Brevet FR2102255A1 — publié le 19720407

-1 - 2102255 La présente invention concerne la coulée d'articles en monocristal et concerne plus spécialement l'élimination des filets de grains équiaxes ou "taches de rousseur" à la surface de la pièce coulée en monocristal. Dans la coulée d'articles en forme de monocristal, il est souhaitable de pouvoir couler aussi bien des formes monocristallines complexes que simples, c'est-à-dire qu'en plus de couler des tiges ou des barres il est souhaitable de produire les formes aussi complexes que des pales ou des ailettes avec la totalité du pale ou de l'ailette y compris la section aérodynamique et éventuellement le bouclier le tout en un seul cristal. Les formes coulées complexes ont été limitées dans le passé par le problème d'extraction de la chaleur à la vitesse adéquate étant donné que l'extraction de la chaleur de l'alliage se solidifiant a été réalisée primitivement par la conduction de la chaleur depuis l'alliage se solidifiant par un rétrécissement adjacent au fond du moule. La vitesse d'extraction de la chaleur par la section relativement petite de l'alliage dans le rétrécissement fut faible et le gradient de température et la vitesse de croissance du cristal ont été limités. Une méthode pour augmenter la vitesse d'extraction de la chaleur a été décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis 714.743 déposée en Mars 20, 1968. L'un des problèmes pour obtenir des articles coulés en monocristal libres de tout défaut est la formation de jets qui aboutissent à la formation de traînées de petits grains équiaxes. De tels jets de convection peuvent se produire dans la "zone baveuse" pendant la solidification. Ces jets mènent à l'érosion et à la rupture de la structure dendritique et par conséquent provoquent la formation de grains équiaxes ou "taches de rousseur". Les jets sont une conséquence de l'instabilité hydrodynamique à 1'intérieure de la "zone baveuse" et deviennent plus prononcés si l'interface liquide-solide s'incurve ou si la hauteur de la "zone baveuse" augmente (c'est-à-dire si le gradient de température décroît). Ces "taches de rousseur" constituent un défaut majeur vu qu'elles ont effet désavantageux sur les propriétés mécaniques de la pièce coulée. L'un des aspects de la présente invention est un appareil pour couler des parts en monocristal telles que des pales de tur- 71 25403 - 2 - 2102255 bine et des ailettes sans la formation de ces traînées de grains équiaxes. L'élimination de ces discontinuités à la surface est obtenue par un contrôle approprié du gradient de température à l'intérieure du moule, par un contrôle de la vitesse de solidification ascendante de l'alliage à l'intérieur du moule et un contrôle de la température de la paroi du moule entourant l'article à couler. Le dernier résultat est obtenu en entourant l'article du moule au moins en partie par une cavité dans laquelle une solidification contrôlée peut avoir lieu a une vitesse déterminée de manière à contrôler plus efficacement la température de l'article du moule quand la solidification a lieu. En accord avec la' présente invention, l'article du moule est posé à l'intérieur d'un moule de contrôle qui l'entoure, ce dernier ayant une ou plusieurs cavités de coulée pour recevoir la portion de contrôle de l'alliage chaud du contrôle de l'alliage qui est versé en même temps que l'alliage versé dans l'article du moule. Ces cavités de contrôle sont reliées par des passages de solidification à la plaque de refroidissement et l'article du moule dispose d'un passage pour sélectionner un cristal à la partie terminale inférieure pour provoquer au moyen de celui-ci la croissance d'un seul cristal dans la portion de l'article du moule. Bien que le moule soit adapté pour la production d'un article coulé en monocristal en une fois, la construction est d'avantage adaptée pour un coulage en série d'une pluralité d'articles en une fois et la construction est telle que l'article solidifié puisse être facilement enlevé de l'alliage solidifié dans les cavités de contrôle adjacentes l'entourant partiellement. Le procédé de solidification de la présente invention est réalisé en disposant le ou les articles du moule dans le moule et 30 en chauffant l'assemblage entier à une température supérieure au point de fusion de l'alliage. Une fois que l'alliage est versé dans l'assemblage du moule, la solidification directionnelle commence à la plaque de