Brevet FR2100590A1 — publié le 19720324

Les pièces de fonderie, solidifiées unidirectio'nnellement, sont produites par solidification inversée,"utilisant un bloc de refroidissement en haut du moule et en contrôlant le gradient de température, afin que la solidification se fasse partant du haut 5 vers le bas à travers le moule. Les pièces de fonderie solidifiées unidirectionnellement de structure en colonnes, d'après la description du brevet US. N° 3.260.505 de Versnyder, sont généralement formées par moulage dans un moule, placé sur un support de refroidissement, contrôlant 10 le gradient de température pour amorcer un mouvement contrôlé vers le haut de la partie intermédiaire liquide-solide, en partant du bloc de refroidissement et remontant vers le sommet du moule. De telles pièces de fonderie donnent généralement, satisfaction, bien que l'inversion pendant la solidification crée parfois des 15 imperfections à l'intérieur et à la surface de l'objet coulé. Une des caractéristiques selon la présente invention consiste dans la solidification agissant en sens contraire des alliages dans le moule ayant pour but l'élimination des imperfections résultant de l'inversion de densité. La construction du moule est 20 une autre caractéristique rendant possible la solidification à orientation déterminée des alliages du haut vers le bas, et pourvue d'un gradient de température contrôlé, afin de produire la structure cristalline et/ou la croissance de grains désirés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 25 seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : La Figure 1 est une coupe verticale à travers la construction du moule. 30 La Figure 2 est une coupe horizontale le long des lignes 2-2 de la Figure 1.- La Figure 3 est une vue fragmentaire d'une modification de la présente invention. La construction du moule-carapace comporte un tube central 35 vertical d'alimentation 10, relié au fond par des bras latéraux 12 présentant des passages 14. Aux extrémités de ces bras latéraux se trouvent des éléments verticaux 16 du moule s'étendant parallèlement et en relation espacée du tube alimentateur, présentant à l'intérieur une cavité 18 pour le formage des articles moulés. 40 Cette cavité, telle qu'elle est montrée, a la forme d'une aube de 70 38240 2 2100590 turbine, avec une partie portante 20, un anneau de renforcement de turbine 22, à l'extrémité du bas, avec une base 24. L'anneau de renforcement communique à travers un passage vertical 30 avec le passage horizontal 14. La base de la cavité 18 communique par 5 un passage sélecteur de cristaux en spirale avec une cavité de croissance 34. Un bloc de refroidissement 36 est fixé au moule à l'extrémité supérieure de la cavité 34, le moule présentant une bride 38 à cet endroit, à laquelle le bloc de refroidissement est attaché. 10 Tel que montré sur la Figure 2, le moule est généralement constitué par une pluralité d'éléments de moule verticaux 16 de sorte qu'il est possible de mouler simultanément une pluralité de pièces. Le moule peut être construit avec une pluralité de pieds de support 40. Le moule est constitué selon la technique de 15 moule-carapace utilisant un modèle en cire ou un autre modèle disponible sur lequel sont placées et séchées des couches successives d'un matériau de moule, celui-ci étant durci par chauffage au moment de l'évacuation du modèle fondu. Quand le moule est prêt pour être utilisé, on le place 20 sur une plaque de support 42, posée sur une couche d'un matériau en poudre isolant contre la chaleur 44, tel que l'oxyde d'aluminium. Le moule est entouré d'une enveloppe 46, entourée à son tour d'éléments de chauffage par induction 48 et 49 espacés verticalement et excités sélectivement pour contrôler la température du 25 moule. L'enveloppe 46 et les éléments de chauffage s'étendent d'un point au moins situé au-dessus du bloc de refroidissement, vers un point situé bien au-dessous de l'anneau de renforcement, afin d'obtenir un contrôle précis du gradient thermique, à partir du bloc de refroidissement jusqu'à l'extrémité inférieure du passage ver- 39 tical 30. Le tube central est entouré par