Brevet FR2462951A1 — publié le 19810220

1. L'invention se rapporte à un procédé de produc- tion de pièces de fonte à solidification orientée par coulée sous vide ou en atmosphère contrôlée dans des moules de précision, le bain surchauffé étant déversé dans un moule de céramique réchauffé se composant d'une partie de céramique dont le fond est fermé par une plaque de matériau bon conduc- teur de la chaleur et dans laquelle circule un fluide de refroidissement. On sait qu'il est possible d'améliorer considé- rablement certaines caractéristiques -par exemple les carac- téristiques mécaniques aux températures élevées- de pièces moulées, par exemple d'ailettes de turbines à gaz, en réali- sant la pièce en matériau dont la solidification a été orientée. L'axe des cristaux en cours de croissance lors de la solidification de ces pièces prend une orientation préfé- rentielle qui correspond par exemple à la direction de la longueur de l'ailette de turbine, cette orientation pouvant être obtenue par refroidissement sélectif et réglé du bain après la coulée. Les procédés mis en oeuvre à cette fin et destinés à provoquer une progression du front de solidifi- cation qui soit plan et si possible perpendiculaire à l'orientation souhaitée de croissance des cristaux sont longs et coûteux; en effet, ils exigent un chauffage du moule rempli du bain sous vide ou sous atmosphère contrôlée, le chauffage devant aussi subir un déplacement qui correspond à la progression du front de solidification. Ces procédés nécessitent donc des frais d'investissement considérables qui sont causés par les dispositifs de chauffage qui sont déplaçables par rapport au moule et abandonnent l'énergie calorifique variable et réglable sur la hauteur du moule à l'intérieur de l'appareillage de coulée sous vide ou sous atmosphère contrôlée. La demande de brevet DE-OS n0 22 30 317, par exemple, décrit un procédé de production de pièces moulées à orientation de la solidification ainsi qu'un dispositif tel qu'utilisé jusqu'à présent pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le dispositif représenté comprend un circuit de chauffage mobile par rapport au moule et placé à l'intérieur d'une enceinte sous vide; le moule se compose de 246295 1 2. manière classique d'une coquille de céramique qui ne comprend aucun fond, mais qui est placée sur une plaque bonne conduc- trice de la chaleur et dans laquelle circule un fluide de refroidissement. L'invention a pour objet un procédé du type tel que spécifié, mais qui est simplifié et en particulier dans lequel le chauffage du moule à l'intérieur d'une enceinte sous vide ou sous atmosphère contrôlée est évité afin que les dispositifs nécessaires de chauffage ainsi que les dispo- sitifs correspondants de transport destinés à déplacer ces dispositifs de chauffage par rapport au moule soient inu- tiles. Selon une particularité essentielle de l'invention, la partie du moule de céramique qui est enveloppée de matière d'isolation est séparée de son dispositif de chauffage à la fin du réchauffage, puis elle est montée sur une plaque disposée dans une enceinte, cette dernière étant ensuite mise sous vide et éventuellement chargée de gaz inerte et, finalement, le bain surchauffé est coulé immédiatement à la suite sans procéder encore une fois à un réchauffage du moule, le surchauffage du bain et le réchauffage et les masses de la partie céramique du moule ainsi que de son isolation étant déterminés les uns par rapport aux autres de manière que, lors de la.coulée du bain, celui-ci porte au moins la surface de la partie céramique du moule qui en entoure la cavité à une température supérieure à celle du liquidus de ce bain, les conditions de refroidis- sement créées de manière connue par des variations d'épaisseur sur la hauteur de la paroi du moule et/ou des couches d'isolation qui l'enveloppent étant adoptées de manière que la température de la surface du moule soit au moins égale à la température locale du bain, au moins dans la plage de solidification de ce dernier, à chaque niveau paral- lèle à la surface de la plaque de refroidissement. Le procédé selon l'invention élimine donc la nécessité de procéder à un chauffage du moule soit avant, soit après la coulée, à l'intérieur de l'enceinte sous vide, car la cavité du moule est portée par le bain surchauffé tout 3. d'abord à une température supérieure à celle de solidifi- cation en étant maintenue tout d'abord au moins à cette température; les conditions de refroidissement imposées par les variations d'épaisseur de la coquille du moule et/ou des couches d'isolation garantissent que le front de solidifi- cation progresse dans la direction souhaitée. Si nécessaire, les conditions de refroidissement et donc le procédé de l'invention peuvent être mis en oeuvre -par exemple par adoption d'une forme