Brevet FR2472039A1 — publié le 19810626

L'invention concerne la commande du refroidissement dans des structures cristallines, et elle concerne plus particulièrement la solidification directionnelle d'allia- ges métalliques tels que des alliages spéciaux ou super- alliages" et que des matériaux composites in situ, mais peut également s'appliquer à des cristaux fragiles tels que ceux produits à partir de composés semiconducteurs. Des procédés de moulage de précision, avec leur commande fine de la précision dimensionnelle, permettent de réduire l'usinage des composants nécessaires ultérieu- rement. Des alliages à base de nickel sont en général faciles à mouler et possèdent intrinsèquement de nombreuses propriétés souhaitables qui les rendent particulièrement bien appropriés pour les aubages de turbines à gaz. Un développement continuel a donné des alliages possédant une résistance au fluage élevée aux températures de fonctionnement très élevées qui règnent généralement. De plus, beaucoup de ces alliages ne se prêtent pas au forgeage. Une certaine perte de ductilité est apparue en raison de l'existence de joints de grains s'étendant perpendicu- lairement à un axe de contrainte principal, donnant lieu à une cassure intergranulaire. Ceci peut être largement surmonté par une solidification directionnelle pendant le moulage pour donner une structure en colonne de cris- taux alignés sensiblement parallèlement à l'axe de contrain- te principal. La solidification directionnelle peut être utilisée avec succès pour commander les microstructures d'alliages de façon à optimiser des propriétés correspondantes. La production de microstructures dendritiques alignées dans des alliages spéciaux, avec la quasi-élimination qui en résulte de joints de grains transversaux et le développe- ment d'une texture cristalline , a conduit à l'amélioration des propriétés mécaniques à des températures élevées, y compris une meilleure ductilité de fluage, une meilleure résistance à la fatigue thermique, et une plus grande durée de vie avant rupture par fluage. En outre, des joints de grains peuvent être éliminés en commandant la croissance des cristaux de manière qu'une pièce moulée ne comporte qu'un seul grain d'alliage avec une texture cristalline commandée, ce qui supprime les faibles- ses au niveau des joints de grains. La solidification directionnelle d'alliages spéciaux est de plus en plus utilisée en association avec des techniques de moulage à cire perdue pour fabriquer des aubes de turbine destinées à être utilisées dans les ré- gions les plus chaudes des moteurs adoptés dans les avions militaires et commerciaux. Plus récemment, la solidification directionnelle a été appliquée à des alliages eutectiques pour produire des microstructures composites alignées - appelées composés in situ. De tels matériaux sont à une phase de développement avancée. Pour produire des microstructures composites alignées à partir d'alliages eutectiques, deux conditions doivent être remplies. 1.- L'interface solide/liquide doit être maintenue macroscopiquement plane en obligeant le flux de chaleur à être parallèle à la direction de solidification souhaitée. -2.- La nucléation doit être supprimée dans la masse en fusion en avant de l'interface qui avance. La condition pour la suppression de la surfusion constitutionnelle est que le rapport du gradient de tempé- rature G au niveau de l'interface solide/liquide à la vitesse de solidification R dépasse une valeur critique (G/R)c qui est un paramètre matériel. ( R)>>c - Ceci donne la condition pour une solidification frontale plane. Lorsque cette inégalité n'est -pas satisfaite, il apparaît des perturbations de complexité croissante sur l'interface solide/liquide au fur et à mesure que G/R diminue. Le rapport G/R est également important pour la dé- termination de la microstructure de solidification obtenue sur des alliages spéciaux de solidifiant directionnellement et des cristaux à phase unique. Il y a une progression graduelle, lorsque G/R diminue, en passant par les struc- tures cellulaire et dendritique pour arriver à la structure équiaxe. Il existe, par conséquent, un critère similaire pour maintenir des dendrites alignées. La satisfaction des conditions ci-dessus assure l'obtention de la morphologie de solidification appropriée. Cependant, les dimensions des caractéristiques microstruc- turelles