Brevet FR2130081A1 — publié le 19721103

' 2130081 L'invention concerne la réalisation de pièces coulées ayant une structure colonnaire, à l'aide d'un déplacement relatif d'un groupe de moules contenant le métal en cours de solidification et les sources de chaleur disposées autour et 5 formant des radiateurs placés à la fois à 1'intérieur et à l'extérieur du groupe, de manière à maintenir une température pratiquement uniforme dans les moules et à réduire ainsi au minimum la formation de gradients thermiques latéraux et radiaux. 10 On a consacré beaucoup d'efforts à la production de structures colonnaires dans les articles coulés, par exemple les ailettes et les pales dé réacteurs, soumises à des cycles thermiques extrêmement sévères. Dans ce type d'application, on a constaté que les structures colonnaires sont supérieures aux 15 structures équiaxes. Pour former une structure dendritique parallèle, . on doit "réaliser un gradient thermique unidirectionnel dans le moule, car ce gradient assure la force nécessaire à la croissance de dendrites dans le liquide. On réalise habituellement 20 cette opération en introduisant un bloc de refroidissement à la base du moule, et en supposant que la direction de grossissement est parallèle à la dimension verticale de la pièce coulée. Lorsque le métal est versé dans le moule, il se forme une importante germination de dendrites à la surface 25 refroidie. Cependant, seules celles dont la direction de croissance est parallèle au gradient thermique ont une croissance favorisée et forment des dendrites ultérieurement. Il existe un certain nombre de publications concernant le réglage des conditions de refroidissement dans le 30 moule au cours de la solidification du métal, de manière qu'il se forme une interface métal-liquide dans le moule-dans ces conditions. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique U° 3 376 915 décrit divers types de -procédés et d'appareils destinés à 35 assurer une croissance unidirectionnelle des grains. Dans un mode de réalisation, décrit dans ce -brevet, la croissance est favorisée par une réduction progressive de l'énergie fournie à la source de chauffage, commençant par une mise hors circuit des parties d'un enroulement à induction, en 72 01750 2 2130081 commençant par la partie la plus proche du bloc de refroidissement» Au fur et à mesure de la réduction de l'énergie, le transfert de chaleur va moule de la partie correspondante du dispositif de chauffage et la température du métal dans la 5 partie correspondante du moule diminuent au-deasous des valeurs nécessaires pour la solidification, si bien qu'il existe une perte thermique axiale vers le bloc de refroidissement. Il n'y a que de très faibles pertes radiales du moule vers le dispositif de chauffage, et la vitesse de solidification 10 est limitée par le débit thermique axial dans le métal déjà solidifié, vers le bloc de refroidissemento Le procédé a donc tendance à être relativement long à mettre en oeuvre. De plus, lorsqu'on met hors circuit les éléments successifs du dispositif de chauffage par induction, l'interface liquide-solide avance 15 de façon discontinue dans le moule, dans des conditions non uniformes. Dans certains cas, ceci limite le réglage du procédé et permet un refroidissement d'un segment donné des pièces coulées à une trop grande vitesse . qui permet la formation de grains équiaxeso 2C De nombreuses publications de la technique anté rieure décrivent aussi l'utilisation d'un déplacement relatif de la source de chauffage et du métal solidifié, avec maintien de la différence convenable de température. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 1 961 399, bien qu'il 25 concerne la coulée en lingotière et non la coulée en cire perdue, décrit le déplacement relatif du four et du métal en cours de solidification, assurant le refroidissement convenable. Récemment, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 532 155 a décrit un procédé de coulée selon lequel 30 il existe un déplacement relatif de la combinaison d'une zone de chauffage par radiation et d'une zone inférieure de refroidissement et d'un ensemble moule-plaque de refroidissement, accélérant la perte thermique par radiation à.partir du métal solidifié accroissant la vitesse du front mobile 35 de solidification le long' du moule. Un article de Erikson et Collaborateurs paru dans "Métal Progress" , Mars 1971, pages 58 à 60, décrit un procédé de so3.idification à grande vitesse utilisé par Pratt & Whitney Aircrafto Lors de la mise en oeuvre de ce'procédé, on verse 72 01750 3 2130081 un alliage surchauffé dans un moule et on établit un gradient axial de température au voisinage de la plaque de refroidissement, si bien que la solidification commence à partir de cette face de refroidissement» La plaque de refroidisse-5 ment et le moule associé sont alors abaissés hors du dispositif de chauffage, à une vitesse prédéterminée, le retrait étant poursuivi jusqu'à la solidification totale des pièces coulées. Quelle que soit la technique utilisée, il est né-10 cessaire de réduire la durée d'un cycle de-production de pièces coulées à solidification unidirectionnelle à une valeur comparable aux temps de production des pièces coulées classiques» On