Brevet FR2571484A1 — publié le 19860411

L'invention concerne un procédé pour faire fondre progressivement du matériau en forme de barreau par son avance continue dans le sens de l'axe du barreau vers une bobine d'induc- tion pourvue d'une ouverture, qui est disposée sur l'axe du barreau à l'extrémité inférieure de celui-ci et est alimentée en courant alternatif. Un tel procédé est mis en oeuvre dans une chambre - fermée, appelée chambre de fusion, et de préférence sous vide et/ou sous gaz protecteur. Une telle atmosphère empêche non seulement la réaction du matériau fondu - qui est à l'état liquide - avec des constituants réactifs de l'atmosphère, elle permet en plus la puri- fication du matériau de départ ainsi que sa transformation en par- ticules et/ou lingots ou pièces de forme définie ayant une structure cristalline et/ou une texture particulière(s). Surtout l'opération de fusion dite goutte à goutte produit, sous un vide poussé, une très large purification du matériau de départ parce que les impuretés, en règle générale très volatiles, s'éliminent par évaporation sous vide. La fusion goutte à goutte mentionnée ci-dessus crée, les conditions pour l'obtention d'un rapport surface/volume favorable. Pour le procédé de fusion goutte à goutte, on a appliqué jusqu'à présent les techniques de la refusion sous vide par arc électrique, de la fusion par faisceau électronique et de la fusion progressive par induction de matériau en forme de barreau. Comme les métaux très purs produits par le processus de refusion ne doivent pas être contaminés de nouveau par la suite, il est indispensable d'éviter tout contact du matériau fondu recueilli après sa chute goutte à goutte avec d'autres matières, en parti- culier avec des matières céramiques. A cette fin, les particules fondues se détachant du barreau sont recueillies, encore à l'état fondu ou à l'état partiellement ou complètement solidifié, dans des récipients avec des parois refroidies. A la collecte des maté- riaux fondus, il se forme donc sur la paroi du récipient une couche ou croûte de matériau solidifié qui empêche le contact direct entre le matériau fondu et la paroi et assure que seulement des matériaux de même nature se touchent dans la région de la limite de phase liquide/solide. Cette technologie est appelée "fusion par arc élec- trique à fond de moule refroidi" (skull-melting). Par le brevet des E.U.A. 2 858 586, il est connu, dans le cas de matériau en forme de barreau obtenu par la compres- sion de poudre métallique, de faire pénétrer le barreau dans une bobine d'induction pour le faire fondre progressivement et de recueillir le matériau fondu tombant goutte à goutte du barreau dans une lingotière de coulée continue. La bobine d'induction est essentiellement enroulée en hélice et son diamètre intérieur est plus grand, du moins dans sa partie supérieure, que le diamètre du barreau. Le barreau fait saillie à travers la bobine d'induction et la zone de fusion s'étend sur une partie relativement grande de la longueur du barreau, de sorte qu'un courant de matériau fondu qui s'intensifie de haut en bas coule le long de la surface du barreau et se sépare à l'extrémité inférieure du barreau de façon incontrôlée, c'est-à-dire sous forme de portions de matériau fondu plus ou moins grandesou petites. Dans la pratique, on n'a pas pu observerque l'extrémité inférieure du barreau possède une confor- mation aussi régulière et pointue que celle représentée sur les dessins du document précité. Il s'avère plutôt que des portions de matériau fondu se détachent à différents endroits du barreau et ne possèdent par conséquent pas toujours la même trajectoire de chute. Il s'ensuit qu'un transfert contrôLé des gouttes de matériau fondu par un parcours restant toujours exactement le même n'est pas possible. Par le brevet des E.U.A. 3 226 223, on connait la combinaison de la fusion progressive par bombardement électronique et chauffage par induction. La bobine d'induction est dans ce cas également une bobine dite cylindrique, c'est-à-dire enroulée en hélice, de manière que son étendue axiale soit un multiple de l'étendue radiale. Avec cette solution connue, l'extrémité infé- rieure du barreau est également située à l'intérieur de la bobine d'induction et le document mentionné montre de façon bien plus réaliste les différents parcours des gouttes de matériau fondu entre le barreau et une masse de matériau fondu d'o est formée progressivement une barre par l'abaissement continu d'un fond de lingotière. Cette méthode connue ne permet pas de créer un flux uniforme de matériau fondu qui a toujours exactement la même trajec- toire de chute. Le terme "matériau en forme de barreau" décrit la géométrie du matériau de départ en ce sens qu'il s'agit d'un corps de forme allongée avec une section droite essentiellement constante (circulaire ou polygonale), dont l'axe est sensiblement