Brevet FR2051698A1 — publié le 19710409

La présente invention concerne un procédé et tin appareil pour la fabrication d'un objet en métal présentant une structure granulométrique unidirectionnelle, parallèle à une direction donnée. L'invention sera décrite en se référant à la-fabrication d'aubes de moteur à turbine à gaz mais elle n'est pas limitée à cette applica— 5 tion. Sous un de ses aspects particuliers, la présente invention propose un procédé de fabrication d'un objet métallique de structure granulométrique unidirectionnelle dans un sens donné ; un tel procédé consistant à ; - chauffer un moule pour la réalisation d'un tel objet à une température supérieure 10 au point de fusion du métal ; - remplir ce moule de métal fondu, ou à faire fondre du métal dans ce moule s - déplacer le moule dans un four de façon que le moule traverse le four ; ce dernier présentant un front calorifique disposé, vis à vis du sens de déplacement relatif du moule et du four, de façon que ledit front se déplace essentiellement perpendiculai- 15 rement au dit sens vers une extrémité du moule ; - refroidir l'extrémité opposée dudit moule de façon que ledit front calorifique engendre ladite structure granulométrique dans ledit objet. La présente invention met en oeuvre des processus connus sous le nom de "solidification directionnelle". Ces processus consistent à faire en sorte que le 20 flux de chaleur émanant du métal dans un moule se dirige dans un sens unique, déterminé d'avance, plutôt que perpendiculairement à toutes les faces du moule, comme dans les processus habituels de moulage. Cet écoulement dirigé de la chaleur permet d'obtenir, dans la. masse de métal solidifié, des cristaux disposés selon un seul sens partant de la face d'où éma-25 ne la chaleur et s'étendant linéairement à partir de cette face. Mnsi qu'on peut le supposer, le sens de plus grande résistance tend à être celui des grains, et l'ensemr-ble sera particulièrement résistant au fendillement dans le sens transversal à celui des grains. " Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le front calorifique 30 fait un angle avec le sens de déplacement de l'objet. Le refroidissement mentionné ci-dessus peut s'effectuer en mettant en contact ladite extrémité opposée du moule avec une surface refroidie. Une autre possibilité consistera à effectuer le refroidissement en dirigeant un agent réfrigérant sur ladite extrémité opposée du moule. 35 L'objet, ainsi traité, pourra être une aube, une pale ou une pièce consti tutive d'un moteur à turbine à gaz et le métal utilisé pourra être un alliage. Le moule pourra être chargé de métal fondu pendant qu'il est dans le four. Eais le métal pourra aussi être constitué par une poudre métallique ou dss paillettes métalliques placées dans le moule avant fusion. 40 De préférence le moule traversera un four fixe. 70 25771 2 2051698 L'invention vise également à réaliser une aube.de moteur à turbine à gaz, par mise en oeuvre du procédé décrit plus haut. L'invention a également pour objet un appareil pour la réalisation d'un objet en métal de structure granulométrique unidirectionnelle parallèle à une direction. 5 donnée et comprenant xm four équipé d'organes de chauffage permettant de chauffer un moule dudit objet à une température supérieure au point de fusion du métal, d'organes de remplissage àudit moule par un métal fondu ou de fusion du métal dans ledit moule, d'organes de déplacement relatif du moule et du four, ledit four présentant un front calorifique disposé, vis à vis du sens de déplacement relatif entre le moule ;0 et le four, de façon que ledit front se déplace essentiellement perpendiculairement sudit sans vers une extrémité du moule, et d'organes de refroidissement de l'extrémité opposée dudit soûle de façon que ledit front calorifique engendre ladite structure grarailométrique dans ledit objet. Le four pourra être rectiligne ou circulaire. 15 Les organes de déplacement relatif du moule et du four pourront comprendre un transporteur mécanique pouvant faire cheminer une pluralité de moules à travers un four fixe. Il peut être prévu plusieurs fours contigus associés à un transporteur mécanique commun. 20 Les organes de refroidissement pourront comporter une pièce montée sur le transporteur mécanique, refroidie par un fluide réfrigérant et prenant contact avec le moule. L'objet fabriqué pourra être une pale, une aube ou un élément constitutif d'un moteur à turbine à gaz. