Brevet FR2159446A1 — publié le 19730622

La présente invention concerne la fabrication de pièces métalliques coulées à grains fins et un procédé pour contrer la taille dee grains des pinces coulées telles que celles formées par coulage de précision dans des moules à manteau réfractaire ou à la cire perdue. bd brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 019 497, 10. 3 157 926 et No. 3 259 948 décrivent l'utilisation de cataly seurs de nucléatien, tels que l'oxyde de cobalt, l'oxyde de nickel, l'aîuiinate de cobalt le silicate de cobalt et similaires pour préparer des pièces coulées métalliques à grains fins par coulage de précision. On peut appliquer le catalyseur ou l'agent de nucléation sous forme d'un revêtement sur le modèle éliminable à chaud pour qu'il soit transféré sur la surface du ioule réfractaire constitué à partir du modèle, avant que le modèle éliminable soit éli miné du moule pour laisser une cavité dans laquelle on coule le métal fondu.On peut également incorporer le catalyseur de nucléa tison dans la matière réfractaire dont on humecte tout d'abord le modèle pour former une partie de la surface du moule autour de la cavité après éliiination du modèle éliminable. Comme décrit dans les brevets précités, ces catalyseurs de nu cléation, tels que désignés dans ces brevets, accélèrent la cris tallisation en formant des germes sur lesquels les cristaux peuvent commencer à se développer avant iSie que le létal fondu soit passé par l'état métastable. Ceci augmente le nombre des germes sur lesquels les cristaux se forment et conduit à une diminution correspondante de la taille des grains. La taille finale des grains obtenus dépend de la vitesse relative de la nucléation spontanée et de la croissance cristalline. Si la nucléation est rapide par rapport à la croissance cristalline, la pièce coulée a des grains fins. Si la croissance cristalline est rapide par rapport à la nucléation, la pièce coulée comporte des grains plus gros. Pour de nombreuses utilisations on désire réaliser une pièce métallique coulée composite, dont la taille des grains varie d'une partie à l'autre. Par exemple, dans une aube de turbine ou un profil aérodynamique, il est souhaitable que toutes les portions de l'aube autres que le bord d'attaque aient une taille de grains si- tuée dans la gemme comprise entre des grains discernables et des grains de 3 fl et que le bord d'attaque ait une taille des grains située dans la gamine d'au moins 0,4 à 3 mon. Les facteurs qui in fluencent la taille des grains tels que la vitesse de refroidissement, la température du moule, la température de coulée, la composition et la masse de l'alliage sont séparément ou en combinaison, insuffisants pour contrôler la taille des grains, et difficiles à utiliser. La présente invention a pour obJet un procédé et un dispositif pour contrôler la taille des grains dans des pièces métalliques coulées, ainsi qu'un procédé et un dispositif pour produire des pièces coulées à la cire perdue ou en manteau permettant de contrôler la taille des grains bien qu'elle ne soit pas la mSme dans toutes les parties de la pièce coulée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés qui représentent à titre non limitatif des modes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 représente une coupe d'un modèle pour fabriquer une aube, avant application de la première composition de revete- ment au trempé; la figure 2 représente un coupe semblable à celle de la figure 1 dune aube après application de la première composition de re vastement au trempé; la figure 3 représente une coupe semblable à celle des figures 1 et 2 avant application de la seconde composition de revêtement au trempé; et la figure 4 représente une coupe semblable à celle des figures 1 à 3 après application de la seconde composition de revête- ment au trempé. L'activité des agents de nucléation varie avec l'importance ou la vitesse de la nucléation. Donc, en choisissant de façon appropriée l'agent et la composition de nucléation et en répartissant de façon appropriée la composition de nucléation, on peut contrAler la taille des grains dans diverses parties de la pièce métallique coulée, la taille des grains variant entre ces parties. Bien qu'on-puisse réaliser la répartition désirée des compo- sitions de nucléation d'activité variable en revêtant les parties choisies du modèle éliminable de la composition pour qu'elle soit transférée sur la surface délimitant la cavité du moule rdfractai- re, il est préférable pour augmenter l'activité et obtenir un meilleur contrble d'utiliser les agents de nucléation incoulants dans la matière réfractaire dont on revêt tout d'abord le modèle élimi- ralle pour préparer le moule à manteau