Brevet FR2004271A1 — publié le 19691121

i 200427i la présente invention concerne un procédé pour couler des structures macrocomposites ainsi que les produits obtenus par ce procédé. Plus particulièrement l'invention concerne un procédé de coulage qui fournit une masse réfractaire renforcée par une 5 pluralité de fils en monocristal d'un alliage à résistance élevée; la structure macrocomposite résultante produite par ce procédé a des propriétés exceptionnelles de résistance à haute température et de résistance à la corrosion et à l'érosion. Depuis longtemps on a reconnu que l'emploi de produits ou 10 structures composites en métal - matière réfractaire offre des avantages spéciaux comme matériaux pour structures utilisées à des températures élevées. Ces structures composites ont une application particulière et fournissent des avantages nets, particulièrement si elles sont utilisées dans des turbimes à gaz ou 15 analogues. Sans les turbines à gaz, les éléments de la turbine en contact avec le gaz sont continuellement soumis à un milieu très sévère et complexe, comme par exemple les températures élevées, les gradients thermiques sévères, l'érosion et les forces qui tendent à déformer les éléments en contact avec le gaz. Ces 20 forces ont un effet particulièrement défavorable sur les bords avants et arrières de ces éléments en contact avec le gaz. Par suite des gradients de température sévères et d'autres conditions thermiques rencontrées par les éléments en contact avec le gaz utilisés de nos jours.dans des turbines à gaz, les périodes d'opê-25 ration et les températures d'opération admissibles pour ces éléments en contact avec le gaz sont considérablement limitées. Des structures composites sont connues dans la technique et la structure composite décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no. 3*215.511 représente un exemple type de ces struc-30 tures. La structure composite décrite dans ledit brevet américain et les structures décrites dans la littérature tàehnique antérieure emploient généralement une structure dans laquelle un matériau céramique ou d'autres matériaux analogues sont utilisés de concert avec un alliage réfractaire. La composition de la 35 structure est telle que le constituant prédominant est l'alliage réfractaire plutôt que le matériau céramique ou autre matériau ou matière. Bien que cette structure représente quelqu'amélioration par rapport aux structures en métal généralement utilisées, elle n'est toujours pas idéale du fait que les périodes d'opéra-40 tion et les températures d'opération admissibles sont toujours 6907227 2 2004271 limitées, le facteur régissant étant l'alliage métallique sss propriétés. Il est également connu des structures composites qui sont appliquées et utilisées dans lé domaine de la construction, par 5 exemple dans le béton précontraint. Bien qu'il y ait quelque ressemblance entre ces structures et les structures de la présente invention, ces structures connues ne sont ni aptes à Sfcre utilisées ou employées à des températures élevées, ni elles ©at les caractéristiques pour fournir une résistance au fluage à 10 haute température et une résistance à l'oxydation, à la sulfu-ration et à l'érosion. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de coulage pour fabriquer line structure macrocomposite qui a une résistance au fluage à haute températtire, qui résiste à l'oxyda-15 tion, à la sulfuration et à l'érosion et qui a des caractéristiques de charge par choc favorables & des températures basses. Dans la pratique du procédé de cette invention, le métal fondu est versé dans un moule préchauffé et on permet au métal de s'infiltrer dans la configuration de trous longitudinaux dans 20 une masse réfractaire de forme spéciale et noyée dans le moule» Après la coulée, le gradient de température dans le moule est ajusté de façon à fournir une solidification dirigée de la musse fondue entière à une vitesse compatible avec le maintien d'une structure de grain en colonne orientée et cubique. La grosseur 25 de la structure de grain en colonne à la base dé la partie ré- — fractaire assure que seulement des monocristaux se développent dans chacune des maintes ouvertures relativement petites dass 1* masse réfractaire. Les cristaux individuels croissent ensemble au sommet du lingot pour former une nouvelle fois la structure 30 de grain en colonne comme décrite auparavant. En retirant le produit composite en métal - matière réfractaire du moule, il est extrêmemënt important de retenir au moins une partie de la structuré de grain en colonne à chaque extrémité, c'est-à-diré au sommet"et au bas de la structure macrocomposite de forme spé-35 ciale. Cette dernière étape ou opération'est importante parce que pendant le refroidissement de la masse fondue, la masse réfractaire est précontrainte par compression ce qui est dû à une contraction thermique différente des deux