principales, les dendrites dans les alliages spéciaux et les fibres dans les composés in situ, sont -régies par la vitesse de refroidissement GR qui est la plus importante pour les vitesses de solidification les plus élevées. De telles microstructures fines peuvent conduire à des améliorations importantes des propriétés mécaniques de matériaux solidifiés directionnellement. Plusieurs méthodes sont utilisées pour la solidifi- cation directionnelle d'alliagea résistant à des températures élevées, les principales utilisant des coquilles refroidies à l'eau ou des bains de refroidisse- ment pour aider à établir un gradient de température dans l'alliage qui se solidifie. Les principales différences résident dans l'efficacité de l'extraction de la chaleur qui détermine l'amplitude du gradient de température obtenu. Le but des procédures de solidification a été de maximiser G pour permettre à la solidification de se dérouler à des vitesses de solidification plus importantes. Ceci peut conduire aux avantages combinés d'une meilleure viabilité commerciale et de meilleures propriétés mécaniques. Dans le premier cas, un moule ouvert aux extrémités est supporté sur une plaque de refroidissement en cuivre ô' à partir de laquelle la chaleur est évacuée par un courant d'eau, et est habituellement corbinée avec un mouvement axial du moule par rapport à une source de chaleur, ou bien le four utilisé pour faire fondre le métal devant être moulé pouvant se déplacer par rapport au moule ou vice-versa. Des techniques avancées sont basées sur des modi- fications de la méthode de Bridgman-Stockbarger de crois- sance des cristaux. Des gradients de température élevés ont été.obtenus en enlevant le composant qui est solidi- fié directionnellement de la source de chauffage pour le placer dans un fluide de transfert de chaleur efficace. Cependant, des risques potentiels sont associés aux fluides de transfert de chaleur utilisés jusqu'ici. Des agents de refroidissement rapide métalliques, liquides qui possèdent des points de fusion relativement. bas, tel que l'étaih, des alliages du type Woods (alliages Pb - Sn - Bi In) et des alliages Gallium/ indium, peuvent contaminer l'alliage et conduire à des propriétés mécaniques inférieures. Les huiles de transfert de chaleur sont également des substanqes conta-t minantes potentielles étant donné qu'il existe un risque d'explosion associé aux bains d'eau. Du fait du risque de contamination, les techniques de bains de refroidissement ont peu de chance d'être adoptées dans la fabrication commerciale d'aubages de turbines à gaz, et on a dû accepter les gradients de température plus faibles peuvant être obtenus avec des coquilles refroidies à l'eau. Cependant, il est connu que des lits fluidisés possèdent des caractéristiques de transfert de chaleur avantageuses, et la présente invention concerne l'uti- lisation de tels lits pour produire des gradients de température élevés pendant la solidification direc- tionnelle. Il est souhaitable que les lits fluidisés soient chimiquement inertes, et des combinaisons de matériaux appropriés pour cela sont des céramiques stables telles que des oxydes d'aluminium, de zirconium ou de magnésium, sous forme de poudre fine fluidisés par un gaz interte tel que de l'argon, de l'hélium ou de l'azote. On peut également utiliser des poudres métalliques, celles-ci possèdent une meilleure conduc- tivité thermique que les céramiques. 2472039. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux modes de réalisation préférés mais non limitatifs d'un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention représentés aux dessins annexés sur lesquels: Les fig. 1 et 2 sont des vues en coupe similaires d'agencements différents de fours et de l'équipement associé pour la solidification directionnelle. En se référant à la fig. 1, un moule 1 aux extrémités ouvertes, comprenant un tube en alumine, est monté coa- xialement dans un four comportant un manchon "suscepteur" 2 en graphite à double paroi annulaire entouré par une paroi annulaire 3 en briques réfractaires. L'extrémité inférieure du moule 1 est supportée sur une plate-forme creuse 4 en acier inoxydable agencée de manière à être déplacée axialement à l'intérieur d'un cylindre en cuivre , dont le dessus est ouvert et qui est disposé au-dessous du four, au moyen d'un mécanisme d'entraînement par moteur approprié 6. Une alimentation