Brevet FR2112258A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne la coulée âe pièces métalliques à grains orientés, avec refroidissement par voie électrostatique pour maintenir pendant le refroidissement un gradient de température dr-r>s le moule. On a fait des recherches sur une grand:- éehalle, concernant la coulée de 5 pièces métalliques à grains orientés, en r-Friiailier d'.-nhss de tiîrbo-réacteurg et d'aimants permanents. On a cbsorré ans :•ssirtcRce d'une structure dendri-tique fine, coiosmaire, tout au moins dans osrtaices parties d'une aube de turbine, améliore considérablement diverses caractéristiques physiques et mécaniques de ces parties. 10 II se forme des structures ecioanaires ~xr arcissancs unidirectionnelle de dendrites pendant la solidification. La relation entre la structure dendritique et les grains colomnaires, ou prismatiques. est aal déterminée. Un grain colom-naire est en général constitué par plus d'uns dsaàrits st le nombre de celles-ci peut varier de quelques unités à plusieurs centaines. L'intervalle entre les 15 dendrites est uniquement fonction de la vitesse de solidification. Cependant, les dimensions des grains colomnaires peuvent être influencées par des facteurs autres que ceux concernant l'opération de solidification, par exemple la croissance de grains ordinaires. La condition primordiale pour la formation d'une structure à dendrites 20 parallèles est la présence d'un gradient thermique unidirectionnel. Au début de l'introduction du métal dans le moule, la solidification se produit d'abord par refroidissement au contact des parois du moule, si l'on admet que la température des parois du moule est inférieure à celle de solidification du métal. Cette zone de refroidissement contient de nombreuses dendrites fines orientées 25 au hasard. Cette solidification initiale libère la chaleur latente de fusion, ce qui produit une élévation locale de température arrêtant la formation de la zone de refroidissement. A 1'intersurface de la zone de refroidissement et de la masse fondue, les dendrites commencent à croître en direstion de la masse fondue à line vitesse qui est fonction de l'importance et de la profondeur de 30 la masse en surfusion. Au départ, toutes les dendrites à 1'intersurface "zone de refroidissement -masse fondue" croissent à des vitesses égales, étant donné que la surfusion est uniforme. Cependant, celles qui sont orientées parallèlement au gradient thermique croissent dans une zone de surfusion persistante. Les dendrites mal 35 orientées ne peuvent pas progresser aussi rapidement dsns la direction du gradient thermique, étant donné qu'une composante seulement âe la -vitesse de croissance 71 34806 2 2112258 est parallèle à ce gradient. Les dendrites qui croissent parallèlement au gradient céderont - étant donné qu'elles ont déjà commencé leur croissance -de la cîialeur latente de fusion, dégagée p».r 1s solidification. Cette chaleur de fusion élève la température à la base d«a dendrites et diminue l'importance 5 do la 3urfusion disponible pour la croissance des dendrites voisines moins bien orientées. Ceci entrave la croissance des dendrites mal orientées et seules celles parallèles au gradient thensiqus croissent rapidement. bes conditions de coulée influent sur la structure colomnaire étant donné qu'elles agissent sur les gradients thermiques ou les variations de composition 10 développées dans les moules. On peut citer parmi ces conditions de coulée : la surchauffe du métal, la température du moule au départ, l'utilisation de matières absorbant ou dégageant de la chaleur et la composition de l'alliage. Une variation des gradients thermiques dans la plage de formation de grains colomnaires eu -riasatiques influe également sur la structure de la pièce coulée. !c Si le gradient thermique est élevé, la grande vitesse d'extraction de la chaleur provoque une solidification rapide. En même temps, la couche relativement mince en surfusion réduit la longueur des dendrites pénétrant dans les masses fondues. Fendant la solidification, il doit se produire un transport massif de soluté entre les dendrites. Etant donné que la vitesse globale de solidification est 20 déterminée par la vitesse d'évacuation de la chaleur, les écarts des conditions de diffusion doivent être réduits pour réaliser une répartition convenable du soluté» On obtient ce résultat par une augmentation du nombre de dendrites, ce qui réduit les distances entre celles-ci. On a vérifié expérimentalement que, lorsque la vitesse de solidification augmente, l'espacement entre les dendrites 25 diminue : il est inversement proportionnel à la racine carrée de la vitesse de solidification. Les conséquences de ce facteur sont évidentes pour les structures colomnaires de grandes dimensions. Lorsque la distance de la paroi du moule augmente, l'espacement entre les dendrites augmente également. Ceci peut probablement être attribué 30 en partie à l'élimination des dendrites mal orientées* mais le facteur principal qui en est la cause est la diminution des gradients thermiques lorsque 1'intersurface "dendriie - masse fondue" se déplace à travers le moule. Des essais sur des pièces coulées à grains équiaxes et colomnaires indiquent que les pièces coulées colomnaires présentent des avantages marqués pour certaines 35 applications. !j* résistance mécanique -a malléabilité à haute température des structures cclaaiaires est en général supérieur? à celle des structures équiaxes, bad original, 71 34806 3 2112258 et peut être attribuée à l'apparition préférentielle d'inclusions de gaz aux emplacements des limites des grains. Dans le cas des structures équiaxes, les inclusions de gaz sont distribuées au hasard, en fonction des limites des grains. Cela entraîne des cassures intergranulaires associées à une très faible malléabi-5 lité. Avec la structure colomnaire, les limites des grains sont orientées parallèlement à la direction de croissance. Par conséquent, la porosité a une influence faible ou nulle sur la malléabilité. L'augmentation de malléabilité peut être attribuée à plusieurs facteurs. La ségrégation associée en général aux grains équiaxes est réduite par une solidification colomnaire. Les conditions 10 nécessaires à la formation des structures colomnaires sont identiques à celles nécessaires pour une répartition convenable. Par conséquent, le micro-retrait est presque complètement supprimé et on obtient une structure dendritiques de micro-porosité réduite. Cependant, la principale raison de l'amélioration de la malléabilité semble être l'élimination des limites de grains perpendiculaires 15 à l'axe des contraintes. Ceci élimine la rupture fragile habituelle du type intergranulaire et le taux de déformation peut être plus grand avant la rupture. La corrosion d'une structure colomnaire est par ailleurs inférieure à celle d'une structure équiaxe, principalement parce que la corrosion est tin phénomène intergranulaire et le nombre de limites de grains de la structure colomnaire est 20 très réduit par comparaison avec une structure équiaxe. La résistance à la corrosion est particulièrement marquée dans le cas de piècescoulées monocristallines, qui peuvent être considérées comme une forme particulière de grains colomnaires. De nombreux brevets concernent la production de structures et de pièces 25 coulées à grains colomnaires; on peut citer parmi eux le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 248 764. Pour la réalisation particulière décrite dans ce brevet, des écrans thermiques réfractaires sont utilisés pour agir sur la température des diverses zones à 1'intérieur^âe la cavité de coulée, de manière à créer des gradients thermiques à l'intérieur du moule pour obtenir les différences de 30 température nécessaires à l'intérieur du moule, au cours de la solidification, pour favoriser la fonnation de grains colomnaires. Un autre procédé de production d'une structure granulaire et d'orientation commandée des grains est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 376 915 et consiste en un refroidissement réglé du moule par réduction de l'énergie 35 d'alimentatoon de l'ensemble de chauffage à induction lorsque la solidification progresse, de manière à créer le gradient thermique nécessaire pour la production 71 34806 4 2112258 de pièces coulées colomnaires. Ces techniques antérieures, bien que produisant dans des conditions satisfaisantes des pièces coulées colomnaires sont nécessairement lentes et ne sont pas aussi précises qu'on le souhaiterait. 5 La présente invention met en oeuvre des procédés de refroidissement électro statique dans lesquels un champ électrostatique est appliqué entre une sonde pointue placée très près de la paroi extérieure du moule, mais non suffisamment près pour provoquer un jaillissement d'arc. Cependant, ces sondes peuvent être mises en place de manière à provoquer une décharge par effluves entre l'extrémité 10 pointue de l'électrode et la paroi du moule. La sonde est reliée à une source de haute tension négative, dont la borne positive est reliée au métal fondu à l'intérieur du moule. Des systèmes de refroidissement électrostatique pour diverses ambiances et pour diverses applications ont été décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N° 3 224 485 et N° 3 224 497. 15 La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés à la production de pièces coulées à grains orientés, par mise en oeuvre d'un champ électrostatique destiné à refroidir la paroi du moule, de manière à créer un gradient de température convenable pour une solidification orientée. Le champ électrostatique semble perturber la couche-limite en contact immédiat avec 20 l'extérieur du moule, si bien qu'on peut obtenir une très grande vitesse de refroidissement de manière parfaitement réglée, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un équipement coûteux et sans perte excessive de temps. Selon la présente invention, on peut utiliser des électrodes pointues pour créer un champ électrostatique de grande intensité entre la paroi du moule et le métal de la 25 pièce coulée. Ces électrodes sont reliées à une source de tension négative de 13 000 à 60 000 V, de préférence de 30 000 à 