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la" description qui va suivre en regard des dessins annexés, lesquels description et dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatifs. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue, en perspective et en coupe partielle, d'un appareil pour 30 la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue, en perspective et en coupe partielle, d'une variante de l'appareil de la figure 1. Sur la figure 1, on peut voir m appareil 10 pour le moulage directionnel d'une aube de moteur à turbine à gaz, par exemple. 55 L'appareil 10 comprend un pied creux, cylindrique 11 sur l'extrémité supé rieure duquel est monté rotatif un plateau 12 qu'un moteur (non représenté) peut faire tourner, dans le sens des aiguilles d'une montre, indiqué par la flèche P. Sur environ un tiers de la périphérie du plateau 12 s'étend un four 13 en matière céramique et constitué principalement sur toute sa longueur, d'un tunnel en forme d'arche 14. Le 40 four 13 peut être de n'importe quel type connu, et il est précisé qu'il est équipétà 70 25771 3 2051698 l'entrée 14a et à la sortie 14b du tunnel 14* de moyens de fermeture étaaches à la chaleur (non représentés). A l'intérieur du four 13, et de chaque cftté du tunnel 14, sont montés une pluralité d'éléments chauffants électriques 15 présentent des longueurs différentes 5 les unes des autres ; les longueurs de ces élénents décroissant depuis l'entrée 14a du tunnel jusqu'à sa sortie 14b. Ces éléments chauffants peuvent engendrer, ainsi, un front calorifique formant un angle avec le plan du plateau 12. Si on le désire, d'autres éléments chauffants (non représentas) peuvent être placés dans la partie supérieure du four en n'importe quels points convenables. 10 Pour plus de commodité, ce four pourra être constitue d'une série de modules ou segments (non représentés) s'adaptant les uns aux autres de façon à constituer m four dont les caractéristiques générales sont eelles que l'on recherche. Ces segments pourront être remplacés individuellement sans déranger les autres. Des socles, ou douilles, 16 destinés à porter des moules et à assurer leur ^5 refroidissement sont montés sur. le plateau 12. Sur les dessins, ces socles 16 sont au nombre de quatorze. Ces socles peuvent être refroidis par de l'eau, ou tout autre fluide réfrigérant convenable, grâce à des moyens d'alimentation et d'évacuation montés dans le pied creux 11 de la machine. Le fonctionnement de l'appareil 10 sera décrit en se référant à la fabri-20 cation d'une seule aube mais il est entendu que cet appareil est prévu pour une fabrication continue d'aubres analogues. Au départ, un moule vide 17, approprié à la forme d'une telle aube est placé sur un socle 16. Pendant que le plateau 12, en tournant, parcourt la section A du four 13, le moule 17 est chauffé à une température supérieure à la température 25 de fusion du matériau dont il sera rempli. La rotation du plateau peut être continue ou indexée à une vitesse constante prédéterminée. Un dispositif de chargement 18, pourvu d'une bobine de fusion 19 alimentée par un courant électrique, est placé au point B du four et remplit, par 1'extrémite ouverte 20, le moule 17 avec une charge de métal à l'état fondu. 30 Pendant que le moule 17 progresse vers la section C du four, la disposi tion du front calorifique produit par les éléments chauffants 15 et l'effet réfrigérant du socle 16 provoquent la solidification de la partie de la charge qui se trouvant sur ce socle ; cette solification progressant de bas en haut à partir du socle et donnant à l'aube solidifiée ainsi suivant une direction une structure gra-35 nulométrique cylindrique, allongée, parallèle à son axe longitudinal X-Z. Sur le dessin, le degré de solidification de l'aube en divers points du four 13 est représenté par une partie ombrée. Quand le moule 17 sort du four 13, toute l'aube présente la structure directionnelle de solification recherchée. On comprend donc, qu'au cours du cheminement du moule 17, à travers le four 40 la progression du front calorifique est essentiellement perpendiculaire à l'axe Ion- 25771 4 2051698 gituâinal 3~S às l:aubs® lorsque le msals 17 est sorti du tunnel 14 par l'extrémité 14b, on laisse refroidir se moule, jusqu'à la température voulue et on en extrait l'aube» Cs yù naiiïtenant décris® la variante représentée sur la figure 2, sur laquelle