Brevet FR2507513A1 — publié le 19821217

La présente invention concerne un dispositif sélecteur utilisable dans le moulage, par coulée, d'objets mono- cristallins Au cours des dernières années, le moulage d'objets monocristallins est devenu une question d'ordre pra- tique, et les avantages potentiels de ces objets en milieu difficile, tel que la-zone des turbines des moteurs à turbine à gaz, ont suscité des efforts con- sidérables en vue du perfectionnement des procédés de coulée La technique la plus répandue pour produire un moulage monocristallin comporte l'emploi d'un appareil refroi- disseur, d'un moule comportant une cavité d'amorçage et une cavité principale, d'un dispositif sélecteur, et d'un four de solidification directionnelle L'opé- ration de coulée consiste alors à verser une charge de métal fondu pour remplir la totalité du moule, y com- pris les deux cavités et le dispositif sélecteur, et à faire se solidifier le métal de façon que le front de solidification se déplace uniformément et successi- vement, depuis l'appareil refroidisseur, à travers la cavité d'amorçage, le dispositif sélecteur, et la ca- vité principale La solidification directionrelle du métal depuis l'ap- pareil refroidisseur jusque dans la cavité d'amorçage engendre d'abord une structure granulée colonnaire dans laquelle les grains de métal solidifié s'étendent dans une seule direction, de l'appareil_ refroidisseur au sélecteur Lorsque le front de solidification at- teint le sélecteur, qui comporte un passage assez 250751 3 étroit de forme curviligne ou hélicoïdale, la totalité des grains colonnaires ne peut pas continuer à croltre et le passage sélecteur est établi de façon qu'un seul grain ou cristal puisse progresser dans ce passage et pénétrer dans la cavité principale En débouchant dans la cavité principale, seul ce cris- tal indépendant continuera à progresser tant que la transition du passage sélecteur à la cavité principale est suffisamment douce et tant qu'il ne se trouvera pas d'autres grains engendrant des irrégularités Le métal se trouvant dans la cavité principale, à laquelle on aura donné la forme de l'objet moulé qu'on veut obte- nir, se solidifiera donc sous forme d'un monocristal ayant la forme recherchée L'appareil utilisé pour cette méthode de coulée a en- gendré une difficulté du fait de la forme curviligne requise pour le passage sélecteur Le procédé habituel de réalisation de ce passage consiste à faire une copie en cire du passage en question et de réaliser une co- quille entourant cette copie en cire par le procédé habituellement utilisé dans le moulage à cire perdue Cette coquille pourra ensuite être fixée à la cavité d'amorçage et à la cavité principale Il sera encore possible de fixer ladite copie en cire aux modèles en cire devant former ces deux cavités et de réaliser, sur l'ensemble en cire, une coquille d'un seul tenant Bien que ce procédé donne des cavités internes et un passage sélecteur très satisfaisants, la partie du modèle en cire qui formera par la suite ledit passage est forcément étroite et assez fragile, fragilité accentuée par la forme contournée du passage Cette partie du modèle est donc exposée à être endommagée au cours de la confection de la coquille et des di- verses manipulations On notera également que la réa- lisation de la copie en cire du passage est difficile du fait qu'elle ne peut pas se faire au moyen d'un moule simple en deux parties On a cherché à résoudre ces problèmes au moyen d'élé- ments de renforcement de la coquille du passage sélec- teur ou d'éléments de soutien du reste du moule à co- quille Mais ces éléments ont tendance à être compli- qués et augmentent le prix d'un procédé déjà assez coûteux par lui-même La présente invention a pour objet de réaliser un dis- positif sélecteur de forme simple et de résistance mé- canique assez grande Le dispositif sélecteur selon l'invention, utilisable pour la coulée de pièces moulées monocristallines, comprend un élément en matière céramique dans la sur- face duquel est creusée une rainure curviligne débou- chant doucement à une extrémité du sélecteur et coopé- rant avec une pièce de transition formée sur ladite extrémité du sélecteur pour produire une augmentation progressive de la section transversale dudit passage L'élément en matière céramique pourra être plein et cylindrique et, dans ce cas, la rainure aura, de pré- férence, une forme hélicoïdale s'étendant sur sa sur- face externe, d'une extrémité à l'autre de l'élément en matière