vertical lors de la fusion. Le barreau peut être produit par coulée, compres- sion de poudre métallique ou assemblage par soudage de matériau en forme de bandes. En utilisant différents matériaux de départ dont La répartition reste la même sur la longueur du barreau, un proces- sus de refusion du type dont il est question ici permet également de produire des alLiages. Comme matériaux de départ, ou comme constituants d'un tel matériau, on peut citer, à titre d'exemple seulement, des superalliages, du titane et du tungstène. L'invention vise à apporter un procédé du type décrit au début, mais dans lequel le matériau fondu se détache en portions essentiellement de même grandeur de l'extrémité inférieure du barreau et soit toujours amené vers la même trajectoire de chute. A cet effet, selon l'invention, on fait avancer Le matériau en forme de barreau vers une bobine d'induction dont l'étendue axiale est plusieurs fois plus petite que son étendue radiale et dont l'ouverture est plus petite que le diamètre du barreau et on maintient l'extrémité inférieure du barreau par sa face extrême à une distance axiale sensiblement constante au-dessus de la bobine d'induction. Une particularité essentielle de ce procédé est - l'utilisation d'une bobine d'induction que l'on pourrait qualifier de bobine plate. Elle peut être réalisée sous forme d'une bobine qui est essentiellement à une seule couche formée d'un enroulement en spirale, c'est-à-dire ayant la forme d'une spirale d'Archimède. Il est possible de la réaliser sous forme d'un cône creux à très grand angle, de manière qu'une Ligne s'étendant à peu près radia- lement et passant par les milieux des sections droites des spires successives soit située sur une surface conique largement ouverte, la pointe du cône étant dirigée vers le bas. En changeant La den- sité d'enroulement dans le sens radial de la bobine d'induction, on peut également créer des puissances de fusion différentes sui- vant la distance du centre de la bobine. Une autre caractéristique essentielle est que l'ouverture de la bobine d'induction est plus petite que le diamètre du barreau; cette ouverture est de préférence de tout au plus mm. Il s'ensuit que l'extrémité inférieure du barreau n'est pas située à l'intérieur de la bobine d'induction, mais au-dessus d'elle. Une telle bobine d'induction pourrait également être appelée "bobine droite" ou encore "bobine discorde" (pancake- coil). Des bobines de ce type ne sont cependant pas utilisées jusqu'à présent pour la fusion progressive goutte à goutte par induction. Avec le procédé selon l'invention, l'extrémité inférieure du barreau est fondue essentiellement sur une face horizontale. C'est seulement au centre de cette face extrême infé- rieure du barreau, c'est-à-dire à l'endroit o se trouve l'ouverture de la bobine, que se forme une pointe de faible hauteur qui est toujours située au même endroit, à savoir sur l'axe du barreau. Cette pointe forme un point d'égouttage défini et l'inclinaison de la face de fusion vers cette pointe à l'extrémité du barreau est si faible que la vitesse d'écoulement du matériau fondu ne peut pas devenir excessive. La bobine d'induction utilisée seLon l'invention exerce en outre un effet de soutien sur le matériau fondu, de sorte que la face extrême inférieure du barreau se recouvre d'un mince film de matériau fondu s'écoulant vers ladite pointe et tombant de façon contrôlée sous forme de gouttes de celle-ci. Il ne s'agit donc pas seulement d'un problème purement thermique, le matériau fondu tombe également sous forme de gouttes d'un seul et même endroit parce que l'effet de soutien procuré par les forces électromagnétiques fait défaut à cet endroit, correspondant à l'ouverture de la bobine. 2 571484 Pour compenser les manques d'homogénéité des forces électromagnétiques et de l'action de chauffage, qui existent obli- gatoirement et découlent de la géométrie de la bobine, il est par- ticulièrement avantageux, selon un mode de mise en oeuvre perfec- tionné du procédé de l'invention, de faire tourner le matériau en forme de barreau autour de son propre axe, par rapport à la bobine d'induction, pendant la fusion. En aucun cas, la vitesse de rotation doit être choisie si élevée que le matériau fondu risque d'être repoussé par des forces centrifuges vers le bord du barreau. Il s'est avéré qu'il convient de choisir une vitesse de rotation du matériau comprise entre 0,5 et 10 tr/min. En tenant compte également de l'épaisseur de la couche superficielle fondue, il s'est révélé qu'il convient d'ali- menter la bobine d'induction avec un courant dont la fréquence est comprise entre 50 et 500 kHz. La fréquence est à choisir selon la relation f = 105 x ?