Brevet FR2548937A1 — publié le 19850118

L'invention concerne la fabrication de poudre d'alliage et, plus particulièrement la fabrication d'une poidre de superalliage caractérisée par son faible contenu en impuretes. Une grande variété de procédés et d'appareils de fabrication de poudre d'alliage sont bien connus des techniques métallurgiques Comme ces fabrications concernent des alliages et superalliages à température élevée, par exemple des alliages du type de ceux à base de Fe, Co, Ni, Ti ou 10 leurs combinaisons, les méthodes de production courantes consistent tout d'abord à fondre les éléments de l'alliage dans la chambre d'un four sous vide élevé par utilisation d'un faisceau d'électrons sous vide, d'un arc sous vide, d'induction sous vide ou de la fusion par plasma sous vide 15 pour obtenir un lingot Après obtention du lingot d'alliage, on transforme le lingot en poudre par dles procédés tels que l'atomisation par gaz, l'atomisation par centrifugation et l'atomisation sous vide en utilisant un creuset principal de fusion en céramique ainsi qu'une tuyère et un entonnoir de 20 coulée en céramique pour obtenir un jet de métal liquide nécessaire à la réalisation de la poudre. Certains composants des moteurs à turbine à gaz fonctionnant à température élevée et subissant de fortes contraintes, comme par exemple les disques de turbine utili25 sent des métaux en poudre pour leur fabrication En réali- sant une préforme en poudre métallique proche de la forme finale du composant, on peut diminuer les coûts de fabrication Cependant, on a remarqué qu'une pureté insuffisante de la poudre, provenant en particulier des particules de céra5 mique introduites par les procédés de fabrication de poudre couramment utilisés, peut avoir pour résultat une diminution significative de propriétés mécaniques telles que la fatigue oligocyclique du composant terminé Cette diminution est due à la présence dans les disques en métal en poudre compactée 10 de défauts qui agissent comme sites d'initiation de rupture par fatigue oligocyclique On produit couramment la presque totalité des poudres de superalliage pour ces applications en réalisant tout d'abord un lingot, puis en fondant le lingot et ensuite en fabricant la poudre par des procédés 15 d'atomisation par gaz Ces procédés d'atomisation utilisent des dispositifs de fusion et de coulée en céramique et on a remarqué que ces dispositifs introduisent une quantité significative d'inclusions de céramique indésirables On notera que la présente invention peut être particulièrement uti20 le lorsque les matériaux de départ sont relativement dépourvus de ces inclusions de céramique. La présente invention a pour buts de: réaliser un procédé amélioré de fabrication de poudre d'alliage dans lequel la fusion est effectuée sans 25 contact avec les éléments en céramique et la poudre fabriquée directement à partir-de l'alliage fondu; réaliser un appareil perfectionné pour produire une poudre d'alliage, grâce à un dispositif de fusion des matériaux métalliques de l'alliage sans contact avec des 30 éléments en céramique. En bref, selon un mode de réalisation, le procédé de la présente invention réalise un creuset de fusion ayant des parois refroidies par fluide et dans lequel on place le matériau métallique qui définit une composition d'alliage. 35 On fond ensuite le matériau dans le creuset Selon un mode 2548937, de réalisation spécifique, on dirige une source de chaleur par plasma vers le matériau métallique et on peut la balayer sur le matériau et le creuset de manière à fournir une chaleur pratiquement uniforme au matériau pour commencer et 5 poursuivre la fusion Tandis que la fusion s'effectue, on envoie un fluide de refroidissement sur les parois du creuset, suffisant pour resolidifier le matériau métallique fondu adjacent aux parois refroidies du creuset Ceci forme un culot de matériau métallique à l'intérieur du creuset a 10 l'endroit des parois refroidies tout en maintenant de l'alliage fondu supplémentaire en tant que réservoir de métal fondu à l'intérieur du culot Ensuite on envoie le métal fondu supplémentaire du creuset vers un dispositif de production de métal en poudre. 