refroidissement sur laquelle repose l'assemblage du moule et l'interface liquide-solide se déplace vers le 35 haut à partir de la plaque de refroidissement à la fois au pied de l'article du moule et dans les connecteurs depuis les cavitéa de coulage jusqu'à la plaque de refroidissement. La solidification de l'alliage dans les cavités de coulage ou cavités de contrôle aide 10 15 20 25 71 25403 2102255 - 3 - - • à maintenir l'article du moule à la température désirée durant la solidification et sert à contrôler la vitesse d'extraction de la chaleur des articles du moule de sorte que l'interface liquide-solide de l'alliage sera maintenu dans une configuration substantiellement horizontale durant la solidification de l'alliage à travers l'entièreté du moule. Cette construction du moule favorise l'établissement de gradients de température plus élevés et de vitesses de croissance nécessaires pour l'élimination des discontinuités telles que des traînées de grains équiaxes à la surface de la coulée. La vitesse d'extraction de la chaleur par le métal dans les cavités de coulée est contrôlée jusqu'à un degré important par la dimension des connecteurs depuis ces cavités jusqu'à la plaque de refroidissement puisque la surface de l'alliage solidifié dans ces passages constitue une contrôle directe de la vitesse du transfert de la chaleur vers la plaque de refroidissement. Pour que la présente invention puisse être parfaitement comprise référence est maintenant faite aux figures d'accompagnement. La fig. 1 est une coupe horizontale au travers de l'assemblage du moule. La fig. 2 est une coupe verticale substantiellement le long de la ligne 2-2 de la fig. 1. La fig. 3 est une élévation d'une partie de l'assemblage du moule avant la formation d'un second recouvrement du moule dessus. La fig. 4 est une coupe similaire à la fig. 1. d'un modèle modifié. La fig. 5 est une coupe verticale substantiellement le long de la ligne 5-5 de la fig. 4. La fig. 6 est une élévation fragmentaire de la configuration du moule de la fig. 4. En se référant d'abord aux figs. 1 à 3 inclusivement, la construction du moule est adaptée pour couler des pales de turbine et des ailettes en monocristal comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis No. 3,494,709 dû à Piearcey. Ces articles sont coulés de préférence à partir d'un grand nombre de ces alliages à hautes températures bien connus comme décrit dans ce brevet ou dans le brevet des Etats-Unis No. 3,260,505 dû à VerSnyder. Le moule décrit est formé par le procédé bien connu de coulage à la cire perdue dans lequel les coquilles du moule.sont 71 25403 2102255 formées autour de modèles disponibles par exemple des modèles en cire. L'appareil montre les coquilles du moule après que la cire ait été fondue de sorte que les cavités dans lesquelles l'alliage est coulé puissent être plus aisément distinguées. Il doit néanmoins être compris que après que l'assemblage du moule ait été bien formé autour des modèles ceux-ci sont fondus pour permettre de voir les cavités et le modèle en cire devrait, en fait, occuper la totalité des cavités montrées avant la cuisson de moule pour le durcir et pour fournir l'enlèvement de la cire. L'article du moule 2 possède une cavité centrale aérodynamique 4 s'étendant depuis la partie racine 6 jusqu'à la partie bouclier 8. Au-dessus du bouclier se trouve le passage de remplissage 10 et en-dessous de la racine se trouve l'hélice 12 qui sélectionne un cristal unique dans la partie de base de croissance en colonne 14. La fonction de la partie de croissance 14 et de l'hélice 12 en sélectionnant un seul cristal a été décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis No. 806,978 due à Copley et autres, déposée en Mars 13, 1969. Différents articles du moule sont disposés dans un anneau avec le profil de la partie aérodynamique des différents articles du moule s'étendant dans une direction généralement parallèle à la circonférence comme il est montré dans la fig. 1. Les différents articles du moule sont reliés ensemble dans l'arrangement parallèle à la circonférence par une partie de remplissage en forme de disque 16 pour les différents articles du moule. Cette partie 16 possède une chambre 18 à l'intérieur qui communique avec tous les différents articles du moule. Entre les articles de moule adjacents se trouve une chambre 20 définie entre les anneaux internes et externes du moule 22 et 24 qui sont en contact avec les surfaces des articles du moule comme il est montré dans la fig. 1 laissant les parties du bord arrière et du bord avant du moule exposées aux chambres 20 adjacentes. Les chambres 20 sont reliées par des passages 26 au sommet communiquant avec la chambre de remplissage 18 et les chambres identiques communiquent au pied par un passage 28 avec la plaque de refroidissement 30 sur laquelle la totalité de l'assemblage du moule repose. Au sommet de la partie de remplissage se trouve un goulot en forme d'entonnoir 32. 