les pièces correspondant à certaines pièces de la figure 1 portent les usâmes chiffras de référence» Saî.i-s os nc&e de réalisation;, l'organe 11 dont une des fonctions est tu» aSr.sstio» d-s position radiale est divisé en uas enceinte supérieure 31 et une en-ceists inférieure 32 par 'as cloison 37» L'saceiata supérieure 31 est alimentée on floM-s «éfrigérant, sel que de l'eau, ?sr «a conduit 34? tandis que l'enceinte in- 32 est raccordée à m. conduit d'évacuation 35o L'enceinte supérieure 31 csnsïœaiqus avec tme rigole aan&Laire 36s ménagée sur la face radiale externe de l'or-gaas i 1 j par œs pluralité de conduits radiais 38. iîn palier cylindrique 37 peut tournes autour de l'organe 11 qui est fis® au socle rigide de l'appareil 10. Le plateau 12 de l3appareil est aaintenu. à distance du palier 37, dans le sens radial, par dee s.:a70îîs 41 o Dn volt donc qao le plateau qui dans le scâ® de réalisation de la figure 1 à la f&aae d'ia diaqugj présente dans le cas de la figure 2, la forme d'un anneau. •3mque socle 16 est raccordé, par des conduits traversant le plateau 12, à Vi/i âistri'catcur 44 et3 par un tuyau flexible 42, à-la rigole annulaire 36 de l'crusse 11o Par conséquent,, le fluide réfrigérant passe de l'enceinte supérieure 31 à la. rigola anssalsir© 36 par les coadudts radiaux 58s d'où il gagne le distributeur 44 pas? «siiaeuB des tu'/arax flexibles 42» st3 de là, par les canaux internes du distributeur 44 -3ïî -M plateau. 12 ot pas? ua bec 45, parvient ai socle 16 correspondant pour refirsidir la base âa mouls 17» le flaide réfrigérant m a aeoospli sa feaotioa s'écoule, par le distri-bu&ear 44 dans la base du socle ports-aasule, et par un tuyau flexible 45, dans une rigole annulaire 26a aéaagée sur la faee externe, de l'organe 11. De là, il gagne, par dss conduits radiaux 47, l'enceinte inférieure 32 d'oîi il passe dans le conduit d!évacuation 35 o Le distributeur 44 peut êtr® acticaaé à la nain par une manette 48 et sa fonction normale est de diriger le ficd.de réfrigérant, venant du tuyau flexible 42 au socle 16 à travers 1® plateau 12, ainsi que de diriger le fluide ayant accompli sa fonction par le tuyau flexible 45 ainsi que le représentent les flèches. Quand on désire purger le socle 16, on actionne le distributeur 44 au moyen i® la manette 4-3 de sorte que les deux tuyaux flexibles 42, 45sont isolés du passage raccordant le distributeur 44 au socle 16a Le distributeur 44 est conçu de telle façon que, quand les tuyaux flexibles 42, 45 sont obturés, le sGcle 16 est mis en ccŒmïnieaticn avec l'air libre par des conduits 50, l'un des conduits laissant l'air parvenir su socle 16 tandis crue l'autre an évacue 1® fluide réfrigérant qu'il coa- 25771 5 2051698 tient. Chaque socle 16 est entouré d'un élément 51 en brique réfractaire, monté sur le plateau 12, chaque élément constituant un segment d'un anneau en brique réfractaire englobant la totalité des socles 16S On voit donc qu8un quelconque de ces socles peut être remplacé sans qu'il soit nécessaire de démonter la totalité de l'anneau former par ces socles. Le plateau 12 est muni de dents 52 engrenant avec celles d'un pignon 53 qui peut être entraîné par un moteur électrique 54, pour faire,ainsi tourner le plateau 12 dans le sens de la flèche P. Pour éviter le jeu ou la vibration des moules 17 pendant la rotation du plateau 12, celui-ci repose sur une pluralité de galets tronconiques 55 montés sur un bêti 40 et porbant la plus grande partie du poids du plateau. La conicité des galets 55 est dirigée en direction de l'organe 11. Le four 13 est semblable à celui de la figure 1 et, par conséquent, ne sera pas décrit en détail. On voit, cependant, que le four de la figure 2 est constitué par une pluralité de segments 56, pour faciliter son entretien. En outre, il s'étend sur les deux tiers , environ, de la périphérie du plateau 12. Le four est garni d'un anneau interne, radial, 57 en briques réfractaires, et d'un anneau externe, radial, 58 également en briques réfractaires. L'anneau interne 57 et l'anneau externe 58 ont, tous deux, des flasques annulaires 59 dirigés vers les moules 17 et constituant, avec l'anneau d'éléments 51 en briques réfractaires, un joint étanche empêchant les pertes de chaleur du tunnel 14. Si on le désire, on peut prévoir d'autres joints étanches (non représentés), tels que des jointe labyrinthes, sur les éléments 51 en briques réfractaires et/ou sur les