céramique Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci compor- te un moule de coulée de pièces monocristallines possé- dant un sélecteur comprenant un élément en matière cé- ramique dans la surface duquel est creusée une rainure curviligne De préférence, ce moule comportera une partie chevauchant la rainure pour former, conjointe- ment avec elle, un passage sélecteur curviligne Dans ce second cas également, l'élément en matière céramique pourra être essentiellement cylindrique De préférence, le moule définira une cavité d'amorçage et une cavité principale communiquant ensemble par le- dit passage sélecteur, la cavité d'amorçage étant con- formée et disposée de façon à être placée en contact thermique avec un appareil refroidisseur L'invention concerne également un procédé de réalisa- tion d'une pièce moulée monocristalline utilisant le sélecteur et/ou le moule définis ci-dessus L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisa- tion représenté sur les dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en élévation, partiellement écorchée, d'un moule et d'un sélecteur selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique en élévation, en direction de la flèche 2 de la figure 1, du sé- lecteur de ladite figure 1; et les figures 3, 4, 5 et 6, sont des vues schématiques, également en élévation, montrant les diverses phases de la réalisation et d'emploi du moule et du sélec- teur des figures 1 et 2 La figure 1 représente un moule en coquille comprenant une cavité d'amorçage 10, une partie sélectrice 11 et une cavité Principale 12 La cavité principale 12 comporte un trou de coulée 13 pour la pénétration du métal fondu; le fond de la cavité d'amorçage 10 est béant et repose sur un appareil refroidisseur 14 La partie sélectrice 11 comporte une coquille creuse de surface interne essentiellement cylindrique 15 dans laquelle s'embotte étroitement un dispositif sélecteur 16 en matière céramique Le sélecteur 16 est consti- tué par un élément céramique de surface externe essen- tiellement cylindrique 17 dans laquelle est creusée une rainure hélicoïdale 18 Cette rainure 18 s'étend depuis l'extrémité inférieure 19 du sélecteur 16 jus- qu'à l'extrémité 20 de celui-ci A son extrémité su- périeure 19, le sélecteur 16 comporte une pièce de transition 21, d'une seule pièce avec lui, ayant la forme d'un appendice arrondi saillant de la partie su- périeure du sélecteur On voit que la partie inférieure du sélecteur 16 pé- nètre dans la cavité d'amorçage 10 et que, dans la zone o le sélecteur est logé dans la partie 11 du moule à coquille, la rainure hélicoïdale 18 est recouverte par la paroi de la partie 11 de façon à former un passage hélicoïdal allant de la cavité d'amorçage 10 à la ca- vité principale 12 A l'extrémité supérieure du pas- sage formé entre la rainure 18 et la paroi de la partie 11 de la coquille, la section transversale dudit pas- sage augmente progressivement du fait de l'élargisse- ment de la rainure elle-même au point 22 suivie du dé- bouché du passage dans la cavité principale 12 A cet endroit, le cavité principale 12 comporte une partie tronconique formée par l'inclinaison 23 de ses parois et, conjointement avec la pièce de transition arrondie 21, cette partie a pour effet de faire croltre progressivement la section transversale du moule depuis celle du passage jusqu'à l'intégralité de celle de la cavité principale 12 La forme arrondie de la pièce de transition 21 et la position des parois 23 du moule, qui prolongent en fait la partie élargie 22 du passage hélicoïdal, permettent de donner à cette zone une sur- face lisse exempte de discontinuités génératrices de grains La figure 2 montre le sélecteur 16 vu de côté, par rap- port à sa position dans la figure 1 et permet de mieux apprécier la forme de la pièce de transition 21 On voit que cette dernière comporte un appendice arron- di ou fermé dont l'un des côtés est aplati pour former la partie extrême de la rainure 18 à son débouché dans la cavité principale 12 2 G Il y aura lieu de noter certaines particularités de l'ensemble moule-sélecteur de la figure 1 La section transversale de la partie 11 du moule contenant le sé- lecteur 16, par exemple, est assez grande, surtout en comparaison de la section transversale du passage héli- coldal Par conséquent, cette partie du moule pourra donc avoir une résistance mécanique assez grande obte- nu-, comme on le comprendra, par le fait que, dans la présente invention, le passage sélecteur est constitué par