Brevet FR2367565A1 — publié le 19780512

La présente invention concerne le moulage de précision de pièces métalliques et, elle a trait plus particulièrement, a un procédé pour l'btention d'une pièce coulée essentiellement non poreuse résultant du réglage de la solidification de la pièce. Un procédé largement utilisé pour la production de pièces couleesde précision est le procédé dénommé procédé de moulage à la cire perdue ou moulage de précision avec modèle perdu. En général, ce procédé comprend tout d'abord la réalisation d'un modèle précis dilatable en un matériau, tel que la cire, que l'on peut éliminer par fusion, vaporisation, ou dissolution. Un tel modèle reproduit de façon précise le contour de la pièce a mouler Généralement, un moule pour le moulage de précision est formé à partir d'un tel modèle en recouvrant ou en revêtant le modèle avec une série de minces couches ou revêtements d'une barbotine, généralement une céramique, dont les premiers revêtements sont fréquemment de texture plus fine pour assurer un fini de surface lisse. Ensuite, on applique des couches supplémentaires du matériau du moule pour obtenir llépaisseur voulue pour la paroi du moule. On a reporté que la taille et la fréquence des grains d'un moulage réalisé dans un tel moule, peut être réglé par l'inclusion dans le garnissage du moule, généralement réalisé par le premier revêtement appliqué au modèle, d'un catalyseur de germination, par exemple, un métal compatible sous forme de poudre ou un oxyde réductible tel que de ltoxyde de cobalt. Ainsi, lorsqu'on dépose le métal fondu dans le moule, le catalyseur amorce, lors de la solidification, la formation d'un ensemble de grains métalliques relativement fins à la surface du garnissage, de sorte que le moulage possède une structure de grain relativement fine. Un procédé de moulage d'une telle pièce est décrit dans le brevet des Etats Unis NO 3.158.912. Bien que l'on ait prévu dans les moulages de précision une telle germination grains fins, les pièces coulées métalliques présentent généralement un certain taux de porosité, de microfissures et de criques internes qui peuvent être provoqués par des différences thermiques entre le métal et le garnissage du moule. Par suite, ce sont les surfaces adjacentes aux parois du moule et adjacentes aux surfaces de tout noyau qui aurait pu être inclus dans le moule qui se solidifient en premier. Le métal entre ces surfaces se solidifie après. I1 s'ensuit que la zone centrale de la pièce coulée entre ces surfaces est moins dense que le métal au niveau de ces surfaces et peut comporter des Porosités et des microfissures. Bien que l'on puisse tolérer un certain taux de porosités dans les pièces coulées, pour les applications sous contraintes et températures élevées telles qu'on pourrait les rencontrer dans un moteur à turbine à gaz, il est souhaitable d'éliminer cette poro sité, ces microfissures etc... En conséquence, on a developpé un procédé, parfois dénommé compression isostatique à chaud (CIC), qui comprend l'application concurrente à une pièce coulée de chaleur et de pression afin de comprimer et de lier par diffusion des parois des pores et des discontinuités. Un tel procédé est décrit dans le brevet des Etats Unis NO 3.758.347. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé perfectionne pour éliminer la porosité durant la coulée et la solidification d'une pièce devant inclure un ensemble de grains relativement fins. On atteint ces buts, selon une forme de la présente invention, en réalisant un moule pour le moulage de précision avec modèle perdu qui comprend une surface de garnissage incluant un catalyseur de germination approprié pour le métal que l'on prévoit être coulé dans ce moule, et ensuite la solidification du métal fondu dans le moule tout d'abord à partir d'une partie de base et ensuite progressivement vers le haut à travers le moule tandis que le catalyseur de germination dans la surface de garnissage amorce la formation d'un ensemble de grains métalliques relativement fins à la surface de garnissage, tout d'abord à la partie de base et ensuite progressivement à travers le moule au-dessus de cette partie de base. Le procédé de la présente invention combine plusieursprocéds connus qui jusqu'à présent n'avaient pas été utilisés pour obtenir une pièce perfectionnée que l'on ne pouvait obtenir jusqu'à présent que par des traitements successifs. Une de ces technologies est celle relative au procédé de moulage à la cire perdue ou moulage de précision avec modèle perdu indiqué ci-dessus pour la réalisation de pièces coulées précises. Une autre de ces technologies est l'utilisation d'un catalyseur de germination dans le garnissage du moule pour amorcer la formation d'un ensemble de grains relativement fins à la surface du garnissage. Qn a pour la première fois combiné ces technologies avec la technologie de l'évacuation unidirectionnelle de la chaleur à partir du métal fondu, utilisée pour engendrer dans les pièces coulées-métalliques des grains allongés, orientés suivant une seule direction ou des structures de grains uniques. Plusieurs procédés pour cette évacuation unidirectionnelle de la chaleur ont été décrits dans diverses références telles que par exemple les brevets des Etats-Unis NO 3.248.764, 3.376.915 et 3. 