anneaux intérieur 57 et extérieur 58. Sur la face supérieure de l'anneau d'éléments réfractaires 51 est aménagé un vprinl 60 ayant pour fonction de contribuer à empêcher les pertes calorifiques du tunnel 14 et de recueillir des déchets,' par exemple le métal, des moules 17. On comprendra qu'au lieu de charger les moules de métal fondu dans le four 13, on peut les charger de métal en poudre ou en paillettes, à l'intérieur ou à l'extérieur du four. On peut aussi placer dans chaque moule 17, à l'extérieur du four, une ébauche d'aube, provenant d'une première opération de fonderie et n'ayant pas de structure granulométrique directionnelle, et la refondre dans le four 13 pendant la traversée duquel elle acquerrera une structure granulométrique unidirectionnelle. Ainsi qu'on peut le voir sur les dessins, le four est circulaire, mais il peut être rectiligne, si on le désire. On peut placer l'un à côté de l'autre plusieurs fours, soit circulaires soit rectilignes, qui utiliseront un mécanisme commun, tel que le plateau 12, pour le cheminement des moules 17. Dans tous les exemples ci-dessus, le ou les fours 13 sont fixes, mais on pourra utiliser la disposition inverse, avec des moules fixes et un four se déplaçant 70 25771 6 2051698 par l'apport à cas moules. Selon le métal utilisé, l'atmosphère à l'intérieur du four 13 pourra être contrôlés, par exemple par air ou gaz inerte, ou bien l'appareil 10 tout entier pourra être placé sous vide, le chauffage du four étant convenablement adapté à l'atmos-5 pliera de travail et au métal utilisé. la zone située en dessous des éléments chauffants 15 pourra être portée à n'importe quelle température tant que cette dernière sera inférieure au point de fusion du mitai. La température dans cette zone et le degré de chaleur du moule peut être réglée par l'épaisseur de la matière réfractaire dans cette zone et, en outre, 10 par une réfritération supplémentaire ou par des sources de chaleur supplémentaires dans cette zone. Le refroidissement de cette zone pourra également être assuré par un contact direct avec l'air libre. On pourra également recourir à des jets de fluide réfrigérant, tels que de l'air ou un gaz inerte, dirigés sur chaque moule 17 en dessous des éléments chauffants, dans un plan parallèle au plateau 12. 15 Le plateau 12 pourra être constitué par plusieurs pièces susceptibles d'ê tre remplacées facilement quand les socles à moules 16 devront être changés. L'appareil précédemment décrit est susceptible de diverses modifications. C'est ainsi qu'un écran peut être disposé entre l'opérateur et l'anneau exposé de briques réfractaires pour éviter des brdtlures par radiation. De plus, l'entrée 14a 20 et la sortie 14b du tunnel 14 peuvent être fermées hermétiquement, par exemple par un système de sas à doubles portes, pour empêcher l'air extérieur de traverser le tunnel 14» La présente invention, bien que non limitée à cette application, est particulièrement utile pour la fabrication des pales, d'aubes, ou de pièces de moteur 25 à turbine à gaz. Le métal utilisé pour la fabrication das aubes pourra être n'importe quel alliage à base de nickel ou de cobalt, couramment utilisé, ou tout matériau conçu spécialement pour obtenir -un rêndement optimum d'une structure unidirectionnelle. Le moule est chauffé à la température voulue et dans un laps de temps vou-3U lu au moment où il atteint la position de la bobine de fusion 19. Le temps que met le moule pour atteindre la température voulue avant de recevoir le métal fondu peut être réglé de façon que ce moule soit préchauffé pour procurer les propriétés recherchées, telles que résistance, état de surface et composition, et convenir au processus de solification directionnelle décrit ci-dessus. 35 Pour développer ces propriétés, le moule, selon sa composition chimique, sera, de préférence, préchauffé à plus de 1.300° C pondant environ 40 minutes. Un refroidissement à partir de cette température pourrait engendrer des modifications de structure de la matière constituant le moule, qui diminueraient l'efficacité de ce dernier. C'est ainsi qu'en effectuant le préchauffage dans la zone du four 13 pré— 40 cédant immédiatement la bobine de fusion 19, sans refroidissement entre les deux 70 25771 7 2051698 points, on peut éviter de réduire ces asoâifications jusqu'après solidification du métal. On peut augmenter le débit de l'appareil 1G en fabriquant plusieurs aubes dans chaque moule. Peur cela, chaque rssuls présente une tome adaptée à celles 5 de plusieurs aubes et cosnorte des canaux ■*" V arrivée en tous points du moule » On corrorendra également que l'appareil fO peut être entioreseîïs sutema-tique, gxâce a des mécanismes convenables ssanant des jnoules vides 17 au fôur 13 et exfcrayaat les pièces fabriquées d'iai roule quand ce dernier quitte le f-ur, 10 Bien entendu l'invention n'est pas limitée sus termes de la description qui précède mis elle en comprend, au contraire, toutes les variantes à la portée d'un hGEBie de métier. 