une rainure creusée dans la surface externe d'un Clément en matière céramique auquel on aura pu donner la résistance mécanique voulue En outre, bien que la surface du sélecteur ne doive pas obligatoirement être cylindrique, cette forme permet d'obtenir un passage hélicoïdal d'incurvation douce spécialement approprié à un dispositif sélecteur Les figures 3 à 6 montrent la façon de réaliser et d'utiliser le moule et le sélecteur des figures 1 et 2 La figure 3 montre les matrices, ou demi-moules, 24 et d'une machine à mouler par injection,-ces matrices définissant entre elles une cavité 26 de la forme du sélecteur On voit que la forme générale cylindrique et la rainure hélicoïdale du sélecteur à fabriquer per- mettent l'emploi d'un moule en deux parties Un canal d'injection 27 permet d'injecter de la matière céra- mique liquide de façon à emplir la cavité 26 et, comme dans le cas des noyaux en matière céramique utilisés pour ménager des cavités dans les pièces moulées, cette matière céramique liquide est solidifiée, soit par sé- chage, soit par application de chaleur agissant sur une résine thermodurcissable entrant dans la composi- tion de la matière céramique Le sélecteur céramique durci peut alors être démoulé, rectifié si besoin est, et cuit pour donner la pièce finale L' sélecteur 16 ainsi obtenu est alors placé dans le moule biparti d'une seconde machine d'injection Cette phase est représentée à la figure 4 o l'on voit que les demi-moules 28 et 29 définissent entre eux une cavité dont la forme est celle des deux cavités et de la partie sélectrice du moule de la figure 2 Le sé- lecteur 16 est immobilisé dans le moule dans la région qui définira la partie sélectrice 11 et qui sera sa position définitive Ce moule comporte également un -2507513 canal d'injection 30 par lequel de la cire fondue, pro- venant d'un dispositif d'injection 31, peut être injec- tée de façon à emplir la cavité dudit moule ainsi que la rainure hélicoïdale 18 du sélecteur 16 On notera que, dans l'exemple représenté, le modèle en cire pour les deux cavités 10 et 12 ainsi que la par- tie sélectrice 11 est fait d'une seule pièce Les au- teurs de la présente invention pensent qu'il est sou- haitable de former au moins le modèle en cire du sé- lecteur 11 et de la cavité 12 d'une seule pièce pour assurer le transfert satisfaisant du cristal sélec- tionné dans la cavité principale Il n'est pas indis- pensable que le modèle de la cavité d'amorçage 10 soit fait d'une seule pièce avec celui du sélecteur, et ce modèle pourra être réalisé séparément et fixé à celui, du sélecteur par soudage à la cire ou par un autre procédé analogue Tous grains perturbateurs formés et accumulés en ce point sur un joint imparfait sont en- suite éliminés dans la spirale - On laisse la cire fondue refroidir puis se solidifier et l'on sépare les deux demi-moules pour pouvoir démou- ler le modèle en cire 32 renfermant le sélecteur 16 Le modèle en cire 32 est alors rectifié ou ébarbé, si besoin est, puis enduit par la méthode habituelle de façon à former à sa surface un moulage de matière cé- ramique Le procédé d'enduction consiste à plonger le modèle dans une barbotine céramique, puis à le sau- poudrer de matière céramique granulée, et à répéter l'opération jusqu'à obtention d'un enduit d'épaisseur désirée On devra, peut-Otre, effectuer un quelconque travail ou usinage préparatoire assurant que la surface 250751 3 cylindrique du sélecteur 16 adhère à la matière de la coquille céramique, par exemple en rendant cette sur- face plus rugueuse et/ou en éliminant les dépôts de cire qui pourraient s'y trouver Le modèle recouvert de sa coquille pourra alors être cuit afin de durcir cette dernière et d'en éliminer, en la faisant fondre, la cire ayant constitué le modèle On obtient ainsi une coquille résistante dont on peut éliminer la partie formant le fond de la cavité d'a- morçage 10 de façon à la laisser béante et à pouvoir la monter sur un appareil refroidisseur A ce stade, le moule et son sélecteur se présentent comme on l'a décrit à propos de la figure 1 Le moule est alors joint à un appareil refroidisseur 14 à refroidissement par eau, et placé dans un four 33. L'appareil refroidisseur est monté sur un dispositif mobile verticalement 34 de façon à pouvoir extraire le moule du four et l'ensemble est enfermé dans une en- ceinte vide d'air (non représentée) Le dispositif 34 peut être électro-mécanique, hydraulique ou pneumatique. A la partie supérieure du four 33 est monté un appareil de