897.815. Ces brevets et des références similaires ont pour objet de supprimer la croissance des grains à partir des parois latérales du moule et de promouvoir la croissance d'un très petit nombre de grains qui s'amorcent à la base du moule. Ces grains croissent progressivement et essentiellement vers le haut de façon unidirectionnelle à travers le moule au fur et à mesure que le métal fondu coulé dans le moule se solidifie progressivement sous l'effet de cette évacuation unidirectionnelle de chaleur. On a trouvé de façon tout à fait inattendue selon la présente invention, que 11 introduction d'un catalyseur de germination dans le garnissage du moule, en même temps que la mise en oeuvre d'un procédé qui provoque la solidification progressive du métal fondu à partir de la base du moule vers le haut du moule, conduisait à une pièce ayant une ensemble de grains relativement fins quelque fois dénommé structure "equiaxet comparée à la structure à solidification orientée, sans porosité, microfissures, ou criques etc. On pense qu'une telle structure de coulée, que l'on ne pouvait obtenir jusqu'à présent que par des procédés du type compression isostatique à chaud, résulte de la- combinaison de la solidification progressive et de la germination concurrente. Le procédé de la présente invention élimine des gradients theDiiges entre le métal fondu qui se solidifie et la paroi du moule ou les parois des noyaux de céra- mique que l'on peut utiliser, ainsi que des gradients thermiques dans le métal qui se solidifie lui-même.La mise en oeuvre d'un tel procédé élimine la nécessité de traitement ultérieur, tel que le traitement par compression isostatique à chaud utilisé couramment pour obtenir des moulages fins par élimination des discontinuités structurales. Lors de l'évaluation de la présente invention, on a utilisé le procédé bien connu de moulage à la cire perdue pour réaliser un moule pour le moulage de précision d'une aube de turbine de moteur à turbine à gaz en appliquant un ensemble de revêtements de céramique utilisés normalement, disponibles dans le commerce déposés par trempage avec des séchages intermédiaires appropriés sur un modèle précis en cire. Le premièr revêtement comprenait de l'oxyde de cobalt finement divisé qui servira de catalyseur de germination. Ce procédé de fabrication de moule est bien connu dans la technique et est par exemple décrit dans les brevets des Etats Unis 3.158.912 et 3.019.497 et 3.157.926. On réalisait ainsi un moule pour le moulage de précision avec modèle perdu ayant des parois définissant une partie supérieure à travers laquelle on introduit le métal fondu et une partie de moulage destinée à reproduire sous forme drune pièce coulée la configuration du modèle et une partie de base du mpule, le moule ayant une surface de garnissage qui comprenait un catalyseur de germination. On a utilisé avec un tel moule l'appareil décrit dans le brevet des Etats Unis NO 3.897. 815 pour couler une pièce selon le procédé décrit dans ce brevet avec une vitesse d'enlèvement de 152,4 cm/h sous vide. Comme indiqué ci-dessus, la configuration du moule était celle d'une aube de turbine de moteur à turbine à gaz.L'alliage utilisé était un superalliage à base de nickel, quelque fois désigné comme alliage René 80 et décrit dans le brevet des Etats Unis NO 3 615.376. Dans une autre série d'essais d'évaluation, on a utilisé l'alliage René 80 dans le même type de moule avec catalyseur de germination, mais avec un cône de céramique utilisé pour la production commerciale d'aubes de turbine. Dans cet exemple, la vitesse d'enlèvement était de 508 cm/h, la température d'environ 14800C et le gradient thermique ou front de solidification d'environ 900C par 25,4 mm. Après avoir préparé ces pièces coulées, on les a examinées et on a déterminé que leur structure était saine, sans pores ni vides internes etc. Ainsi, il résulte de la combinaison unique du procédé de la présente invention une pièce coulée avec précision saine que l'on a obtenu d'une manière unique, efficace et économique. R E V E N D I CA T I O N S 1. Procédé pour fabriquer une pièce métallique par moulage de précision avec modèle perdu, caractérisé en ce qu'il consite à réaliser un moule pour le moulage de précision qui comprend une surface de garnissage incluant un catalyseur de germination pour le métal prévu pour être coulé dans le moule ; à déposer du métal fondu dans le moule et ensuite à solidifier le métal fondu progressivement å travers le moule, la catalyseur de germination dans la surface de garnissage du moule amorçant progressivement la formation d'un ensemble de grains métalliques relativement fins à la surface de garnissage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moule pour le moulage de précision avec modèle perdu comprend des parois délimitant une partie supérieure, une partie de moulage de la pièce et une partie de base ; le catalyseur de germination est inclus au moins dans la-surface de garnissage de la partie de moulage de la pièce, le métal fondu est introduit dans le moule à travers la partie supérieure,et le métal fondu est solidifié dans le moule tout d'abord à partir de la partie de base ensuite progressivement vers le haut à travers la partie de moulage de la pièce le catalyseur de germination dans la surface de garnissage amorçant la formation d'un ensemble de grains métalliques relativement fins à la surface de garnissage, premièrement à la partie de base et ensuite progresseivement à travers la partie de moulage de la pièce. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la solidification du métal fondu s'effectue par enlèvement de chaleur du métal fondu dans le moule premièrement de façon prédominante à la partie de base et ensuite de façon prédominante à travers les parois du moule progressivement vers la haut à partie de cette partie de base.