réalise en général la coulée dans un groupe de moules formes par le procédé bien connu en cire perdue, lorsqu'on 15 met en oeuvre un tel procédé, on associe des modèles amovibles sous forme d'une grappe, de manière à former un ensemble uni-* taire de moulage contenant plusieurs cavités individuelles reliées par des descentes cohvenables destinées -au métal fondu. Avec un tel dispositif, surtout lorsqu'il existe un grand 20 nombre de cavités de moulage, la chaleur ne peut pas s'échapper de chaque pièce coulée en quantités égales dans toutes les directions, vers le radiateur qui l'entoure. Ceci est dû à ce que les parties latérales de la pièce coulée, tournées vers le centre de la grappe, n'ont pas un acaès direct au 25 radiateur, /irradient la chaleur seulement vers d'autres pièces chaudes» les côtés externes des pièces tournés vers l'extérieur du groupe, se trouvent en face du radiateur, si bien qu'ils peuvent se refroidir plus rapidement que les' faces internes des pièces qui ne sont pas en relation directe 30 avec le radiateur. En conséquence, pendant un certain temps après la coulée et lors de la mise en déplacement relatif de la source de chaleur et du radiateur d'une part et des pièces coulées d'autre part, les côtés de celles-ci, tournés vers l'extérieur de la grappe, sont plus froids que les « 35 côtés tournés vers l'intérieur, et il existe un gradient thermique horizontal ou radial dans les pièces, en plus du gradient thermique vertical voulu, commençant à la plaque de refroidissement. Ce gradient horizontal provoque une croissance des grains en des directions qui ne sont pas perpendicu 72 01750 4 2130081 laires à la surface de refroidissement, et il détruit l'orientation essentielle à la solidification unidirectionnelle. L'invention concerne un dispositif comprenant le groupe classique de moule associé à un dispositif commun d'ali-5 mentation, les moules ayant des extrémités ouvertes placées sur une plaque de refroidissement. Le groupe de moules et la plaque associée de refroidissement sont disposés dans un ensemble à four, qui comprend deux sources de chaleur par irradiation et deux radiateurs, un ensemble source de chaleur-10 radiateur étant disposé à l'intérieur du groupe et l'autre étant disposé concentriquement au premier mais à l'extérieur du groupe. Les radiateurs favorisent le transfert de l'énergie irradiée par le groupe lors du déplacement relatif du groupe et des paires associées source-radiateur. La présence d'une 15 source et d'un radiateur à l'intérieur comme à l'extérieur favorise la production des pièces coulées, d'une part grâce à l'amélioration de la vitesse de préchauffage des moules, lorsque les surfaces des moules sont chauffées directement et non pas par réflexion indirecte depuis la source externe, comme 20 cela a eu lieu actuellement, et d'autre part, par la suppression du gradient horizontal de température depuis l'extérieur des pièces coulées vers l'intérieur, car les conditions thermiques sont les mêmes à l'extérieur et à l'intérieur. D'autres caractéristiques et avantages de. l'in-25 vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel : la figure 1 est une vue en plan d'un ensemble de moules qu'on peut utiliser selon l'invention, le couvercle étant retiré, des parties étant arrachées et permettant une 30 bonne illustration de l'ensemble ; et la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2.de la figure 1. Sur la figure 1, la référence 10 indique, -de-façon générale, un ensemble de coulée qu'on peut utiliser pour 35 mettre en oeuvre l'invention, l'ensemble 10 étant placé dans une enceinte convenable d'un four (non représentée) permettant le fonctionnement- soit sous gaz inerte, soit sous vide. L'ensemble 10 comprend une source externe de chauffage ' formée d'un cylindre 11 en graphite ou en matière analogue, 72 01750 5 2130081 chauffé à des températures telles qu' il irradie d.e la chaleur par un dispositif de chauffage, par exemple un enroulement 12 de chauffage par induction placé autour. Un cylindre interne 13, lui aussi en graphite ou en matière analogue, est 5 concentrique au cylindre externe 11. Le cylindre 13 peut être chauffé par induction comme le cylindre 12, ou il peut être chauffé par un élément résistant 14 enrobé dans sa masse, comme représenté sur la figure 2. Le cylindre 12 repose sur un radiateur externe 10 15 ayant un diamètre interne et un diamètre externe pratiquement égaux à ceux du cylindre 11, comme représenté sur la figure 2. Il n'est pas toujours nécessaire que l'appareil comprenne un radiateur séparé formé d'un cylindre tel que représenté sur la figure 2, puisque dans de nombreux cas, les radiations émises 15 par le groupe de moules vers les parois du four sont suffisantes Le radiateur externe 15>lorsqu'on l'utilise, est creux et un fluide convenable de refroidissement, par exemple de l'air ou de l'eau, peut circuler dans la cavité 16. La source interne de chaleur formée par le cylindre 20 13 est disposée sur un radiateur interne 17, lui même formé d'un cylindre creux comprenant une cavité 18 dans laquelle peut circuler un fluide convenable de refroidissement» Les diamètres interne et externe du cylindre 17 sont pratiquement identiques à ceux du cylindre interne 