Brevet FR2659036A1 — publié le 19910906

t La présente invention concerne un dispositif permet- tant de fournir un courant de métal à l'état fondu à un poste de formage par projection. Plus particulièrement, elle concerne un dispositif destiné à fondre un métal et à fournir un courant de métal fondu à un composant d'atomisation de gaz d'un dispositif de formage par projection. La présente invention est liée étroitement aux deman- des de brevet des Etats-Unis d'Amérique en attente ayant pour numéro 487 094 et 487 511, qu'on incorpore ici à titre de référence. On sait que le formage par projection est un procédé qu'on exécute en développant une fourniture de métal à l'état liquide et en faisant s'écouler un courant du métal liquide dans le trajet du gaz d'atomisation Le gaz d'atomisation brise le courant de métal fondu pour créer de nombreuses gouttelettes minuscules Le procédé de formage par pulvérisa- tion implique l'interception du vol des gouttelettes avant qu'elles ne se transforment en particules alors qu'elles sont encore en vol, et dépend de la solidication des gouttelettes alors qu'elles frappent une surface de réception Le formage par projection exécuté de cette manière est une technique bien au point et on peut réaliser de nombreux articles avec le dépôt obtenu avec ce type de procédé. Normalement, le développement d'un courant liquide de 2 - métal fondu impose que le métal soit distribué à partir d'un creuset par versement soit depuis la partie supérieure du creuset par l'intermédiaire d'une buse, soit depuis sa partie inférieure par l'intermédiaire d'une ouverture appropriée Pour un métal à l'état fondu, en particulier lorsqu'il s'agit de métaux à point de fusion élevé, il faut que le creuset soit constitué d'un matériau à point de fusion très élevé et une céramique est le matériau normal et naturel qu'on choisit pour constituer de tels creusets. Un problème que soulève l'emploi des creusets en céramique est que, à cause du choc thermique ou de l'abrasion de quelque mécanisme similaire, il y a le risque qu'une petite particule de céramique entre dans le courant de la masse fondu quittant le creuset et soit incorporée dans un article réalisé avec le procédé de formage par projection Le problème que soulève la présence de ces particules dans un article ainsi réalisé est qu'elles peuvent créer un lieu à partir duquel des fendillements se développent et se propa- gent On admet généralement qu'un corps étranger tel qu'une particule de céramique peut servir de point focal autour duquel les fendillements se développent dans un article soumis à de fortes contraintes Une forte contrainte peut se produire, par exemple, si la particule est encastrée dans une pièce mobile de moteur d'avion, o elle peut tourner à des vitesses de 12 000 tours par minute ou plus Pour les pièces immobilisées ou statiques d'un dispositif et pour celles qui sont soumises à de faibles contraintes, la formation des fendillements et leur propagation ne constituent pas un danger aussi important Cependant, le problème est qu'il est difficile dans un système garni d'une céramique de déterminer le moment o la paille de céramique, ou particule, se séparera du conteneur et entrera dans l'écoulement Pour cette raison, ainsi que pour d'autres, de nombreux chercheurs et fournisseurs de métaux se sont penchés sur l'étude d'un système de fusion ultra-propre et l'activité dans ce domaine a été de plus en plus grande au cours des dernières années. Les études ont eu pour objectif la réduction drastique ou l'élimination des sites d'amorçage des fendillements dans des pièces dans lesquelles l'inclusion d'une céramique peut se produire dans le cycle de fusion, celle-ci restant présente lors du coulage d'une pièce ou lors d'un cycle de formage par projection. On admet que les inclusions de céramique ont tendance à avoir une densité inférieure à celle de la masse métallique hôte à l'état fondu dans laquelle elles sont incorporées. C'est pour cette raison qu'il y a avantage à éviter le versement par le haut d'un métal fondu car les particules ont davantage de chances d'être incorporées dans un écoulement sortant de la partie supérieure d'un creuset que dans un écoulement provenant de la partie inférieure Alors que les particules ont tendance à se rassembler à la partie supé- rieure d'une masse fondue, l'action d'agitation qui peut accompagner l'écoulement de la masse fondue ou être simul- tanée à l'application d'énergie électrique par induction peut ne pas permettre à toutes les particules de rester à la partie supérieure de la masse fondue De plus, des particules