Brevet FR2047975A1 — publié le 19710319

; 1 2047975 La présente invention concerné des pièces moulées â solidification 'dirigée. Des pièces moulées à solidification dirigée en alliages' de hautes températures ont été trouvées être utiles pour les turbines 5 à gaz, particulièrement là où l'orientation cristalline peut être contrôlée par exemple par rapport à la charge, dont sera soumise la pièce moulée. De telles pièces moulées ët la méthode pour leur production sont décrites par exemple par le brevet n° 3.260.505 des E.U.A. au nom de Ver Snyder. Des pièces moulées ayant un espa-io cernent de dendrites très réduit à l'intérieur, des grains columnai-res sont très désirées, et il a été trouvé que la structure dendri-tique désirée à fine texture peut être obtenue par une vitesse de refroidissement relativement élevée une fois que la solidification est commençée. IS" Un objet de la présente invention est la formation de pièces moulées à solidification dirigée au moyen d'une technique de fusion par arc consumable combinée à un procédé pour contrôler la vitesse de solidification afin de produire une structure dendri-tique à grains fins. Un autre objet de 1'invention est un appareil SO pour produire une telle miiEDStructure dendritique- Un autre objet de l'invention est un appareil et un procédé pour obtenir non seulement une structure à solidification dirigée mai= aussi une orientation désirée de la-structure dendritique telle que, par exemple, une orientation (001) le long de l'axe longitudinal de la pièce 25 moulée. Selon l'invention l'appareil comporte une plaque de refroidissement pour commençer et continuer le refroidissement de la coulée à une vitesse désirée pour produire la structure orientée et dirigée à grains fins dans la pièce moulée.' Un moule ou iO coquille en céramique dans lequel est moulée la pièce s'étend vers le haut de cette plaque de refroidissement. Dans ce moule une ' électrode consumable en matériau pour former la pièce moulée est plaçëe avec son extrémité libre se projetant vers le bas dans le moule. L'énergie électrique fournie à l'électrode forme un arc iS" qui fond l'électrode afin de former un corps fondu qui se cristallise vers le haut à partir de cette plaque de refroidissement, pour former la pièce moulée. L'arc est interrompu périodiquement pendant le procédé du moulage pour contrôler la vitesse de la solidification ascendante à partir de la plaque de refroidissement j-(0 et pour améliorer la structure des grains. Sous certains rapports 70 22402 2 2047975 l'invention est une amélioration de l'appareil-et de la^méthode de là demande de brevet aux E.U.A n° 803.-539 déposée le 3 Mars 1968 au'nom de Barnow. . ... . • ... "D ' autres caractéristiques et avantages de. 1 ' invention-, se-5 " ront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un (du de plusieurs) exemple (s) de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans les quels/ : - -, . La figure 1. , est une coupe d'un appareil, selon un .mode de réalisation "de la-présente invention. • - 10 La figure 2. est une coupe fragmentaire d'une modification de la figure 1. La méthode peut être réalisée à l'aide de l'appareil montré par la figure"1. qui comporte une plaque de refroidissement 10 ou un fond de creuset sur lequel est disposé un moule 12, pour le |£ lingot, sous forme d'une douille en céramique ayant sa partie inférieure reposant sur la plaque de refroidissement 10. Cette douille en céramique est entourée par une douille de creuset ou paroi 14 fixée par sa base à la plaque de refroidissement au moyen de boulons 16. Cette douille de creuset peut â son tour Qp être entourée d'un manteau de refroidissement non montré, bien que ceci ne soit pas une pièce critique de ce dispositif. L'espace entre le moule 12 et la paroi de creuset 14 peut être rempli d'un matériau granulaire et isolant -17 pour réduire au minimum la perte de chaleur de l'alliage fondu à travers la paroi du moulei y~> Un élément de chauffage 18 peut entourer le moule 12 pour chauffer celui-ci avant de commencer l'opération du moulage. Une électrode 19 consumable du même alliage.que celui de la pièce devant être moulée, est disposée à l'intérieur^de la douille 12 et elle est supportée par un dispositif conventionnel î>0 d'alimentation en électrodes par lequel un. arc est amorcé et m aintenu dans la coulée de l'électrodë à'L'intérieur de.la douille. Un type bien connu de four de coulée à arciconsumable. ayant ce type d ' équipement d 'alimentation est le:four JHeraeus L 200 H. Pour le but de la