matériaux ou matières. ïn ; maintenant des structurés en colonne à direction unique au sommet 4-0-et au bas de la massé en métal réfractaire, on"maintient cette 6907227 3 2004271 contrainte par compression avantageuse engendrée dans la masse réfractaire grâce à la contraction thermique plus grande des fils métalliques. Le précédé de la présente invention sera décrit plus spécialement en rapport avec la production ou fabrication 5 d'éléments de turbine à gaz en contact avec le gaz. Cependant il est expressément à noter que le procédé n'est pas limité à ce genre d'application; des structures macrocomposites fabriquées par ce procédé trouvent également une application dans des récipients à pression précontraints, dans des rotors pour turbines 10 à gaz en une seule pièce et dans d'autres applications analogues. La structure macrocomposite selon la présente invention comprend un matériau ou matière réfractaire, de préférence une matière céramique, et une pluralité de filà métalliques en monocristal, de préférence à base de nickel ou de cobalt. La struc-15 ture macrocomposite de la présente invention est généralement fabriquée par le procédé de coulage décrit plus haut. Comme noté précédemment, lors du refroidissement de la masse fondue, la matière céramique ou réfractaire est précontrainte par compression grâce aux contractions thermiques différentes des deux matériaux 20 ou matières. La fonction primaire des fils métalliques est la distribution de tension et la protection de la matière réfractaire de l'affaiblissement catastrophique par choc thermique ou charge par choc à des températures basses, tandis que la fonction primaire de la matière réfractaire ou céramique est de fournir une 25 résistance au fluage à température élevée et une résistance à l'oxydation, à la sulfuration et à l'érosion. Il est à noter que pour la structure macrocomposite selon la présente invention, il n'y a pas de liaison entre le métal et la masse réfractaire, la masse réfractaire étant maintenue en place 30 par ou bien les extrémités évasées des fils métalliques ou bien par la structure en colonne qui est maintenue au sommeil et au bas de la structure macrocomposite lors de l'enlèvement de la structure macrocomposite du moule. Cette dernière partie de la structure composite, c'est-à-dire la section en colonne orientée en 35 cube au sommet et au bas de la structure composite, fournit également un effet secondaire du fait qu'elle maintient l'effort de compression avantageux engendréedans la masse réfractaire. L'emplacement et le nombre de trous longitudinaux contenus dans la masse réfractaire sont également significatifs pour la 40 structure macroeomposite. Dans certains cas, il serait désirable 6907227 4 2004271 d'avoir orne distribution hétérogène des fils métalliques dans la masse réfractaire, par quoi le nombre exact de fils pour n'importe quelle distribution de tension et niveau de tension désiré serait fourni. Près de la surface extérieure, un niveau d'effort de com-5 pression uniformément élevé est désiré afin de retarder le Sébut des fissures et la croissance dans la masse réfractaire, et voilà pourquoi, d'une manière idéale, les fils métalliques devraient être très fins et emplacés très près les uns des autres. Le procédé de coulage du métal et le procédé de formation de la masse 10 réfractaire imposent des limitations à la dimension des fils et à l'espace entre eux. La limitation principale de ce genre de construction est que le composé doit être construit de manière à ne pas avoir de moment de flexion. Ceci peut être réalisé en maintenant une fraction de volume de métal relativement constante 15 des bords avants vers les bords arrières. D'une-manière—analogue, il y a des applications de la présente invention où il serait désirable d'awfcir une distribution homogène des fils métalliques à l'intérieur du matériau céramique. Une autre configuration serait celle qui aurait une utilisation directe dans une turbine 20 à gaz et ceci serait une structure macrocomposite ayant une pluralité de passages pour l'air de refroidissement, disposés à l'intérieur de la masse réfractaire. Cette configuration type fournit des avantages indéniables du fait que le niveau de contrainte de compression sur la masse réfractaire serait relative-25 ment élevé, même aux températures d'opération. La relaxation à l'intérieur des fils métalliques se ferait à des degrés beaucoup plus petits dû à la résistance au fluage plus élevée à des températures du métal plus basses. Ceux qui sont versés dans la technique comprendront mieux 30 l'invention ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de cette dernière par une lecture de la description détaillée qui va suivre et qui se rapporte à des exemples particuliers et aux dessins sur lesquels: La figure 1 est une coupe verticale d'une construction de 35 moule préférée utilisée dans le procédé de la présente