ou à cire perdue réfractaire0 On désire donc réaliser un moule à manteau ou à cire perdue en ratière réfractaire qui est inoculé dans des parties de sa sur face avec des agents de nucléation dont la composition diffère dans le. diverses parties de la surface du moule de façon à contrôler la taille des grains dans la pièce métallique coulée qui y est fermée. Salivant l'invention on on réalise ceci en préparant des composi- tions différentes de revêtement au trempé dans lesquelles la com- position des agents de nucléation varie. Le modèle éliminable en cire ou autre matière est ensuite humidifié avec chacune des coipo- litions différentes de revêtement au trempé et uniquement après que la surface qui ne doit pas être humidifiée par la première com- position ait été bloquée par un revêtement protecteur approprié, empêchant la suriace sous-::acente d'être humidifiée par la première composition de revêtement au trempé et uniquement après que les surfaces à humidifier par la seconde composition de revêtement au trempé aient été débloquées par élimination du revêtement après que le revêtement formé par la première composition de revêtement au trempé ait été suffisamment séché et avant trempage dans la se conde composition de revêtement au trempé, etc..On peut donc appliquer deux, trois ou quatre compositions de revêtement au trempé différentes pour former un revêtement initial de matière rdfractai- re sur les portions choisies du modèle éliminable. I1 convient de noter que la seconde composition de revêtement au trempé constitue un second revêtement sur la portion humidifiée à l'origine par la première composition de revêtement au trempé, main ne constitue que le premier revêtement de la surface du modèle qui est exposée pour la première fers. De façon semblable, lorsqu'on utilise une troi noème composition de revêtement au trempé, elle iorme un troisième revêtement sur la surface humidifiée avec la première composition de revêtement au trempé, et la seconde composition de revêtement a trempé et un premier revêtement sur la surface découverte après séchage suffisant de la seconde composition de revêtement au trempé. L'invention est particulièrement utile dans le moulage de prd- cision en manteau de superalliages tels que les alliages à teneur élevée en nickel ou en cobalt ou' le manteau de matière réfractaire constitue une partie ou la totalité du moule réfractaire. En général, la technique utilisée pour réaliser ces pièces coulées implique la réalisation d'un modèle pouvant être agrandi de la pièce à mouler, puis le revêtement du modèle avec une bouil- lie réfractaire durcissable qu'on appelle un revêtement au trempé, pour former un manteau réfractaire autour du modèle, puis le stuca- ge avec des particules réfractaires alors que le revêtement an trempé est encore humide.Lorsque le revêtement au trempé et le stuc ont séché, on répète plusieurs fois le traitement jusqu'à ce qu'on ait obtenu un manteau réfractaire ayant l'épaisseur et la résistance désirées autour du modèle de moulage. Enuite,on éli- mine le modèle par fusion et écoulement, ou en chauffant le manteau réfractaire, puis on coule le métal fondu dans le manteau préchauffé à température élevée, après quoi on laisse refroidir le moule rempli Jusquti ce que le métal fondu dans le manteau soit solidifié. Un mode particulier de l'invention va maintenant être décrit relativement à l'utilisation dune technique de moulage en manteau pour la fabrication d'aubes de turbine, comme illustré par les fi- gures. Une aube de turbine est une pièce coulée en alliage à teneur élevée en nickel ou en cobalt devant avoir une taille de grains comprise entre des grains discernables et 3 mm sauf pour le bord d'attaque ou' la taille des grains doit être comprise dane la gamme de 0,4 à 3 mi. Pour cela, on utilise les trois compositions de revêtement au trempé suivantes s - Composition de revêtement au trempé Â 8 000 ml de silice colloldale ( 30 % - densité 1,198) 157 kg de zircone (passant à 99 % au tamis de 0,044 mn d'ouverture de mailles) 6 150 ml d'eau 110 g de fluorure de sodium - Composition de revêtement au trempé B La composition de revêtement au trempé B est identique à la composition A et contient de plus 400 g d'oxyde de cobalt et 500 g d'alumine. - Composition de revêtement au trempé C La composition de revêtement au trempé C est identique à la composition A et contient de plus 500 g d'oxyde de cobalt. On recouvre les bords attaque 10 du modèle en cire 12 d'aube de turbine, avec des bandes étroites 14 de ruban adhésif. On plonge ensuite l'ensemble du modèle dans la bouillie correspon dant à la composition de revêtement au trempé B contenant l'oxyde de cobalt et l'alumine comme agents d'inoculation. On