présente invention., il. est -.suffisant de noter que la barre 19 est montée sur une: crêmadllèr.e -d-'alimentation 20 qui est déplacée par-un pignon' 22: pour avancer .l'électrode à l'intérieur de la douille 12 ou pour, la retirer. à> u-ne , vitesse appropriée pour maintenir la fusion, désirée.du lingot. Il faut remarquer que l'arc est un arc électrique, 1'énergie /•° étant fournie par une source appropriée 24 avec les conducteurs % 70 22402 3 2047975 26, tel que représenté sur la figure 1., menant cette énergie vers l'électrode et le creuset. Evidemment une commande appropriée 28 de construction conventionnelle maintient l'alimentation nécessaire à l'arc et sert aussi pour contrôler la vitesse de 1'alimenta-5 tion de l'électrode. Une autre commande sous la forme d'une minuterie 30 permet la coupure intermittente de l'alimentation eh énergie au moteur et à 1'arc pendant le procédé du moulage. Une telle minuterie est bien connue de l'état de la technique et n'a pas besoin d'être décrite ici en détail. Son effet est de produi-10 re des intervalles espacés périodiquement de la fusion de l'arc pendant le procédé du moulage. La douille 12 et l'isolation qui l'entoure agissent comme barrière à la chaleur de façon que, lorsque l'électrode fond pour former un bain à l'intérieur de la douille, la plus grande perte l5 de chaleur se produise axialement à travers la plaque de refroidissement à la base. Le front de solidification s'avance vers le haut à partir de la plaque de refroidissement et le métal se solidifie en grains columnaires tel que décrit dans le brevet de Ver Snyder 2o sus-mentionné. Du métal superchauffé est fourni au moule juste au-dessus de l'interface liquide-solide par la zone de solidification de l'électrode de fusion. Ceci produit une solidification très rapide en produisant une structure dendritique fine. Ces dendrites ont une orientation préférentielle (001) le long de té l'axe vertical de.la pièce moulée. Lorsque l'arc pour fondre la barre est à l'origine amorcée entre l'électrode et la plaque de refroidissement et qu'un bain fondu est formé, la plaque de refroidissement démarre la solidification sur elle-même. La douille 12 agit comme barrière ÎO I la chaleur, et la circulation de chaleur de l'alliage fondu dans la plaque de refroidissement est encore renforcée par le préchauffage de la douille en céramique. Il est entendu que la vitesse de fusion de l'électrode et ainsi de la solidification de l'alliage est une fonction de l'entrée d'énergie et de l'efficacité du refroidissement. La production de pièces moulées par solidification dirigée en utilisant un refroidissement et un gradient thermique en ogive dans le moule est décrite par le brevet U.S de Ver Snyder. Pendant le procédé de moulage l'arc est interrompu périodiquement pour limiter la profondeur de la H O zone fondue et de permettre un écoulement de chaleur de la,zone 70 22402 4 2047975 fondue à travers la zone solide dans la plaque de refroidissement. Avec l'arc coupé aucune chaleur n'est ajoutée à l'alliage fondu et la solidification se produit à une vitesse rapide. Lorsque l'arc est de nouveau rétabli, l'énergie de chaleur élevée fourni 5 par 1'arc fondra rapidement de 1'alliage supplémentaire pour approfondir le bain fondu sans retarder le procédé de la solidification. La technique de l'arc interrompu permet une solidification plus'rapide de la coulée pendant le procédé de moulage produisant ainsi un espacement de dendrites plus fin et une structure à grains lo plus satisfaisante dans la pièce moulée. Il est entendu que d'autres dispositifs que la minuterie particulière 30 peuvent être utilisés pour fournir les conditions désirées de coupure de l'arc pendant le procédé. Par exemple, en produisant un lingot à solidification i5 dirigée d'un diamètre de 38, 1 mm, la plaque de refroidissement était en cuivre avec des canaux de refroidissement et le débit de l'eau de refroidissement était de 30,3 litres par minute. L'entrée électrique pour l'arc était de 220 ampères à 21 volts et la vitesse de l'alimentation de l'électrode était environ de Ao 12,7 mm par minute, l'électrode elle ayant une section transversale de 4,84 cm2. Ce lingot fut moulé avec un alliage Mar M 200. Bien entendu, ce procédé de moulage est réalisé de préférence sous vide. Après 210 secondes avec l'arc établi la profondeur du bain fondu' de l'alliage était d'environ 38,1 mm et l'arc fut coupé pour 60 secondes. Après quoi l'arc fut rétabli périodiquement pour 60 secondes, et coupé pour 150 secondes jusqu'à ce que le moule fut rempli au niveau désiré. Le lingot résultant avait la microstructure désirée et une microporositë réduite. La vitesse élevée de solidification io qu'on peut obtenir par la fusion avec une électrode consumable produit un espacement dendritique plus serré, une faible phase eutectique et une distribution plus fine des carbures MC plus petits, ce qui fournit dans 1'ensemble un meilleur moulage ou pièce moulée. 