volant en éclats à partir d'un creuset fendillé ou d'un ciment servant à faire adhérer la buse et le creuset peuvent aussi être introduites dans le courant de la masse fondue alors qu'il sort de la buse du creuset se trouvant à sa partie inférieure C'est pour cette raison qu'on a mis au point un système de masse fondue exempt de céramique. La société Duriron Company, Inc, de Dayton, Ohio, a publié un article dans le Journal of Metals en septembre i 986 ayant pour titre "Induction Skull Melting of Titanium and Other réactive Alloys" (Fusion par induction en fond de poche du titane et d'autres alliages réactifs) de D J Chronister, S.W Scott, D R Stickle, D Eylon et F H Froes Dans cet article, on décrit et discute un creuset de fusion par induction pour des alliages réactifs Dans ce sens, on peut 4 - dire que grâce à la société Duriron Company on dispose d'un système de masse fondue sans céramique La présente invention propose un procédé et un dispositif constituant une variante et un perfectionnement du procédé et du dispositif de fusion de la société Duriron Company. L'atomisation contrôlée d'un courant liquide de métal et son dépôt sur un substrat par un procédé de formage par projection requiert qu'un courant de métal à l'état fondu traverse une buse dont le trou a des dimensions prédétermi- nées fixes. En conséquence, la présente invention a pour objet un agencement dans lequel on peut former un courant de métal ayant un diamètre prédéterminé. La présente invention a pour autre objet un moyen pour réguler l'écoulement d'un métal liquide jusqu'à une zone d'atomisation de façon à avoir l'assurance que le diamètre du courant se trouve dans une gamme de dimensions spécifiées. La présente invention a encore pour objet un disposi- tif permettant de contrôler les dimensions d'un courant de métal à l'état fondu. Dans l'un de ses aspects les plus larges, on peut atteindre les objets de la présente invention en prévoyant une source de métal liquide et en fournissant un moyen pour diriger le métal liquide dans un courant jusqu'à une buse magnétique de façon à lui permettre d'agir sur le courant. Dans la buse, on établit un flux de densité élevée au moyen d'un agencement d'éléments électriques Le premier de ces éléments est une bobine d'induction primaire comportant une multitude d'enroulements hélicoïdaux Une bobine d'induction secondaire comprend un seul enroulement La bobine d'induc- tion secondaire se présente sous la forme de deux manchons reliés l'un à l'autre Le premier des manchons a une hauteur et un diamètre plus grands et entoure la bobine d'induction primaire de manière à recevoir le flux électrique en sortant. Le second des manchons sert de buse magnétique et a une hauteur et un diamètre inférieurs à ceux du premier manchon et en est espacé Chaque manchon comporte une fente ménagée axialement dans la surface de sa paroi qui est en regard de l'autre manchon Les manchons sont connectés par deux conducteurs côte-à-côte constitués de bandes parallèles ayant une hauteur d'une valeur proche de celle du second manchon. Le second manchon, qui sert de buse magnétique, comporte une surface interne conique se terminant dans une ouverture légèrement plus grande que le diamètre désiré pour le courant de métal devant la traverser Lorsqu'un flux est développé dans l'enroulement primaire, un flux de densité élevée est formé suivant l'axe du second manchon dans la zone que doit traverser le courant de métal liquide Il en résulte la maîtrise des dimensions latérales du courant dans des toléances serrées et aussi la mise en place du courant au centre de l'ouverture du second manchon. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en perspective, en partie en coupe, du dispositif de la présente invention; figure 2, une élévation de côté, également en partie en coupe, d'une portion du dispositif représenté en figure 1, figure 3, une vue en plan de dessus du dispositif de la figure 2. L'une des fonctions principales d'un dispositif et d'un procédé selon la présente invention est de permettre la fourniture en continu de quantités relativement grandes de métal à l'état fondu à un dispositif de formage par projection de façon à réaliser des articles de grandes dimensions en utilisant la technologie classique du formage par projection Dans le passé, les dimensions des articles formés par projection étaient limitéespar la capacité d'un dispositif de fusion dans lequel la fusion s'effectue en chauffant par induction une certaine quantité de métal dans un récipient en céramique ou en chauffant un métal dans un 6 - récipient comme cela ressort