Brevet FR2041075A1 — publié le 19710129

x 2041075 La présente invention concerne la production d'objets moulés en un seul cristal dans lesquels l'orientation cristalline, la croissance dendritiqùe, est sélectivement orientée dans chacune de deux directions à angle droit l'une par rapport à l'autre. 5 • Une caractéristique de l'invention est un appareil moyen nant lequel il est possible d'orienter sélectivement la croissance dendritiqùe et par ce fait" ies caractéristiques de résistance dans un rapport particulier avec la pièce mouléé dans chacune des deux directions, c'est à dire dans les deux directions verticale lo et horizontale par rapport à la pièce moulée. Une autre caractéristique concerne un procédé par lequel cette orientation peut être obtenue. La présente invention concerne donc un procédé et un appareil permettant de disposer sélectivement l'orientation (loo) par 15 rapport aux différents axes de l'objet moulé. Cette invention permet un contrôle efficace de l'orientation particulière de la croissance dendritiqùe. Dans les dessins : La Fig. 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un 2o moule selon la présente invention. La Fig. 2 est une vue schématique en coupe verticale similaire à la Fig. 1, représentant une variante d'un moule selon l'invention. La Fig. 3 est une vue schématique en coupe verticale très 25 agrandie montrant la croissance dendritiqùe. La Fig. 4 est une vue schématique en coupe horizontale très agrandie montrant la croissance dendritiqùe horizontale. Le moulage à double orientation est produit dans un moule lo ayant une_partie 12 pour former l'objet, dans le'cas présent 3o une partie pour former une aube de turbine,, une partie en trou de coulée 14 au sommet, une partie pour' la- formation d'un seul cristal ou partie resserrée 16 et des parties intersectantes de croissance en colonne 1G et 2o pour la croissance en colonne horizontale et verticale, respectivement. Les extrémités des parties 35 1P et 2o les plus éloignées du resserrement 16 sont ouvertes, et sont bouchées par des jlaques de refroidissement 22 et 24, respectivement. Le moule est placé dans un récijient 26. L'intervalle entre le moule et le récipient est de préférence rempli d'un ma- 70 08984 2_ 2041075 tériel de soutien réfractaire, tel que l'Al^O^. Le moule est du type connu sous le nom de moule à coquille et est prépara en formant une pluralité de couches successives d'un matériel adéquat autour d'un modèle disponible qui est enlevé ensuite quand le 5 moule est chauffé pour le durcir. Pendant l'opération de moulage le moule est arrangé pour être chauffé afin de produire un gradient de température, entre la plaque de refroidissement et le sommet du moule au moyen d'un système de chauffage, tel. que la température du moule puisse être lo graduellement raduite au fur et à mesure que la solidification procède des plaques de refroidissement à travers le resserrement, et ensuite verticalement à travers le reste du moule, et au moyen d'un système de contrôle de température approprié à maintenir une surface de séparation solide-liquide essentiellement horizontale 15 à partir de l'intersection des deux parties de croissance en colonne. Ce chauffage peut être obtenu par induction ou par d'autres moyens de chauffage adéquats. L'arrangement représenté comporte l'emploi de plusieurs réchauffeurs 3o, 32, 34 qui entourent res-2o pectivement la partie supérieure, la partie.formant l'objet et les parties du moule produisant la croissance en colonne, chaque réchauffeur étant contrôlé séparément de manière que, l'entrée de chaleur puisse être réduite successivement du fond au sommet du moule, au fur et à mesure que la solidification de l'alliage dans 25 le moule avance. Le moule est chauffé avant le coulage jusqu'à ce qu'il soit au dessus de la température de fusion de l'alliage. On fait ensuite circuler de l'eau à travers les plaques de refroidissement, et l'alliage qui a un excès de température d'au moins loo° 3o au dessus du point de fusion est coulé pour remplir le moule. L'effet des plaques de refroidissement et du gradient de température ainsi produit dans le moule est destiné à produire la formation d'une croissance cristalline en colonne perpendiculaire aux deux plaques de refroidissement, comme il est complètement décrit 35 dans le brevet S.U. no 3.2ôo.5o5. Avec un excès de chaleur adéquat dans l'alliage, et le moule chauffé, on évite la nucléation aux parois latérales du moule de manière que J'orientation caractéristique (001) de la croissance se produit dans chaque partie bad original 70 08984 2041075 -3- de croissance 18 et 2o. En faisant une des parties de croissance plus courte