et d'une épaisseur correspondantes des couches d'isolation au niveau correspondant du moule- de manière que l'extrémité de la pièce de fonte à solidification orientée qui est tournée du côté opposé à la plaque dans laquelle circule un fluide de refroidissement soit prolongée par une partie dont la solidification n'est pas réglée; cette partie de la pièce dont la solidification n'est pas réglée peut former par exemple le pied d'une ailette de turbine dont la solidification a été orientée. Il est avantageux, pour éviter que des impuretés provenant de la plaque dans laquelle circule le fluide de refroidissement pénètrent dans le bain, qu'une plaque inter- médiaire en même matériau que celui de la pièce de fonte soit reliée thermiquement, c'est-à-dire de manière à conduire la chaleur, à la plaque dans laquelle circule le fluide de refroidissement. Il est possible de faire varier de manière simple les conditions de refroidissement non seulement par une variation de l'épaisseur de la partie céramique du moule et/ou de la couche d'isolation qui entoure cette dernière, mais également en faisant varier l'épaisseur de la plaque de refroidissement et/ou de la plaque intermédiaire. De plus, l'extrémité inférieure de la cavité du moule peut comporter un élargissement du côté de la plaque intermédiaire -réalisé par exemple par un arrondi de ses arêtes- afin d'éviter que la pièce de fonte subissant un retrait lors de la solidification ne s'arrache de la plaque intermédiaire. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limi- tatifs et sur lesquels: 4. - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une coquille de moule de céramique fixée sur une plaque dans laquelle circule un fluide de refroidissement et dans laquelle les conditions de refroidissement varient sur la hauteur; et - la figure 2 est une coupe analogue partielle d'une variante de réalisation de la partie supérieure de la coquille du moule. L'exemple de réalisation qui va être décrit est basé sur la fabrication d'une ailette de turbine à gaz à solidification orientée et réalisée en alliage à base de nickel de type IN 738 LC; on sait que cet alliage a la composition suivante (en % en poids): C, 0,11; Cr, 16,0; Co, 8,5; Mo, 1,7; W, 2,6; Ta, 1,7; Nb, 0,9; Al, 3,5; Ti, 3,5; Zr, 0,05; B, 0,01, le reste étant du Ni. Une coquille de céramique 1 (figure 1) est tout d'abord réalisée en couches individuelles par le procédé basé sur le principe de la cire perdue et qui est utilisé en général pour les moules de précision; suivant ce procédé, le modèle est immergé plusieurs fois dans une masse à trempage de mullite fondue additionnée d'un liant au silicate d'éthyle. Chaque couche formée à chaque immersion est ensuite sablée à l'aide de mullite frittée granulaire. Les immersions et le sablage sont poursuivis jusqu'à ce que la coquille atteigne une épaisseur d'environ 10 mm, ce qui exige par exemple dix immersions. Mais il est aussi possible d'utiliser des coquilles ayant des épaisseurs différentes et, en parti- culier, de prévoir des différences d'épaisseur de la paroi sur la hauteur de la coquille 1 afin d'influer dans le sens voulu sur les conditions de refroidissement; ainsi, par exemple, l'épaisseur prévue de la paroi ou de la coquille peut être de 10 mm à la partie inférieure, c'est-à-dire au voisinage du dispositif de refroidissement 2 qui sera décrit par la suite, cette épaisseur croissant ensuite régulièrement vers le haut jusqu'au cône de coulée 3 au niveau duquel cette épaisseur atteint, par exemple, 20 mm. Il est par ailleurs possible aussi de renforcer les emplacements délicats du moule 1 à l'aide d'un ciment à base d'alumine et d'un liant à- 5. base de silicate -par exemple à la transition lc entre le corps la et le pied id de l'ailette-. La partie la du moule 1 qui forme le corps de l'ailette comporte à l'extrémité inférieure un prolongement lb en forme de collet, le corps de l'ailette étant prolongé vers le haut par son pied id. Au-dessus de ce dernier se trouve un c8ne de coulée 3 qui forme une masselotte ainsi qu'un 'accumulateur de chaleur". Cette masselotte est conformée du côté gauche des figures 1 et 2 en un bec 4 de coulée du bain de métal 5. La transition le de la cavité du moule, entre la partie la du corps de l'ailette et le prolongement lb en forme de collet par lequel le moule 1 est posé sur le dispositif de refroidissement 2 qui sera décrit par la suite, forme un coude, de sorte que la cavité du moule comporte un petit élargissement à l'extrémité inférieure. Celui-ci est destiné à empêcher que la fonte subissant un retrait lors de la solidification se soulève ou s'arrache du dispositif de refroidissement 2 avec pour conséquence une diminution du transport de chaleur vers ce dernier. Le dispositif de refroidissement 2, qui n'est représenté que schématiquement