Brevet FR2724857A1 — publié le 19960329

Procédé de fabrication d'aubes cristallines. La présente invention concerne un procédé de fabrication dans un moule à carapace d'une aube coulée monocristalline, de structure cubique constituée par une ouplusieurs pales cylindriques encadrées par au moins deux plateformes symétriques perpendiculaires aux génératrices de la pale, le procédé étant du type selon lequel on alimente le moule en métal fondu d sa partie supérieure .On opère une solidification dirigée dont le front progresse verticalement de bas en haut, on sélectionne un grain de cristal unique au moyen d'un dispositif de sélection placé à la partie inférieure du moule et à la sortie duquel on se trouve en présence d'un grain unique d'orientation prédéterminée et de direction poo3 se confondant avec la verticale. On connait déjà des procédés de fabrication de pièces monocristallines, notamment par les brevets français 1 481 366 et 2 037 187. On sait que la formation de monocristaux suppose que plusieurs conditions aient été réunies : obtention d'une solidification dirigée et sélection d'un grain unique notamment. La solidification dirigée consiste à faire progresser la croissance de "germes" dans un bain de metal fondu dans une direction donnée, en évitant l'apparition de germes nouveaux par le contrôle du gradient thermique et de la vitesse de solidification. Ceci est obtenu par divers artifices tels que des rampes de chauffage à extinction contrôlée, une sole refroidie, un écran à fort gradient thermique se déplaçant le long du moule, ou d'autres encore. La pièce ainsi obtenue présente une structure colonnaire, favorable à sa tenue mécanique. Les moyens permettant de contrôler la progression du grain et la vitesse du front de solidification ont déjà fait l'objet de nombreux brevets, et en particulier de la demande de brevet français n0 78 19567, au nom de la Demanderesse. La sélection d'un grain unique s'obtient de façon connue en favorisant la croissance des grains qui sont favorablement orientés au détriment des autres. Un dispositif de sélection de grain à chicane hélîcoidale permettant d'obtenir à la sortie de la chicane un grain unique est décrit dans un article intitulé "Single Crystal Technology Use Starting1 extrait de "Aviation Week" pages 69 à 73 du ler octobre 1979, mais ce dispositif n'assure pas le contrôle de l'orientation secondaire. Lorsqu'on applique le procédé conventionnel du type precité à la fabrication d'aubes fixes de distributeur de turbine, à large corde, constituées par une pale creuse encadrée de deux plateformes, on dispose les axes de ces aubes verticalement dans des moules en carapaces, afin d'éviter les joints de grains tranversaux. Les pièces sont disposées en grappe, mais l'importance des plateformes limite considérablement le nombre des aubes par grappe. D'autre part, un examen des aubes à forte corde obtenues selon cette méthode montre que les plateformes présentent, aux zones de transition situées a leurs extrémités, une structure équiaxe En effet, les plateformes étant placées perpendiculairement au gradient, ceci entraine la germination, dans les plateformes, de grains croissant suivant l'épaisseur. En fin de solidification, les plateformes comportent de nombreuses micro-retassures. Ces micro-retassures sont dues au fait qu'en fin de coulée, le métal fondu parvenant aux extrémités des rlateformes, a du mal se frayer un chemin entre les dendrites secondaires pour alimenter le retrait de solidification. Un objet de l'invention est la réalisation d'aubes monocristallines ne presentant pas les inconvénients mentionnés. Plus particulièrement, l'objet de l'invention est un procédé permettant d'obtenir des aubes entièrement monocristallines (pales et plateformes) et d'éliminer les porosités et les micro-retassures des plateformes. Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'une pluralité d'aubes permettant de disposer davantage d'aubes dans une grappe de fabrication, et donc de réduire les temps et les coûts de fabrication. Ces buts sont atteints par le procédé de l'invention caractérisé en ce qu'on dispose les carapaces du moule de façon à ce que les plateformes soient orientées selon un plan parallèle à la direction 200 du monocristal sélectionné et à ce que les génératrices de la pale soient parallèles à l'une des directions horizontales EO1O et 0100 du monocristal sélectionné par le dispositif de sélection de grain, en ce qu'on fait déboucher la sortie du dispositif de sélection de grain entre les deux plateformes dans un raccordement reliant le dispositif de sélection aux extrémités inférieures des plateformes, et en ce qu'on qu'on alimente le moule en métal fondu au niveau des extrémités supérieures des plateformes. Il est entenau que les notions de verticalité et d'horizontalité sont toutes relatives dans ce contexte, et qu'on désigne en fait par verticalité les directions coîncidentes de propagation du front de solidification et de croissance 20013 du monocristal sélectionné par le dispositif de sélection. Le monocristal sélectionné par le dispositif de sélection a des directions horizontales E1oo et CO1 qui sont fixées par ledit dispositif, soit que ce