un élément de bobine de chauffage par induction 50, de préférence une résistance, et cette bobine est protégée des parties ambiantes de formage des articles du moule par un bouclier cylindrique 52. Une douille en graphite 35 53 peut être placée à l'intérieur de la. bobine, comme montré. Celle ci et le bouclier 52 peuvent être placés sur les bras latéraux 12, et la bobine peut être incorporée à ce bouclier, comme montré. Un trou de coulée 54, au sommet du tube dirige l'alliage fondu dans le passage vertical formé par le tube. La totalité de la structure 40 est de préférence montée dans une chambre à vide, de sorte que le 70 38240 3 2100590 procédé de coulage peut se dérouler sous vide ou dans une atmosphère inerte. L'assemblage est par exemple, utilisé pour la production de pièces, tels des aubes ou des ailettes de turbines fonctionnant 5 à une température ambiante élevée sous des contraintes élevées ces pièces sont coulées à partir de superalliagesr tels qu'ils ont été décrits dans le brevet US N° 3.260.505 de Versnyder. La partie de formage d'articles du moule et les parties adjacentes sont chauf fées à une température au-dessus de la température de fusion de 10 l'alliage, et le tube central est également élevé à cette même température. Une circulation d'eau est maintenue à travers le bloc de refroidissement, pour qu'il ne fonde pas pendant ce procédé de chauffage. Quand les températures sont stabilisées, l'alliage en fusion, quelque peu surchauffé, est coulé dans l'entonnoir de cou-15 lée, pour remplir le moule complètement. Un orifice approprié 56 dans le bloc de refroidissement permet l'échappement des gaz en- » fermés à l'intérieur du moule, pour assurer un remplissage complet., Au moment ou le moule est rempli, commence la solidification de l'alliage au bloc de refroidissement en cuivre, refroidi 20 à l'eau. Jusqu'à ce moment les deux bobines d'induction 48 et 49 pour le chauffage ont été excitées, mais au fur et à mesure que le moule est rempli, la bobine supérieure 49 est mise hors service afin d'amorcer le refroidissement du moule du haut vers le bas. L'échappement de la chaleur vers la plaque de refroidissement est 25 à l'origine de la croissance verticale vers le bas des grains co-lumnaires de l'alliage, dans la cavité de croissance 34, et dans le passage en spirale 32 où il y a sélection d'un seul cristal, destiné à continuer sa croissance vers le bas dans la cavité de for mage d'articles, formant ainsi un article à un seul cristal. 30 Le maintien de chaleur au moyen de la résistance autour du tube central garde l'alliage en fusion dans ce tube, et la chaleur de la bobine d'induction 48 garde l'alliage en fusion dans les passages horizontaux, de sorte que le métal dans le tube central maintient une pression hydrostatique positive sur l'interface liquide 35 solide, où l'alliage se solidifie vers le bas dans la cavité à articles. Cette pression hydrostatique augmente à mesure que l'interface liquide-solide s'achemine vers le bas et ainsi la pression sur la zone spongieuse croît vers l'extrémité inférieure de la cavité à articles. 40 A mesure que. l'interface liquide-solide se déplace vers 70 38240 4 2100590 le bas pendant le procédé de moulage, le courant dans le chauffage inférieur 48 est diminué à un degré programmé déterminé par la vitesse de solidification, puis interrompu pour compléter la solidification. 5 On a pu observer que lors de la formation usuelle d'arti cles solidifiés par orientation du bas vers le haut, il se produit des jets liquides de l'alliage, circulant vers le haut à l'intérieur de la zone spongieuse, causés par l'instabilité résultant de l'inversion de densité dans cette zône. Ces jets affectent en 10 l'altérant la solidification appropriée de l'alliage à l'intérieur de la zône spongieuse. Il peut en résulter des zônes locales de traînées de liquation, riches en corps dissous rej'etés, qu'on désigne par tâches à la surface de l'article moulé. Ces trainëes contiennent souvent de petits grains orientés au hasard et sont 15 considérés comme un défaut pouvant rendre inacceptable l'article moulé. De telles tâches ou trainëes seraient éliminées par la solidification en sens inverse, telle qu'elle est décrite ci-dessus, étant donné que le profil de densité de la zône spongieuse sera stable par rapport au champ gravitationnel. 