Brevet FR2443302A1 — publié le 19800704

La présente invention concerne le domaine de la fonderie et a notamment pour objet un procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation ou solidification orientée, par exemple d'ailettes de turbines à gaz ou d'aimants permanents, dans les conditions de la fabrication en masse. On connaît des procédés de fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée à partir d'un bain de métal, comprenant le chauffage du moule jusqu'à une température dépassant le point de fusion du métal, la fusion du métal, le remplissage de la cavité du moule par le metal et le refroidissement du moule par mise en contact avec la surface refroidie d'un élément cristalliseur (voir, par exemple, les brevets américains nC3 008 855, dans la classe 22-196 de 1961, et n02 951 272 dans la classe 164-127 de 1960). On connatt aussi le brevet anglais n01 269 833 (classes B22d 27/04, F27b 9/12, B22d 23/06) publié le 6.4.72, ayant pour objets un procédé et un dispositif pour la fabrication de moulage à cristallisation orientée dans des moules mobiles. Ce brevet prévoit la réalisation d'une sole rotative unique, sur laquelle sont fixés, suivant sa circonférence, des moules qui défilent à travers une zone de cristallisation. Dans cette zone, un élément chauffant crée un champ thermique décroissant dans le sens de défilement des moules. Pour le refroidissement forcé des moules fixés sur la sole rotative, un courant de liquide de refroidissement est amené aux parties de la sole rotative qui entrent en contact avec les extrémités inférieures des moules. Un dispositif ainsi conçu présente l'inconvénient que le moule ne peut être chauffé sur toute sa surface jusqu'à une température supérieure au point de fusion du métal; notamment, sa partie inférieure de base en contact permanent avec la surface refroidie de ltelement cristalliseur, est insuffisamment chauffée. Ceci complique à l'extrême la mise en oeuvre d'un procédé plus simple prévoyant l'exécution combinée de la fusion et de la coulée du métal avec chauffage du moule, car il faut dans ce cas surchauffer le métal liquide jusqu'à une température dépassant notablement la température de chauffage du moule, ce qui est trop difficile à réaliser dans le moule lui-même simultanément avec son chauffage. Un autre inconvénient notable du dispositif de conception connue consiste en ce que, lorsqu'on l'utilise pour fabriquer des moulages de hauteur inférieure à une valeur déterminée, l'efficacité et le débit du four diminuent par suite de la réduction de l'étendue du champ thermique participant activement au processus de cristallisation. Un inconvénient réside dans le fait que le transfert rotatif de moules rigidement fixés complique considérablement le processus et la conception du système de sassage des moules quand il est nécessaire que la cristallisation orientée se fasse sous vide, ce qui est toujours le cas actuellement vu l'extrême oxydabilité des alliages employés pour les ailettes de turbines. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués et de créer un procédé et un dispositif perfectionnés pour la fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée. On s'est proposé pour cela de modifier le système d'interaction thermique des moules avec les zones de chauffage et de refroidissement du dispositif, de façon à obtenir des moulages à structure améliorée, de pair avec un rendement accru du dispositif. La solution consiste en un procédé de fabrication de pieces moulées à cristallisation ou solidification orientée, comprenant le chauffage du moule jusqu a une température supérieure au point de fusion du métal, le remplissage de la cavité du moule par le métal, le défilement du moule contenant le métal liquide à travers la zone de cristallisation du four créant un champ thermique décroissant dans le sens de défilement du moule, et le refroidissement final du moule avec le métal, caractérisé en ce que, avant le remplissage de la cavité du moule par le métal, le moule est chauffé suivant toute sa surface, y compris sa partie inférieure de base, cette partie inférieure de base n'étant mise en contact avec la surface refroidie qu'après l'entrée du moule dans la zone de cristallisation où est créé le champ de chauffage décroissant mentionné. Une telle solution technique permet de délimiter strictement le stade de préchauffage du moule et son refroidissement au cours de la cristallisation, ainsi que d'assurer un chauffage uniforme de la cavité du moule suivant toute sa surface. Suivant l'une des variantes de réalisation de l'invention, le procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée est caractérisé en ce que les opérations indiquées sont exécutées simultanément sur un groupe de moules juxtaposes, défilant en parallèle, les conditions de chauffage et de refroidissement étant identiques pour tout le groupe. Ce perfectionnement technique permet d'obtenir par le procédé faisant l'objet de l'invention, simultanément et en un flux continu, un groupe de moulages finis de qualité améliorée. D'apres une autre variante de l'invention, le procédé de fabrication de pieces moulées à cristallisation orientée est caractérisé en ce que dans la zone de cristallisation, le degré de refroidissement du moule contenant le métal est réglé par réglage en escalier ou par paliers de la température de chauffage dans le sens de défilement du moule. Ce perfectionnement permet d'obtenir pratiquement n'importe quel régime voulu de température pour la cristallisation, tout en assurant la formation d'une structure optimale du métal. Le dispositif conforme à l'invention pour la fabrication de pieces moulées a cristallisation ou solidification orientée, comportant, disposées successivement, une zone de chauffage du moule, une zone de cristallisation comportant des éléments chauffants ou réchauffeurs créant un champ thermique décroissant dans le sens de défilement des moules, une zone de refroidissement, ainsi que des moyens pour le remplissage du moule avec du métal liquide et des moyens pour le déplacement des moules a travers les zones indiquées, est caractérisé en ce qu'il comporte une sole réalisée sous la forme dtun guidage unique passant à travers toutes les zones indiquées et constitué par deux tronçons successifs juxtaposés, l'un chauffé, et l'autre, refroidi, dont le joint se trouve à l'entrée de la zone de cristallisation, les parties inférieures des moules étant adaptées pour se déplacer suivant toute la longueur de ladite sole formant guidage, en contact thermique direct avec ses tronçons constitutifs. Une telle solution technique permet de réaliser la procédé faisant l'objet de l'invention de la manière la plus simple au point de vue technologique et d'obtenir un dispositif fiable, de conception simple, pour la fabrication en masse de moulages à cristallisation orientée. D'après une variante de l'invention, le dispositif pour la fabrication de pieces moulées a cristallisation orientée est caractérisé en ce que le tronçon chauffé de la sole est réalisé en un matériau réfractaire du type graphite, et que le tronçon refroidi est réalisé en métal ayant une conducti bilité thermique relativement élevée. Un tel perfectionnement technique permet d'assurer le chauffage des parties inférieures des moules avec une haute efficacité lors de leur déplacement sur le tronçon en graphite de la sole-glissiere et le refroidissement rapide, avec le gradient de température maximal, sur le tronçon métallique de la sole. Enfin, d'après la variante suivante de l'invention, le dispositif pour la fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée est caractérisé en ce que, dans la zone de cristallisation, au-dessus du tronçon refroidi monobloc de la sole, sont placés des modules constitués d'éléments chauffants séparés, et qu'il comporte un système pour le déplacement vertical des éléments chauffants par rapport audit tronçon refroidi de la sole. Cette solution technique permet de régler la variation en escalier du chauffage des moules dans la zone de cristallisation et d'utiliser le dispositif avec une efficacité maximale pour la fabrication de moulages de diverses formes et dimensions. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma de principe de la fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée, conformément à l'une des variantes de l'invention; - la figure 2 représente l'une des variantes du dispositif pour la fabrication de pièces moulées, conforme à l'invention; - la figure 3 représente l'une des variantes du réglage de la variation en escalier de la température dans la zone de cristallisation, dans le sens de défilement du moule. Le procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation ou solidification orientée conforme à l'invention est réalisé comme montré sur la figure 1, de la façon suivante. La coque ou analogue en céramique dont la cavité moulera la pièce 1 est placée dans un châssis en graphite 2. L'espace libre entre coque et châssis est rempli d'une matière d'appui 3; le dessus est fermé avec un couvercle 4 sur lequel est placée une coupelle 5 en céramique, à l'intérieur de laquelle est placé un lopin 6 d'alliage à base de