laisse s'é- goutter et sécher l'ensemble du modèle. Lorsque le revêtement 16 est suffisamment séché, on retire les rubans 14 pour exposer la surface 18 du modèle de cire correspondant au bord d'attaque des aubes. On plonge le modèle dans la composition C de revtement au trempé contenant l'oxyde de cobalt comme agent de nucléation, et formant le premier revêtement au trempé 20 vis-à-vis du bord d'at- taque 18 des aubes fraîchement découvert et le second revêtement a trempé sur le reste de l'aube qui a été préalablement revêtu de la compo.ition de revêtement au trempé B. On stuque l'ensemble du modèle de façon habituelle, on le sè- che et en replète le revêtement au trempé, le stucage et le séchage plusieurs fois, jusqu'à ce qu'on ait réalisé une enveloppe ayant l'épaisseur et la résistance désires autour de l'ensemble du modèle et en utilisant de préférence pour les couches suivantes, la composition de revêtement au trempé À sans agent de nucléation, bien que on puisse utiliser ît'me eu l'autre des couperitions B ou C. La quantité d'agent de nucléation dépend dans une certaine ;esure de la taille des grains qu'on désire donner à la pièce cou lée. On peut obtenir l'effet désiré en utilisant des concentrations aussi faibles que 10 g/l d'oxyde de cobalt ou d'oxyde de cobalt et d'alumine. Bien qu'on puisse utiliser plus de 300 g/l de chaque composant, l'utilisation de concentrations aussi éle- vies augmente le coat et ntapporte que peu d'avantages.Dans cette gamme, on préfère utiliser chacun des composants de nucléation des compositions de revêtement au trempé à une concentration com- prise entre 30 et 100 g/l de composition de revêtement au trempé. Lorsque le manteau de céramique a été réalisé avec une épais seur et une résistance appropriées par revêtement au trempé et tuc*ge répétés, on cuit l'ensemble à une température d'environ 98OC pour fondre le modèle de façon à ce qu'il s1 écoule du moule ou peur brayer les matières résiduelles éventuelles et pour en même temps durcir le moule réfractaire. Le moule est alors prêt à recevoir dans sa cavité le métal fondu. Avant coulée, oh chauffe ou on réchauffe le moule à tespéra- ture élevée, normalement 280 à 4500C en-dessous de la température de coulée et on verse le métal fondu dans la cavité du moule, de préférence sous atmosphère inerte, par exemple sous vide ou en présence dtun gaz inerte. Ensuite, on laisse refroidir le moule. On obtient une aube ayant la taille de grains désirée dans le bord d'attaque et dans la partie restante. Des essais pour obtenir des résultats équivalents ou augeen- ter la taille des grains de la totalité de l'aube pour obtenir des grains de 0,4 Mm, par exemple par élévation de la température de coulée du métal ou du moule et l'utilisation de divers revête- ment s de nucléation au trempé uniques échouent ou sont difficiles. Les grains ont tendance à grossir en formant une structure en colonnes dans le bord d'attaque et le rayon de courbure du bord de fuite de l'aube. Bien qu'on puisse utiliser d'autres techniques pour disposer des agents de nucléation de composition différente dans diverses portions de la couche réfractaire délimitant la cavité du moule, il est évident que le procédé décrit permet de déterminer de façen précise les portions du modèle recouvert par les divers revetements inoculés avec les agents de nucléation désirés et de réaliser un contrôle très exact de la taille des grains dans la pièce métallique coulée formée. Bien entendu, les compositions de revêtement au trempé peuvent contenir d'autres agents de nucléation pour réaliser l'inoculation désirée du revêtement réfractaire dans la face de la cavité du moule, et on peut utiliser d'autres techniques pour appliquer ces diverses compositions de revêtement au trempé en réalisant un premier revêtement autour de diverses sections des modèles et procéder à des changements dans les détails des compositions et des stades opératoires et on peut utiliser de nombreuses autres variantes accessibles à lXho=se de l'art suivant les applications envisagées, sans pour cela s'écarter de l'esprit de ltInvention. - REVENDICATIONS - 1.- Procédé pour préparer des pièces métalliques coulées à grains fins présentant une variation contrdlde de la taille des grains dans une section par rapport à Me autre, caractérisé en ce qu'il consiste à former la portion de surface du moule dans lequel en cule la pièce coulée en utilisant un catalyseur de nucléation différent dans une section par rapport aux autres en ce qui concerne la cospesition et/ou la concentration. 2.