20 Se référant à la Figure 3, on voit que le moule peut être adapté pour faire des articles à grains columnaires, comme décrit dans le brevet Versnyder. A cette fin la cavité de croissance 34' doit communiquer directement avec la base 24*, de façon que la croissance columnaire amorcée au bloc de refroidissement 36' 25 deviendra parallèle, les grains columnaires orientés verticalement dans la zône de croissance, sont propagés vers le bas à travers la partie de formage des articles. Le moulage de tels articles par ce procédé de solidification en sens inverse, peut être utilisé pour produire des articles à grains en forme de colonnes tels des au-30 bes de turbine acceptables pour l'usage dans les parties de turbine du moteur, exposées à la température la plus élevée. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d' être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans 35 sortir du cadre de l'invention. 70 38240 5 2100590 REVENDICATIONS 1. Moule-carapace pour couler des articles à solidification orientée, caractérisé par le fait qu'il comporte une cavité de formage d'articles, ouverte à son extrémité supérieure, étant en 5 contact avec une plaque refroidie, une cavité de remplissage pa-• rallèle, ouverte à son sommet pour remplir le moule et un passage reliant lesdites cavités à leurs bases , le sommet de ladite cavité de remplissage étant plus élevé que l'extrémité ouverte de la cavité d'articles. 10 2. Moule selon la revendication 1, caractérisé par le fait que plusieurs cavités d'articles sont rangées en forme d'anneau autour de la cavité de remplissage, et qu'une pluralité de passages de communication s'étendent à partir de la base de la cavité de remplissage vers les bases des cavités de formage d'articles. 15 3. Moule selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage sont disposés autour de la cavité de t remplissage, afin de maintenir en fusion l'alliage à l'intérieur de celle-ci pendant la solidification de l'alliage dans la cavité d'articles. 20 4. Moule selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cavité d'articles dispose à l'intérieur d'un sélecteur à cristal unique, adjacent à et au-dessous de la plaque de refroidissement. 5. Procédé de production d'articles moulés par solidifica- 25 tion orientée, selon les revendications 1 à 4, caractérisé par la fourniture d'un moule, ayant'des cavités de remplissage, s'étendant verticalement et des cavités de formage d'articles, en communication avec les bases, les deux cavités étant ouvertes à leur sommet, une plaque de refroidissement étant placée à l'extrémité 30 supérieure ouverte de la cavité de formage des articles, le chauffage du moule à une température au-dessus de point de fusion de 1' alliage, le remplissage du moule, la réduction graduelle de la température de la cavité de fermage d'articles, dans la direction du haut vers le bas, à partir de la plaque de refroidissement, afin 35 de provoquer là solidification orientée à l'intérieur de la cavité de formage des articles dans la direction du haut vers le bas à partir de la plaque de refroidissement et le maintient de l'alliage dans la cavité de remplissage au-dessus de la température de fusion jusqu'à ce que l'alliage dans la cavité de remplissage soit solidi-40 fié. 70 38240 6 2100590 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le moule est rempli, de sorte que le niveau de l'alliage dans la cavité de remplissage soit au-dessus de la plaque de refroidissement, afin de causer une pression positive de l'alliage contre 5 la plaque de refroidissement. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la fourniture d'une pluralité de bobines de chauffage, localisées verticalement autour de la cavité de formage des articles, et réduisant sélectivement l'effet réchauffant de ces bobines du 10 sommet vers le bas, pour produire un gradient thermique du sommet vers le bas de la cavité d'articles, pendant la solidification de l'alliage.