Brevet FR2004269A1 — publié le 19691121

69Ô722S x 20Ô426'-) La présente invention concerne un article comprenant un élément de ressort coulé sous forme d'un monocristal. Des éléments élastiques ou rebondissants pour l'utilisation dans des moteurs à réaction, des fusées, freins de roues 5 d'aéronefs, réacteurs nucléaires, installations à vapeur et pour un grand nombre d'autres applications, doivent soutenir élasti-quement des efforts aux températures élevées avec peu ou sans fluage ou détente. Avec les températures ambiantes augmentantes, le problème devient de plus en plus difficile. Le ressort est au 10 fond un élément élastique conçu pour transmettre une force sur •une distance déterminée. A cause des limitations de l'espace, le ressort est ordinairement conçu pour une sollicitation élastique aussi élevée que possible. La charge du ressort, est presque toujours à direction unique. Il est bien connu que les ressorts 15 utilisés couramment échouent par déformation ou déformation plastique aux températures élevées. L'élasticité de tâs ressorts aux températures basses et intermédiaires est due à une substructure dense de dislocations développée dans le matériau du ressort lors des opérations d'étirage et d'enroulement. Une exposition du res-20 sort à des températures élevées mène au revenu et à la recristallisation du matériau de ressort avec une perte dans l'élasticité à température élevée. En plus, Tin ressort exposé à des températures élevées montre une diminution subséquente de l'élasticité à des températures faibles. La déformation et 11 écoulement 25 plastique résultent du glissement ou du mouvement des dislocations à l'intérieur des grains, et du glissement des grains le-long de leurs limites de grain. Si cette déformation survient sous des conditions de charge constante, on l'appelle fluage. Sous des conditions de hauteur fixe, la déformation est appelée 30 détente ou relaxation. • Jusqu'à nos jours, les ressorts utilisés- ordinairement ou couramment ont été incapables de soutenir leurs caractéristiques de fluage à des conditions de température élevée. Comme résultat de cette incapabilité d'utiliser des ressorts habituels 35 dans des milieux de haute température, les configurations résultantes doivent être exagérément complexes pour permettre l'utilisation comme éléments de ressort. E11 plus, bien qu'il existe des matériaux qui supportent des températures élevées, ces matériaux ne sont pas usinables, 40 c'est-à-dire, on est incapable d'en fabriquer un ressort ayant 6907225 2 2004269 des propriétés acceptables. Dans l'industrie des ressorts il n'est pas pratique courante ou normale de fabriquer des ressorts par le coulage. Même, si on coulait des ressorts par des techniques de coulage conventionnelles, un désavantage de la fabrication des 5 ressorts par ces techniques serait que le produit résultant comporte des joints ou limites de grain. Il a été trouvé que ces limites de grain contribuent signifieativement à la déformation plastique de la pièce aux températures élevées par l'intermédiaire du glissement des limites de grain. 10 la présente invention fournit un élément de ressort qui est capable d'opérer à des températures élevées en maintenant les proprilbés ou caractéristiques favorables de fluage et de détente. but de la présenté invention est de fournir un article 15 comprenant un élément de ressort coulé, capable d'opérer à des températures élevées, l'élément de ressort ayant une orientation cristallûgraphique déterminée par rapport à l'axe de sollicitation principal de l'élément de ressort. L'article selon la présente invention est constitué d'un 20 monocristal métallique et peut être formé de deux manières. Il peut être formé par solidification dirigée d'un métal en fusion en formant un bloc monocristallin et en découpant ensuite le ressort à. la* machine; ou le ressort peut être coulé directement dans un moule en forme de ressort en utilisant des procédés de 25 solidification dirigée. Comme mentionné auparavant, des matériaux qui ont des caractéristiques désirées aux températures élevées sont disponibles pour être utilisés dans la fabrication des ressorts. Cependant, un problème principal pour produire un ressort comme mentionné à partir de ces matériaux est que ces matériaux 30 ne peuvent pas être fabriqués en un ressort par la pratique conventionnelle de production de ressort. La présente invention en utilisant des. matériaux ayant des caractéristiques réfractaires et qui peuvent être coulés en monocristaux surmonté les problèmes ci-dessus. ... 