35 000 V, et sont espacées suffisamment de la paroi du moule pour éviter tout jaillissement d'arc. Un bloc d'alimentation convenable pour cet ensemble est une source d'électricité classique pour tubes à rayons X. Les électrodes sont placées le long de la ligne de solidifica-30 tion désirée. Le moule, qui est de préférence du type à carapace de céramique, produit par des procédés classiques et de précision de réalisation de moule avec formation d'empreinte, est placé dans une enceinte qui comporte un élément intérieur en graphite chauffé par des bobines à induction réglées individuellement. Ce moule 35 est ouvert à un bout et repose de préférence sur un bloc refroidisseur en cuivre ou en un autre métal bon conducteur de la chaleur. Le métal est coulé et chauffé 71 34806 5 2112258 à une température supérieure d'environ 57» o -G à sa cemperatare de fusion et le moule lui-même est réchauffé uniformément ou non urafornement à des températures un peu inférieures à la température de solidification du métal. On peut utiliser par exemple un moule réchauffé à 126G°C pour la. coulée d'un alliage de nickel 5 coulé à 1595°C. Quand le métal fondu pénètre daa.y le coule, il commence à se solidifier au contact du refroidisseur bon conducteur de la chaleur constitué par le bloc susmentionné. On poursuit le refroidissement par réduction sélective de l'alimentation en énergie des éléments chauffants entourants le moule. La entre formation des dendrites est réglée par les champs eieetrostatiquefappliqués/ les 10 diverses électrodes chargées négativement et le métal fendu chargé positivement. Ces électrodes chargées négativement sont mises sous tsision dans l'ordre à l'aide de la source de haute tension. Cette mise sous tension dans un ordre déterminé peut être réalisée manuellement ou à l'aide d'un mécanisme à programme classique qui met sous tension les électrodes suivant un programme minuté. Le refroidisse-15 ment provoqué par le champ électrostatique peut être accru en faisant passer un gaz réfrigérant au contact des parois du moule. Ces courants de gaz de refroidis-, sement évacuent la chaleur de la pièce coulée dans les zone3 où les perturbations de la couche-limite permettent de réaliser un transfert de chaleur très intense. On produit ainsi/spièces coulées colomnaires à grains orientés en une petite 20 fraction du temps nécessaire aux procédés de réalisation connus,de pièces coulées colomnaires. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre illustratif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme 25 à l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 représente schématiquement l'ensemble de coulée selon l'invention ;et la figure 2 est une vue en plan de 1'ensemble de moule représenté sur la figure 1. 30 Sur la figure 1, la référence 10 désigne un ensemble de coulée pour un groupe de moules 11, quatre de ces moulea dans la réalisation particulière représentée, bien que la présente invention soit applicable à un nombre cjueleonque de moules. Les moules 11 sont réalisés en une matière céramique relativement poreuse et sont en général produits par des procédés de coulée classiques par formation d'empreinte, 35 tels que le procédé par "cire perdue". Le groupe de noulsa '1 repose sur un bloc refroidisseur 12 en cuivre ou en un autre ,:;éitl bon conducteur de la chaleur. Le 71 34806 6 2112258 bloc refroidisseur en cuivre 12 peut comporter des moyens additionnels de transfert de la chaleur, par exemple des tuyaux de circulation d'eau etc., comme connu. Le refroidisseur 12 repose lui-même sur un support 13 en matière céramique réfractaire. 5 Le métal fondu en provenance d'une source convenable est coulé dans un trou de coulée 14 du groupe de moules puis est dirigé par des rigoles 15 vers les cavités de moulage séparées 16, Dan3 la forme particulière de l'invention représentée aux dessins annexés, les cavités de moulage 16 sont destinées à couler des aubes de moteur. 10 Un élément intérieur 17 en graphite entoure le groupe de moules 10. Une série d'éléments 18 de chauffage par induction en forme de disque, et séparés, entoure le revêtement intérieur 17 et sont séparés les uns des autres par des pièces d'espacement en céramique 19. Plusieurs électrodes pointues numérotées 20 à 28 traversent les pièces 15 d'espacement 19 et des trous convenablement aménagés dans l'élément intérieur 17. Ces électrodes sont placées très près des parois extérieures des moules 11 mais par suffisamment près pour courir le risque d'un jaillissement d'arc. Cependant, on peut créer un champ d'intensité suffisante pour qu'une décharge par effluves \ jaillisse entre l'extrémité pointue de l'électrode et la surface de la paroi 20 du moule. Les électrodes 20 à 28 sont orientées dans la direction suivant laquelle la solidification orientée doit se produire. Dans le cas présent, cette direction est parallèle au grand axe d'une aube à couler. Pour simplifier, on a représenté les électrodes en place dans des plans, mais on peut utiliser un nombre quelconque d'électrodes formant une figure géométrique quelconque pour provoquer à coup