25771 2051698 ESTmiUQ^lClSÎ 1 » Procédé de fabrication, d'un, objet en métal présentant une structure ^.•ûuuloa: trique 'unidirectionnelle, dans une direction donnée, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer un moule dudit objet à une température supérieure au point de fusion du métal, h remplir ledit moule de estai fondu» ou à faire fondre du métal dans ce roule à déplacer ledit saoule dans un four présentant un front calorifique assurant su cours du déplacement relatif du moule et du four, un déplacement dudit front vers une extrémité du moule, et à refroidir l'extrémité opposée dudit moule de façon que ledit front calorifique engendre ladite structure granulométrique dans ledit objet, "2c Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le front calorifique forme un angle avec le sens de déplacement de l'objet en cours de. fabrication. ~f.a Procédé selon uns des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le refroidissement 3aeffectue par contact de l'extrémité opposée du meule avec une surface refroidie,, 4. Procédé selon vue des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le refroidissement s'effectue en dirigeant un agenc réfrigérant sur l'extrémité opposée du moule. 5a Procédé selon une quelconque des revendications 1 , 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que l'objet est une.paie- une aubes ou un élément d'un moteur à turbine à gaz» 6c Procédé selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le métal est m alliage» 7o Procédé selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le moule est rempli de métal fondu pendant qu'il est dans le four. 80 -Procédé salon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4} 5 ou 6, caractérisé en ce que le métal se pré :este sous la forme de poudre ou de paillettes et est placé dans le moule avant fusiono 9c Procédé selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou Ps caractérisé en ce que le four est fixe et que le moule est déplacé à travers ledit fouro 1Q„ Appareil pour la production d'un objet en métal présentant une structure granulométrique unidirectionnelle parallèle à une direction donnée, caractérisé en ce qu'il comprend un four équipé d'organes de chauffage pour chauffer un moule dudit objet à une température supérieure au point de fusion du métal, des organes de remplissage dudit moule en métal fondu, ou de fusion du métal dans ledit moule, des organes de déplacement relatif du moule et du four, ledit four pré 25771 9 2051698 sentant un front calorifique disposé, par rapport au sens de déplacement relatif du moule et du four, de façon que ledit front se déplace essentiellement perpendiculairement audit sens vers une ex&rérniié du moule , et des organes de refroidissement de l'extrémité opposée dudit moule de façon, que ledit front calorifique engendre ladite structure granulométrique dans ledit objet» 11. Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que le four est rectiligne. 12. Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que le four est courbe. 13. Appareil selon une des revendications 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que les organes de déplacement relatif du moule et du four comprennent un transporteur mécanique pouvant déplacer une pluralité de moules dans un four fize. 14. Appareil selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de fours adjacents les tins auz autres, et que le transporteur est commun auxdits fours. 15. Appareil selon une des revendications 13 ou 14 caractérisé en ce que les organes de refroidissement comprennent un élément refroidi par fluide, disposé sur le transporteur et en contact avec le moule. 16. Appareil selon une des revendications 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caractérisé en ce que l'objet est une pale, une aube ou un élément d'un moteur à turbine à gaz.