1 S L'appareil de la présente invention, selon un mode le réalisation, comporte en combinaison un dispositif pour fondre le matériau métallique qui comprend un creuset refroidi par fluide pour recevoir le matériau métallique, une source de chaleur par plasma pour fondre ledit matériau dans 20 le creuset et réaliser un réservoir de métal fondu, un dispositif de production de métal en poudre et des moyens pour introduire le métal fondu à partir du réservoir dans le dispositif de production Selon un mode de réalisation, le dispositif de fusion du matériau métallique est une source de 25 chaleur par plasma mobile, dirigée vers le creuset et adaptée pour, en fonctionnement, balayer une surface du matériau métallique dans le creuset pour fournir une chaleur pratiquement uniforme au dit matériau. La description qui va suivre se réfère à la figure 30 annexées qui représente une yue schématique, partiellement en coupe, d'un mode de réalisation de la présente invention comportant une chambre de fusion améliorée et un dispositif de production de poudre métallique. Le développement des moteurs à turbines à gaz mo35 dernes pour avion a nécessité des matériaux fonctionnant à 2548937: température plus élevée capable de supporter des contraintes élevées La complexité de conception des composants et les progrès réalisés dans -les procédés de métallurgie des poudres et dans la définition des alliages ont rendu l'utilisa5 tion des métaux en poudre intéressante du point de vue d'une fabrication économique De plus, l'utilisation d'un alliage en poudre permet d'obtenir les propriétés souhaitées telles que la résistance à la fatigue oligocyclique ainsi que la capacité de fonctionnement à température élevée. Les disques tournants utilisés pour les turbines. des moteurs à turbine à gaz modernes sont un exemple classique de composants nécessitant des matériaux a température élevée, très résistants On utilise parfois dans la partie compresseur d'autres composants de moteur tels ceux en al15 liages à base de Ti Cependant, de manière à obtenir la résistance à la fabrique oligocyclique souhaitée, on sait qu'il faut éliminer certains types d'impuretés de l'alliage en poudre utilisé dans ce processus. On a remarqué que l'impureté la plus importante, 20 ayant pour résultat des défauts dans ces disques, est celle de nature céramique et on peut la retrouver à partir du matériau de départ initial ou du processus ultérieur nécessaire pour produire la poudre à partir de l'alliage La présence de ces défauts peut diminuer la résistance à la fatigue 25 oligocyclique de ces disques en dessous de ce qui est requis par des conditions de températures et de contraintes élevées. Pour produire du métal en poudre à partir des superalliages, par exemple ceux à base de Fe, Co, Ni ou leurs combinaisons, on a utilisé des procédés d'atomisation par 30 gaz avec des dispositifs de fusion et de coulée en céramique Ces structures en céramique introduisent une partie significative des impuretés en céramique qui constituent des défauts servant comme sites d'initiation de rupture par fatigue oligocyclique dans le composant fini fabriqué par des 35 techniques de métallurgie des poudres. S La présente invention évite tout contact entre les éléments en céramique et l'alliage à partir duquel on fabrique la poudre par fusion du matériau métallique, hors du contact avec les éléments en céramique, et par introduction 5 de cet alliage fondu dans un dispositif de productiorn de poudre Selon un mode de réalisation, on effectue ceci en combinant l'utilisation d'un creuset de fusion refroidi par fluide et d'une source de chaleur par plasr:a qui peut être mobile dans la chambre ou le disosltif de fusion dans le10 quel on a fait fondre les matériaux de l'alliage avant leur introduction dans un dispositif de production de métal en poudre Le creuset refroidi par fluide provoque la reolidification du mratéria-tu fond'u dans le creuset autour des parois de ce dernier Ceci forme un cuiot dle creuset en matèriau 15 métallique oui forme comme une barrière entre le matériau du creuset et l'alliage fondu restant dans le culot. L'utilisation d'une source de chaleur par plasma mobile, telle qu'une ou plusieurs torches a plasma mobiles définissant ensemble la source de chaleur, fournit un chauf20 fate et une fusion rapide et uniforme des matériaux ormant la composition de l'alliage à réduire en poudre De plus, on peut contribuer à la surchauffe du matériau fondu jusque une température suffisante et pratique pour l'introduction dans un dispositif de production de métal en poudre, par 25 l'utilisation de la source de chaleur par plasma principale qui est adaptée pour balayer une surface