de l'article du Journal of Metals dont il a été question ci-dessus Ce qu'on peut obtenir avec les moyen et procédé de la présente invention est une fourniture continue d'un métal, dont un métal réactif tel que le titane ou le zirconium, à un dispositif de formage par projection dans lequel l'écoulement de métal fondu peut être transformé en un dépôt d'une préforme sur une surface de réception Par exemple, en utilisant le procédé et le dispositif de la présente invention, il est possible de réaliser une préforme sur un mandrin de forte épaisseur et de longueur importante et employant une grande quantité de métal dans le dépôt, atteignant des quantités dépassant celles que permettaient facilement les procédés de la technique anté- rieure. On décrira maintenant, en liaison avec les figures, le dispositif et le procédé. En figure 1, on a représenté dans une vue en perspective une forme du dispositif de la présente invention. Les éléments principaux qui font partie du présent dispositif comportent un enroulement primaire 10 ayant plusieurs spires hélicoïdales individuelles 12 et un enroulement secondaire 14 ayant une forme relativement unique L'élément 14 constitue dans un sens le secondaire à un seul enroulement du primaire à plusieurs enroulements Le secondaire 14 à un seul enroulement est constitué de deux manchons 16 et 18 connectés par deux bandes conductrices 20 et 22 Le manchon 16 est le plus grand et entoure essentiellement la bobine 12 à plusieurs spires On verra mieux certains de ces éléments dans leur relation en se reportant aux figures 2 et 3 dans lesquelles les mêmes références concernent les mêmes parties. En liaison maintenant avec les figures 2 et 3, on peut voir que la bobine 12 est placée au centre du manchon 16 Le manchon 16 présente une fente latérale 30 qui s'étend sur toute sa profondeur La fente apparaît dans le côté du manchon 16 là o il est en regard du manchon 18 D'une façon -7similaire, le manchon 18 comporte une fente latérale 32 qui s'étend sur toute sa profondeur à sa partie en regard du manchon 16 Les deux manchons sont connectés électriquement par les deux bandes parallèles 20 et 22 qui sont elles-mêmes séparées d'une distance équivalant à la largeur des fentes 30 et 32 des manchons respectifs 16 et 18 Le manchon 18 est façonné dans sa surface interne pour former un entonnoir 34 à ouverture centrale De plus, un certain nombre de fentes 36 sont ménagées dans l'extrémité inférieure de l'entonnoir pour former une ouverture ayant à peu près la configuration d'une. étoile au fond du manchon 18 Les fentes 36 pratiquées dans la paroi en forme d'entonnoir du manchon 18 sont positionnées de façon à produire un flux de densité élevée dans la partie inférieure du manchon 18. Lorsque la bobine primaire 12 est mise sous tension, des lignes de force sont produites dans la bobine 12 et induisent des courants élevés dans la bobine secondaire 16. Les courants d'intensité élevée circulant dans le secondaire 16 produisent à leur tour un flux de densité élevée dans l'élément concentrateur de flux 18 Les fentes 36 sont conçues pour réguler l'intensité de ce flux de densité élevée de manière qu'il agisse sur un écoulement de métal liquide descendant dans le manchon 18 concentreur de flux. L'action du manchon concentrateur 18 sur le flux de densité élevée est double. Le premier effet du manchon 18 est d'aider la masse fondue et de maintenir un volume continu de métal fondu tout en régulant la vitesse d'écoulement du courant métallique de façon qu'il ne tombe pas à la façon d'une chaîne de segments ou de gouttelettes de métal liquide Au contraire, l'écoule- ment est maintenu sous forme d'un courant continu cohérent qui est centré dans le concentrateur de flux 18 et qui sort de ce concentrateur en étant dirigé dans la zone d'atomisa- tion se trouvant au-dessous. La seconde action est de centrer les courants de métal 8 - liquide avec précision à l'intérieur de l'ouverture définie du concentrateur de flux 18 En d'autres termes, l'écoule- ment désiré pour le courant de métal liquide s'effectue suivant l'axe du manchon 18 Là o l'écoulement du courant métallique ne se fait pas suivant l'axe du manchon 18, le concentrateur de flux agit sur le courant pour le faire dévier et le diriger avec précisionpourqu'ilpasse par le centre du concentrateur 18. En figure 1, on a représenté l'atomisation du courant à l'état fondu, o deux buses de gaz 42 et 44 sont placées dans une position permettant la rupture du courant 46 de la masse fondue par les jets pour obtenir un cône divergent 48 de gouttelettes de -métal fondu Les gouttelettes