FR2518584A1 - Procede et moule de fabrication de monocristal coule et objet ainsi fabrique - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN MOULE DE FABRICATION D'UN MONOCRISTAL COULE, CE MOULE COMPORTANT UNE OUVERTURE D'ENTREE 12, UNE CAVITE PRINCIPALE DE MOULE 14 ET UNE CHAMBRE 13 CONTENANT UN CRISTAL D'ENSEMENCEMENT 21. LE PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QU'UNE CHARGE DE METAL EN FUSION EST COULEE DANS LADITE CAVITE 14 DE MANIERE QUE LE METAL EN FUSION S'ECOULE SUR LEDIT CRISTAL D'ENSEMENCEMENT 21 JUSQU'A UNE VALEUR SUPERIEURE AU POINT DE FUSION DU METAL, ET EN CE QU'ON ASSURE UNE SOLIDIFICATION PROGRESSIVE DU METAL EN FUSION DEPUIS LE CRISTAL D'ENSEMENCEMENT 21 ET EN DIRECTION DE L'EXTREMITE OPPOSEE DU MOULE. APPLICATION A LA FABRICATION DES AILETTES DE TURBINES A GAZ.
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication de monocristal
coulé, le moule utilisé dans ce procédé et l'objet coulé fabriqué en utilisant ce procédé ou
ce moule.
La fabrication de monocristaux coulés a été mise en pratique depuis de nombreuses années, initialement comme une source d'échantillons de laboratoire et plus récemment pour former des objets tels que des ailettes de turbine en monocristal qui exploitent avantageusement les propriétés améliorées et anisotropes disponibles avec cette forme de métal Le procédé de fabrication a varié au cours des années; initialement on a utilisé une technique d'ensemencement pour des techniques en laboratoire mais, bien que cette technique soit appropriée pour une fabrication en petite série intervenant dans cet environnement, on ne l'a pas considérée comme appropriée pour une fabrication en
grande série ou une fabrication semi-automatisée.
La première variante a consisté à utiliser une chambre d'amorçage dans laquelle on fait solidifier un métal en fusion sous la forme de grains en colonne et o on utilise un organe d'étranglement de petite ouverture pour permettre seulement à un grain de grossir dans la cavité de moulage proprement dite On a trouvé qu'il n'était pas possible de sélectionnerefficacement un grain et on a proposé de disposer un sélecteur à passage incliné entre la chambre d'amorçage et la cavité principale -Cependant, puisque des matières cristallines cubiques à centrage sur face grossissent préférentiellement dans leurs directions < 100 >, un passage ménagé dans un seul plan est encore capable de laisser grossir deux ou plusieurs cristaux si les directions
< 100 > sont situées dans le plan du passage.
Le développement final de ce concept de sélec
teur a consisté par conséquent à utiliser un passage héli-
coïdal qui a été considéré comme satisfaisant pour bloquer le passage de tous les grains, sauf un, vers la cavité principale de moulage Cependant cette technique présente l'inconvénient que l'orientation du cristal produit est déterminée dans une direction, à savoir la direction de
grossissement du cristal, normalement déterminée par l'écou-
lement de la chaleur à partir du moule Cette direction correspond, pour la plupart des cristaux cubiques courants à
centrage sur face, à la direction < 0, 0,1 > Perpendiculai-
rement à cette direction, l'orientation du cristal est aléatoire.
Cette structure aléatoire peut avoir des consé-
quences indésirables; Ainsi les caractéristiques de vibra-
tion d'une pièce sont fonctions des propriétés physiques,
telles que les modules d'élasticité et de cisaillement.
Puisqu'un monocristal cubique à centrage sur face est forte-
ment anisotrope, on peut en déduire que les caracténistiques de vibration d'une pièce, par exemple une ailette de turbine d'-un moteur à turbine à gaz, dépendront de l'orientation cristalline par rapport à l'axe de mise en place de l'ailette Pour certains objets tels que des-ailettes, la variation aléatoire des caractéristiques de vibration du
fait d'une orientation autour de l'axe peut être embarrassan-
te et peut empêcher l'exploitation intégrale des propriétés
du monocristal.