nickel. Le châssis 2 est déplacé (le sens de ce déplacement est montré sur le dessin par des flèches) à travers un champ thermique créé par des éléments chauffants ou réchauffeurs latéraux 7. De préférence le moule est d'abord chauffé du côté de sa partie inférieure de base; ensuite, quand la température de cette partie atteint une valeur supérieure au point de fusion du métal (13500C pour un alliage à base de nickel), le chauffage des autres parties du moule est intensifié à l'aide d'éléments chauffants ou réchauffeurs 8 et leur température est portée à 1480-15000C.Avant l'entrée du moule dans la zone de cristallisation, le métal liquide coule dans sa cavité. Quand le moule entre dans la zone de cristallisation, sa partie inférieure de base vient contacter la surface refroidie de l'élément cristalliseur 9, qui est refroidi par l'eau 10. Dans la couche sur refroidie du métal liquide, près du fond de la cavité du moule, apparaissent des germes cristallins dont la croissance continue sous la forme de grains bacillaires ou basaltiques 11, à partir du bain 12. Le champ thermique 13 décroissant créé dans la zone de cristallisation dans le sens de défilement du moule, assure la continuation de la croissance des grains bacillaires ou basaltiques 11 jusqu'à l'achèvement de la solidification de tout le moulage. La figure 2 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, dans lequel sont disposés en série: une table de chargement 14, un obturateur de vide 15, un sas 16, un obturateur de vide 17, un laboratoire (ou chambre de travail) 18 dans lequel se trouvent successivement une zone de chauffage 19, une zone de cristallisation 20 avec des éléments chauffants ou réchauffeurs 21 créant un champ thermique décroissant dans le sens de défilement des moules (indiqué par des flèches) et une zone de refroidissement (non représentée sur le dessin) dans laquelle se trouve un mécanisme 22 de déplacement des moules à travers les zones indiquées, un obturateur de vide 23, un sas 24, un obturateur de vide 25, une table de déchargement 26.En outre, dans le laboratoire 18 se trouve une sole réalisée sous la forme d'un guidage unique passant à travers toutes les zones indiquées et constitué par deux tronçons juxtaposés: un tronçon chauffé 27 et un tronçon refroidi 28, le joint entre ces deux tronçons se trouvant à l'entrée de la zone de cristallisation Le dispositif est aussi doté d'un équipement auxiliaire approprié: un circuit de vide et un circuit hydraulique, des modules d'énergie, un pupitre de commande équipé d'un tableau de commande graphique, qui ne sont pas représentés sur les dessins. Le dispositif fonctionne en régime automatique en cycle fermé de la façon suivante. Les moules 29 chargés de métal sont placés par groupes de cinq sur la table de chargement 14. L'obturateur de vide 15 étant ouvert, le mécanisme de chargement 30 fait entrer les moules dans le sas 16, où ils sont mis automatiquement sous vide. Quand la pression s'est égalisée dans le sas 16 et le laboratoire 18, un mécanisme analogue fait passer les moules dans le laboratoire 18, dans lequel ils sont déplacés par le mécanisme 22, fonctioa- nant d'une manière. cyclique toutes les 6 à 15 mn en fonction des dimensions des pièces à mouler, à travers toutes les zones précitées, de la manière décrite plus haut. Les moules, refroidis jusqu'à 300-4000C avec les pièces moulées se trouvant à l'intérieur, sont déchargés automatiquement, par groupes, sur la table de déchargement 26 par le mécanisme 31, en passant à travers le sas 24 et l'obturateur de vide 25 ouvert. La figure 3 représente, à plus grande échelle, l'agencement des éléments chauffants dans la zone de cristallisation, dans laquelle, au-dessus du tronçon refroidi monobloc 28 de la sole, sont disposés les modules à éléments chauffants séparés 21 et dans laquelle est prévu un système 32 pour le déplacement vertical de ces modules par rapport audit tronçon refroidi dessole à l'aide d'un actionneur 33. Au besoin, les modules à éléments chauffants 21 peuvent comporter des actionneurs auxiliaires ou principaux individuels à commande autonome, reliés à un programmateur (ces composants ne sont pas représentés sur les dessins). Une telle conception de 11 ensemble de chauffage permet d'assurer une variation réglable en escalier ou par paliers de la température de chauffage suivant le sens de défilement des moules dans la zone de cristallisation et, de la sorte, d'obtenir un réglage en escalier du degré de refroidissement des moules remplis de métal. La possibilité de déplacer les modules constitutifs à éléments