[po.m] qui donne la fréquence f en Hz. "" désigne la résistivité du ma- tériau. Des fréquences entre 100 et 200 kHz se sont avérées tout à fait utilisables pour les superalLiages et le titane et une fré- quence d'environ 50 kHz s'est avérée convenir pour le tungstène. Le choix adéquat de la fréquence assure qu'il se forme, dans le sens de l'axe du barreau, un gradient de tempéra- ture de pente raide, permettant d'obtenir la zone de fusion désirée, à peu près plane et horizontale, à l'extrémité inférieure du barreau. Enfin, il est particulièrement avantageux de modu- ler l'amplitude de la tension d'alimentation de la bobine d'induc- tion, notamment avec une fréquence de modulation comprise entre 1 et 100 Hz. Le terme "modulation" couvre également la possibilité de complètement interrompre l'alimentation électrique par inter- mittence. La modulation de la tension d'alimentation a pour conséquence que la puissance est pulsatoire et que l'effet de soutien par le champ électromagnétique est périodiquement interrompu, ce qui permet d'agir sur la fréquence des gouttes et sur le surchauf- fage du matériau fondu. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce dispositif comprend une chambre de fusion, une bobine d'induction pourvue d'une ouver- ture et un dispositif d'avance pour avancer un matériau en forme de barreau, maintenu avec son axe verticaL en direction de la bobine d'induction disposée sur l'axe du barreau. Ce dispositif est caractérisé en ce que l'ouver- ture de la bobine d'induction est plus petite que la section du matériau en forme de barreau et que l'étendue axiale de la bobine d'induction est plusieurs fois plus petite que son étendue radiale, elle-même plus grande que l'étendue radiale du matériau en forme de barreau. Lorsque, selon un mode de réalisation perfectionné de l'invention, une ligne s'étendant à peu près radialement et passant par-les milieux des sections droites des spires successives est située sur une surface conique largement ouverte dont la pointe est dirigée vers le bas, les génératrices de la surface conique renfermant un angle de tout au plus 10 avec l'horizontale, on obtient à l'extrémité inférieure du barreau une surface de fusion dont l'inclinaison augmente légèrement vers le centre. Ceci a pour conséquence que des pointes - qui pourraient se démarquer sinon à la surface de fusion - de cristaux à point de fusion plus élevé, sont submergées ou noyées dans le matériau fondu. Sans cette mesure, de telles pointes pourraient le cas échéant devenir des points d'égouttage ou même venir en contact avec la bobine, ce qui est hautement indésirable. Il est possible aussi de choisir la densité d'en- roulement plus faible près du centre que sur le bord de la bobine, ce qui procure également une surface de fusion qui est Légèrement inclinée vers le centre. Lorsque, enfin, on désire chauffer ou surchauffer en plus le matériau fondu tombant en gouttes sur sa trajectoire de chute, il convient particulièrement d'installer une autre bobine d'induction à enroulement essentiellement cylindrique sous l'ouverture de la bobine d'induction plate. Le diamètre intérieur de cette bobine d'induction supplémentaire correspond de préférence au diamètre de l'ouverture de la bobine d'induction plate. Les deux bobines peuvent être branchées en série pour éviter des connexions supplémentaires. Il est cependant pos- sible aussi de doter les deux bobines de connexions séparées, ce qui permet d'utiliser non seulement un montage en série mais aussi un montage parallèle. Pour ce qui concerne le traitement consécutif du matériau fondu, les gouttes peuvent être atomisées par un fluide gazeux ou être réduites par un plateau tournant à grande vitesse en particules très fines ou en poudre métallique. Il est toutefois possible aussi de recueillir les gouttes de matériau fondu de façon contrôlée dans un moule ou un autre récipient afin d'obtenir une structure de solidification désirée. A cet effet, le matériau fondu peut être surchauffé de façon contrôlée, ou être cristallisé déjà en partie, afin d'obtenir une liaison des particules avec formation d'une texture extrêmement fine. Il sera encore question de telles possibilités d'application dans la description détaillée qui va suivre. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'objet de l'invention, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention appliqué à la production de poudre métallique exempte de céramique; - la figure 2 est une vue analogue pour illustrer l'application du procédé de l'invention et un dispositif pour sa mise en oeuvre à la production d'une pièce moulée; et - les figures 3 à 6 sont des coupes axiales à plus grande échelle de l'extrémité inférieure d'un barreau au-dessus de bobines d'induction de différentes conformations. Le dispositif représenté sur la figure 1 possède une chambre de fusion 1 dont une paroi latérale 2 comporte une porte 3 avec un hublot de regard 4. La chambre 1 contient une bobine d'induction 5 constituée d'un tube métallique enroulé en spirale et parcouru par un fluide de refroidissement. La bobine 