invention. La figure 2 est une vue schématique essentiellement le long de la ligne 2-2 r montrant une structure macrocomposite avec une distribution hétérogène des fils. La figure 3. est une vue schématique montrant une structure 40 macrocomposite avec une distribution homogène des fils métalliques 6907227 5 2004271 La figure 4 est une vue schématique montrant une structure macrocomposite avec des passages pour l'air de refroidissement à l'intérieur de la structure macrocomposite. En. se référant maintenant en détail aux présents modes de 5 réalisation préférés de la présente invention, on voit que la figure 1 représente une forme préférée de la géométrie du moule. La construction de moule décrite dans la présente description est particulièrement appropriée pour être utilisée avec n'importe lequel des soi-disants superalliages décrits par exemple dans le 10 "brevet des Etats-Unis d'Amérique no.3.260.505» Ces alliages sont généralement adaptés pour le procédé connu sous le nom de solidification dirigée, l'alliage âLe plus préféré étant ou "bien un alliage à "base de nickel ou de cobalt. La construction de moule décrite* en addition des enseignements contenus dans le brevet 15 des Etats-Unis cité plus haut, utilisé la technique pour former des alliages monocristallins (Monocristalloys^), comme décrite dans la demande de "brevet américain no. 54-0* 114-, déposée le 17 février 1966, au nom de Piearcey. Comme représenté, une extrémité du moule tubulaire 4 est 20 placée sur une plaque conductrice de chaleur 6 relativement froide, de préférence refroidie à l'eau. Le moule tubulaire 4 est de préférence fait en un matériau céramique à partir d'une bouillie d'alumine classique ou à partir d'un autre matériau céramique à point de fusion élevé selon les techniques types de coulage à la 25 cire perdue. De l'eau pour la plaque de refroidissement 6 traverse les conduites 8. Comme représenté, une extrémité du tube 4 repose sur la plaque de refroidissement 6 et coopère à la formation d'une cavité 10. Un passage 12 est en communication avec la cavité 10. Par ce passage 12, le métal fondu est alimenté à la 30 cavité 10. Autour de la cavité 10 se trouvent les moyens pour chauffer le moule à la température désirée pour le coulage. De préférence, la cavité est entourée par une bobine de chauffage électrique par résistance 14, alimentée par un courant électrique variable. 35 Alternativement, la cavité est entourée par un élément en graphite, non représenté, qui à son tour est entouré par une bobine d'induction alimentée par un courant électrique à fréquence élevée comme il est usuel dans un four à induction. Avant la coulée, le moule est chauffé à la -température désirée en ali-40 mentant la bobine 14 avec un courant, et lorsque la température 6907227 e 2004271 désirée est obtenu le métal fondu chauffé à la température convenable pour la coulée est versé dans la cavité 10. la plaque de refroidissement 6 est maintenue à une température relativement froide au moyen de la circulation d'eau à travers les conduites 5 8 de façon à établir lors de la solidification un gradient de température à l'intérieur du métal fondu remplissant la cavité 10. Dans le présent mode de réalisation, un moule réfractaire 16 est inséré dans la wavité 10. Un seul moule est représenté; ce-10 pendant, il est à comprendre expressément qu'une pluralité de moules peuvent être utilisés en même temps. Le moule 16 dans le présent mode de réalisation représente une palette de stator ce qui est représenté plus clairement dans la figure 2. Le corps 18 de la palette 16 est formé d'une masse réfractaire à résistance 15 à la traction relativement faible, la résistance à la traction se trouvant entre 3>1 et 6,2 kg/cm . La coulée des fils en monocristal à travers la masse réfractaire permet d'utilisation de cette masse à résistance à la traction relativement fsible; cependant, il est à comprendre que pour quelques applications une 20 masse à résistance à la traction élevée est désirable et utilisée dans la présente invention. La masse réfractaire 18 a d'excellentes caractéristiques de résistance à la chaleur et est capable de soutenir des températures jusqu'à 1900°C. Il a été trouvé qu'une masse réfractaire idéale est une masse céramique comme par 25 exemple un matériau à base d'alumine. La masse réfractaire 18 de la pièce de forme 16 comprend une pluralité de trous comme il est représenté par la référence 20. Ces ouvértures sont des ouvertures longitudinales, c'est-à-dire, elles s' étendent vers le haut à partir de la partie de base 22 de la pièce vers la partie 30 au sommet 30 de la pièce 16. Afin de faciliter la croissance du monocristal à l'intérieur des ouvertures longitudinales, les ouvertures peuvent avoir une restriction au fond ou partie de base 22 de la pièce 16, ou bien elles peuvent juste avoir une ouverture relativement petite à la partie de base. Voilà pour-35 quoi, après que le métal fondu a été versé dans la" cavité 10, et qu'il commence à se solidifier, il a une structure en colonne controllée. En fournissant une petite ouverture comme représentée par la référence 24-, ou une restriction non représenté^ la croissance du monocristal est amenée à l'intérieur des ouvertures 20. 