du matériau métallique dans le creuset. On a représenté un mode de réalisation du dispositif de la présente invention sur la figure Le moyen perfec30 tionnée pour faire fondre le matériau métallique dans la chambre de fusion 10 comporte un creuset 12 refroidi par fluide ayant des parois 13 comportant des passages de fluide de refroidissement 14 reliés à une source de fluide de refroidissement tel que de l'eau (non représentée) Comme uti35 lisé ici, le terme "paroi (s)" peut désigner la base ainsi 2548937; que les parois latérales de l'élémenit décrit On peut adapter la chambre de fusion 10 pour qu'elle contienne une atmosphère ou qu'elle ait des conditions de pression souhaitées, par exemple en introduisant par une entrée 16 un gaz 5 inerte tel que de l'argon que l'on évacuera par la sortie de gaz 18 D'autres moyens appropriés pour régler l'atmosphère à l'intérieur de la chambre 10 seront évidentes pour l'homme de l'art, selon plusieurs procédés couramment utilisés On place directement au- dessus du creuset 12 une source de cha10 leur par plasma représenté sur la figure sous la forme de plusieurs torches à plasma dirigées vers le creuset, qui peuvent être mobiles On introduit le matériau métallique 22 dans le creuset 12 et on règle la source de chaleur par plasma 20 pour qu'elle commence et poursuive la fusion de 15 ces matériaux Lorsqu'elle est mobile, la source de chaleur est agencée de manière à balayer une surface du matériau métallique et à fournir une chaleur pratiquement uniforme à ce matériau Lors du fonctionnement du dispositif de fusion 20 perfectionné décrit ci-dessus, on place le matériau métallique 22, qui définit une composition d'alliage, dans le creuset 12 On peut effectuer cette introduction suivant un processus discontinu ou suivant un processus continu ou semicontinu en utilisant un système supplémentaire d'alimenta25 tion en métal d'un type bien connu de la technique Par exemple, on peut utiliser un système d'alimentation et de décharge du type de celui décrit dans le brevet des E U A. n 3 744 943. On place en position de fonctionnement la source 30 de chaleur par plasma 20 constituée par une batterie de torches à plasma mobiles avec un fluide de refroidissement tel que l'eau circulant à l'intérieur des passages de refroidissement 14 Dans ce mode de réalisation, on déplace les torches de manière à balayer une surface du matériau 22 dans le 35 creuset 12 pour le faire fondre Lorsque le matériau fondu -7 entre en contact avec la paroi intérieure refroidie du creuset 12, ce matériau se resolidifie en un culot de creuset 24 qui agit comme une barrière ou tampon entre les parois du creuset et tout autre matériau et alliage fondu dans le 5 creuset De cette manière, on empêche l'introduction de matériau du creuset dans l'alliage fondu à linteriear du creuset et on réalise un réser-oir d'alliage fondu pratiquement dépourvu de matériaux étrangers. Après avoir atteint un niveau prévu de fusion et 10 de surchauffe, on fait basculer le creuset autour du pivot 26 en utilisant un mécanisme de bascule représenté par la flúèche 28 L'alliage fondu dans le creuset, reste du matériau qui a été resolidifié pour former le culot 24, est évacué ou versé du creuset de manière convenable à partir d'un 15 bec 30 pour obtenir un jet de métal fondu 32 Sur la figure, selon un mode de réalisation de l'invention, on verse le jet de métal fondu 32 dans un dispositif de réglage de jet ayant la forme d'un bac refroidi par fluide 34 pour une manipulation supplémentaire Cependant, on notera que le jet de mé20 tal fondu peut être envoyé dans un dispositif quelconque de réglage de jet évident pou Lr l'homme de l'art, ou directement envoyé dans un dispositiú de production de métal. Selon le mode de réalisation représenté, on envoie le jet de métal fondu 32 dans un dispositif de réglage de 25 jet constitué par le bac refroidi ar fluide 34 qui comporte des passages de fluide de refroidissement 36, alimentés par une source (non représentée) en un fluide de refroidissement tel que l'eau, d'une manière bien connue de la technique, De même que le creuset 12, le bac 34 peut comporter un bec 38 30 pour faciliter l'écoulement du métal fondu à partir du bac. En fonctionnement, le bac 34 reçoit l'alliage Iondu sous forme de jet 32 en provenance du creuset 12 tandis que le fluide de refroidissement circule dans les passages de refroidissement 36 Lorsque le métal fondu entre