5 est reliée par deux extrémités de raccordement 5a et 5b, disposées parallèlement avec une orientation radiale et passant par une tra- versée isolante 6, à une source de courant 7 constitué dans cet exemple par un générateur à moyenne fréquence. La partie supérieure de la chambre de fusion con- tient un dispositif d'avance 8, possédant un chariot 8a qui est déplaçable dans le sens vertical (double flèche). Le chariot porte un mécanisme d'entraînement en rotation 9 qui peut faire tourner une barre de support 10 par l'intermédiaire d'un accouplement 11. La barre 10 porte à son extrémité inférieure le matériau en forme de barreau 12 qui est à refondre et qui se présente comme un cylindre effilé, dont l'axe coincide avec l'axe de rotation du mécanisme d'entraînement en rotation 9. Ce mécanisme et la bobine d'induc- tion 5 sont mutuellement alignés de manière qu'une ouverture 5c laissée libre dans la bobine d'induction soit située exactement sur l'axe de rotation par son centre. On voit également que le diamètre de l'ouverture 5c est nettement plus petit que le diamètre du barreau 12. De plus, on voit que le diamètre extérieur de la bobine 5 est nettement plus grand que le diamètre du barreau 12. Il s'ensuit que, pour obtenir une refonte uniforme, la distance entre l'extrémité inférieure 12a du barreau et la bobine d'induction 5 doit être maintenue constante dans des limites étroites. Ceci est réalisable au moyen de capteurs d'espacement particuliers, non représentés ici, qui agissent sur une commande non représentée du chariot 8a. Sur l'extrémité inférieure 12a du barreau se forme, pendant le fonctionnement, de la manière indiquée, une pointe 13 - qui sera décrite plus en détail par la suite en référence aux figures 3 à 6 - d'o des gouttes 14 tombent verticalement en une suite régulière. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la chambre de fusion 1 se prolonge en bas par une chambre d'atomisa- tion 15 dans laquelle une buse d'atomisation 16 débouche latéra- lement. Cette buse est dirigée exactement sur la trajectoire de chute des gouttes 14, de sorte qu'une jet de gaz 17 sortant à grande vitesse de la buse 16 saisit les gouttes 14 toujours depuis la même direction et les pulvérise en un jet de très fines parti- cules métalliques 18. En raison de l'impulsion reçue du jet de gaz 17, ces particules métalliques décrivent une trajectoire parabolique qui se termine dans une trémie 19 se raccordant latéralement et vers le bas à la chambre d'atomisation 15. La trémie 19 se termine en bas par un sas de décharge 20, à travers duquel un véhicule de transport 21 peut être mis en communication avec l'intérieur de la trémie 19. Dans la chambre d'atomisation 15 débouche en outre une conduite de gaz 22 avec un robinet de dosage 23 par lesquels l'en- semble du dispositif peut être rempli d'un gaz protecteur. En outre, le dispositif peut être utilisé sous vide; la tubulure d'aspira- tion nécessaire à cet effet n'est pas représentée pour simplifier. La figure 2 montre un exemple dans lequel des parties identiques à celles de l'exemple de figure 1 portent les mêmes références et ne seront pas décrites une nouvelle fois. La différence avec la figure 1 est simplement qu'un récipient collec- teur 24 est disposé à la place de la buse d'atomisation 16 sous la bobine d'induction 5. Ce récipient ou moule pouvant être déplacé de façon contrôlée suivant les coordonées X-X et Y-Y, les gouttes 14 tombant de façon régulière du barreau peuvent être distribuées suivant un motif d'impact préfixé dans le récipient 24, ce qui permet de créer dans celuici une texture bien déterminée. Il est possible, par exemple, de faire tomber les gouttes 14 dans le réci- pient collecteur 24 alors qu'elles sont déjà partiellement cristal- lisées, de sorte que tout en se liant solidement les unes aux autres, elles conservent la structure cristalline fine des gouttes. Un tel procédé peut être appliqué par exemple à la fabrication directe d'ailettes de turbine, lesquelles sont ensuite rendues plus denses par une compression mécanique. La figure 3 montre une bobine d'induction 5 formée par un enroulement en spirale d'Archimède avec des spires équidis- tantes. Dans cet exemple, toutes les spires sont contenues dans un plan horizontal. La spire intérieure définit l'ouverture 5c de la bobine, présentant un diamètre D de tout au plus 15 mm. Par l'inter- action de cette bobine d'induction 5 avec le matériau du barreau-12, il se forme sur la face extrême inférieure 12b de ce barreau une surface de fusion qui peut être qualifiée - tout au moins dans la région du bord comme à peu près horizontaLeou radiale. Ce n'est qu'au centre, c'est-àdire sur l'axe A du barreau 12, qu'il se forme la pointe 13 déjà mentionnée et d'o les gouttes 14 se dé- tachent en une succession constante. La figure 4 se distingue uniquement de la figure 3 par le fait que la bobine d'induction 