Brevet FR2041073A1 — publié le 19710129

La présente invention concerne une méthode et un appareil pour le moulage de disques et pièces semblables à solidification dirigée. Le brevet de Versnyder des E.U.A. N° 3.260.505, décrit 5 le moulage de pièces à solidification dirigée avec une orientation particulière de la croissance cristalline par rapport à l'axe longitudinal de la pièce. Dans le moulage de pièces d'un grand diamètre, il est souhaitable de contrô'ler l'orientation de la croissance dendritique afin de contrô'ler les caractéristiques ou les pro-^0 priétés de résistances. Dans le moulage de pièces, ayant un grand diamètre, il est désirable de contrô'ler la solidification pour produire l'orientation cristalline désirée à travers la totalité du disque afin d'obtenir la résistance désirée, ou d'autres propriétés dans la direction désirée à l'intérieur du disque. ^5 Un objet de la présente invention est un dispositif pour mouler une pièce relativement plate, par solifification dirigée, dans laquelle la croissance dendritique à l'orientation choisie. Un autre objet de l'invention est une méthode pour produire une telle pièce moulée. 2Q Un objet de l'invention consiste en la production d'arti cles moulés par solidification dirigée ayant une orientation tan-gentielle, substantiellement égale à • Un objet particulier est une méthode et un appareil pour produire des disques adaptés à être chargés dans une direction 25 radiale, par exemple, des disques de turbines, dans lesquels, l'o- 010 dans une direction rientation dendritique est substantiellement tangentielie. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront de la description détaillée qui va suivre et des des-30 sins annexés sur lesquels: La Figure 1, est une coupe verticale partiellement schématique d'un appareil représentant un mode de réalisation de la présente invention, La Figure 2, est une coupe fragmentaire semblable à une 35 partie de la Figure 1, présentant une modification, La Figure 3, est une vue schématique réprésentant une o-rientation dendritique, La Figure 4, est une coupe verticale d'un moule pour la fabrication d'un disque complet de turbine y compris les aubes. 40 La Figure 5, est une coupe fragmentaire prise le long 70 07996 2 2041073 de la ligne 5-5 de la Figure 4, La Figure 6, est une vue semblable à la Figure 1, d'une autre modification/ La Figure 7 # est une coupe horizontale de la modification 5 de la Figure 6, La Figure 8 j est une coupe verticale semblable à la Figure 6, d'une autre modification/ La Figure 9 , est une coupe horizontale fragmentaire du moule de la Figure 8. 10 Selon la Figure 1/ l'appareil comporte une plaque de re froidissement 10, supportant un moule 12, ce dernier ayant une dimension horizontale relativement grande et représente un moule pour la production d'un disque. D'un coté du moule une extension axiale 14, s'étend vers le bas, pour engager la plaque de refroi-15 dissement, et une extensi.on axiale 16, s'étend vers le haut fournissant une ouverture de .remplissage pour le moule. Le moule est représenté comme étant un moule â deux coquilles 12a et 12b, bien qu'un moule d'une seule .coquille puisse être utilisé. Le:.moule peut être entouré en partie par l'isolation 18, autour de l'exten-20 sion axiale 14, et la partie formant le disque est couvert à partir de la périphérie vers l'intérieur par l'isolation 20, celle-ci décroît en épaisseur vers le centre du disque. Des bobines de chauffage annulaires 22 et 24, sont placées au-dessus et au-dessous du moule à proximité des extensions axiales, et d'autres éléments 25 de chauffage 26 et 28, sont placés au-dessus et au-dessous du moule, plus près de la périphérie et concentriques avec les bobines 22 et 24. Un élément de chauffage 30, entoure la périphérie du moule, tel que représenté. En fonctionnement, la technique décrite par le brevet de 30 Versnyder N° 3.260.505 des E.U.A. est suivie pour obtenir une pièce moulée par solidification dirigée. Le moule est placé à l'intérieur de la chambre de chauffage, non montrée, pour élever la température de la totalité du moule au-dessus du point de fusion de l'alliage devant être coulé et lorsqu'un chauffage appro-35 prié est terminé, l'alliage fondu, surchauffé à au moins 100°, au-dessus de son point de fusion, est coulé dans le moule par le canal 32, un moyen de refroidissement est livré à la plaque de refroidissement pour établir un raide gradient de température à l'intérieur du moule. Ceci provoque la formation des grains à solidi-40 fication dirigée, et orientés verticalement dans l'extension axia 70 07996 3 2041073 le 14, et la solidification continue vers le haut. Pendant ce temps, de la chaleur a été fournie au moule par les éléments de chauffage, maintenant ainsi la partie périphérique du moule et du métal, au-dessus du point de fusion. Lors-5 que la solidification commence dans la partie du moule directement au-dessus de la partie axiale 14, la croissance des