35 Un 'autre avantage de la présenté 'invention"réside dans le fait qu'en formant l'élément de ressort en un monocristal, on réalise 11élimination des limites de grain. Cette élimination - des limites -de grain supprime la possibilité du glissement des limites de "grain et ainsi fournit: un élément de ressort ayant 40 des caractéristiques bu propriétés hautement-désirables. 6907225 3 2004269 La présente invention est adaptable au même degré aux structures monophasés qu'aux structures multiphases. Il est bien connu qu'à l'état solide un métal est une matière cristallogra-phique dont les atomes sont aménagés dans un réseau atomique 5 spécifique. Une structure de réseau atomique générale, et une structure de réseau atomique qui représente un mode de réalisation préféré de la présente invention est la structure cubique à faces centrées qui est commune aux alliages à base de nickel. Dans cette structure les atomes sont aménagés aux coins du cube et aux 10 centres des six faces du cube. Voilà pourquoi un monocristal macroscopique représente simplement un grand nombre de ces cubes qui sont empilés, les faces des cubes étant appelées les plans Q.00) et les arêtes des cubes étant les directions . Il a été trouvé qu'il est plus facile de déformer le réseau métallique 15 dans une direction que dans une autre, ceci veut dire que Iles propriétés mécaniques sont une fonction de l'orientation de l'axe cristallographique. Par conséquent, il a été trouvé que les propriétés mécaniques du ressort coulé varient avec l'orientation cristallographique du matériau. Basé sur cette découverte, il 20 devient clair que pour fournir un élément de ressort qui a les caractéristiques de fluage les plus désirables, l'orientation du monocristal devrait être choisie de façon à minimiser la déformation plastique. Il a été trouvé que l'orientation avec une direction parallèle à l'axe principal du ressort est un 25 axe préféré. D'une façon analogue, il devient clair que dans d'autres applications où la charge ne représenterait pas l'intérêt principal, l'axe d'orientation dans le monocristal pourrait être formé È long de l'eaee du ressort ou le long de l'axe central du ressort. 30 En plus, un ressort en monocristal, comparé à un ressort polycristallin de géométrie analogue et ayant essentiellement les mêmes dimensions et étant produit par des techniques conventionnelles, est un ressort beaucoup plus solide. Ceci résulte du fait que le matériau utilisé pour la production du ressort selon la 35 présente invention, à cause de l'utilisation d'alliages réfrac-taires, a un module de cisaillement plus petit. En drautres termes, tan ressort en monocristal, comparé à un ressort de même géométrie et produit par des techniques de coulée conventionnelles a une courbe force - déplacement beaucoup plus petite. 40 Finalement, il est à comprendre que la p'résente invention 6907225 4- 2004269 peut fournir un élément de ressort de n'importe quelle former Cependant une forme en spirale est le mode de réalisation préféré» Il a été trouvé qu'un élément de ressort coulé ou moulé en for;- g de spirale et en tan monocristal métallique a été capable de "•'•••• 5 sister et de maintenir ses caractéristiques de service jusqu'à des températures d'au moins 760°Co Ceux qui sont versés dans la technique comprendront lis® l'invention ainsi que d'autres "buts,caractéristiques et ava&= tages de cette dernière par une lecture de la description dé-10 taillée qui va suivre et qui se rapporte à des exemples particuliers et au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une coupe verticale d'une construction de moule utilisée dans la présente invention. La figure 2 est une vue schématique fragmentaire montxeat 15 un élément de ressort directement produit par un procédé pour produire des monocristaux. La figure 3 est une vue schématique fragmentaire montrant un élément de ressort qui a été découpé à la machine à partir d'un cylindre coulé en monocristal. 20 La ïigure 4 est une représentation d'un système d'axes tridimensionnel montrant l'orientation du cristal. En se référant maintenant en détail au présent mode â© réalisation préféré de l'invention, on voit que la figure 1 montre une construction de moule qui est particulièrement utili-25 sable avec n'importe lequel des soi-disants superalliages décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no.3*260.505 au nom de YerSnyder. Ces alliages sont généralement adaptés pour le procédé connu sous le nom de solidification dirigée. La construction de moule décrite dans la présente description en addition aux 30 enseignements du brevet américain ci-dessus au nom de YerSnyder8 utilise la technique pour former des alliag.es monocristallins ÏM (Monocrystalloys comme décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique déposée au nom de Piearcey le 17 février 1966 sous le numéro 54-0.114. 