que l'autre, les grains ou dendrites dans la partie plus courte arrivent les premiers à l'intersection et bloquent la croissance en colonne de la partie plus longue au-delà de 5 l'intersection. A partir de l'intersection, comme il est montré sur la Fig. 1, les grains provenant de la colonne verticale plus courte croissent latéralement vers le resserrement dans une direction perpendiculaire à leur croissance originale. Du fait que les deux lo plaques de refroidissement enlèvent de la chaleur de l'alliage en train de se solidifier, le gradient de température dans cette partie monte de façon plus raide et il se produit une croissance plus rapide de dendrites à angle droit par rapport aux deux plaques jusqu'à ce que les grains orientés dans une direction 15 moins favorable sont écartés, et la croissance dendritiqùe, lorsque le resserrement est atteint, est entièrement orientée dans deux plans intersectants à angle droit par rapport aux deux plaques de refroidissement. Le resserrement sert alors à sélectionner un seul cristal destiné à croître dans la partie du moule 2o formant l'objet. Aux fins de la présente description le resserrement 16 est tel que seulement la croissance cristalline en colonne se produit dans la partie horizontale 16a. Cette partie a des dimensions plus réduites verticalement et horizontalement, que la partie de 25 croissance horizontale 18 qui y est adjacente et un petit nombre de grains seulement croît à travers cette partie 16 et l'orientation dendritiqùe de ces quelques grains est perpendiculaire aux deux plaques refroidissantes, et est ainsi orientée en deux directions. 3o De la partie horizontale lôa la croissance des grains se produit verticalement à travers la partie 16b du resserrement et seulement un ou deux grains existent qui croissent verticalement dans cette partie. La partie latérale supérieure 16c reçoit seulement un grain de la partie verticale et ce seul grain croît 35 à travers cette partie et pénètre dans la partie du moule en forme d'aube (ou objet) et la traverse, toujours sous forme d'un seul cristal et toujours dans la mime orientation que dans la partie lôa. 3n d'autres termes, les grains ou dendrites ont l'o 70 08984 4 2041075 rientation caractéristique (001) des grains adjacents à la plaque de refroidissement horizontale, et la croissance dendritiqùe est toujours à angle droit par rapport aux deux plaques de refroidissement. Ainsi l'aube, quand elle est solidifiée, aura 5 l'orientation verticale (001) désirée et la croissance dendritiqùe horizontale sera dans deux plans, l'un à angle droit par rapport à la plaque de refroidissement verticale et l'autre parai lèle à celle-ci. La figure 2 montre un arrangement similaire, mais la cons-lo truction du moule est telle que l'orientation (001) est horizontale dans la partie du moule en forme d'objet. Ainsi dans ce dispositif les parties de croissance en colonne horizontale et verti cale 18' et 2o' du moule coopèrent avec les plaques de refroidissement 22' et 24', et la différence principale réside dans le 15 fait que la partie de croissance verticale 2o' est plus longue que la partie horizontale entre la plaque de refroidissement asso ciée et l'intersection des deux parties. Pour le reste le moule est très similaire du fait que les parties de croissance sont en communication par une partie resserrée 16* avec la partie en 2o forme d'objet 12*. Un système de chauffage convenable est présent de même que sur la figure 1. Quand le moule est rempli d'alliage fondu, après avoir été chauffé auparavant comme décrit ci-dessus, la solidification commence à chaque plaque de refroidissement et avance à angle droit 25 par rapport aux plaques et en forme de colonne vers l'intersection. Les grains de la colonne plus courte croissent les premiers à travers l'intersection, mais la croissance dendritiqùe est influencée par la croissance en colonne de la colonne plus longue de sorte que la croissance dendritiqùe se produit hors de l'inter 3o section dans des plans perpendiculaires aux deux plaques de refroidissement. L'influence du second refroidissement produit un gradient de température raide pendant que la solidification continue hors de l'intersection des colonnes et produit une croissance plus rapide des grains provenant de la colonne plus courte. 