grains continue verticalement et les grains verticaux sur la périphérie de la partie qui se solidifie, commencent à croître radialement vers l'extérieur. Lorsque la solidification atteint une position reprë-10 sentée par la ligne en pointillé 34, un gradient thermique radial se produit dans la partie du disque du moule, par une réduction graduelle du chauffage de l'axe vers l'extérieur, vers la périphérie du disque. Ainsi, l'énergie aux éléments 22 et 24, est d'abord réduite, puis l'énergie aux éléments 26 et 28, et finalement 15 à l'élément 30. Le gradient thermique ainsi obtenu, produit une croissance radiale des dendrites dans les grains columnaires verticaux de la périphérie, et s*étendant vers le haut de la partie axiale 14, et la compétition radiale entre les orientations multiples des dendrites dans les grains, résultera dans les grains o-20 rientés radialement croissant le plus vite, et produisant substantiellement des dendrites disposées dans la totalité du disque. Le gradient thermique radial produit la croissance radiale â l'intérieur du disque de la même façon que les grains orientés verticalement, surpassent en croissance les autres grains daiis la partie 25 axiale 14. Cet effet est décrit dans le brevet de Versnyder N°3. 260.505 des E.U.A. La croissance des grains^ se produisant de cette façon, produit une orientation radiale 010 I et une orientation tangentielle jîooj. A peu près , le même dispositif peut être utilisé pour 30 produire une orientation plus idéalisée de la structure de grain. Selon la Figure 2, la partie s'étendant axialement 14' du moule 12' qui pour le reste ressemble à celui de la Figure 1, a un cristal-germe 36, reposant sur la plaque de refroidissement. Ce germe est produit de coins 38, chacun ayant l'orientation désirée pour 35 la partie du disque se prolongeant vers l'extérieur de là. En fonctionnement le même procédé est suivi que ci-dessus. 'Lorsque l'alliage fondu est coulé dans le moule, les coins de germe provoque la croissance dendritique verticale, chacun des germes fournissant l'orientation horizontale désirée pour la partie adjacente 40 du disque moulé. 70 07996 4 2041073 L'orientation résultante est montrée sur la Figure 3, ou le germe 36, est constitué de coins, par exemple, tel que montré, le germe est constitué de 8 coins chacun de 45° et chacun ayant l'orientation indiquée. Le résultat est un disque produit de crois-5 sances dendritiques à action conjuguées, produisant une orientation radiale 010|et une orientation tangentielle jloÔ|. L'utilisation d'un plus grand nombre de coins produira une distribution radiale des grains plus précise à l'intérieur du disque. Evidemment, le gradient thermique radial contrôlé, fourni 20 Par la structure de la Figure 1, permet une croissance contrôlée des grains à travers la totalité du disque jusqu'à sa périphérie. Un article particulier qui est particulièrement utile dans le moulage de ce genre est représenté par la Figure 4> et ,1a Figure 5» Ces figures représentent un moule 40, définissant une 15 cavité 42, en forme de disque, et ayant l'extension axiale 44, se prolongeant vers le bas, correspondant à l'extension 14, de la Figure 1. Se prolongeant vers l'extérieur de la périphérie du moule 40, sont des projections formant des aubes 46, définissant les cavités 48, ayant la forme des aubes, communiquant avec la 20 cavité de disque tel que représenté par la Figure 5. En suivant la méthode décrite ci-dessus, et en utilisant le dispositif de contrôle de la chaleur de la Figure 1, le disque et les aubes pour un disque de turbine peuvent tous être moulés en une seule pièce avec l'orientation préférée de la croissance de grains dans 25 le disque et avec l'orientation radiale désirée ^ÔlÔjdans les aubes pour les propriétés de résistance désirées. Dans cet arrangement, le nombre des coins de germe serait choisi pour assurer la croissance de grain radiale et. précise dans les aubes. Ainsi, par exemple, le germe utilisé aurait autant que possible un coin pour 30 chaque paire d'aubes, l'orientation des divers coins étant choisie avec soin pour obtenir une croissance de grain radiale précise. Un autre mode de réalisation est représenté par les Figures 6 et 7, dans lequel le moule est fait d'éléments individuels de moule 50, s'étendant radialement vers l'extérieur d'une cavité 35 de moulage centrale 52, entourant un refroidisseur cylindrique vertical 54. Le refroidisseur 54, est entouré par des segments de germe 56, un pour chaque élément de moule 50, et ces segments é-tablissent la direction de la croissance des grains dans chaque moule. La croissance des grains continue radialement vers l'exté-rieur dans chaque moule 50, et son passage communiquant le moule 70 07996 5 2041073 ■58, avec le gradient de température dans une direction radiale contrôlée par le refroidisseur central et l'utilisation d'éléments de chauffage annulaires comme dans la Figure 1. Ce gradient thermique contrôlé qui