35 La construction décrite comprend un moule 4 placé sur une plaque 6 relativement froide et conductrice de chaleur et de préférence refroidie à l'eau. Le moule 4 est de préférence fabriqué en un matériau céramique à partir d'une bouillie conventionnelle d'alumine ou d'autres matériaux réfractaires à 40 point de fusion élevé selon la technique habituelle de moulage 690722S 5 2004269 en coquille. De l'eau pour la plaque de refroidissement 6 est transportée à travers les conduites 8. Comme représenté, une extrémité da moule 4 repose sur la plaque de refroidissement 6 et coopère avec la plaque à la foumatiou d'une cavité de moulage 5 10 enfermée, l'extrémité du moule 4 opposée à la plaque de refroidissement 6, est ouverte pour recevoir le métal en fusion. Autour du moule 4 se trouve le moyen pour chauffer le moule à la température désirée pour le coulage. De préférence le moule est entouré par une "bobine d'induction 12 alimentée avec 10 un courant électrique comme usuel pour un four à induction à fréquence élevée. Avant le coulage, le moule est chauffé à une température désirée en alimentant la "bobine 12 avec du courant, et lorsque la température désirée a été atteinte, le métal en fusion chauffé à la température propre pour la coulée est versé dans la 15 cavité 10. La plaque de refroidissement 6 est maintenue à une température relativement basse au moyen d'une circulation d'eau à travers les conduites 8 de façon à établir lors de la solidification un gradient thermique avec le métal en fusion remplissant le moule 4. 20 II est à comprendre que le terme métal.utilisé dans la présente description comprend aussi bien, le métal pur que ses alliages. Comme mentionné, un métal préféré est un alliage à base de nickel ou de cobalt. • Dans le présent mode de réalisation des moules de ressort 25 préformés 18, 20 et 22 sont insérés dans le. moule 4, Les moules de ressort préformés 18, 20 et 22 sont de préférence fait en un matériau céramique, et chacun comporte une cavité hélicoïdale comme à la référence numérique 24. Chaque cyvité creuse 24 comprend un noyau creux comme représenté par la référence numérique 50 26. Cette cavité hélicoïdale 24 peut être faite par.tout procédé conventionnel, le procédé à la cire perdue étant un moyen type. Chacune de ces cavités hélicoïdales 24, qui est effectivement le moule de.ressort hélicoïdal, comprend une petite- ouverture 28. Cette ouverture 28 est montrée comme étant .au fond dechaque 35 cavité hélicoïdale, et il est clairement montré que l'ouverture -28 doit être espacée au-dessus de ,1a plaque de refroidissement 6. ,Maintenant, après,.que le métal a été versé dans le moule 4, le métal commence à se solidifier et il a une structure de grain cubique en colonne et orientée, et en produisant une petite ou-40. verture comme à la référence 28 pour chacune des cavités héli- 6907225 6 2004269 coldales 24, on provoque la croissance d'un monocristal à l'intérieur de ces cavités. La croissance à l'intérieur des cavités est de préférence E;long de la direction cristallograpMque Qioôj, comme représentée sur la figure 4, l'axe étant parallèle à l'axe 5 principal du ressort formé dans les moules 18, 20 et 22. Plus spécifiquement, en se référant à la figure 4, trois axes •qui a été coulé en utilisant là construction de moule mentionnée plus haut. La figure montre clairement la condition «t la position des dendriteé 34 et 36 et-léur orientation .cristallographique. - Par" contraste avec la coulée'directe, d'un, élément de 35 ressort, comme décrit plus haut, il est possible de couler un bloc monocristallin ou cylindre monocristallin et d'en découper l'élément de ressort à la machine. Une partie d'un tel éléa*nt de: ressort est montrée sur la figure 3. Il est souligné que si le ressort est coulé dans un moule hélico'idal, les dendrites 34 40 auront des bras 36, ceci résultant, du changement constant de la 6907225 7 2004269 croissance d'une spirale. Bien que le ressort produit à partir d'un cylindre monocristallin ait également des bras 36, ces "bras seront très petits du faitoque la direction de la croissance est constante pendant la croissance du cylindre. 