point chaud) est sujette au retrait et au desserrage. Le procédé sera optimisé par la mise en place de masselottes (ouvertes/obscurcies) et de fonte froide, et par l’utilisation de la simulation numérique (CAE) pour contraindre la pièce moulée à une solidification directionnelle de bas en haut, garantissant ainsi le réapprovisionnement en métal liquide sur place.
Prévention des déformations et des fissures : Les pièces de grande taille à parois minces subissent un refroidissement irrégulier et des contraintes élevées, ce qui peut facilement entraîner des déformations ou des fissures. Outre l’optimisation de la structure de la pièce moulée (afin d’éviter les variations brusques d’épaisseur), on utilise souvent de la fonte à froid pour le moulage, et on sélectionne un sable de moulage à bonne limite d’élasticité. Pour les pièces en acier inoxydable, il convient de surveiller attentivement la vitesse de refroidissement afin d’éviter la précipitation de phases fragiles susceptibles de provoquer des fissures.
3. Défauts courants et mesures préventives
Porosités : Elles sont dues à la présence de gaz dans le sable de moulage, à une mauvaise évacuation des gaz ou à la présence de gaz dans le métal en fusion. Il est nécessaire de contrôler l’humidité du sable de moulage, d’augmenter la hauteur de la colonne d’évacuation des gaz et d’installer un filtre. Pour les pièces importantes, on peut recourir au moulage sous vide ou à la fusion sous vide avec dégazage.
Inclusions de laitier/cavités de sable : inclusions de laitier dues au décollement du système de coulée ou à l’oxydation du métal en fusion. Il est nécessaire de renforcer le nettoyage de la cavité du moule, d’utiliser des filtres ignifugés, de veiller à la conception du système de coulée pour l’évacuation du laitier et de garantir un temps de décantation suffisant du métal en fusion.
Fissures : Les fissures à chaud sont souvent dues à un retrait obstrué. Il est nécessaire d’optimiser la position de la masselotte pour éviter les déformations, de contrôler les teneurs en soufre et en phosphore et de s’assurer que le moule présente un retrait suffisant.
Avant de fabriquer des roues à lames modernes de grande taille, on utilise généralement des logiciels tels que ProCAST et AnyCasting pour simuler le remplissage et la solidification.