35 Lorsque le resserrement est atteint un seul grain est sélectionné et celui-ci pénètre dans la partie 12 formant l'objet et la traverse, la croissance dendritiqùe étant toujours à angle droit par rapport aux deux plaques de refroidissement, mais avec une orien 70 08984 .s. 2041075 tation (001) horizontale. Ainsi dans la figure 2 l'objet représenté est une palette de turbine dans laquelle l'axe du majeur effort peut être transversal à sa partie aérodynamique, soit horizontal comme représenté sur la figure 2. La plupart des moulages de ce 5 type sont effectués par la technique bien connue du moulage dans le vide. Le meilleur contrôle de l'orientation est obtenu dans la direction de la plus courte croissance de refroidissement ou croissance en colonne et, quand une aube de turbine est moulée lo dans la position verticale de la figure 1, la colonne plus courte devrait être verticale afin de donner lieu à un axe d'effort maximum parallèle et l'axe longitudinal de l'aube. Au cas ou l'axe d'effort maximum devrait se trouver de préférence le long d'une dimension plus courte, comme sur la figure 2, la croissance en 15 colonne horizontale sera plus courte et par conséquent l'axe d'effort maximum sera horizontal dans la partie moulée. Comme la meilleure croissance en seul cristal se produit dans le cas où la plus longue dimension de la partie est disposée verticalement, comme le gradient thermique xjeu>t être contrôlé plus facilement, 2o la colonne de croissance horizontale plus courte assurera la disposition appropriée de l'axe de majeur effort. Il va sans dire que cet arrangement présente une utilité exceptionnelle dans le moulage des alliages destinés à subir des températures élevées et employés dans la fabrication de pièces 25 pour les turbines à gas, des exemples de ces alliages étant cités dans, le brevet E.U. no 3.26o.5o5 et le brevet français no 1.401.3oô. 70 08984 -6- 2041075 RSV5RDICATI0NS. 1. Un appareil pour produire des pièces en cristaux individuels à double orientation, comprenant un moule ayant une partie pour former l'objet, caractérisé par un resserrement à la base de ladite "partie, et par une partie de croissance qui communique avec le resserrement, ladite partie de croissance comprenant des passages de croissance intersectants horizontaux et verticaux ouverts chacun à l'extrémité la plus éloignée du resserrement, une plaque de refroidissement fermant l'extrémité ouverte des passages, un des passages de croissance étant j:lus long que l'autre entre la plaqué de refroidissement associée et l'intersection afin de déterminer ainsi l'orientation de l'axe de majeur effort dans l'alliage moulé dans lè moule, et produire un gradient contrôlé de température pendant la solidification. a 2. Un appreil selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dimensions du resserrement sont telles qu'un seul grain est sélectionné pour croître dans la partie en forme d'objet. 3. Un appareil selon la' revendication 1 caractérisé en ce que la plus longue dimension de la partie en forme d'objet est disposée verticalement et que le passage de croissance en colonne le plus long est choisi afin d'orienter l'axe de majeur effort de l'alliage moulé dans une relation déterminée par rapport à cette dimension plus longue. 4. Un appareil selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que la plus longue dimension de la partie en forme d'objet est disposée verticalement et que le passage de croissance plus court est vertical afin de disposer l'axe de majeur effort de l'alliage moulé dans une direction parallèle à ladite dimension plus longue. 5. Un procédé pour mouler une pièce en un seul cristal selon la revendication 1 caractérisé en ce que la croissance cristalline a une double orientation dans ladite pièce, ce procédé comprenant les phases suivantes : établir une croissance intersectante par colonnes dans un alliage se solidifiant dans deux directions à angle droit l'une par rapport à l'autre à partir de plaques de refroidissement situées à angle droit l'une par rapport à l'autre; placer une plaque de refroidissement plus près de l'intersection que l'autre pour produire une croissance dendritiqùe préférée dans 1'intersectiont sélectionner une seule croissance cristalline 70 08984 7- 2041075 entre l'intersection et le moule formant l'objet* continuer la solidification au-delà de l'intersection et dans le moule formant 11 ob j et. 6. Un procédé selon les revendications 1 et 5 caractérisé en ce qu'un gradient de température est établi dans la direction de la solidification et que le gradient de température est contrôlé pendant la solidification à partir des plaques de refroidissement jusqu'au sommet du moule. 7. Un procédé selon les revendications 1, 5 et 6 caractérisé en ce que l'axe de majeur effort choisi pour la partie formant l'objet est disposé verticalement et que le passage vertical est fait plus court que le passage horizontal afin de disposer l'axe de majeur effort de l'alliage moulé parallèlement à l'axe de majeur effort de l'objet.