coulée à décharge par le fond 35, de type connu, empli d'une charge de métal 36 Lorsque le dispositif est mis en action, l'enceinte est vidée d'air et le four est mis en marche de façon à chauffer le moule à une température prédéterminée Le système de chauffage par induction de l'appareil de coulée 35 est actionné pour fondre la charge 36, laquelle rompt une bonde fusible et tombe dans le trou de coulée 13 pour emplir le moule 250751 3 Pendant que le four fonctionne encore, on actionne le dispositif abaisseur-élévateur 34 de façon à extraire lentement du four le moule empli, en l'abaissant, pen- dant que l'appareil refroidisseur à refroidissement par eau 14 agit sur lui pour abaisser la température de sa partie inférieure On engendre ainsi un front de soli- dification uniformément ascendant dans le moule et l'o- pération s'effectue comme précédemment décrit pour en- eend 2 rer un moulage monocristallin dans la cavité prin- cipale 12 du moule Ce moulage terminé peut alors être démoulé de la manière habituelle On voit donc que le sélecteur cylindrique à rainure hélicoïdale à sa surface externe constitue un mode de réalisation de l'invention très commode Mais il doit être entendu que ce sélecteur pourra affecter diverses autres formes telles que des sections transversales po- lygonales ou même complètement asymétriques De même, la rainure ne devra pas être obligatoirement formée sur la surface externe du sélecteur et ce dernier pourra être un corps creux dans la surface interne duquel la rainure aura été creusée -2507513 1 '1 REVENDICATIONS 1 Dispositif sélecteur, utilisable pour la coulée de pièces moulées monocristallines, caractérisé en ce qu'il comprend un élément en matière céramique ( 16) dans la surface duquel est creusée une rainure cur- viligne ( 18) débouchant doucement à une extrémité ( 20) du sélecteur et coopérant avec une pièce de transition ( 21)formée sur ladite extrémité du sé- lecteur pour produire une augmentation progressive de la section transversale de ladite rainure 2 Dispositif sélecteur selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ladite rainure curviligne ( 18) est formée dans une surface externe dudit élément en matière céramique ( 16) 3 Dispositif sélecteur selon la Revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément en matière cé- ramique ( 16) a une forme essentiellement cylindrique. 4 Dispositif sélecteur selon la Revendication 3, caractérisé en ce que ladite rainure curviligne ( 18) a une forme hélicoïdale 5 Dispositif sélecteur selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce de transition ( 21) comporte un appendice arrondi ( 21) saillant d'une extrémité ( 20) de l'élément en matière céramique ( 16) 6 Moule pour la coulée de pièces monocristallines, caractérisé en ce qu'il est constitué par une co- quille incorporant un sélecteur ( 16) comprenant un élément en matière céramique à la surface duquel est formée une rainure curviligne ( 18) 7 Moule selon la Revendication 6, caractérisé en ce que ladite coquille comporte une partie ( 11) che- vauchant ladite rainure ( 18) de façon à former, conjointement avec ladite rainure, un passage cur- viligne 8 Moule selon la Revendication 7, caractérisé en ce que ladite rainure curviligne ( 18) est formée dans la surface externe dudit élément en matière céra- mique ( 16) 9 Moule selon la Revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément en matière céramique ( 16) a une forme essentiellement cylindrique Moule selon la Revendication 9, caractérisé en ce que ladite rainure a une forme hélicoïdale 11 Moule selon une quelconque des Revendications 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit élément en matière céramique ( 16) comporte une pièce de tran- sition ( 21) saillant d'une de ses extrémités ( 20) 25075 1 3 12 Moule selon une quelconque des Revendications 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité d'amorçage ( 10) et une cavité principale ( 12) comm:-niquant ensemble par ledit passage cur- viligne ( 18) 13 Moule selon la Revendication 12, caractérisé en ce que ledit élément en matière céramique ( 16) est te- nu dans une partie sélectrice ( 11) du moule s'éten- dant entre ladite cavité d'amorçage ( 10) et ladite cavité principale ( 12) 14 Moule selon une quelconque des Revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que ladite cavité d'amorçage ( 10) est conformée et disposée de façon à être mise en contact thermique avec un appareil refroidisseur à refroidissement par eau ( 14) À