Si on utilise un cristal d'ensemencement à la place d'un sélecteur pour produire le mono&ristal coulé, les orientations longitudinale et transversale du monocristal peuvent être prédéterminées par agencement de l'orientation du cristal d'ensemencement Pour assurer un grossissement épitaxial à partir d'une semence, il est essentiel qu'une nucléation ne se produise pas à partir d'autres endroits tels que les parois du moule Pour faire en sorbe que cela ne se produise pas, le moule doit être au- dessus du point
de fusion du métal et il est clair que le cristal d'ensemen-
cement ne doit pas fondre complètement Par le passé, il a été difficile de satisfaire à ces impératifs contradictoires
d'une manière qui convienne pour un processus de production.
On a mis au point un procédé, et un moule utilisable dans ce
procédé, qui permettent d'utiliser un cristal d'ensemence-
ment tout en réduisant le risque d'une nucléation étrangère.
Conformément à la présente invention, un procédé de fabrication d'un monocristal coulé consiste à utiliser un moule comportant une cavité principale de moulage et une ouverture d'entrée dans ladite cavité principale de moulage, à mettre en place un cristal d'ensemencement dans, ou adjacent à ladite ouverture d'entrée, à couler une charge de métal fondu approprié dans ledit moule par l'intermédiaire de ladite ouverture d'entrée de manière que le métal en fusion s'écoule sur le cristal d'ensemencement et dans la cavité principale, à-assurer un échauffement suffisant pour faire monter la température du moule et de la pointe du cristal d'ensemencement au-dessus du point de fusion de l'alliage et à assurer un grossissement épitaxial du métal fondu à partir dudit cristal d'ensemencement et en direction
de l'extrémité opposée du moule.
Normalement-le cristal d'ensemencement est disposé au fond du moule, en contact avec un plateau refroidi par eau L'effet de refroidissement fait en sorte que cette zone localisée de l'ensemble reste en dessous du point de fusion de l'alliage et que la chaleur fournie par le volume de métal en fusion augmente la température du moule et dela pointe du cristal d'ensemencement au-dessus du point de fusion Ce refroidissement, associé à la sortie progressive du moule hors d'un four, sert à assurer la solidification progressive nécessitée par le grossissement épitaxial à partir du cristal d'ensemencement partiellement
réchauffé.
L'invention concerne également un moule utilisa-
ble dans la fabrication d'un monocristal coulé, le moule comprenant une cavité principale de moulage, une ouverture d'entrée permettant le passage de métal en fusion dans la cavité de moulage et une cavité pour cristal d'ensemencement qui est agencée pour contenir un cristal d'ensemencement et qui est placée dans ou adjacente à l'ouverture d'entrée pour permettre au métal remplissant la cavité de moule de
s'écouler dans le métal d'ensemencement pour assurer une-
rétro-fusion efficace.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la
description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en
référence aux dessins annexés-dans-lesquels: la fig 1 est une vue en coupe d'un moule conforme à l'invention et utilisable dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les figures 2, 3 et 4 montrent des étapes successives du procédé selon l'invention, et les figures 5 et 6 représentent d'autres moules utilisables
dans le procédé selon l'invention.
Le moule de la fig 1 est formé d'une matière céramique normale, bien connue et largement utilisée dans le domaine de la coulée de précision avec des moules en coquille La nouveauté du moule réside dans sa forme et dans le moyen de réception d'un cristal d'ensemencement,
qui est représenté en position dans le moule.
Le moule compreed un entonnoir de coulée 10, une colonne descendante 11, un passage d'entrée 12 s'étendant latéralement, une chambre à cristal d'ensemencement 13 et une cavité principale de moulage 14 Ces composants ont été énumérés dans la séquence suivie par le métal en fusion coulé dans le moule Dans l'exemple considéré, la cavité principale de coulée 14 a été représentée comme ayant la forme nécessaire pour la fabrication d'une ailette d'un moteur à turbinea gaz et elle comporte une partie de profil aérodynamique 15, des parties 16 et 17 servant à former des plates- formes intérieure et extérieure et une partie de racine 18 La partie de racine 18 forme la portion complètement supérieure du moule et elle est pourvue d'un conduit d'évent 19 pour
permettre au métal de monter dans la cavité de moulage A-
l'autre extrémité ( inférieure) de la cavité principale de moulage, il est prévu une chambre de transition 20 dans
laquelle pénètre le cristal d'ensemencement 21.