dispositif permette l'ensemencement par un germe d'orientation contrôlée, soit qu'il permette l'étouffement des grains d'orientation différente d'une orientation prédéterminée par la structure du dispositif. De façon avantageuse, le dispositif de sélection de grain est un dispositif à chicane. Selon une caractéristique de l'invention, on utilise un dispositif à chicane constitué d'une succession de passages rectilignes disposés dans un même plan vertical perpendiculairement les uns aux autres, le dernier débouchant dans le raccordement. De façon plus particulière, le dispositif comprend au moins un passage vertical et un passage horizontal , de sorte qu'on est assuré d'être en présence, à la sortie de la chicane, d'un monocristal correctement orienté : son axe voo3 est vertical, et une autre direction E1004 est horizontale et dans le plan de la chicane. Le raccordement peut être notamment en forme de T, Y, V, en prisme, en barrette, ou en triangle plein. Du fait des dimensions respectives d'une pale et des plateformes, on peut couler davantage d'aubes dans une même grappe quand on dispose les pièces dans la grappe, selon le procédé de l'invention, l'encombrement horizontal d'une pale ainsi disposée étant inférieur à l'encombrement horizontal d'une plateforme disposée selon le procédé de l'art antérieur. Par ailleurs, la disposition selon l'invention permet de placer très facilement le noyau destiné à réaliser une pale creuse, en l'encastrant dans les parois du moule , ce qui assure la tenue du noyau pendant la coulée. Un avantage très intéressant du procédé consiste en ce qu'un examen macrophotographique révèle l'orientation des dendrites primaires, et qu'il est possible de déceler de cette façon le mode de fabrication d'une aube monocristalline. Ces avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes préférés de réalisation du procédé, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente en perspective une aube à plateformes coulée selon la méthode de l'art antérieur ; et - la figure 2 représente en perspective une aube à pale creuse et à plateformes monocristalline coulée selon la méthode de l'invention. - la figure 3 représente une disposition conforme à l'invention d'une grappe de quatre pièces, deux pièces seulement étant représentées pour plus de clarté. Afin de simplifier l'illustration, une même figure, qui représente en définitive l'interface moule-pièce moulée, est censée représenter à la fois et le moule de la pièce et la pièce moulée, en réservant les mêmes désignations aux parties correspondantes de l'un et de l'autre. La figure 1 montre une aube 1 composée d'une pale 2 , et de deux plateformes 3 et 4 symétriques et perpendiculaires aux génératrices 5 de la pale. Un dispositif 6 de sélection de grain, constitué par exemple par une chicane hélicol- dale, permet d'obtenir à sa sortie verticale 7 un grain unique de cristal d'orientation sélectionnée, de direction r1007 verticale. On notera que selon ce procédé de l'art antérieur, les plateformes 3 et 4 sont disposées horizontalement. Selon l'invention illustrée en figure 2, les pièces dans la grappe sont disposees de façon a ce que les plateformes 13 et 14 encadrant la pale 12 de l'aube 11 soient verticales, et de façon à ce que les génératrices, telles que 12a et 12b, de la pale, soient parallèles à l'une des arêtes horizontales [010] ou [100] du cristal sélectionné par le dispositif de sélection de grain. Le dispositif 16 de sélection de grain repré senté est du type à chicane et comprend une succession de passages rectilignes 18,19,20,21 disposés perpendiculairement les uns aux autres dans un même plan vertical parallèle aux plateformes 13 et 14. On sait que la vitesse de croissance des grains, dans le cas d'un système cristallin cubique à faces centrées, n'est pas égale dans toutes les directions ; les grains se développent beaucoup plus rapidement sur les axes [001], [010], [100] que sur les axes [110] , [101], [011] et a fortiori [111]. Ces inégalités dans les vitesses de propagation des grains opèrent une sorte de sélection naturelle qui élimine les uns au profit des autres : les grains se développant suivant les directions et ( 111 > sont rapidement étouffés par ceux dont la direction est normale au front de solidification. De la sorte, en disposant une chicane dont le premier passage rectiligne 18 est vertical(et ou se développeront les grains de direction L u verticale) ,le second 19 horizontal (où se développeront les grains de direction [100] parallèle audit passage), éventuellement un troisieme 20 à nouveau vertical et un quatrième 21 parallèle au second, on est pratiquement assuré d'être en présence à la sortie de la chicane d'un monocristal correctement orienté, dont la direction Eîoo3 est proche du plan vertical de la chicane. Le dispositif de sélection de grain debouche en 17 dans un raccordement 22,ici en forme de barrette, qui conduit le grain sélectionné aux extrémités inférieures 13b et 14b des plateformes 13 et 14 d'où il progresse jusque dans la pale 12. I1 faut toutefois prendre des précautions par ticulières si l'on veut qu'il ne se forme pas des joints de grains transversaux, dans le plan de la corde, défavorables à