40 Les fils monocristallins "28, voir figure 2, qui croissent à 6907227 7 2004271 l'intérieur des ouvertures longitudinales 20 croissent ensemble vers la partie du sommet 30 de la pièce 16 et la structure de grain en colonne est orientée dans la même direction que la structure de grain en colonne à la base de la pièce 16. Plus 5 spécifiquement, la partie de base 22 a la même structure de grain en colonne orientée et cubique que la partie du sommet 30. Dès que le procédé de coulage décrit a été utilisé pour permettre la croissance de la partie de base 22-avec une structure en colonne orientée et cubique, d'une partie intermédiaire de 10 fils monocristallins 28 et d'une partie 30 avec essentiellement la même structure en colonne que la partie de base 22, le bain fondu est refroidi.Comme résultat de ce refroidissement, la masse céramique ou réfractaire 18 est précontrainte en compression grâce à la différence des degrés ou taux de contraction thermique 15 des deux matières. En d'autres termes, la pièce céramique 16 est précontrainte par compression grâce à la contraction thermique plus grande des fils métalliques monocristallins 28. Cette contrainte de compression qui est engendrée dans la pièce céramique 16 est ex-20 trêmement avantageuse du fait qu'elle empêche la germination des fissures, provoque la recicatrisation des fissures aux températures élevées et diminue la propagation des fissures. Les figues 2,3 $t 4 montrent différents modes de réalisation de structures macrocomposites de palettes de stator. La figure 3 25 représente une structure macrocomposite de palettes qui comprend un emplacement homogène des fils monocristallins à l'intérieur de la masse réfractaire 18. Il a été trouvé que ceci est extrêmement désirable du fait que ceci permet la création d'une palette de stator pour la distribution de tension et le niveau de tension 30 désirés. Il est connu que près de la surface externe, un niveau de contrainte de compression uniformément élevée est désiré pour retarder le commencement des fissures et la croissance dans la matière céramique. D'une manière idéale, les fils métalliques devraient être très fins et très près les uns des autres ; ce-35 pendant, il y a des limitations quant à la dimension des fils et la distance entre les fils, limitations qui sont imposées par le procédé de coulage du métal et le procédé de la formation du matériau céramique. En maintenant une fraction de volume relativement constante du métal à partir des "bords avants jusqu'aux 40 bords postérieure, il a été trouvé qu'on peut créer une palette 6907227 8 20042/ sans moment de flexion, ceci représentant la configuration prè~ férée. La figure 4 représente une structure macrocomposite cU-palette dans laquelle les fils monocristallins 28 sont refroidie par un réfrigérant circulant à travers les ouvertures 32; ce 5 mode de réalisation montre des avantages nets. Le niveau de trainte de compression sur le matériau céramique serait rele/1::: "r-ment élevé aux températures de travail. La relaxation à l'intérieur des fils métalliques se ferait à des degrés plus peti grâce à la résistance au fluage plus élevée à des température 10 du métal plus faibles. Il est à comprendre que là où un refroidissement interne des fils métalliques de renforcement est infaisable, les bords de la section de l'aile où les fils métalliques ont un petit diamètre étant un exemple, un refroidisses.^., externe peut être réalisé en forçant de l'air à travers de pe> 15 passages autour des fils, ou en fait, à travers des passages à l'intérieur de la masse réfractaire elle-mSme. Il est à comprendre que dans tous les modes de réalisation précédents, la masse réfractaiîe 18 constitue au moins la parti© continue de la structure composite. Plus spécifiquement, la massé 20 réfractaire du mode de réalisation représenté sera continue o\-, une seule pièce en alumine du bord avant jusqu'au bord postér:5 •"*" de la palette. Les compostais d'une structure macrocomposite férée sont donnés dans l'exemple suivant: est une alumine à 99% (McDanel AP 35» McDanel Eefractory Porcexam Co, Beaver Palis, Penna. ) et les fils monocristallins passant travers des ouvertures longitudinales dans la masse réfractaire sont en superalliage Mar-M-200 à base de nickel. (0,15 0» 9 C! 30 10 Co; 2 EL; 5 Al; 12,5 V; 1,0 Hb; 0,05 Zr; 0,015 B; 1,5 Pej restant Ni). Des trous longitudinaux d'un diamètre de 0,76 ïsb> sont disposés dans un arrangement hexagonal à entassement desic"" à l'intérieur de la masse réfractaire. Avec un espacement des trous de centre-à-centre égal à 1,35 