5 Les exemples suivants illustrent la présente invention. Exemple I Deux ressorts furent comparés, l'un fut un ressort poly-cnstallin produit par des techniques conventionnelles à partir d'un alliage "Inconel X" et l'autre fut un ressort coulé comme 10 ressort monocristallin à partir d'un alliage MMar-M-200". La composition nominale de l'alliage "Inconel X"est 15»5 Cr; 2,5 Ti» 0,7 Al; 0,08 C; 7 Fe; 1 Hb; restant Ui. La composition nominale de l'alliage "Mar-M-200" est 9 Gr; 10 Co; 2 Ti; 5 Al} 0,15 G; 12,5 V; restant Ni. Chaque ressort avait une géométrie identique 15 et fut soumis à des températures et.conditions de charge identiques. Le ressort en "Inconel X" avait une longueur de 9,8 cm et fut soumis à une charge de 4,50 kg. Le fluage commençait avant que la température de 649°C ne fut atteinte. Le ressort en "Mar-M-200" en monocristal avait une longueur de 9»8 cm et 20 fut soumis à une charge de 4,50 kg. Il n'y avait pas de fluage à 649°C et il n'y avait pas de fluage jusqu'à ce que la température de 760°C fut attente. Exemple II L'analyse suivante montre pourquoi un ressort en mono-25 cristal selon la présente invention est plus résistant que les ressorts produits par des techniques conventionnelles. Unè des limitations principales dans la production de ressorts avec des techniques conventionnelles est l'inaptitude des matériaux au façonnage en des ressorts avec des caractéristiques de ressort 30 acceptables. Un ressort en monocristal n'est pas limité par ce problème et il en résulte que des matériaux comme l'alliage Mâr-M-200 ayant un module de cisaillement d'approximativement M O , 57,3 x 10 kg/cm peuvent être utilisés. Ce module est inférieur au module de cisaillement des matériaux conventionnels pour 35 ressort, comme par exemple l'alliage "Inconel X" dont le module 4 2 de cisaillement est approximativement 73,10 x 10 kg/cm . Il en résulte, si les ressorts de l'Exemple I sont considérés, qu'il est clair que le ressort en "Inconel X" a un module de cisaillement plus élevé que le ressort en monocristal. 40 Voilà pourquoi basé sur la formuM *. 6907225 a 2004269 ,4 ^ 64 il R5 * g dans laquelle: d = diamètre du fil, R = rayon du ressort, K = force constante et G » module de cisaillement, il est à noter que plus le module de cisaillement est élevé, plus le diamètrs 5 Il est également connu que 1 ' effort maximum de cisaillement sur un ressort résulte de deux facteurs, l'effort de cisaillement par torsion qui se produit aux fibres intérieurs m? ressort et l'effort direct de cisaillement provoqué par la charge 10 axiale; ces deux factenns s'additionnent. L'effort maximum de cisaillement admissible est donné par la formule suivante: PR .4P S * 16 —r—=r + tt 7^d5 Vd2 On peut donc voir que plus le diamètre du fil d est grand, plus l'effort maximum est petit. En combinant, ceci avea 15 les considérations au sujet du module de cisaillement il devient clair qu'un ressort en monocristal, si comparé à un ressort essentiellement polycristallin, est beaucoup plus résistant. D'après la description ci-dessus et le dessin annexé, il sera évident pour les techniciens que de nombreuses modifia 20 cations aux modes de réalisation préférés, décrits et représentés sont possibles. Par suite, il doit être biÈn entendu que ladite description est seulement indicative et non limitative. 6907225 9 2004269 Bevendic ations 1. Article caractérisé en ce qu'il comprend un membre élas- • tique coulé ayant une orientation cristalïograpliique déterminée au préalable par rapport à 1 ' axe de charge principal du membre 5 élastique. 2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que le membre élastique coulé est un élément de ressort constitué d'un monocristal métallique. 3. Article selon la revendication 2, caractérisé en ce que 10 l'orientation cristalïograpliique est essentiellement parallèle à l'axe majeur de l'élément de ressort. 4. Article selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orientation cristalïograpliique est essentiellement 3a.long de l'axe Jj.OÔJ et parallèle à l'axe majeur de l'élément de ressort. 15 5. Article selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément de ressort est une spirale métallique en monocristal. 6. Article selon une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que l'élément de ressort consiste en tin monocristal d'un 20 métal réfrac taire à base de nickel ou de cobalt. 7. Article selon la revendication 6, caractérisé en ce que le métal a une température de recristallisation supérieure à 760°0 et que l'élément de ressort résiste au fluage jusqu'à des températures d'au moins 760°G.