chauffants, permet de fabriquer des moulages de formes et dimensions variées avec une efficacité d'utilisation du dispositif maximale. Le déplacement libre des groupes de moules à même la sole de guidage fixe permet de réaliser le sassage des moules à l'entrée et à la sortie du laboratoire de la manière la plus simple et de simplifier notablement la conception du four, d'accrottre sa fiabilité et son débit. En cas d'emploi d'un pupitre de commande centralisée, équipé d'un tableau de commande graphique, le four peut être desservi par un seul opérateur. La présence d'un tronçon chauffé dans la sole de guidage permet de conjuguer la fusion du métal avec le chauffage du moule et, par cela-mme, de simplifier le processus et la conception de tout le four. L'emploi d'un châssis en graphite assure la protection du four contre les percées éventuelles de la coque ou analogue en céramique du moule par le métal liquide et, de ce fait, garantit la marche du four sans incidents pendant un temps relativement long. Le débit- des fours à vide en service, intégrés dans la fabrication en masse d'ailettes moulées pour les turbines à gaz, atteint 360 à 480 ailettes par jour (24 h) en marche continue. Ce débit peut être augmenté de 1,5 à 2 fois en apportant certains perfectionnements à la technologie, ainsi qu'en augmentant la longueur de la zone de cristallisation et la puissance du système-de chauffage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu a titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée, du type comprenant le chauffage du moule jusqu'à une température supérieure au point de fusion du métal, le remplissage de la cavité du moule par le métal, le défilement du moule contenant le métal liquide à travers la zone de cristallisation du four, créant un champ thermique décroissant dans le sens'de défilement du moule, et le refroidissement final du moule avec le métal, caractérisé en ce que, avant le remplissage de la cavité du moule par le métal, le moule est chauffé suivant toute sa surface, y compris sa partie inférieure de base, cette partie inférieure de base tétant mise en contact avec une surface refroidie qu'après l'entrée du moule dans la zone de cristallisation où est créé le champ de chauffage décroissant mentionné. 2. Procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations indiquées sont exécutées simultanément sur un groupe de moules juxtaposés, défilant en parallèle, les conditions de chauffage et de refroidissement étant identiques pour tout le groupe. 3. Procédé de fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans la zone de cristallisation, on règle le degré de refroidissement du moule contenant le métal par réglage en escalier ou par paliers de la température de chauffage dans le sens de défilement du moule. 4. Dispositif pour la fabrication de pièces moulées à cristallisation orientée par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 3, du type comportant, disposées en série, une zone de chauffage du moule, une zone de cristallisation avec des éléments chauffants ou réchauffeurs créant un champ thermique décroissant dans le sens de défilement des moules, et une zone de refroidissement, ainsi que des moyens pour le remplissage du moule par le métal liquide et des moyens pour le déplacement des moules à travers les zones indiquées, caractérisé en ce qu'il comporte une sole réalisée sous la forme d'un guidage unique passant à travers toutes les zones indiquées et constitué par deux tronçons successifs juxtaposés, l'un chauffé, et l'autre, refroidi, dont le joint se trouve à l'entrée de la zone de cristallisation, les parties inférieures des moules étant adaptées pour permettre ~ emplacement suivant toute la longueur de ladite sole formant guidage en contact thermique direct avec lesdits tronçons. 5. Dispositif pour la fabrication de pièces moulées selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tronçon chauffé de la sole est réalisé en matériau réfractaire du type graphite, et que le tronçon refroidi est réalisé en métal ayant une conductibilité thermique relativement élevée. 6. Dispositif pour la fabrication de pièces moulées selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que, dans la zone de cristallisation, au-dessus du tronçon refroidi monobloc de la sole, sont placés des modules constitués d'éléments chauffants ou réchauffeurs séparés, et en ce qu'il comporte un système de déplacement vertical desdits éléments chauffants par rapport audit tronçon refroidi de la sole. 7. Pièces moulées métalliques, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 3.