Brevet FR2037187A1 — publié le 19701231

La présente invention concerne un dispositif permettant le moulage de pièces en un cristal unique ou monocristal, ayant une dimension relativement grande à angle droit, par rapport à l'axe principal, nécessitant ainsi une grande dimension horizonta-5 le pour la-cavité du moule. Un objet particulier est une méthode et un appareil permettant de mouler des disques .ou formes semblables dans un moule , l'axe du disque se prolongeant verticalement pour obtenir l'orientation cristalline souhaitée à l'intérieur du moule. XO Un objet de la présente invention est la production de pièces moulées d'un seul cristal ou monocristal avec l'un quelconque des superalliages de hautes températures courants, dont des exemples sont donnés dans le brevet de Versnyder N° 3.260.505 des E.U.A., dans lequel la pièce ou l'article a une grande dimension-, 15 substantiellement à angle droit par rapport à l'orientation IlOOj ces pièces pouvant être des disques, des tiges d'un grand diamètre ou des lingots à grande section transversale. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, et des 20 dessins annéxés sur lesquels; La Figure 1, est une section transversale et verticale d'un moule et des dispositifs auxiliaires représentant un mode de réalisation de la présente invention, La Figure 2, est une coupe horizontale du tube de remplis 25 sage, La Figure 3, est une coupe verticale comme celle de la Fi gure 1, mais d'une modification. La Figure 4, est une vue semblable à celle de la Figure 3, mais avec une autre modification, 30 La Figure 5 f est une coupe transversale à travers un dis que moulé, représentant une orientation cristalline préférée. En se référant d'abord à la Figure 1, on y voit un appareil pour produire un lingot ou un cylindre d'un seul cristal, le cylindre ayant un rayon relativement grand, et une hauteur subs-35 tantielle. La structure cristalline est représentée par la Figure 5, qui montre clairement que l'orientation[j.0£>Jest dans l'axe du cylindre (verticalement dans le moule) et que la croissance den-dritique dans le plan horizontal est symétrique à travers le lingot ou le cylindre» 40 Selon la Figure 1, une plaque de refroidissement 10, a» 70 07994 2 2037187 yant des moyens de refroidissement, supporte une douille cylindrique 12,- qui entoure le moule 14, pour former la pièce (lingot). Ce moulé est supporté par des éléments de.support 16, espacés entre eux, et les parois du moule sont espacées de la douille 12. Le 5 moule est cylindrique avec un diamètre étant presque aussi grand que celui de la douille qui 1'entoure et il a une hauteur substantielle. Le dessus du moule est fermé et le fond a une ouverture de remplissage 17. Le moule est de préférence un moule du genre coquille et il est un peu poreux, pour laisser échapper l'air, pen-10 dant le remplissage du moule. Le moule jpeut être fait par exemple, par le procédé de cire perdue, et il peut, être relativement mince, puisque pendant la coulée, le niveau de remplissage du métal dans le moule, est substantiellement le même à l'intérieur et à l'extérieur du moule. 15 Un tube hélicoïdal 18, se prolonge vers le base de l'ou verture de remplissage ou du trou de coulée 17, permettant* la croissance d'un cristal unique à l'intérieur du moule. Bien que ce tube est représenté comme étant hélicoïdal sur les Figure 1 et 3, il est suffisant que ce tube ait assez de changements de di-20 rection pour ne laisser passer qu'un seul grain. Ainsi, un coude avec assez dé changements de direction dans le plan horizontal pour obtenir au moins un changement de direction de 180° , serait suffisant et approprié. Le tube, lui a sa ligne de centre de préférence sur une pente ascendante, et a un diamètre assez grand 25 pour permettre un écoulement relativement libre de l'alliage fondu vers le haut dans le moule. Un tube hélicoi'dal ayant son axe vertical perpendiculaire au refroidissement, èt évidemment la configuration la plus simple et s'il se prolonge au* moins'à 180° , il ne laissera passer qu'un seul cristal sans avoir besoin d'un ë-30 tranglement très petit au fond du moule qui a été utilisé pour produire une croissance monocristal dans le moule formant l'article, la pièce ou le lingot. L'extrémité du bas du tube 18 est espacée de la plaque de refroidissement tel que montré. Le fond du moule forfiie urï angle aigu, relativement petit 35 par rapport à l'horizontale et il est relativement proche de la plaque de refroidissement tel que montré. Cette légère pente de ce fond, permet d'éviter une nucléation de cristaux indêsirés sur cette paroi du fond. Avec cette pente légère, la dimension horizontale du moule peut augmenter rapidement et ainsi peut être 40 produite avec un seul cristal. Bien que la figure représente un 70 07994 3 2037187 moule pour un cylindre, il est entendu que d'autres articles ayant une grande dimension horizontale peuvent être fabriqués par cette technique. • Le haut de la coquille