la tenue de la pièce. Pour cela, la chicane 16, ou d'une façon plus genérale le dispositif de sélection à grain, débouche à sa sortie 17 dans le raccordement 22 amenant le grain aux deux plateformes 13 et 14 et permettant audit grain sélectionné de croître simultanément dans les deux plateformes 13 et 14 de l'aube. Ceci est indispensable, sinon il pourrait y avoir apparition d'un grain parasite non contrôlé dans la plateforme non reliée, ce qui entrainerait la formation dans la pale d'un joint de grains orienté transversalement. Sur la figure 2, le raccordement 22 est une barrette disposée parallèlement aux génératrices 12a, 12b de la pale, mais le raccordement peut prendre n'importe quelle forme compatible avec la progression vers le haut du front de solidification. L'alimentation des moules en métal fondu se fait par deux attaques situées sur les coins supérieurs 13a et 14a des plateformes 13 et 14, au moyen par exemple d'une alimentation commune 23 répartie par un raccord de distribution 24, en forme de barrette ou autre. Selon le procédé de l'invention appliqué a la fabrication de pales creuses, il est particulièrement facile de maintenir le noyau 25 destiné à mouler la partie creuse de l'aube centré dans la pale. Les extrémités 26 et 27 du noyau sont à cet effet encastrées dans la carapace du moule. On voit sur la figure 3 la disposition avantageuse des pièces en grappe obtenue conformément à l'invention. Quatre pièces y sont réparties symétriquement : les plateformes 113 et 114 de chaque pale 112 sont alimentées en métal à partir d'une entrée de metal 123 par un raccord de distribution 124 (ici en Y renversé). La solidification du métal progresse à partir de la sole 126 reposant sur la sole refroidie du four (non représentée). Un dispositif 116 de sélection de grain à un passage vertical 118 et un passage horizontal 119 débouche dans un raccordement 122 en Y amenant le grain aux plateformes 113 et 114. Une colonne en silice de renforcement structural, reliée à la sole 126, est éventuellement collée a une extrémité de chaque noyau afin d'en aider le maintien. On comprendra que le procédé de l'invention n'est évidemment pas limité à ces seules formes de realisation qui n'ont été représentées qu'à titre a 2 lustration, mais qu'il entre dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication dans un moule à carapace d'une aube coulée monocristalline de structure cubique, constituée par une pale cylindrique (12) encadrée de deux plateformes (13,14) symétriques perpendiculaires aux génératrices (12a, 12b) de la pale, le procédé étant du type selon lequel on alimente le moule en métal fondu à sa partie supérieure, on opère une solidification dirigée dont le front progresse verticalement de bas en haut, on sélectionne un grain de cristal unique au moyen d'un dispositif de sélection (16) placé à la partie inférieure du moule et à la sortie duquel on se trouve en présence d'un grain unique d'orientation prédéterminée et de direction E001se confondant avec la verticale, caractérisé en ce qu'on dispose les carapaces du moule de façon à ce que les plateformes (13,14) soient orientées selon un plan parallèle à la direction rOOla du monocristal sélectionné et à ce que les génératrices (12a, 12b) de la pale (12) soient parallèles a l'une des directions horizontales Colon et BoOdu monocristal sélectionné par le dispositif de sélection de grain (16), en ce qu'on fait déboucher la sortie (17) du dispositif (16) de sélection de grain entre les deux plateformes (13, 14) dans un raccordement (22) reliant le dispositif de sélection (16) aux extrémités inférieures (13b, 14b) des plateformes (13, 14), et en ce qu'on alimente le moule en métal fondu au niveau des extrémités supérieures (13a, 14a) des plateformes (13, 14). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme dispositif (16) de sélection de grain un dispositif à chicanes. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif (16) à chicanes constitué d'une succession de passages rectilignes (18, 19, 20, 21) disposés dans un même plan vertical perpendiculairement les uns aux autres, le dernier passage (21) débouchant dans le raccordement (22). 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que la succession de passages rectilignes comprend au moins un passage vertical (18) et un passage horizontal (19). 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le raccordement (22, 122) est en forme de T, de Y, de V, en prisme, en triangle plein, ou en barrette. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le raccordement est une barrette disposée parallèlement aux génératrices (12a, 12b) de la pale (12). 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on alimente les extrémités supérieures (13a, 14a) des plateformes des aubes au moyen d'une barrette de distribution (24). 8. Procédé de fabrication d'une aube à pale creuse au moyen d'un noyau (25) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on encastre le noyau (25) destiné à mouler la partie creuse de l'aube dans les parois de carapace. 9. Procédé de fabrication d'une pluralité d'aubes selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on dispose les aubes (112) à mouler en grappe.