en con35 tact avec les parois refroidies du bac, une partie du métal 2548937: fondu se solidifie en formant un culot de bac 40 semblable au culot de creuset 34 Le culot de bac 40 fonctionne, de la même manière, comme une barrière ou un tampon entre les parois du bac et l'alliage fondu se trouvant dans le bac après S solidification du culot Pour maintenir cet alliage supplémentaire dans le bac à l'état fondu, une deuxième source de chaleur par plasma telle celle représentée sur la figure par une torche à plasma 42, peut être nécessaire ou souhaitée. Pendant le fonctionnement, on dirige la deuxième source de 10 chaleur 42 vers l'alliage fondu supplémentaire dans le bac, reste de ce qui s'est resolidifié sous la forme d'un culot de bac 40 Un jet 44 d'alliage fondu s'écoule du bac 34 dans un dispositif de production de métal en poudre, représenté de manière générale en 46 sur la figure. Ce dispositif de production de poudre de métal peut être de différents types bien connus de la technique, comme par exemple un dispositif par atomisation ou tout autre type de désintégration qui produit des poudres de métal. La figure représente, schématiquement, un dispositif du type 20 à atomisation par gaz qui comporte une tour de refroidissement 48 ayant une entrée de métal fondu 50 autour de laquelle est disposé un dispositif de pulvérisation 52 de gaz atomisant pour injecter du gaz atomisant tel que l'argon, l'azote, l'hélium, etc, dans le jet de métal fondu 44 péné25 trant dans la tour de refroidissement 48 par l'entrée 50 On envoie le gaz atomisant par la conduite 54 à partir d'une alimentation en gaz comprimé (non représentée) Le gaz atomisant ainsi introduit dans le jet d'alliage fondu provoque la dispersion du jet en petites particules qui se solidi30 fient et tombent dans le bas de la tour de refroidissement 48 pour être ramassées dans le collecteur de métal en poudre 56 Comme représenté sur la figure, il est commode de munir un tel dispositif de production de métal en poudre d'un système d'évacuation comme celui portant la référence 58 Géné35 ralement le système d'évacuation comporte un collecteur de 2 D 5 4 8 9 3 7 _ 9 poussière o 60, par exemple un collecteur de type cyclone bien conn; de la technique. Si on le sothaite, on peut utiliser des sources de chaleur supp lémentaires dans la chambre de fusion 10, diri5 g 6 es par exemple vers le bec 30 du creuset ou vers le bec 38 du bac, ou les deux Ceci peut aider les jets d'alliage fondu à S 'écouiler dans l' tat souhaité de fusion ou de surchauffe. Selon un exemple d'èvaluation de la chambre de fu10 sien an Sliorée ou des doyens am& orês de úlusion du matériau m,étallique de la présente inventiona, on a utilisé un superalliage à base de nickel disponible dans le commerce sous le nom de René 95 et ayant une comqpositiol nominale en poids de 0,06 %C, 13 % Cr, 8 % Co, 3,5 % Mo, 3,5 % Cb, 0,05 % Zr, 2,5 15 t Ti, 3,5 % Ai, 0,01 g g, 355 % W, le complément étant du Ni et des impuretés accidentelles Dans cet exemple, on a dirigé trois torches à plasma formant la source de chaleur principale 20 sur un creuset de fusion 12 en cuivre, refroidi par eau On peut diriger une torche à plasma supplémentaire 20 comme deuxième source de chaleur 42 sur un bac de versement 34 en cuivre, refroidi par fluide, comme représenté sur la figure Dans d'autres exemples d'évaluation de fusion dans le creuset 12, on a utilisé moins de trois torches Les torches de chauffage du creuset, en tant que source principale 23 de chaleur, pouvaient de déplacer suivant trois directions orthogonales; la torche de chauffage du bac de versement ou source secondaire de chaleur pouvait se déplacer verticalement et dans une direction horizontale On avait protégé les cotés du dispositif et les supports des torches à plasma par 30 des écrans thermiques On a trouvé, en tant que résultat de plusieurs essais d'évaluation que la combiniaison d'un creuset refroidi par fluide et d'une source de chaleur par plasma,qui peut être mobile, seule ou en combinaison avec un bac de versement comme dispositif de réglage de jet peut fournir 35 un moyen amélioré pour fondre un matériau métallique en vue 2548937 ' d'obtenir un,aétal en poudre et sans augmentation notable des impuretés de céramique qui peuvent agir comme sites de défauts. Par l'utilisation du dispositif de la présente 5 invention, on a réalisé une méthode perfectionnée de fabrication d'une poudre d'alliage, particulièrement un alliage à Température élev 6 e ou un superalliage tel ceux à-base de Fe, Co, Ni, Ti ou leurs mélanges, la méthode étant caractérisée en ce qu'elle évite l'apport de matériaux céramiques formant 10 des défauts. 