ou de la douille 12, a un couver-5 cle 20, de préférence en matériau isolant pour diminuer et garder à un minimum la perte de chaleur de l'alliage, lorsqu'il est refroidit, de même une ouverture centrale 22, dans le couvercle permet d'y disposer le canal de coulée 24. En fonctionnement, l'ensemble représenté, est placé dans 10 une chambre de chauffage de façon que le moule et la coquille puissent être chauffés à une température au-dessus du point de fusion de l'alliage. La chambre est de préférence une chambre sous vide de façon que la coulée puisse être faite sous .un;vide. La technique de chauffage du moule et de la coulée de l'alliage est 15 celle décrite en général dans le brevet de Versnyder N° 3.260.505 des E.U.A. Lorsque le moule et la coquille ont atteint la température voulue, l'alliage est versé dans le canal de coulée pour s'écouler autour-du moule pour remplir la coquille et pour s'introduire vers le haut à travers le tube 18, à l'intérieur du moule. La 20 coquille et le moule sont remplis jusqu'à environ le niveau désigné par la référence numérique 26/ pour être certain que la totalité du moule est bien remplie du moins la partie utile. La plaque de refroidissement entre en action et commence la croissance des grains à solidification dirigée, dans et autour,du tube 18. Les 25 grains à solidification dirigée s'étendent à angle droit, par rapport à la plaque de refroidissement et ont une orientation Jj.0ÔJ. Les quelques grains qui pénètrent le tube 18, sont aussi orientés verticalement/ et lorsque la croissance continue - à travers les coudes du tube, seulement un grain peut s'introduire et ce grain 30 unique croit à l'intérieur du moule de l'article. La solidification à l'intérieur et à l'extérieur du tube se produit à un taux de solidification substantiellement le même, et ainsi l'interface liquide-solide reste proche de l'horizontale. Lorsque la solidification, commence à l'intérieur du moule, l'interface, liquide-solide 35 se déplace verticalement seulement sur une courte distance lorsque la solidification s'étend horizontalement sur la totalité de la dimension horizontale du moule. Ainsi un minimum de matériau est solidifié lorsque la solidification horizontale se produit et un minimum d'extraction de chaleur est nécessaire pendant cette par-40 tie du procédé de refroidissement. Finalement, un gradient ther 70 07994 4 2037187 mique élevé est maintenu à travers la solidification et la structure dendritique sera fine avec un minimum de porosité. Il est entendu que le gradient thermique est obtenu de préférence en réduisant le chauffage du moule et de la coquille graduellement du fond 5 au sommet. La Figure 3, représente un autre mode de réalisation de la présente invention pour la production de disques relativement plats, tels que ceux qu'on peut utiliser pour un disque de turbine, s'il est coulé à partir d'un alliage solide résistant aux tem-10 përatures élevées. Tel que montrée, la plaque de refroidissement 10', ayant des moyens pour la refroidir, supporte la douille cylindrique 12' , qui entoure le moule 14' pour l'article ou le lingot. Ce moule est supporté d'une façon appropriée au-dessus de la plaque de refroidissement par des supports 16' , le moule étant 15 espacé au-dessus de la plaque de refroidissement de même qu'il est espace de la douille 12'. Ce moule a un couvercle fermé et l'ouverture de remplissage ou de coulée 17' au fond est généralement d'un.type connu tel qu'un moule à coquille fabriqué par exemple par le procédé de moulage à cire perdue. Comme sur la Figure 3, la 20 paroi du moule peut être beaucoup plus mince que dans les techniques courantes , puisque la paroi constitue qu'une séparation et l'alliage fondu à l'intérieur et à l'extérieur du moule équilibre la pression sur la paroi. Un tube hélicoïdal ou en spirale 18' est fixé à l'ouver-25 ture 17' de remplissage et s'étend par le bas vers la plaque de refroidissement, ce tube servant à remplir le moule. Dans la disposition montrée sur la Figure 4 , le même appareil que dans la Figure 1, est utilisé avec en plus un anneau de matériau isolant 30 en dessous et séparé du moule et entourant 30 -le tube en spirale 18". Ceci réduit le volume devant être rempli par l'alliage fondu et donne un contrôle plus précis du gradient thermique, lors de la solidification de l'alliage le long de la paroi du fond du moule 14". L'isolation 30, est protégée de l'alliage fondu par une coquille intérieure 32, et les supports 16" re-35 posent sur cette coquille 32, tel que représenté. La surface du haut du moule 14", peut avoir un anneau en ciment de remplissage 34, et être séparé de la coquille intérieure 32, ceci pour réduire la quantité d'alliage nécessaire pour remplir l'appareil au niveau désiré 26". Le fonctionnement de ce dispositif est semblable à 40 celui décrit plus haut. 70 07994 2037187 Bien que la description est orientée vers une pièce ou un article moulé annulaire, il est bien entendu que