sûr 25 les phénomènes de refroidissement électrostatique désirés. Les électrodes 20 à 28 sont montées de manière à être mises sous tension dans un ordre déterminé, à partir du fond du moule, par la borne négative d'un bloc d'alimentation haute tension 29 à faible courant. Pour obtenir ce résultat, la borne négative du bloc d'alimentation 29 est reliée par un conducteur 30 à 30 une came 31 entraînée par un moteur classique 32 de mécanisme à programme. La came 31 ports une lame de commutation 33 qui vient en contact avec plusieurs contacts fixes 34 à 42 qui sont reliés respectivement aux électrodes 20 à 28. La came 31 est réalisée de telle manière que la lame 33 séjourne pendant un temps déterminé sur chacun des contacts 34 à 42, créant ainsi un champ électro-35 statique entre 11 extrémité 'de l'électrode sous tension et la paroi du moule 11. La cane 31 commandée par le mécanisme à programme réalise ainsi une série prograaaée BAD ORIGINAL 71 34806 7 2112258 de mise sous tension des électrodes, provoquant un refroidissement électrostatique pendant des intervalles de temps prédéterminés, des parois des cavités des moules. La borne positive du bloc haute tension 29 est reliée par un conducteur 43 à une électrode 44 qui est placée dans le métal fondu contenu dans le trou de 5 coulée 14 du moule. On peut réaliser un refroidissement additionnel par injection de gaz de refroidissement par des conduites 45, de manière à balayer les parois en cours de refroidissement du moule. Dans le cas de métaux non réactifs, on peut utiliser de l'air comme gaz de refroidissement, mais quand les métaux sont très réactifs, 10 on peut utiliser un gaz inerte tel que l'argon ou l'hélium. Les courants de gaz de refroidissement entraînent la chaleur provenant de la pièce coulée dans les zones où la couche-limite est déformée par le champ électrostatique, ce qui permet de réaliser un transfert de chaleur très intense. A mesure que le refroidissement progresse, on peut augmenter l'intensité 15 du refroidissement par le champ électrostatique et les courants de gaz, si on le désire, en agissant individuellement sur l'alimentation des bobines d'induction 18. En associant le refroidissement électrostatique, un courant de gaz et une réduction de l'énergie alimentant les bobines, on peut réaliser le refroidissement maximal dans une région donnée du moule. 20 Grâce à la présente invention, les durées des cycles de refroidissement d'une pièce coulée pour réaliser une croissance orientée des grains sont réduites à une petite fraction du temps nécessaire pour obtenir le même résultat par les procédés actuellement connus. Le refroidissement peut être réglé de manière très précise pour obtenir exactement la vitesse convenable de refroidissement pour 25 une croissance optimale des grains avec un risque minimal de détérioration de la coulée finie. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre illustratif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de recevoir diverses variantes sans sortir de son cadre. 71 34806 s 2112258 REVENDICATIONS 1. - Procédé de réalisation de pièces coulées à solidification orientée, caractérisé en ce qu'il comprend la, mise en oeuvre d'un moule en céramique, le réchauffage dudit moule à température élevée, la coulée d'un métal fondu dans 5 ledit moule, la mise en place de plusieurs électrodes orientées dans la direction où la croissance des grains doit se produire et la mise sous tension dans un ordre donné desdites électrodes par la borne négative d'une source de courant continu haute tension pour provoquer un refroidissement électrostatique de la pièce coulée. 10 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie la borne positive de ladite source au métal fondu placé dans ledit moule. 3. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence de potentiel entre lesdites électrodes et ledit métal fondu est suffisante pour faire jaillir une décharge par effluves entre eux. 15 4. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer tin gaz de refroidissement le long des parois dudit moule pendant ce refroidissement électrostatique. 5. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont mises sous tension dans un ordre et suivant un programme prédé- 20 terminés. 6. - Appareil pour orienter la solidification d'une masse fondue, caractérisé en ce qu'il comprend un moule ouvert à un bout, un bloc refroidisseur fermant l'extrémité ouverte dudit moule, un ensemble de chauffage par induction entourant ledit moule, plusieurs électrodes orientées dans la direction désirée de croissance 25 du grain et un dispositif appliquant une tension négative élevée à chacune desdites électrodes suivant Tin programme établi. 7. - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour appliquer une tension positive au métal fondu placé dans ledit moule. 30 8. - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à programme pour mettre sous tension lesdites électrodes dans un ordre prédéterminé. 9. - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour diriger un gaz de refroidissement sur les parois du moule.