en eau indiquée par la flèche A est reliée à l'intérieur de la plate-forme 4 qui est à son tour reliée à un drain, comme indiqué par la flèche B, les conduites de connexion appropriées passant par un joint 7 comprenant des bagues d'étanchéité annulaires 8 et se trouvant dans l'extrémité inférieure fermée du cylindre 5. Un tube en serpentin 9 est en contact intime avec la circonférence extérieure du cylindre 5 et est relié à ses extrémités à une alimentationen eau et à un drain, comme indiqué respectivement par les flèches C, D. Une plaque diffiseuseperforée 10, logée dans le cylindre 5, à une faible distance de son extrémité fermée, divise le cylindre en deux chambres, la chambre inférieure plus petite constituant une chambre 11 de mélange d'air, tandis que la chambre supérieure est remplie de poudre céramique 12. L'alliage 13 devant, être solidifié directionnelle- ment est introduit dans le moule 1 soit sous forme de poudre soit sous forme fondue, ou bien il peut déjà se trouver en place sous la forme d'un lingot avant insertion 2472039. du moule dans le four. De façon typique, l'alliage pourrait se présenter. sous la forme d'un composant, par exemple une aube pour une turbine à gaz, dans un moule- carapace préparé suivant la technique de moulage à cire perdue. L'alliage est fondu par le rayonnement provenant du "suscepteur" en graphite 2 qui est chauffé inductive- ment par un générateur de radio-fréquences (non repré- senté). Le moule est descendu par le mécanisme d'entraî- nement à moteur 6 de manière qu'une courte zone de l'alliage fonde progressivement. Un gaz inerte est intro- duit dans le fond du cylindre, comme indiqué par la flèche E. et circule dans la poudre céramique qui, de ce fait, forme un lit fluidisé. De l'eau de refroidissement cir- cule dans la plateforme 4 en acier inoxydable, qui agit comme un refroidisseur pour faire débuter le processus de solidification, et dans le tube en serpentin 9. La poursuite du déplacement du moule 1 à travers le lit fluidisé provoque un transfert de chaleur de la zone fondue de l'alliage-qui se solidifie progressivement au tube en serpentin 9 refroidi par eau, par l'intermé- diaire du lit fuidisé. Le lit fluidisé assure un trans- fert de chaleur efficace. On peut obtenir un gradient de température élevé, ce qui permet de supprimer de façon adéquate la nucléation de la masse fondue devant l'inter- face qui avance. La vitesse du transfert de chaleur peut être réglée de façon précise en faisant varier le débit du gaz de fuidisation. On peut obtenir de cette façon des microstructures dendritiques qui sont proches de celles résultant de bains de refroidissement mais avec un risque de conta- mination ou d'explosion nettement réduit. A titre d'exemple, des lingots d'un alliage spécial M A R-MO02 (MAR étant une marque déposée) mesurant 12,5 mm de diamètre sur environ 300 mm ont été solidifiés directionnellemernt à 300mm/h par refroidissement rapide dans un lit fluidisé comprenant de la poudre d'alumine dont les dimensions des particules étaient d'environ /u, en utilisant de l'argon ou de l'hélium comme gaz 24720:9. de transfert de chaleur. On a obtenu des structures dendritiques similaires, présentant à la fois des branches primaires et secondaires, et les variations des dimensions dendritiques dues aux conditions opératoires différentes du lit fluidisé étaient relativement faibles. Les microstructures les plus fines ont été obtenues en utilisant de l'hélium comme gaz de fluidisation et avec une fluidisation régulière, plutôt que turbulente, en utilisant de l'argon. La puissance la plus importante a été nécessaire pour fondre les alliages qui ont été refroidis rapidement dans l'hélium ou dans des lits fluidisés régulièrement à l'argon. Les observations ont montré que le gradient de température maximum a été ob- tenu dans ces cas. Il est bien connu qu'on obtient les plus petites dendrites à des vitesses de refroidissement élevées (GR) et que la puissance la plus élevée est nécessaire lors- qu'il y a des gradients de température élevés. Dendrite Dendrite primaire secondaire réglage débit de espacement des espacement des de gaz (l/mm) branches.u) brianches (u) puissance Métal liquide+ 104 29 425 3,1 Lit fluidisé à l'argon (fluidisation régu- lière) G 15 126 24 290 3,1 Lit fluidisé à l'argon ("par rafales") G 16 148 28 300 4,9 Lit fluidisé à l'argon (régulier + surchauffe plus importante) G 19 129 29 325 3,1 Lit fluidisé à l 'hIlium (fluidisatiorn rg- lière) G 18 115 25 425 1,5 +On a utilisé,n "suscepteur" a paroi annulair& simple; dans les autres exprriencs on a utilisé un "conce-ntrateur" pour "focaliser" 1 'nnergie. Tous ces exemples utilisent la chaleur de rayonnement. _____________________________________________________________ Le. roesures des espacements (des branches de la den- drit;e primaire obte.nues pendant le refroidissement par lit fluidise sont]ThgQgement plus importantes que celles résul- tant du refroidissement par métal liquide. La comparaison avec la caractérisation antérieure des espacements des dendrites dans cet alliage suggère que le refroidissement par lit fluidisé donne une vitesse de refroidissement - GR -2,7 K /mm, indiquant un gradient de température G '9 K / mm qui se trouve entre les valeurs pour un métal liquide G 13 K/mm) et un refroidissement classique suivant Bridgman ( G f 5 K /mm), pour la configuration de solidification envisagée. Comme autre exemple de l'invention, un composé entectique phénotipique, désigné par Y - - Cr3C2 a été solidifié directio.nnellement en utilisant un refr'oi- dissement par lit fluidisé, et les structures obtenues bnt été comparées avec celles obtenues en utilisant un re- froidissement par métal liquide. On souhaitait ici mainenir un front de solidificaton plan plutôt que dendritique - afin d'obtenir une microstructure composite bien alignée. Il est bien connu que la condition pour une solidification frontale plane est que le rapport G/R dépasse une valeur critique (G/R). Ainsi, l'utilisation de gradients de c température plus élevés permet de maintenir des microstruc- tures composites bien alignées à des vitesses de solidifica- tion plus élevées. En comparant les microstructures du - t - Cr3Cr2 solidifié directionnellement à 300 et 600 mm/h en utilisant un refroidissement par lit fluidisé, par métal liquide, et classique suivant Bridgman, le ma- tériau obtenu avec un lit fluidisé possédait une microstruc- ture bien alignée dont l'apparence était similaire à celle obtenue en utilisant un refroidissement par métal liquide mais considérablement plus fine que celle obtenue par un - refroidissement classique suivant Bridgman. La vitesse de so- lidification maximale donnant un bon alignement entectique dans la présente configuration de solidification était de 600 mm/h pour l'alliage refroidi par lit fluidisé et par métal liquide, et de 300 mm/h pour l'alliage refroidi de façon classique suivant Bridgman. La fig. 2 représente une variante du dispositif de la fig. 1 dans laquelle la zone de chauffage du moule est 2472039. isolée du lit fluidisé par un organe d'étanchéité 21, et une sortie de gaz distincte 22 à partir du cylindre 5 est prévue et reliée à des pompes à vide rotatives (non représentées) possédant une capacité de pompage impor- tante, comme indiqué par le flèche G, par l'intermédiaire de refroidisseurs, filtres et soupapes. Une soupape de com- mande 23 est également prévue sur l'entrée de gaz indiquée par la flèche F. Ces caractéristiques sont considérées comme importantes notamment lorsqu'on utilise de l'hélium gazeux pour obtenir l'efficacité de refroidissement maximale, afin de faire recirculer des gaz de refroidissement coûteux et de ce fait rendre la technique plus attrayante pour les utilisateurs industriels potentiels. On obtient par ailleurs des avantages qui découlent du fait qu'il n'est plus nécessaire que l'alliage qui se solidifie directionnellement soit exposé à une atmosphère gazeuse, avec une réducton résultante du risque de conta- mination, et la perte de chaleur à partir de l'élément de chauffage est réduite avec l'élimination de la circula- tion de gaz dans cette région. Pour utiliser un tel lit fluidisé dans des conditions de pressions inférieures à la pression atmosphérique, la pression d'entrée du gaz doit être maintenue à environ 13kPa. La pression de sortie du gaz est alors égale à environ 133 Pa, de sorte que la chute de pression typique dans le lit reste comprise entre 7 et 35 kPa, la valeur réelle dépendant de la hauteur et de la densité de la poudre. Une pression de 133 Pa,st acceptahle pour le dispositif de chauffage du moule et les régions du moule pendant la solidification directionnelle. Les commandes des pressions de gaz doivent naturellement être liées pour assurer que les différences de pression correctes existent toujours. Aucun joint d'é- tanehéité n'est essentiel entre la chambre sous vide et le 3i lit fluidism, mais pour obtenir un degré de vide plus élevé pondant la phase de fusion antérieure, le lit fluidisé sera ferme. 