l'invention peut aussi bien être appliquée à d'autres formes et configurations même des moules, disposés horizontalement pouïr. tubes, tiges, bar-5 res et profilés semblables dont l'axe longitudinal peut s'étendre sans un faible angle aigu par rapport à l'horizontale et dont l'orientation cristalline résultante est désirée ou acceptable dans la pièce moulée. Evidemment plusieurs pièces moulées individuelles peuvent 10 être produites simultanément, quand les moules de ces pièces peuvent être disposés en rond communiquant avec l'extrémité supérieure du tube hélicoïdal. Bien que l'on ait décrit la présente invention par rapport à un mode de réalisation particulier de cette dernière , on 15 comprendra bien qu'elle est susceptible de modifications supplémentaires, la présente application étant envisagée de façon à tenir compte de toutes variations, utilisations ou adaptations de l'invention, suivant en général les principes de l'invention et comprenant tout écart à la présente invention qui rentre dans la 20 pratique connue ou courante de la technique à laquelle se rapporte l'invention. 70 07994 6 2037187 REVENDICATIONS 1. Une méthode pour le moulage de pièces en un seul cristal ayant une dimension principale horizontale, la méthode consiste à placer un moule en coquille, ayant un fond ouvert sur une plaque 5 de refroidissement et à placer le moule de l'article à l'intérieur de la coquille avec la paroi du fond espacée de la plaque de refroidissement, la méthode étant caractérisée par le fait qu'un passage courbé sous forme d'un tube, s'étend vers le bas du fond de ce moule vers la plaque de refroidissement, et caractérisé par 10 le chauffage de la coquille et des moules à une température au-dessus du point de fusion de l'alliage devant être moulé, par la coulée de l'alliage dans les moules, pour remplir le moule de la pièce ou de l'article et, pour entourer le moule avec de l'alliage fondu, par l'extraction de chaleur de l'alliage à l'intérieur des 15 moules par les plaques de refroidissement tout en gardant chauds les moules au-dessus de la plaque de refroidissement, et en réduisant graduellement l'alimentation en chaleur au moule à partir du bas- vers le haut pour produire un gradient thermique à 11 intérieur des moules. 20 2• La méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le refroidissement est contrôlé pour produire des grains à solidification dirigée à croissance verticale, à partir de la plaque de refroidissement, et par le fait que le passage courbé sous forme de tube sélectionne un seul cristal de ces grains à so-25 lidification dirigée pour croître à l'intérieur du moule. 3. La méthode selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte l'opération de contrôle de la réduction de chaleur dans le moule et l'extraction de chaleur par la plaque de refroidissement pour maintenir une interface solide-li- 30 quide, substantiellement horizontale à l'intérieur et à l'extérieur du moule de l'article pendant la solidification. 4. Un appareil pour le mélange d'articles en un seul cristal, ayant une grande dimension horizontale, caractérisé par le fait qu'il comporte: 35 -une coquille ayant un fond ouvert, -une plaque de refroidissement sur laquelle est placée la coquille, -un moule pour former une pièce à l'intérieur de la co~ * quille et espace horizontalement de celle-ci, selon la revendica-40 tion I, caractérisé en ce que le moule ayant un fond relativement 70 07994 7 2037187 plat et faisant un angle aigu avec la surface de la plaque de refroidissement/ le fond ayant une ouverture dans sa partie la plus basse/ et un tube non rectiligne se prolongeant vers le bas du fond vers la plaque de refroidissement, ce tube servant à sëlec-5 tionner un seul cristal pour croître dans le moule de la pièce. 5. Un appareil selon les revendications 1 et 4, caractérisé par le fait que le tube a une pluralité de tours autour d'un axe substantiellement vertical sous forme d'une hélice placée verticalement. 10 6. Un appareil selon les revendications 1, 4 et 5, caracté risé par le fait que la coquille a une paroi de fond s'étendant vers l'intérieur de la périphérie de la coquille en étant espacé du moule à l'exception de la partie adjacente au tube qui est ouverte pour reposer sur la plaque de refroidissement. 15 7. Un appareil pour le moulage de pièces en. un seul cristal, selon les revendications 1 et 4, caractérisé par le fait que le moule a une ouverture dans le bas au-dessus et espacé de la plaque de refroidissement et disposée au point le plus.bas du moule, et un tube non rectiligne s1 étendant vers le bas de cette ouverture 20 vers la plaque de refroidissement/ le tube servant à. sélectionner un cristal unique de l'alliage qui se solidifie à l'intérieur de la coquille. 8. L'appareil selon les revendications 1, 4, 5 et 7, carac térisé par le fait que le tube a un changement de direction de 1'-25 horizontale d'au moins 180°, entre l'extrémité du fond et sa connexion au moule.