A son extrémité inférieure, la chambre à cristal d'ensemencement 13 est ouverte de manière que le cristal puisse entrer en contact avec la base sur laquelle s'appuie
le moule Dans ce cas cette base comprend un plateau 22 -
refroidi par eau On voit que le cristal d'ensemencement constitue la seule partie du métal qui est an contact avec le plateau 22; le reste du moule est agencé de façon oqu_ l'écoulement de métal qui remplit le moule soit maintenu
hors de contact avec le plateau 22 Ainsi la colonne descen-
dante 11 est facultativement obturée en 23 et la partie -restante de la colonne en 24 agit comme une entretoise d'espacement qui supporte la partie porteuse de métal de la
colonne et le passage 12 espacé du plateau 22.
Le composant final à placer dans le moule est le cristal d'ensemencement 21 Ce cristal est représenté comme ayant une section rectangulaire, mais il peut en fait avoir toute forme appropriée, par exemple la-forme d'un bloc cylindrique ou rectangulaire Le cristal d'ensemencement est normalement formé du même matériau que l'objet à couler et son orientation est prédéterminée avec précision puisque l'orientation de l'objet coulé est symétrique de celle du
cristal d'ensemencement Cela s'applique aussi bien à l'orien-
tation longitudinale de l'objet ( l'ailette dans ce cas qu'à son orientation transversale; comme expliqué ci-dessus, cela permet de déterminer l'orientation transversale et il est par conséquent possible de contrôler étroitement les
propriétés de vibration.
Il est à noter que les dimensions, la forme et le volume du cristal d'ensemencement doivent être contrôlés de telle sorte que la surchauffe exercée par l'écoulement de métal soit suffisante pour produire une fusion partielle du cristal d'ensemencement sans assurer sa refusion complète, c'est-à-dire que des conditions d'équilibre sont établies et que -le mouvement de retrait fait ensuite poursuivre la solidification.
Le moule est utilisé dans l'appareillage repré-
senté sur les figures 2, 3 et 4 pour produire une pièce coulée Comme le montre la fig 2, le moule est monté sur le plateau 22 qui est à son tour supporté par un poussoir Le poussoir permet de déplacer verticalement le plateau et le moule entre les positions indiquées sur les figures 2 et 4 Dans la représentation de la fig 2, le moule est maintenu dans la chambre de four 26 tandis que sur la fig 4 le moule a été descendu jusque dans une chambre d'évacuation
27 refroidie.
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La chambre de four 26 est assez conventionnelle du fait qu'elle comprend une enceinte isolée à l'intérieur de laquelle sont disposés plusieurs éléments chauffants 28 à résistances électriques Le-four comporte une ouverture supérieure 29 qui communique avec un appareil de fusion de chargé 30 à coulée par le fond, et une ouverture inférieure
31 au travers de laquelle peut juste passer le plateau 22.
En fait la limite du mouvement de montée du poussoir 25 est telle que le plateau 22 coïncide avec et obture l'ouverture
31, comme indiqué sur la fig 1.
La chambre d'évacuation 27 est située en dessous
de la chambre de four 26 et elle est à nouveau assez conven-
tionnelle du-fait qu'elle comprend une chambre isolée à l'intérieur de laquelle sont disposés plusieurs tubes de refroidissement par eau 32 Le poussoir 25 peut évacuer le plateau et le moule de la chambre chauffée 26 à l'intérieur
de la chambre refroidie 27.
Lors de l'utilisation de l'installation, le moule, dans lequel le cristal d'ensemencement 21 est en place, est' initialement maintenu sur le plateau 22 dans le four 26 ( comme sur la fig 2) Le four et la majeure partie du moule sont préchauffés à une température supérieure au point de fusion du métal à utiliser ( normalement un superalliage à base de nickel >; la partie de fond est refroidie par le plateau jusqu'en dessous de cette température L'appareil de coulée 30 est ensuite actionné pour fondre la charge de métal et pour assurer sa coulée -par l'intermédiaire de l'ouverture 29 et de l'entonnoir de coulée 10 C L'opération détaillée exécutée par l'appareillage de coulée ne sera pas
décrite dans la suite mais il est évident pour des spécialis-
tes en la matière que cet appareillage utilise une bobine d'induction pour faire fondre un lingot de métal dans un creuset, le-métal fondu produisant alors une rupture d'un tampon fusible placé au fond du creuset et s'écoulant par
l'intermédiaire d'un passage de sortie).