3^ L'effet de la coupure périodique de l'arc permet de maintenir un gradient thermique élevé à l'interface solide-liquide. Tel que montré sur la figure 1., la solidification qui a commen-çée à la plaque de refroidissement se déplace vers le haut avec la surface solide restant substantiellement horizontale. Tel que ,/yO montré, il y a une mince couche en partie solide et en partie 70 22402 5 2047975 liquide, désignée par zone pâteuse au-dessus de laquelle se trouve le bain liquide.de l'alliage. Pendant la période de coupure de l'are, la zone pâteuse se déplace très vite vers le haut en raison de la perte de chaleur vers la plaque de refroidissement. 5- Pendant la période que l'arc est rétabli, la plus grande chaleur est à l'extrémité de l'électrode et la fusion se produit sans augmenter la chaleur dans la zone pâteuse et réduit seulement temporairement la vitesse du mouvement ascendant de la zone pâteuse. 10 La croissance des grains columnaires dans ce procédé de moulage se produit de la façon décrite par Ver Snyder dans son brevet des E.U.A. n° 3.260.505 ou par Sink dans son brevet des E.U.A. n° 3.417.809. La croissance dendritique à l'intérieur des grains columnaires individuels est à angle droit par rapport à la IS plaque de refroidissement et la croissance est donc à solidification dirigée avec et les grains columnaires, et la croissance dendritique à l'intérieur des grains parallèle à l'axe longitudinal de la pièce moulée. Cfette fusion périodique de l'électrode pendant le procédé 2® de moulage est aussi applicable au moulage de lingots ou de pièces en un seul cristal. Le lingot en un seul cristal est une autre forme de matériau à solidification dirigée, avec la direction des dendrites contrôlée, par un cristal-germe. Par exemple, tel que montré sur la figure 2., l'appareil est à peu de chose près le 2$ même que celui de la figure 1., à l'exception qu'un cristal- germe 34 est monté dans la plaque de refroidissement 10' pour promouvoir la croissance des dendrites en un seul cristal pendant le procédé du moulage. Le lingot en uji seul cristal est produit tel que décrit conjointement avec la figure 1., avec une interruption $0 périodique de 1'arc pour permettre un gradient thermique plus raide à l'intérieur de l'alliage qui se solidifie et pour permettre une plus grande vitesse de solidification. Bien que le germe est normalement coupé d'un cristal unique de façon que la croissance dendritique soit à angle droit par rapport à la plaque de iS refroidissement, et il est entendu qu'une telle restriction ou limitation n'est pas nécessaire et si une croissance dendritique telle que l'orientation (001) est désirée à un angle aigu par rapport à la plaque de refroidissement, le cristal-germe est choisi avec une orientation angulaire désirée tel que représenté par les lignes en pointillé 38 sur le cristal-germe. 73 22402 6 2047975 Que l'orientation de la structure dendritique du germe soit à angles droits par rapport à la plaque de refroidissement ou à un angle aigu tel que montré, la coupure périodique de l'arc pour produire une fusion intermittente de l'électrode pour main-5 tenir le bain d'alliage fondu est efficace pour produire la micpstructure désirée dans l'alliage. La coupure intermittente de l'arc limite la profondeur du bain fondu de l'alliage dans le moule et permet un contrôle du gradient thermique dans l'alliage étant moulé afin de maintenir la vitesse désirée de solidifica-io tion à l'intérieur du moule. De cette façon la vitesse du mouvement ascendant de 1'interface solide-liquide dans le procédé de la solidification peut être contrôlée avec précision. Tel que sur la figure 1., la vitesse de refroidissement peut être contrôlée en plus par un élément de chauffage entourant le moule si iS' cela semble être souhaitable. Cet élément peut être utilisé pour le chauffage initial du moule à une température aussi élevée que la température de fusion de l'alliage ou au-dessus. Comme exemple de cette technique telle qu'appliquée à des pièces moulées à solidification dirigée du type à un seul cristal, Se un lingot d'un diamètre de 38,1 mm