2472039. Certaines des caractéristiques décrites en se référant aux fig. 1 et 2 ont été sélectionnées, du fait qu'elles conviennent de façon générale, mais elles ne sont en aucune façon exclusives. Ainsi, on peut -- utiliser n'importe quelle source de chauffage appropriée (par exemple un four chauffé par résistances), tandis qu'il est possible également de faire fondre tout le contenu du mule au lieu de n'en faire fondre qu'unepartie. De plus, en remplaçant le serpentin de refroidisse- ment du cylindre par une source de chauffage supplémentaire, on peut maintenir un gradient de température faible bien réglé qui peut empêcher la cassure par suite d'un choc thermique pendant la croissance de cristaux uniques de matériaux f-agiles. Comme il va de soi,et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 2472039: REVENDICATIONS 1.- Procédé pour commander la formation d'une structure cristalline, dans lequel un matériau cristallin est fondu de façon progressive en lui faisant effectuer un mouvement axial relatif par rapport à une source de chaleur, et dans lequel de la chaleur est ensuite extrai- te du matériau pour solidifier le matériau fondu en syn- chronisme avec la fusion, caractérisé par le fait que les moyens d'extraction de chaleur comprennent un lit fluidi- sé (12), formé par une fine poudre inerte du point de vue chimique fluidisée par un gaz inerte. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau fondu est écarté progressive- ment de la source de chaleur pour pénétrer dans le lit fluidisé. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé par le fait que le matériau cristallin est un alliage métallique, notamment à base de nickel. 4.- Procédé pour mouler un article métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un alliage à base de nickel dans un moule, à faire fondre progressi- vement l'alliage par un mouvement relatif du moule par rapport à une source de chaleur, et à solidifier l'alliage fondu en transférant de la chaleur provenant de cet allia- ge fondu à un lit fluidisé. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le moule est écarté progressivement de la source de chaleur pour pénétrer dans le lit fluidisé. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions Il ou 5, caractérisé par le fait que le lit flui- disé comprend une fine poudre inerte du point de vue chimique fluidisée par un gaz inerte. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la poudre est une céramique stable, telle que l'alumine. S.- Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions pré'c]entes, caractérisé par le fait que les 2472039: dimensions des particules de la poudre sont de l'ordre de 100,,u. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le gaz est évacué du lit fluidisé à une pression inférieure à la pression atmosphérique, notamment de l'ordre de 133 Pa. O10.- Procédé-suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que le gaz est de l'hélium. 11.- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 4 à 10O, caractérisé par le fait que la solidi- fication de l'alliage fondu est amorcée par une cQoquille refroidie à l'eau. 12.- Dispositif pour mouler un métal, caractérisé par le fait qu'il comprend un moule aux extrémités ouvertes supporté sur une plateforme métallique creuse à travers laquelle peut circuler de l'eau, le moule étant agencé de manière a pouvoir être déplacé axialement à travers un four et un lit fluidisé, grâce à quoi une partie du moule est tout d'abord chauffée progressi- vement avant le refroidissement. 13.- Dispositif suivant la revendication 12, carac- térisé par le fait que le lit fluidisé comprend une fine poudre inerte du point de vue chimique fluidisée par un gaz inerte. 14.- Dispositif suivant la revendication 13, carac- térisé par le fait que la poudre est une céramique, telle que l'alumine. 15.- Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 13 16.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 13 à' 15, caractérisé par le fait que le gaz est avacue du lit f] luidisé à une pression inférieure ] la pression atmosphérique, notamment de l'ordre de 133 Pa.