Le métal en fusion s'écoule par conséquent par
l'intermédiaire de l'entonnoir 10 et de la colonne descen-
dante 11 jusque dans le passage 12 puis il monte dans la chambre de transition 20 pour remplir la cavité principale de moulage 14 Il est à noter que, du fait que le cristal d'ensemencement est placé dans la cavité principale de moulage, la charge complète de métal qui doit remplir la cavité 14 passe sur le cristal Cela échauffe le cristal
et, du fait que le métal n'a pas été soumis à un refroidisse-
ment considérable puisqu'il a été fondu, il possède un excès de chaleur suffisant pour faire fondre la partie supérieure du cristal et pour chauffer le moule au-dessus du point de fusion du métal afin d'empêcher une nucléation parasite Le fait que la charge complète de métal s'écoule sur le cristal contribue également à fournir la chaleur nécessaire pour assurer une fusion partielle du cristal d'ensemencement. Le moule est par conséquent rempli de métal en fusion qui assure, au cours de son passage, la fusion
partielle du cristal d'ensemencement Le plateau de refroi-
dissement 22 agit alors de manière à évacuer la chaleur de la partie inférieure du moule et simultanément le moule et le plateau sont graduellement sortis du four 26 en pénétrant dans la chambre d'évacuation 27 refroidie par eau sous
l'action du poussoir 25.
Ces processus produisent en combinaison une solidification unidirectionnelle du métal remplissant le
moule à partir du cristal d'ensemencement et vers le haut.
Du fait que le cristal d'ensemencement et la charge de métal en fusion sont en contact intime, le métal en cours de solidification grossit épitaxialement à partir de la partie solide restante du cristal d'ensemencement, c'est-à-dire
qu'il se solidifie sous la forme d'un monocristal dont-
l'orientation dans trois dimensions est la même que celle
du cristal d'ensemencement.
Cela permet d'obtenir une solidification finale de toute la masse de métal en fusion sous la forme d'un monocristal, à condition qu'il ne se produise pas des grossissements de grains étrangers à partir d'autres sites de nucléation Une telle nucléation pourrait par exemple être produite par des discontinuités existant dans la surface du cristal d'ensemencement ou bien par une recristallisation de résidus se trouvant par exemple sur une surface usine du cristal; il en résulte que, pour que le métal en fusion soit en contact intime avec le cristal d'ensemencement, il est important que la partie supérieure du cristal soit fondue. L'agencement du moule et l'écoulement de métal conforme à la présente invention permettent de réaliser cette fusion partielle et il est par conséquent possible d'obtenir une
solidification répétée sous la forme d'un monocristal.
Une fois que la solidification du métal dans le moule est terminée, le moule peut être enlevé d'une manière classique et l'objet constitué par le monocristal coulé peut être usiné de la manière imposée ( par exemple il est
nécessaire d'enlever le métal correspondant à la colonne -
descendante 11 et au passage 12).
Dans le processus décrit ci-dessus, on réalise un seul objet formé d'un monocristal I 1 est à noter qu'il existe une diversité de moyens plussophistiqués permettant d'appliquer le procédé selon l'invention Ainsi on pourrait utiliser un moule à noyaux pour produire une piece coulée comportant des cavités Egalement il n'est pas nécessaire que l'article complet moulé comprenne un monocristal; l'article coulé peut être traité en vue d'une modification -de sa structure, comme cela a été décrit dans la demande de brevet anglais n 8128582, ou bien en variante le processus de coulée peut être réalisé de manière à produire seulement
une partie de l'article coulé sous la forme d'un monocristal.
Un moyen particulier d'amélioration du procédé fondamental décrit cidessus a été mis en évidence sur les figures 5 et 6 Sur ces deux figures, le moule est en principe semblable à celui de la fig 1 mais il est prévu un ou plusieurs filtres au travers desquels-le métal en fusion est coulé avant de pénétrer dans la cavité principale de moule Sur la fig 5, le filtre 35, qui est un filtre formé de mousse céramique, est placé dans le passage 12 s'étendant latéralement Sur la fig 6, on a représenté un agencement o une seule colonne descendante 11 alimente un certain nombre ( deux sur le dessin) de cavités-principales de moule Dans ce cas, le filtre 36 est représenté comme étant placé dans la colonne descendante de manière-qu'un seul filtre assure le filtrage de la charge de métal pour tous les moules Il est clair que ces deux variantes pourraient être permutées de telle sorte qu'une seule
cavité dé moule comporte le filtre dans sa colonne descen-
dante ou bien qu'un système à cavités multiples de moule
contienne des filtres placés dans chaque passage latéral.