et qui se monte dans un dispo- sitif de coulée sous vide pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, consiste en un corps creux 6 d'acier au carbone faiblement allié dans lequel circule de l'eau de refroidissement. Le corps creux 6 est raccordé au circuit d'eau de refroidissement par des canalisations 7 et 8 qui ne sont représentées que schématiquement et qui sortent par le sas de l'enceinte non représentée du dispositif de coulée sous vide. Une brasure à base de nickel disponible dans le commerce et contenant en plus au moins du chrome et du bore fixe sur le corps creux 6 une plaque intermédiaire 9 de matériau du même genre que celui de la fonte, c'est-àdire de IN 738. Les cotes du prolongement lb en forme de collet du moule 1 sont calculées en fonction des dimensions de cette plaque intermédiaire 9 qui est destinée à empêcher la souil- lure du bain par la matière du corps creux 6 risquant d'entrer en solution, ce prolongement lb étant conformé de 6. manière à être tenu et centré de façon bien déterminée sur cette plaque intermédiaire 9. De plus, un dispositif de fixation serre le moule 1 sur la plaque intermédiaire 9; seules les mâchoires 10 de ce dispositif de fixation qui reposent des deux côtés du moule 1 sur le prolongement lb en forme de collet sont représentées. Un matériau isolant 11 est enroulé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention autour du moule et se compose d'un feutre de céramique consistant en fibres de A1203 et dont l'épaisseur est approximativement de 12 mm. Comme le montre la figure 1, l'isolation 11 ne parvient pas jusqu'au prolongement lb du moule 1, mais s'arrête à une certaine distance audessus de ce prolongement. De bas en haut, il existe tout d'abord une unique couche, puis deux, et dans certains cas finalement trois couches d'isolation 11 (figure 2). Ces couches 11 sont fixées par un fil de nickel enroulé autour d'elles. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de l'isolation 11 vers le haut -ainsi que les variations mentionnées éventuelles de l'épaisseur de la paroi de la coquille 1 du moule dans certains cas- sont destinées à imposer un refroidissement de la cavité du moule qui progresse de bas en haut et qui est très régulier à chaque niveau le long de la circonférence, et donc la croissance obtenue des cristaux colonnaires est orientée de bas en haut. La détermination du niveau du moule 1 auquel doit débuter l'isolation 11 ou doit débuter une autre couche de cette dernière découle uniquement de l'expérience, le maintien de l'orientation souhaitée de la croissance des cristaux, c'est-à-dire la progression du front de solidifi- cation réellement perpendiculairement à l'axe de la cavité du moule, pouvant être contrôlé d'après les cristaux produits par cette croissance. La figure 1 illustre l'isolation 11 d'un moule 1 dans laquelle le pied id de l'ailette et le cône de coulée 3 se solidifient en formant des cristaux dont la croissance n'est pas régulière, car l'isolation 11 a partout la même épaisseur à tous les niveaux et donc les conditions d'une orientation préférentielle de la progression de la solidifi- cation n'existent plus dans ces régions. 7. Une telle orientation préférentielle est aussi provoquée dans le moule de la figure 2 au moins dans la partie id du pied de l'ailette, car une autre couche supplé- mentaire d'isolation 11 est posée autour de cette partie id et du cône de coulée 3. Donc, au moins le pied de l'ailette id subit aussi une solidification orientée dans le moule de la figure 2. La mise en oeuvre du procédé de l'invention va être évoquée brièvement La coquille 1 du moule, y compris son isolation 11, est portée par chauffage à environ 12000C dans un four, par exemple un four à moufle. La fonte est mise en fusion indépendamment dans un dispositif -de coulée sous vide sous une pression d'environ 5x102 Pa dans un creuset du commerce en silice et alumine. Le chauffage du bain se poursuit jusqu'à ce que sa température soit supérieure d'au moins 2000C à la température du liquidus déterminée par mesure et égale à 1325WC, le vide étant remplacé par une atmosphère contrôlée qui consiste par exemple en argon sous une pression d'environ 1 à 2,5 Pa. L'atmosphère contrôlée empêche aussi l'évaporation du bain sous vide aux températures élevées et empêche pratiquement le bain de réagir avec le matériau du creuset et celui du moule 1. Lorsque les températures nécessaires de la coquille 1 du moule et du bain sont atteintes -dans l'exemple décrit, le chauffage du bain est poursuivi par exemple jusqu'à ce qu'il atteigne une température de 16500C-, la coquille chaude est montée sur un dispositif de refroidis- sement 2 se trouvant sur un sas à vide, puis immobilisée au moyen du dispositif de fixation; la complémentarité de forme mentionnée de la plaque