2102255 Comme mentionné ci-dessus, l'article de moule 2 avec ses accessoires est formé en recouvrant par immersion un modèle en cire ou autre modèle disponible qui représente la forme de l'article avec la partie de croissance au pied ët l'ouverture de remplissage au sommet. Quand l'article du moule est complété les différents articles du moule sont reliés à un modèle en cire qui représente la forme de la chambre 18. La cire est disposée entre le bord avant d'un article du moule et le bord arrière de l'article du moule adjacent dans la forme de la chambre 20 et des tiges de cire sont disposées aise extrémités opposées qui sont la forme des passages 26 et 28. Avec toute la cire en position, l'assemblage entier est de nouveau immergé formant ainsi les parois internes et externes 22 et 24 ainsi que le moule 16 entourant la chambre 18 et les parties du moule reliant la partie 16 du moule aux a£ticles individuels du moule et aussi les parties du moule s'étendant vers le bas depuis la partie 16 jusqu'au sommet des parties annulaires 22 et 24.du moule. Une fois que la totalité du moule est créée comme il est montré, l'assemblage est disposé dans lin four à cuisson adéquat pour durcir la totalité du moule et pour fondre le modèle en cire, laissant la structure du moule telle qu'elle est montrée dans les figures. La fig. 3 montre une construction intermédiaire entre la fabrication de l'article individuel du moule 2 dans cette figure et le moule terminé. D'après la fig. 3 un modèle ën cire 34 a été disposé entre des articles de moule adjacents et des tiges en cire 36 et 38 s'étendent depuis le sommet et le pied de la partie en cire 34. Au sommet, la tige 36 est fixée à un disque en cire 40 qui forme la chambre 18 dans le moule complet. Un goulot en cire 42 est également fixé à la surface supérieure du disque 40. En conséquence, quand le moule est complètement prêt pour recevoir l'alliage à l'intérieur pour la formation des différents articles coulés, l'assemblage du moule consiste en articles de moule 2 espacés circulairement entre les anneaux externes et internes 22 et 24 qui définissent entre eux la chambre de contrôle 20, cette dernière étant une chambre circulaire interrompue puisque les articles du moule sont en contact avec les anneaux externes et internes et séparant la chambre circulaire ainsi définie en segments individuels qui comprennent le bord arrière de l'un 71 25403 - 5 71 25403 2102255 - 6 - des articles du moule et le bord avant de l'article du moule adjacent. La totalité de l'assemblage du moule quand il est prêt à recevoir de l'alliage est disposée à l'intérieur d'un dispositif de chauffage tel un fourneau à induction comprenant une enveloppe cylindrique entourée par un solénofde à induction et le moule est chauffé à une température supérieure au point de fusion de l'alliage prêt à être versé. Avec l'assemblage du moule reposant sur la plaque de refroidissement 30, l'alliage à l'intérieur du moule est en contact avec la plaque de refroidissement par la portion de croissance 14 de l'article du moule et par les passages 28 conduisant aux segments de la chambre de contrôle 20. La solidification commence à la plaque de refroidissement et se déplace vers le haut par la partie de croissance et par l'hélice où un seul cristal est sélectionné pour croître à l'intérieur de la partie formant l'article du moule. La croissance des grains en colonne s'étend vers le haut à travers les passages 28 dans les chambres 20 et c'est la solidification dans ces chambres et l'absorption de chaleur à partir de l'article du moule dans l'alliage solidifié et les chambres 20 et ia fuite par conduction au travers de l'alliage solidifié et les passages 28 jusqu'à la plaque deœfroidis-sement qui permettent un contrôle précis de la vitesse de solidification et de ce fait la configuration de la "zone baveuse" c'est -à-dire l'interface liquide-solide de l'alliage se solidifiant