Il est à noter que les filtres assurent non seulement le filtrage du métal en fusion mais réduisent également sa vitesse d'écoulement, en établissant ainsi un écoulement plus uniforme et en réduisant la turbulence et
les perturbations à l'intérieur du moule.
Il est à noter que, bien que la description
faite ci-dessus concerne spécifiquement la fabrication d'une ailette ou d'une aube coulée à partir d'un alliage à base de nickel et utilisable dans un moteur à turbine à gaz, on peut utiliser d'autres alliages et d'autres objets coulés.
Claims (12)
1 Procédé de fabrication d'un monocristal coulé, suivant lequel il est prévu un moule comportant une cavité principale de moulage et une ouverture d'entrée et dans lequel est placé un cristald'ensemencement, caractérisé en ce qu'une charge de métal en fusion est coulée dans ladite cavité ( 14) de manière que le métal en fusion s'écoule sur ledit cristal d'ensemencement ( 21) et pénètre dans la cavité principale de moulage ( 14) en étant chauffé suffisamment pour augmenter la température du moule et de la pointe du cristal d'ensemencement ( 21) jusqu'à une valeur supérieure
au point de fusion du métal, et en ce qu'on assure une soli-
dification progressive du métal en fusion depuis le cristal d'ensemencement ( 21) et en direction de l'extrémité opposée
du moule.
2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un plateau de refroidissement ( 22) est prévu pour refroidir le cristal d'ensemencement ( 21) et le fond du moule
de manière à faciliter la solidification progressive.
3 Procédé selon l'une des revendications-1 ou 2,
caractérisé en ce qu'on effectue ladite solidification progressive par sortie progressive du moule hors d'un four
( 26).
4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fait sortir progressivement ledit moule dudit four ( 26) avec pénétration dans une chambre d'évacuation refroidie ( 27) Procédé selon la revendication 1, caracdrisé en ce qu'on filtre la charge de métal en fusion avant qu'elle
pénètre dans Iadite cavité principale de moulage ( 14).
6 Moule utilisable dans la fabrication d'un mono-
cristal coulé et comprenant une cavité principale, une ouver-
ture d'entrée pour ladite cavité principale de moulage, une cavité d'ensemencement agencée pour contenir un cristal d'ensemencement placé dans ou adjacent à ladite ouverture d'entrée, et un passage d'écoulement du métal en fusion dans ladite ouverture d'entrée, caractérisé en ce que la cavité d'ensemencement ( 13), l'ouverture d'entrée et le passage ( 12) sont adaptés et agencés de manière que la charge de métal en fusion s'écoule sur ledit cristal d'ensemencement ( 21) et
pénètre dans ladite cavité principale de moulage ( 14).
7 Moule selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite cavité d'ensemencement ( 13) est placée dans ou adjacente à l'extrémité inférieure de la cavité principale
de moulage ( 14).
8 Moule selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit passage comprend un passage d'alimentation ( 12) s'étendant latéralement et placé en communication avec ladite
ouverture d'entrée.
9 Moule selon la revendication 8, caractérisé en
ce qu'il est prévu une colonne descendante ( 11) qui communi-
que avec ledit passage d'alimentation ( 12).
10 Moule selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est prévu plusieurs cavités de moulage ( 14) et plusieurs passages d'alimentation ( 12) qui communiquent avec
une seule colonne descendante ( 11).
11 Moule selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu un filtre en mousse céramique ( 35, 36) au
travers duquel on fait passer la charge de métal en fusion.
12 Moule selon la revendication 11, caractérisé en
ce que ledit filtre en mousse céramique ( 35) s'étend trans-
versalement à un passage d'alimentation ( 12).
13 Moule selon la revendication 11, caractérisé en
ce que ledit filtre en mousse céramique ( 36) s'étend trans-
versalement à une colonne descendante ( 11).
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