2548937;' REVEND I CATIONS 1 Procédé de fabrication d'une poudre métallique, caractérisé en ce qu'il consiste a. placer dans un creuset de fusion un matériau mé5 tallique définissant une composition d'alliage faire fondre le matériau dans le creuset en utilisant un source de chaleur par plasma pour obtenir un alliage fondu tout en réalisant un culot de creuset en matériau resolidifié entre 10 l'alliage fondu et le creuset; et introduire l'alliage úfondu provenant du creuset dans un dispositif de production de métal en poudre. 2 Procédé perfectionné de fabrication d'une pou15 dre métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à: réaliser un creuset de fusion ayant des parois refroidies par fluide; placer dans le creuset un matériau métallique définissant une composition d'alliage; diriger une source de chaleur par plasma vers le matériau métallique dans le creuset po Ur fondre le matériau, tout en alimentant en fluide de refroidissement les parois du creuset de manière suffisante pour reso25 lidifier le matériau métallique fondu adjacent aux parois refroidies du creuset pour former un culot de creuset avec une partie du matériau métallique se trouvant à l'intérieur du creuset à l'endroit des parois refroidies, tout en mainte30 nant l'alliage fondu supplémentaire dans le culot de creuset sous forme d'un réservoir d'alliage fondu; et ensuite introduire l'alliage fondu supplémentaire provenant du creuset dans un dispositif de production 35 2548937 ' de métal en poudre. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de chaleur par plasma est balayée sur une surface du matériau métallique pour lui fournir une cha5 leur pratiquement uniforme. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'alliage fondu supplémentaire est introduit dans le dispositif de production de métal en poudre par un dispositif de réglage de jet. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un bac de versement ayant des parois refroidies par fluide sert de dispositif de réglage de jet; l'alliage fondu supplémentaire est versé du creuset dans le bac, tout en alimentant en fluide de refroidissement les parois du bac de 15 manière suffisante pour resolidifier l'alliage fondu adjacent aux parois refroidies du bac pour former un culot de bac avec une partie de l'alliage fondu à l'intérieur du bac; et ensuite l'alliage fondu supplémentaire est versé du bac dans le dispositif de production de métal en poudre. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on dirige une source de chaleur par plasma secondaire vers l'alliage fondu dans le bac. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source de chaleur par plasma secondaire est ba25 layée sur la surface de l'alliage fondu dans le bac pour fournir une chaleur pratiquement uniforme à cet alliage-fondu. 8 Appareil perfectionné pour produire une poudre métallique comportant des moyens pour fabriquer la poudre à 30 partir d'allia 3 e fondu, caractérisé en ce qu'il comporte, un dispositif comprenant en combinaison. un creuset ( 12) refroidi par fluide pour recevoir le matériau métallique ( 22) qui définit une composition d'alliage et dans lequel le matériau 35 métallique est fondu pour fournir l'alliage fon- 2548937 ' du; une source de chaleur par plasma ( 20) dirigée vers le creuset et adaptée pour fondre le matériau métallique et fournir un alliage fondu; et des moyens ( 30, 50) pour introduire l'alliage fondu dans un dispositif de production de métal en poudre ( 46). 9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source de chaleur par plasma est adaptée pour, 10 en fonctionnement, balayer une surface du matériau uétallique dans le creuset afin de fournir une chaleur pratiquement uniforme à ce matériau. Apparei selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bac de versement ( 34) re15 froidi par fluide placé pour recevoir l'alliage fondu dans le creuset et en introduire au moins une partie dans le dispositif ( 46) de production de poudre à partir de cet alliage fondu. 11 Appareil selon la revendication 10, caractéri20 sé en ce qu'il comprend en outre une source de chaleur par plasma secondaire dirigée vers le bac ( 34) pour maintenir fondu l'alliage dans le bac.