dans les articles du moule. Par des dimensions adéquates du passage 28 la vitesse d'extraction de la chaleur de l'article du moule peut être contrôlée de sorte que l'interface liquide-solide reste substantiellement plat et horizontal durant tout le cycle de solidification . Un trajet de conduction de la chaleur plus grand conduit à un gradient de température plus élevé. En se référant maintenant aux fig. 4, 5 et 6, l'article du moule 52 est similaire à celui décrit ci-dessus et possède une zone de croissance reliée au pied par une hélice 56 à la partie formant l'article et avec une extension 58 au sommet de la partie formant l'article qui sert au remplissage de l'article du moule. Plusieurs de ces articles du moule sont disposés dans un anneau avec le profil de la partie aérodynamique du moule s'étendant dans une position généralement radiale plutôt que parallèle à la 71 25403 2102255 - 7 - circonférence comme dans la fig. 1. Des anneaux internes et externes 60 et 61 définissent entre eux une chambre substantiellement annulaire 64. Les anneaux internes et externes communiquent et sont en contact avec les bords avant de l'article à l'extérieur 5 et projetant des nervures 66 et 68 à l'intérieur, formées respec tivement sur les anneaux internes et externes. Comme dans l'appareil décrit ci-dessus, il y a une partie horizontale du moule 70 au sommet de l'assemblage du moule et celle-ci possède une chambre 72 communiquant avec tous les articles du moule et aussi 10 P31 3-es passages verticaux 74 du moule avec les segments de la chambre annulaire 69 qui sont localisés entre des articles de moule adjacent. Le moule dispose aussi de passages verticaux 76 s'étendant vers le bas à partir des segments de la chambre annulaire 64 pour contacter à leurs extrémités inférieures la plaque 15 de refroidissement 78 comme le font également les zones de crois sance 54 de l'article du moule. L'assemblage du moule est fait de la même manière que celle décrite en se référant aux fig. 1, 2 et 3. Un modèle en cire, par exemple, est formé dans la configuration de l'article désiré avec 20 un® extension hélicoïdale au pied et une configuration correspon dant à celle de la chambre dans la partie de la zone de croissance de l'article du moule. Le modèle en cire possède au sommet un prolongement qui sert à former le passage par le prolongement 58 sur l'article du moule et de là à communiquer vers le haut avec 25 un disque en cire et servant à former la chambre 72 quand la deux ième étape de la fabrication du moule est réalisée. Quand le modèle en cire pour l'article du moule est achevé il est trempé dans des boues appropriées pour former le moule par la technique usuelle de fabrication des coquilles de moule formant ainsi l'article 30 de moule 52 avec les prolongements au sommet et au pied comme il est montré. Cet article de moule est alors assemblé avec le modèle en cire pour former la chambre 72, avec les modèles en cire formant les passages 74 et 76 et un anneau en cire qui forme la chambre annulaire 64 et contient les articles du moule du sommet jus-35 qu'au pied de l'article du moule qui devient l'article final qui est couplé pour l'utilisation. Des rainures adéquates sont formées dans ce module en cire pour communiquer avec les bords avant et arrière de l'article du moule permettant ainsi le matériau formant 71 25403 2102255 - 8 - le moule d'entrer en contact avec la première coquille quand l'assemblage est trempé pour former le revêtement du moule secondaire. La fig. 6 montre l'assemblage des articles du moule ensemble avec les modèles en cire associés qui l'entourent par lesquels le moule secondaire est produit. Comme indiqué dans cette figure-l'assemblage du modèle comprend le disque plat 80 ayant la tige en cire 82 s'étendant vers le bas dans l'article du moule et la tige en cire parallèle 84, s'étendant vers le bas pour communiquer avec le lourd anneau en cire 86 qui entoure les articles individuels du moule pour la partie effectuée de l'article du moule. L'assemblage a également les tiges en cire 88 s'étendant vers le bas à partie de l'anneau de cire 86 jusqu'à un niveau coïncidant avec les pieds des portions de croissance 54. Des rainures 90 sont formées dans la cire et se prolongent vers l'intérieur de la surface verticale externe vers la surface verticale interne de la cire pour exposer les bords avant et les bords arrières.de la partie aérodynamique de la partie de l'article