13« 25 Les éléments qui irradient sont séparés des radia teurs par de fins déflecteurs 19 et 20 en matière d'isolation thermique, de manière à réduire au minimum le transfert thermique direct entre les sources de chaleur et les radiateurs placés au-dessous. Un capuchon isolant 21 est aussi disposé 30 à la partie supérieure de l'ensemble 10 et empêche les pertes thermiques par le haut. Un groupe 22 de moules séparés 23 en cire perdue esijdisposé entre les sources 13 et 11. Une partie 24 de canal d'alimentation répartit le métal fondu dans les cavités sépa-35 rées 25 des moules 23. Une coupelle 26 de coulée permet l'introduction du métal fondu dans le groupe de moules. Les moules 23 ont des extrémités ouvertes placées sur un bloc 27 de refroidissement ayant une cavité interne 28 dans laquelle peut circuler un fluide convenable de refroi- 72 01750 6 2130081 dissemento Dans le mode de réalisation représenté sur les dessins, le bloc 27 est dispose sur un cylindre 29 de support qui permet le dé•lacement relatif du groupe de moule et d:-s ensembles source-radiateur placés de part et d'autre 5 du groupe 22„ Dans une variantele troupe peut être fixe et les ensembles source-radiateur mobiles par rapport à elle. Au début du fonctionnement, les sources 11 et 13 sont mises sous tension, si bien que le groupe est chauffé uniformément à une température supérieure à la température de 1C fusion au métal à verser.. Au cours du pré chauffage, la position du groupe est celle qui est représentée sur la figure 2, c'est-à-dire que les parties inférieures des cavités de moulage se trouvent pratiquement au même niveau que les déflecteurs» .On retire le capuchon et on introduit du métal 15 fondu dans la coupelle 26 et, en conséquence, aucune tendance à la croissance de grains en direction non perpendiculaire à la plaque 27, c'est-à-dire en direction indésirable. 30 Avec l'ensemble de coulée de l'invention, il est possible d'accélérer le préchauffage et de réaliser un pré-chauffage uniforme, car toutes les surfaces du groupe de moules sont exposées directement à un chauffage par une • source. Comme les mêmes conditions régnent au cours du re-35 froidissement, il n'y a pas de gradient thermique en direction transversale dans le moule, et la croissance des grains s'effectue entièrement verticalement depuis le bloc de refroidissement, dans la direction voulue. Le résultat est qu'on peut placer un nombre très important de moules /*• /' * copy 72 01750 7 2130081 séparés dans un groupe tout en obtenant des pièces coulées acceptables à solidification unidirectionnelle. Cette caractéristique améliore notablement la vitesse de production pour un four de dimensions données» 5 II est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées» COPY 72 01750 8 2130081 REVEMICAIIONS 1. Procédé de production de structures à solidification directionnelle, caractérisé en ce qu'on place un groupe de moules réfractaires ayant une extrémité ouverte, 5 associés par des canaux de coulée de métal fondu, placés on entre deux sources d'irradiation thermique,/chauffe les sources pratiquement à la même température, de manière qu'elles irradient le groupe de moules en préchauffant celui-ci à une température supérieure à la température de fusion du métal 10 à couler, on coule le métal fondu dans les moules, on retire de la chaleur par les extrémités ouvertes des moules, -de manière à déclencher la solidification directionnelle du métal dans les moules, et on assure le déplacement relatif vertical du groupe et des sources., de manière que les moules 15 irradient de la chaleur en direction latérale vers deux radiateurs placés de part et d'autre du groupe, de manière à réduire au minimum la présence de gradients transversaux de température dans le métal qui se solidifie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que les sources de chaleur sont fixes et en ce que le groupe est déplacé par rapport à elles. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe est fixe, les sources et les radiateurs étant déplacés par rapport à lui. 25 4. Ensemble de coulée destiné à la production de pièces à solidification unidirectionnelle, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre externe de chauffage par radiation, un chauffage *interne de chauffage par radiation, concentrique au cylindre externe, un groupe de moules placé 30 entre les deux cylindres, un dispositif destiné à assurer un déplacement vertical relatif des cylindres et du groupe, un radiateur externe disposé de manière à absorber la chaleur irradiée par les parties externes du groupe lors du déplacement relatif, et un radiateur interne disposé à l'intérieur du 35 groupe et destiné à absorber de la chaleur irradiée par les parties internes du groupe lors dudit déplacement relatif. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le radiateur interne est un cylindre creux coaxial 72 01750 9 2130081 au cylindre interne. 6. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que les radiateurs sont des cylindres creux coaxiaux aux cylindres de chauffage et placés en face de ceux-ci. 5 7. Ensemble selon la revendifation 6, caractérisé en ce que les cylindres de chauffage et les radiateurs sont séparés par des déflecteurs réfractaires.