sont rapidement solidifiées alors qu'elles viennent en contact avec une surface de réception La surface de réception représentée en figure 1 est un mandrin 50 animé d'un mouvement de rotation et se déplaçant axialement de manière à présenter une surface fraîche au courant de la masse fondue atomisée qui descend et former un dépôt 52, obtenu par projection, sur la surface du mandrin et cela de manière progressive alors que le mandrin se déplace vers la gauche du dessin comme indiqué par la flèche Il y a lieu de remarquer que, à cause du volume élevé du métal pouvant être fourni dans la pratique de la présente invention, on peut obtenir des préformes présentant une masse du métal ou un volume importants en employant le procédé et le dispositif de la présente invention On constate que les préformes elles-mêmes peuvent être réalisées de façon très régulière et sur une longueur importante en fonction de la durée pendant laquelle on exécute le formage par projection. S'agissant de la fourniture de métal à l'entonnoir 18 du concentrateur de flux, l'agencement représenté en figure 1 implique l'emploi d'une tige descendante 54 de masse fondue qui se déplace vers le bas à une vitesse prédéterminée sous l'effet d'un jeu de rouleaux 56 montés sur des axes 58 et 9 - actionnés par une source motrice, non représentée Pendant sa descente sous l'effet des rouleaux 56, la tige 54 traverse une bobine 60 alimentée avec un flux de haute fréquence et d'énergie élevée de sorte que la tige se trouve elle-même chauffée Le chauffage est effectué à une température juste inférieure au point de fusion et lors de la traversée de l'entonnoir 34 du manchon concentrateur de flux 18, la tige 54 fond alors qu'elle pénètre dans l'ouverture 40 située au centre de la partie inférieure du manchon. En variante, on peut avoir une fourniture de métal liquide plus classique de façon que le métal arrivant dans le concentrateur 18 soit encore à l'état liquide Le concentra- teur de flux 18 assure néanmoins la fonction de régulation des dimensions latérales et de la section transversale du courant de la masse fondue ainsi que celle de l'écoulement de la masse fondue à travers le concentrateur de flux Une telle forme classique de métal liquide peut être celle décrite dans l'article de la société Duriron Company dans le Journal of Metals qu'on a mentionné ci-dessus. - REVENDICATIONS 1 Dispositif pour former un courant continu d'une masse fondue d'un métal liquide, ayant des dimensions latérales étroitement définies, caractérisé en ce qu'il comprend: une source de métal liquide, un moyen pour diriger le métal dans un courant ( 46) jusqu'à une buse magnétique ( 42; 44) afin de permettre à la buse d'agir sur le courant, une bobine d'induction primaire ( 10) comportant une multitude d'enroulements hélicoïdaux ( 12); une bobine d'induction secondaire ( 14) comportant un seul enroulement, la bobine d'induction secondaire se présentant sous la forme de deux manchons connectés ( 16, 18); le premier des manchons ayant une hauteur et un diamètre plus grands et entourant la bobine d'induction primaire, le second des manchons ayant une hauteur et un diamètre plus petits et étant espacé du premier, chaque manchon présentant une fente en alignement axial ( 30; 32) ménagée dans la partie de la surface de sa paroi en regard de l'autre manchon, les manchons étant connectés par une paire de conduc- teurs parallèles, côte-à-côte, en forme de lame ( 20, 22) ayant une hauteur approximativement égale à celle du second manchon, et le second manchon comportant une surface interne conique qui se termine dans une ouverture ( 40) légèrement plus grande que le diamètre désiré pour le courant de métal devant la traverser, d'o il résulte qu'un flux de haute densité est développé suivant l'axe du second manchon pour que ce second manchon serve d'entonnoir magnétique ( 34) et pour maîtriser les dimensions du courant de métal liquide le traversant. il - 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux manchons sont parallèles l'un à l'autre et espacés latéralement l'un de l'autre. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit la multitude d'enroulements de manière à rendre optimum l'adaptation des impédances des bobines primaire et secondaire. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface conique interne du second manchon comporte des fentes axiales ( 36) de manière à y concentrer le flux magnétique. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deux manchons sont placés côteà-côte en étant parallèles et en ce que la connexion les reliant est une connexion latérale.