- Procédé de fabrication suivant la revendication 1, de pièces métalliques coulées à grains fins ayant des variations contrôlées de la taille des grains entre leurs parties, dans lequel oi ferme les portions de la surface du meule avec des catalyseurs de ncléation différents d'une section à l'autre et caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une première composition de revêtement au trempé avec des catalyseurs de nucléation ayant une composition douée, à utiliser une seconde composition de revêtement au trempé avec des catalyseur. de nucléation différents de ceux de la premier re composition de revêtement au trempé en ce qui concerne la compo- giton et/eu la concentration, à bloquer des portions d'un modèle élimimable, à humidifier les surfaces du modèle avec la première composition de revêtement pour revêtir les surfaces non bloquées du modèle, à débloquer au moins une partie des portions du modèle qui ont été préalablement bloquées pour faire apparattre des portien du modèle qui ne sont pas revêtues de la première composition de revêtement au trempé, à humidifier la surface du modèle avec la seconde composition de revêtement au trempé pour réaliser un second revêtement sur la portion préalablement revêtue et un premier revê- testent sur les parties débloquées du modèle de façon à obtenir une surface de moule dont une partie contient les catalyseurs de nu cléation de la première composition de revêtement au trempé et les autres parties contiennent les catalyseurs de nucléation de l'autre composition de revêtement au trempé. D.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce quil comporte un séchage après le revêtement du modèle avec une des compositions de revêtement au trempé et avant le revêtement avec la seconde composition de revêtement au trempé. 4.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on bloque la portion de modèle en la trempant. 5.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on humidifie le modèle par trempage dans les compositions de revêtement au trempé. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'on laisse s'égoutter l'excès de composition de revêtement au trempé du modèle avant séchage. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce coulée est constituée d'un métal choisi parmi un superalliage y compris les alliages à base de cobalt ou de nickel. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on choisit les catalyseurs de nucléation parmi le cobalt, le nickel et l'alumine sous forme de leurs oxydes,aluminates ou silicates et leurs mélanges. 9.- Moule à manteau réfractaire, caractérisé en ce qu'on lXa préparé suivant le procédé de l'une quelconque des revendications 1 d 8 peur couler un métal ayant une structure de grains contrée dont la taille des grains varie d'une section à l'autre, la surface du moule en manteau dtune section contenant des catalyseurs de nucléation et l'autre section contenant des catalyseurs de nucléation différents de ceux de la première section en ce qui concerne la concentration et/ou la composition. 10.- Moule à manteau réfractaire suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les catalyseurs de nucléation sont incorporés dans les matières céramiques constituant la surface du moule dans lequel on coule le métal fondu. 11.- Moule à manteau réfractaire suivant l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la pièce coulée qu'on y réalise est constituée d'un métal choisi parmi un superalliage et les alliages à base de cobalt eu de nickel. 12.- Moule à manteau réfractaire suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractdrisé en ce quson choisit les ca catalyseurs de nucléation parmi le cobalt, le nickel ou l'alumine sous forme de leurs oxydes, aluminates ou silicates et leurs mélan gels. 13.- Modèle éliminable pour préparer un moule réfractaire selon ltune quelconque des revendications 9 à 12 ,caractérisé en ce qu'il comporte un premier revêtement sur certaines de ses portions contenant des catalyseurs de nucléation ayant une composition et ue premier revêtement sur d'autres portions contenant des cataly- saura de nucléation différent des catalyseurs de nucléation de la première portion en ce qui concerne la concentration et/ou la con- position 14.- Modèle suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le premier revêtement de la première composition est recouvert d'un revêtement de la seconde composition. 15.- Modèle suivant l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que les revêtements contenant les catalyseurs de nucléation contiennent une matière céramique formant la surface intérieure du meule oh l'on coule le métal fondu. 16.- Modèle suivant lune quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les catalyseurs de nucléation sont choisis parmi le cobalt, le nickel et l'aluminium sous forme de leurs oxydes, aluminates ou silicates et leurs mélanges.