du moule 52. Ce sont ces rainures qui permettent la formation des nervures 66 et 68. L'assemblage de la fig. 6 est alors recouvert avec du matériel de moule comme dans le procédé habituel à cire perdue formant ainsi le moule secondaire qui entoure le modèle de cire et l'assemblage de la fig. 6. Ce moule secondaire ayant été achevé, l'appareil est placé dans un four où le moule est cuit pour durcir le matériau et pour fondre, ainsi, le modèle en cire laissant les espaces de coulage vide comme il est montré dans les fig. 4 et 5. Une fois que le moule est durci et prêt à être utilisé, il est disposé à l'intérieur d'un moyen de chauffage adéquat, de préférence un fourneau à induction, le tout étant contenu de préférence dans le vide et le moule est chauffé à une température supérieure à la température de fusion du moule. L'alliage fondu est alors versé pour remplir les espaces dans le moule et la solidification commence où l'alliage contacte la plaque de refroidissement de la même manière comme il a été décrit ci-dessus en se référant aux fig. 1, 2 et 3. En se référant aux 2 modifications de l'appareil du moule décrites, une fois que l'alliage est complètement solidifié et refroidi de sorte que le moule avec son contenu d'alliage puisse 71 25403 2102255 - 9 - être manipulé le moule externe ou secondaire est enlevé autant que possible et les parties fondues de la coulée sont enlevées. A cause de la construction particulière de l'appareil du moule dans les deux cas de sorte que l'anneau de contrôle de l'alliâgê d'est-à-dire de l'alliage qui est formé à l'intérieur des segments de la chambre annulaire 20 dans la fig. 1 ou les segments de la chambre annulaire 64 sont séparables l'un de l'autre, les segments coulés peuvent être aisément séparés l'un de l'autre détachant ainsi l'alliage de contrôle coulé de l'article du moule et de l'article couÊ dans le moule. L'enlèvement ultérieur de l'hélice de l'alliage coulé au pied de l'article du moule et l'enlèvement de l'article coulé de la partie d'alliage solidifié se prolongeant vers le haut depuis le sommet de la portion de l'article, ce dernier est facilement détachable prêt pour l'inspection l'usinage pour être utilisé. Avec l'utilisation de l'alliage dans les chambres annulaires 20 ou 64 et le contrôle efficace de la vitesse de solidification ainsi que de la température de l'article du moule durant la solidification de lklliage, il est possible d'obtenir des articles coulés acceptables, tout en monocristal et libres de tous grains équiaxes qui tendent à se former à la surface quand des contrôles de températures appropriés ne sont pas fournis. Bien que l'article produit par une technique de coulage de ce type semble être une portion relativement petite de la quantité totale d'alliage utilisé en réalisant la coulée, il sera aisément compris que le restant de l'alliage coulé ainsi nommé "déchet" peut être ajouté à l'alliage pour des opérations ultérieures de coulée et n'est en aucun cas gaspillé. 71 25403 - 10 - 2102255 Revendications : 1. Un assemblage de moule pour la coulée de plusieurs articles sous forme de monocristal, à la fois caractérisé par s plusieurs articles de moule, chacun ayant une portion de moule 5 pour la croissance cristalline à une extrémité des anneaux internes et externes définissant une chambre annulaire dans laquelle les articles du moule sont disposés. un prolongement de moule sur ces anneaux à l'extrémité adjacente à cette portion de moule définissant une extension vers la 10 chambre et ayant une extrémité ouverte en contact avec la plaque de refroidissement, et un raccordement de remplissage à l'autre extrémité de chacun des articles du moule pour remplir chacun de ces moules, et des extensions de remplissage se prolongeant vers le haut 15 depuis les anneaux internes et externes par lesquelles la chambre annulaire peut être remplie. 2. Un assemblage de moule selon la revendication 1 caractérisé en ce que les articles du moule sont en contact avec les anneaux pour une partie à la surface externe des articles du moule définis- 20 sant ainsi des cavités individuelles de coulée dans les chambres annulaires entre des moules adjacents. 3. Un assemblage de moule selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les articles du moule sont espacés parallèlement à la circonférence et sont en contact avec les anneaux et supports tés par ces anneaux divisant de cette manière la chambre annulaire en cavités individuelles de coulée entre les moules adjacents. 