mm» la masse réfractaire 35 comprendra après la coulée 30% en volume de fils monocristaux:-" La contrainte dans la masse réfractaire et dans les fils es't respectivement: Exemple 25 Structure macrocomposite dans laquelle la masse réfractai: 40 (1) 33 /\ ^Bad original" 6907227 9 2004271 et ^ ^ (2) ^ V1 *1 S2 G « — A* A'/7 33 Ei vi + e2 Y2 5 » module d'élasticité de l'alumine E^ « module d'élasticité de Mar-M-200 « fraction de volume de l'alumine V0 « fraction de volume des fils en Mar-M-200 m m Oi j- d ^ 10 ■ coefficient de dilatation thermique linéaire moyen de 1 ' alumine «"V / c -ATm Température d'opération - température ambiante 15 Supposons que la contrainte dans le matériau céramique et le métal est zéro à la température de travail ou d'opération. Prenons E^ » 3»52 x 10^ kg/cm2; - 1,12 x 10^ kg/cm2; V-l - 70% en vol.; V2 » 30% en vol.;^1 » 7,8 x 10~6/°C; £2 « 13,1 x 10"6/°0 et -ATm 1000°C 20 Les contraintes calculées dans le matériau céramique respectivement dans les fils métalliques sont: (1) 35 « 2278 kg/cm2 (2)33 - 5186 kg/cm2 D'après la description précédente et le dessin annexé, il 25 sera évident pour les technicifins que de nombreuses modifications aux modes de réalisation préférés, décrits et représentés sont possibles. Par suite il doit être bien entendu que ladite description est seulement indicative et non limitative. 6907227 10 2004271 Bevendic ations 1. Structure macrocomposite caractérisée en ce qu'elle comprend un corps constitué d'une partie de base ayant des propriétés d'orientation à direction unique, d'une section inter- 5 médiaire ayant une pluralité de fils mono cristallins et une partie supérieure ayant essentiellement les mêmes propriétés que la partie de base; et une masse réfractaire comprenant une pluralité d'ouvertures s'étendant longitudinalement, la masse réfractaire étant emplacée entre la partie supérieure et la partie de base âm 10 corps, les fils monocristallins passant à travers les ouvertures longitudinales dans la masse et la masse réfractaire ayant un degré de contraction thermique plus petit que le corps, par quoi le corps précontraint la masse en compression. 2. Structure composite selon la revendication 1, caractérisée 15 en ce que la jpasse réfractaire est une masse continue par rapport aux fils monocristallins. 3. Structure macrocomposite selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la partie intermédiaire du corps consiste en un monocristal d'un alliage réfractaire, la base duquel étant 20 choisie du groupe comprenant le nickel et le cobalt. 4. Structure macrocomposite selon les revendications 1 à 3» caractérisée en ce que la masse réfractaire est une matière céramique. 5» Structure macrocomposite selon une des revendications 1 à 25 4, caractérisée par une pluralité de passages de refroidissement dans la masse réfractaire. 6. Structure macrocomposite selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les ouvertures dans la masse réfractairs sont emplacées d'une façon homogène autour de la masse réfrac- 30 taire. 7. Structure macrocomposite selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les ouvertures sont placées d'une façon hétérogène autour de la masse réfractaire. 8. Structure macrocomposite selon une des revendications 1 35 à 7, caractérisée en ce que le corps est un élément en contact avec le gaz. 9. Procédé pour couler des structures macrocomposites caractérisé en ce qu'on fournit un premier moule se trouvant sur une plaque de refroidissement; qu'on emplace au moins un moule plus 40 petit dans le premier moule, le moule plus petit ayant une plura- BAD ORIGINAL 6907227 ii 2004271 lité d'ouvertures longitudinales s'étendant entièrement à travers le moule plus petit, ces ouvertures fournissant une communication entre le moule plus petit et le premier moule au sommet et au bas du moule plus petit; qu'on remplit le premier moule de 5 métal fondu; qu'on provoque la solidification à direction unique du métal fondu dans une direction s'éloignant de la plaque de refroidissement; qu'on permet la croissance d'une partie de base de matière à direction unique entre la plaque de refroidissement et le fond du moule plus petit; qu'on provoque la croissance d'une 10 matière monocristalline à l'intérieur des ouvertures longitudinales; qu'on permet la croissance d'une partie supérieure de matière à direction unique au-dessus de l'extrémité supérieure du moule plus petit; et qu'on précontraint le moule plus petit en compression. 15 10. Procédé selon la revendication 9» caractérisé en ce qu'on fournit au moule plus petit un degré de contraction thermique plus petit qu'à la matière monocristalline dans les ouvertures longitudinales. 11. Le procédé selon la revendication 9» caractérisé en ce 20 qu'on retient une partie de la matière à direction unique à chaque extrémité du moule plus petit lors de 1'enlèvement du moule plus petit du moule principal.