et d'une longueur de 10,16 cm fut coulé sur une plaque de refroidissement en cuivre avec des canaux pour la circulation de l'eau de refroidissement dont le débit était fixé à 30,3 litres par minute. Le courant électrique pour l'arc, était de 220 ampères à 21 volts et la vitesse d'ali-mentation de l'électrode pendant les intervalles de l'arc établi fut environ de 25,4 mm par minute, et l'électrode avait une section transversale de 4,84 cm2. La durée de l'arc établi fut de 35 secondes et la coupure de l'arc fut de 150 secondes après une période initiale de fusion qui avait produit une profondeur 3c de 38,1 mm du baind'alliage dans le moule. Cette opération interr mittente fut continuée à une hauteur finale de la surface du bain fondu de 12,06 cm au-dessus de la plaque de refroidissement. Le lingot fut coulé d'un alliage Mar M 200 et le cristal-germe fut du même alliage. Ce procédé de moulage fut réalisé sous vide. Le lingot moulé avait la microstructure désirée et une microporosité réduite. Etant un cristal unique ou monocristal, il était entièrement exempt de frontières de grains et d'un espacement dendritique serré, d'une phase eutectique faible et d'une très fine distribution de carbures MC. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées 0 22402 7 2047975 par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple (s) non limitatif (s) sans sortir du cadre de l'invention. 70 224D2 8 2047975 REVENDICATIONS 1. Méthode pour la fabrication" d'une pièce moulée par solidification dirigée, caractérisée par le montage d'un moule sur une plaque de refroidissement, la disposition de l'extrémité d'une élec- 5 trode d'un alliage à l'intérieur du moule en amorçant un arc avec cette extrémité de l'électrode pour provoquer la fonte de l'électrode dans le moule, par le refroidissement continu de la plaque de refroidissement pour retirer de la chaleur de l'alliage fondu, par la solidification du matériau à partir de la.plaque de refroi-10 diésement vers le haut pendant que l'alliage est fondu continuellement en avant de l'interface liquide-solide formé lorsque l'alliage se solidifie par l'enlèvement de chaleur par la plaque de refroidissement, et par la coupure périodique de l'arc pour contrôler la profondeur de l'alliage fondu au-dessus de l'interface 15 liquide-solide. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte l'opération consistant à chauffer le moule avant que commence la fusion de l'alliage. 3. Méthode selon la revendication 1, caractérisée par le 20 fait que l'alliage est un alliage du type à températures élevées. 4. Méthode selon la revendication 1, 2 et 3, caractérisée par le fait que la pièce moulée produite a des grains columnaires s'étendant substantiellement perpendiculaire à la plaque de refroidissement . 25 5. Méthode selon les revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la pièce moulée est une pièce faite d'un seul cristal. 6. Méthode selon la revendication 1, pour mouler une pièce par solidification dirigée, caractérisée par le fait qu'un moule est 30 disposé sur une plaque de refroidissement, que l'alliage est fondu dans le moule par une technique de fusion à l'électrode consumable dans laquelle l'extrémité de cette électrode est placée à l'intérieur du moule, que l'arc est interrompu périodiquement pour des intervalles choisis durant le procédé de fusion pour contrôler 35 ainsi la vitesse de refroidissement de l'alliage qui est moulé. 7. Méthode selon les revendications 1 et 6, caractérisée par le fait que la pièce moulée a des grains columnaires substantiellement perpendiculaires à la plaque de refroidissement. 8. Méthode selon les revendications 1 et 6, caractérisée par 40 le fait que la pièce moulée est d'un seul cristal. 70 22402 2047.975 9. Appareil pour mouler des pièces par solidification dirigée, selon les revendications 1 à 8,'caractérisé par le fait qu'il comporte une plaque de refroidisseméntr un moule reposant sur cette plaque de refroidissement, une électrode consumable ayant son ex- 5 trémité placée à l'intérieur-.du moule, des moyens pour alimenter de l'ênèrgie électrique .à* travers l'électrode et la plaque de refroidissement pour fondre l'alliage de l'électrode dans le moule, et moyens pour interrompre périodiquement l'alimentation d'énergie électrique pour obtenir Une fusion intermittente de l'électrode. 10 10. Appareil selon la revendication^, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour alimenter l'électrode dans le moule pendant l'alimentation en courant électrique, à celle-ci. 15