5 est suivie en bas par une autre bobine d'induction 25, formée par un enroulement cylindrique ou hélicoîdal, dans laquelle les gouttes 14 tombant du barreau peuvent être surchauffées. Le diamètre intérieur de la bobine 25 est légèrement plus petit que le diamètre D de l'ouverture 5c de la bobine 5. Les deux bobines sont branchées électriquement en série; elles peuvent donc être connectées à la source de courant 7 par les mêmes extrémités de raccordement. Comme déjà mentionné, un montage parallèle est cependant possible aussi en prévoyant des extrémités de raccordement supplémentaires. La figure 5 montre une disposition qui est analogue à celle de la figure 3, mais avec la différence que la densité d'enroulement de la bobine d'induction 5 est plus faible au centre de la bobine qu'à sa périphérie. Autrement dit, te nombre des spires par unité de longueur dans le sens radial est plus grand sur la périphérie de la bobine qu'au centre de celle-ci. Il en découle une plus forte puissance de chauffage et un effet de soutien plus important à la périphérie qu'au centre de la bobine, de sorte que l'inclinaison qui se forme dans ce cas sur la face extrême inférieure 12b est légèrement plus forte. La figure 6 montre une bobine d'induction 5 qui a la forme d'un cône creux de très grand angle, ou dont toutes les spires sont situées dans une surface conique largement ouverte, la pointe du cône étant dirigée vers le bas. Les différentes spires sont toutefois équidistantes. On obtient ainsi un effet analogue à celui obtenu avec la bobine selon la figure 5 en ce sens qu'il se forme sur la face extrême 12b une inclinaison légèrement plus grande, ayant l'effet décrit dans ce qui précède. 1l REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S- 1. Procédé pour faire fondre progressivement du maté- riau en forme de barreau par son avance continue dans le sens de l'axe du barreau vers une bobine d'induction pourvue d'une ouver- ture, qui est disposée sur l'axe du barreau à l'extrémité inférieure de celui-ci et est alimentée en courant alternatif, caractérisé en ce que l'on fait avancer le matériau en forme de barreau (12) vers une bobine d'induction (5) dont l'étendue axiale est plusieurs fois plus petite que son étendue radiale et dont l'ouverture (5c) est plus petite que le diamètre du barreau, et que l'on maintient l'extré- mité inférieure (12a) du barreau par sa face extrême (12b) à une distance axiale sensiblement constante au-dessus de la bobine d'in- duction (5). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait tourner le matériau en forme de barreau autour de son axe (A) pendant sa fusion progressive. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fait tourner le matériau entre 0,5 et 10 tr/min. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on alimente la bobine d'induction avec courant alternatif dont la fréquence est comprise entre 50 et 500 kHz. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on module l'amplitude de la tension d'alimentation de la bobine d'induction. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on effectue la modulation à une fréquence comprise entre 1 et 100 Hz. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une chambre de fusion, une bobine d'induction pourvue d'une ouverture et un dispositif d'avance pour avancer un matériau en forme de barreau, maintenu avec son axe vertical, en direction de la bobine d'induction disposée sur l'axe du barreau, caractérisé en ce que l'ouverture (5c) de la bobine d'induction est plus petite que La section droite du matériau en forme de barreau (12) et que l'étendue axiale de la bobine d'induc- tion (5) est plusieurs fois plus petite que son étendue radiale, ellemême plus grande que l'étendue radiale du matériau en forme de barreau (12). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre maximal de l'ouverture (5c) est de 15 mm. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la bobine d'induction (5) est réalisée comme une bobine plate essentiellement à une couche, formée par un enroulement en spirale. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la bobine d'induction (5) est réalisée sous forme d'un cône creux à très grand angle, qui est agencé de manière qu'une ligne s'étendant à peu près radialement et passant par les milieux des sections droites des spires successives soit situéesur une surface conique largement ouverte, la pointe du cône étant dirigée vers le bas. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la densité d'enroulement ou densité des spires est plus faible au centre qu'à la périphérie de la bobine. 12. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une bobine d'induction supplémentaire 9, possédant un enroulement essentiellement cylindrique, est disposée au-dessous de l'ouverture (5c) de la bobine d'induction plate (5) en vue du surchauffage du matériau fondu tombant du barreau.