4. Un assemblage de moule selon les revendications 1-3 caractérisé en ce que les articles du moule sont construits pour produire une forme de pale ayant une configuration aérodynamique pour une 30 partie de la longueur et ayant le profil orienté parallèlement à la circonférence dans la chambre annulaire. 5. Un assemblage de moule selon les revendications 1-4 caractérisé en ce que le profil de la partie aérodynamique est transversale par rapport à la chambre annulaire. 35 6. Un assemblage de moule selon les revendications 1-5 caracté risé en ce que les extrémités de la partie aérodynamique du moule sont en contact avec les anneaux du moule. 7. Un assemblage du moule selon les revendications 1-7 caracté 71 25403 2102255 - 11 - risé en ce que les extrémités de la partie aérodynamique du moule sont disposées dans des cavités de coulée adjacentes. 8. Un assemblage du moule pour la coulée d'articles solidifiés directionnellement caractérisé par ï 5 au moins un article de moule ayant une portion de croissance de grains à la partie inférieure de l'assemblage des parois internes et externes du moule définissant une chambre annulaire dans laquelle l'article du moule est disposé avec le moule en contact avec les parois internes et externes sur 10 seulement une portion de surface des parois de l'article du moule, ces parois internes et externes du moule ayant un passage formant une extension au pied de celui-ci, 3a portion de croissance et l'extension étant ouvertes au bas et des moyens ordinaires pour remplir l'article du moule et la 15 chambre. 9. Un assemblage du moule.selon la revendication 8 caractérisé en ce que la portion de croissance et l'extension ont toutes les deux des ouvertures dans un même plan en contact avec la plaque de refroidissement. 2o Le procédé de fabrication des moules décrits dans les reven dications 1-9 caractérisé par les étapes de former différentes coquilles du type coquille d'article de moule autour de modèles disponibles chacun de ces derniers ayant un prolongement de remplissage à une extrémité de la partie de l'ar-25 ticle du moule et une zone de croissance à l'autre extrémité de la partie de l'article du moule, ordonner ces différents moules dans un anneau placer une housse de cire entre les moules adjacents dans l'anneau avec la housse entourant une partie de chacun des articles du moule adjacents et 30 remplissant l'espace intermédiaire avec une projection de cire for mant un passage de remplissage s'étendant vers le haut depuis cette housse et une autre projection de cire formant un prolongement s'étendant vers le bas sur cette housse. former une deuxième coquille du moule autour de l'assemblage 35 des articles du moule avec cette seconde coquille du moule de cire en contact avec les articles du moule où ils ne sont pas entourés par la housse de cire et chauffer l'assemblage du moule pour durcir le moule et fondre 71 25403 » 12 - 2102255 la cire. 11. Le procédé de fabrication d'un moule selon la revendication 10 caractérisé par l'étape additionnelle de fixer un élément de connection en cire aux différentes tiges de cire se prolongeant vers le haut et aux extensions de remplissages en cire sur les différents moules. 12. Le procédé de la revendication 10 dans lequel les articles de moules sont formés pour obtenir une ailette de turbine ayant une forme aérodynamique caractérisé par les étapes additionnelles de disposer les articles du moule dans un anneau avec le profil aérodynamique s'étendant dans une direction parallèle à la circonférence, et encastrant les bords avant et arrière de la portion aérodynamique de l'article du moule dans la housse de cire. 13. Le procédé de fabrication d'un moule selon la revendication 30 dans laquelle les articles du moule sont formés pour obtenir la fabrication d'une pale de turbine ou ailette ayant une forme aérodynamique caractérisé par les étapes additionnelles de s disposer les articles du moule dans un anneau avec le profil de la partie aérodynamique s'étendant dans une direction radiale par rapport à 1'anneau et encastrant la totalité de la forme aérodynamique dans la housse de cire à l'exception de la petite partie des bords avant et arrière des articles du moule. 14. Le procédé de fabrication d'un moule selon la revendication 10 caractérisé en ce que la housse de cire s'étend sur toute la longueur de la partie de l'article du moule.