produira un alliage par solidification dirigée 5 dans chaque élément de moule 50 , avec la direction radiale des grains, dans chaque article moulé, est décrit par le brevet de Versnyder N° 3.260.505, des E.U.A_ cité ci-dessus. Les articles moulés sont représentés par les aubes de turbines et seraient moulés en alliage résistant à température élevée dont plusieurs exem-10 pies sont données dans le brevet de Versnyder. Une autre méthode proposée pour produire des disques avec ou sans aubes intégrales est représentée par la Figure 8, dans laquelle le moule 60 a une cavité de disque annulaire 62, et entoure un refroidisseur cylindrique vertical et central 64. La pé-15 riphérie du moule peut avoir des parties en retrait 66, pour former des aubes individuelles sur la périphérie du disque r lorsque l'article moulé est destiné à un disque de turbine à aubes. Un anneau 58 en segments individuels de germe 70, chacun constitué d'un matériau à solidification dirigée avec des grains d'orienta-20 tion appropriée entourant le refroidisseur au niveau du disque pour contrôler l'orientation dirigée de la croissance des grains dans le disque. Evidemment, des éléments annulaires pour le contrôle de la température semblables à ceux de la Figure 1, sont u-tilisés ici pour produire le gradient thermique radial désiré. En 25 utilisant un nombre approprié de segments de germe, la croissance des grains radiale et précise désirée peut être obtenue à travers le disque et dans les aubes individuelles. Bien que l'on ait décrit la présente invention par rapport à un mode de réalisation particulier de cette dernière, on 30 comprendra bien qu'elle-est susceptible de modifications supplémentaires , la présente application étant envisagée de façon de 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 description, qui rentre dans 35 la pratique connue ou courante de la technique à laquelle se rapporte 1'invention. 70 07996 6 2041073 REVENDICATIONS 1. Un appareil pour mouler des articles relativement plats avec une orientation choisie des grains comprenant une plaque de refroidissement, un moule ayant une cavité de la forme de l'article 5 cet appareil étant caractérisé par le fait qu'il contient une ouverture d'extension vers le bas sur la plaque de refroidissement, et une pluralité de moyens de chauffage adjacents au moule et disposés en étages à partir de son extension la plus basse jusqu'au bord le plus éloigné du moule. 10 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cavité définit une pluralité de cavités s'étendant radialement pour former l'article, communiquant toutes avec une cavité centrale en contact avec le refroidisseur. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait i'5 que la cavité du moule a ia forme d'un disque et que l'extension est localisée au centre ci.e la cavité 4. Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage sont disposés en anneaux concentriques à partir de l'extension jusqu'à la périphérie du 20 moule. 5. Appareil selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que l'isolation est placée sur le moule en partant de l'extension vers la périphérie en épaisseur décroissante graduellement de la périphérie vers l'extension. 25 6. Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'un germe à orientation multiple ou sélective est placé sur la plaque de refroidissement et à l'intérieur de l'extension. 7. La méthode de moulage de disques et objets semblables y compris l'opération de fournir un moule selon la revendication 1, 30 caractérisée par le fait qu'il a une cavité de la forme de l'article et une extension vers le bas, qu'elle prévoit une plaque de refroidissement sur laquelle repose l'extension vers le bas, le chauffage du moule a un point au-dessus du point de fusion de l'alliage, la coulée de l'alliage dans le moule, le refroidissement 35 de la plaque de refroidissement pour enlever de la chaleur de l'alliage, et de fournir un gradient thermique latéral de l'extension vers le bas du moule à la partie du moule latéralement éloigné de celui-ci. 8. La méthode selon les revendications 1 à' 7, caractérisé 40 par le fait que le moule est de forme annulaire, l'extension est 70 07996 7 2041073 disposée au centre de l'anneau, l'opération de fournir un gradient thermique latéral produit un gradient thermique radial de l'extension à la périphérie de l'anneau. 9. La méthode selon les revendications 1 et 7, caractérisée 5 par le fait qu'elle comporte l'opération de fournir un germe orienté d'une façon appropriée dans l'extension avant de couler l'alliage avec une orientation des grains du germe dans l'orientation désirée pour l'alliage solidifié dans l'article moulé. 10. La méthode selon les revendications 1 et 8, caractérisée 10 par le fait qu'elle comporte l'opération de fournir un germe fait de coins chacun constitué de grains orientés radialement pour produire un anneau dans lequel les grains sont substantiellement tous orientés radialement. 15