intermédiaire carrée 9 et du pied lb de la coquille fixe le moule 1 -par rapport au creuset se trouvant dans le four sous vide et contenant le bain devant être coulé- à la position correcte, un repère garantissant que la descente de coulée 4 du moule 1 soit orientée dans le sens correct dans la direction de la plaque intermédiaire 9. Après montage du moule 1 sur le dispositif de refroidissement 2 et branchement de la circulation du fluide 246295 1 8. de refroidissement, le sas est fermé et mis sous vide, puis le dispositif de refroidissement 2 est introduit avec le moule 1 dans l'atmosphère contrôlée du dispositif de coulée sous vide, la pression souhaitée de cette atmosphère pouvant éventuellement être maintenue par injection d'un complément de gaz. Le bain surchauffé est coulé immédiatement après introduction du moule. Lors de la coulée, le bain surchauffé porte au moins la cavité de la coquille de céramique 1 du moule à une température supérieure à celle du liquidus, de la manière exigée conformément à l'invention. Mais le dispositif de refroidissement 2 déclenche simultanément aussi la crois- sance des cristaux colonnaires orientés. A la fin de la coulée, le moule rempli peut être extrait du sas soit directement, soit à la fin d'un certain temps après lequel la solidification a déjà progressé sur une certaine longueur, le moule étant alors exposé à l'air pour la suite du refroidissement. Lorsque la pièce 5 s'est entièrement solidifiée, la coquille 1 est enlevée, c'est-à-dire détruite, puis la pièce 5 est séparée de la plaque intermédiaire 9 du dispositif de refroidissement 2, par exemple par simple cassure, car cette pièce 5 n'adhère très souvent plus très fortement à la plaque intermédiaire 9. 9. REVENDICATIONS 1. - Procédé de production de pièces de fonte à solidification orientée par coulée sous vide ou sous atmos- phère contrôlée dans des moules de précision, le bain sur- chauffé étant déversé dans un moule de céramique réchauffé se composant d'une partie de céramique dont le fond est fermé par une plaque de matériau bon conducteur de la chaleur et dans laquelle circule un fluide de refroidissement, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à séparer la partie de céramique du moule (1) enveloppée d'une matière d'isolation (11) de son dispositif de chauffage à la fin du réchauffage et à la monter sur la plaque (6) disposée dans une enceinte, puis à mettre cette enceinte sous vide et éven- tuellement à y introduire un gaz inerte et finalement à couler le bain surchauffé immédiatement à la suite sans procéder encore une fois à un réchauffage du moule (1, 3), le surchauffage du bain et le réchauffage et les masses de la partie céramique du moule (1) ainsi que de son isolation (11) étant calculés les uns par rapport aux autres de manière qu'au cours de la coulée du bain, celui-ci porte au moins la surface de la partie de céramique du moule (1) qui en entoure la cavité à une température qui est supérieure à sa propre température de liquidus et, par ailleurs, les conditions de refroidissement créées de manière connue par des variations d'épaisseur sur la hauteur de la paroi du moule (1) et/ou des couches d'isolation (11) qui l'enveloppent étant adoptées de manière que la température de la surface du moule soit au moins égale à la température locale du bain, au moins dans la partie de ce dernier qui est en cours de solidification, à chaque niveau parallèle à la surface de la plaque de refroi- dissement (6). 2. - Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les conditions réalisées de refroidissement de la partie céramique du moule (1) sont telles que l'extrémité de la pièce de fonte (5) dont la solidification a été orientée, qui est tournée du côté opposé à celui de la plaque (6) dans laquelle circule le fluide de refroidissement, soit prolongée par une partie dont la solidification n'est pas réglée. 10. 3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réchauffer le moule de manière à le porter à une température inférieure à celle du bain de la matière devant être coulée et à surchauffer le bain d'au moins 2001C. - 4. - Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce qu'une plaque intermédiaire (9) en même matériau que celui du bain est reliée de manière à conduire la chaleur à la plaque (6) dans laquelle circule le fluide de refroidissement. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les épaisseurs de la plaque (6) dans laquelle circule le fluide de refroidissement et/ou de la plaque intermédiaire (9) varient de manière à faire varier les conditions de refroidissement. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cavité du moule comporte à l'extrémité inférieure un élargissement dirigé vers la plaque (6) dans laquelle circule le fluide de refroidissement ou la plaque intermédiaire (9).