Brevet FR2825722A1 — publié le 20021213

La présente invention se rapporte au moulage monocristallin utilisant un cristal d'ensemencement dans un moule à manteau en céramique. Le moulage monocristallin et la solidification du métal fondu utilisant un moule à manteau à revêtement céramique placé sur une plaque de refroidissement est bien connu dans la technique du moulage à revêtement pour produire des composants tels que des pales et ailettes monocristallines de moteur de turbine à gaz. Dans un mode de moulage monocristallin, le moule à manteau en céramique comprend une cavité inférieure d'inducteur du grain ayant un grain d'un monocristal qui y est placé. Le grain est en communication avec une cavité supérieure du moule. Le grain est placé dans ou autrement en communication avec la cavité inférieure d'inducteur d'un moule à manteau en céramique qui est préformé en utilisant le procédé bien connu en cire perdue. Quand du métal fondu est introduit dans le moule à manteau, on peut s'attendre à ce qu'un monocristal croisse par épitaxie, vers le haut, à partir du grain avec une orientation cristallographique présélectionnée déterminée par le grain pour la propagation à travers le métal fondu dans la cavité du moule. Pendant la solidification du monocristal, le moule à manteau chargé du produit fondu est retiré d'un four de moulage pour établir l'élimination unidirectionnelle de chaleur du métal fondu dans le moule et produire un front de solidification du monocristal à travers le métal fondu dans la cavité du moule pour former le moulage monocristallin. Des grains monocristallins utilisés jusqu'à maintenant dans le moulage des superalliages à base de nickel employaient des compositions d'alliage du grain similaires à celles d'un superalliage à base de nickel à mouler. De tels grains peuvent subir une croissance d'oxyde sur les surfaces des grains aux températures élevées de préchauffage du moule employées dans le moulage monocristallin. La croissance de l'oxyde se produit alors que l'on préchauffe le moule dans un four de moulage sous vide et peut avoir pour résultat une nucléation de grains parasites qui croissent dans la cavité d'inducteur au lieu du monocristal attendu. Une telle nucléation de grains parasites et croissance dans la cavité d'inducteur peut avoir pour résultat une augmentation des déchets en vertu du fait qu'ils ont une orientation du grain en dehors d'une spécification présélectionnée (e. g. quand l'axe du cristal [001] doit être dans une certaine gamme de degrés relativement à l'axe z de la surface portante de la turbine). Un objet de la présente invention est de procurer un grain d'un monocristal ainsi qu'un moule et une méthode pour produire un moulage monocristallin qui surmonte le problème ci-dessus de croissance d'oxyde et de nucléation de grains parasites et de nécessité de schémas spéciaux. Dans un mode de réalisation de la présente invention, un grain monocristallin est prévu pour couler des alliages de nickel et des alliages de cobalt en tant que monocristaux où le grain comprend un ou plusieurs éléments d'alliages sélectionnés dans le groupe consistant en Mo, Cr, W, Ta, Re, Nb et V en certaines quantités, le reste étant Ni et/ou Co. Le grain peut être utilisé pour couler des articles en superalliage à base de nickel monocristallin comme des pales et ailettes de turbine ainsi que des grains d'alliage de nickel et d'alliage de cobalt à utiliser dans le moulage monocristallin de superalliages à base de nickel. Par exemple, dans un exemple de réalisation de la présente invention, un grain d'un monocristal est prévu consistant essentiellement, en % en poids, en environ 5,0 % à environ 40,0 % de Mo, jusqu'à 0,1 % de C et/ou B, le reste étant essentiellement Ni. Le grain est résistant à une croissance d'oxyde en conditions de préchauffage du moule pour le monocristal pour surmonter les problèmes ci-dessus de croissance d'oxyde et de nucléation de grains parasites et la nécessité de schémas spéciaux. Le grain est placé dans une cavité d'inducteur d'un moule de moulage d'un monocristal pour amorcer la nucléation épitaxiée du grain et la croissance dans la matière métallique fondue résidant dans une cavité du moule. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : la figure unique est une vue en coupe d'un moule à manteau à revêtement en céramique ayant un grain monocristallin selon un mode de réalisation de l'invention résidant dans une cavité d'inducteur du grain. Un exemple d'un mode de réalisation de la présente invention implique des grains monocristallins résistant aux oxydes à utiliser dans le moulage de superalliages à base de nickel monocristallin en tant que surfaces portantes monocristallines, comme des pales et ailettes de turbine, d'un moteur de turbine à gaz et autres formes d'articles. Un autre exemple de mode de réalisation de la présente invention implique des grains monocristallins résistant aux oxydes pour le moulage de corps à grain d'alliage de nickel et de corps à grain d'alliage de cobalt que l'on peut utiliser dans des procédés de moulage monocristallin pour produire d'autres articles, comme les surfaces portantes en superalliages à base de nickel monocristallin ci-dessus. En se référant à la figure, un moule à manteau à revêtement de céramique 10 comprend un grain monocristallin 20 sous la forme d'un alliage de nickel coulé ou un corps d'alliage de cobalt résidant dans une cavité d'inducteur du grain 12 à l'extrémité inférieure du moule. La cavité d'inducteur du grain 12 communique à son extrémité supérieure par un passage connecteur 14 avec une cavité de moule 16 de l'article ayant la forme de l'article à mouler. L'article à mouler peut être une surface portante de moteur de turbine à gaz, comme une pale ou ailette de turbine ou toute autre forme de produit. L'article à mouler peut également être un corps à grain monocristallin, lui-même à utiliser dans un moulage monocristallin d'articles en superalliage à base de nickel. La coupe de versement 18 est prévue au-dessus de la cavité 16 du moule pour fournir le métal fondu ou alliage à la cavité de l'article et à la cavité de l'inducteur. La cavité de l'inducteur du grain 12 communique à son extrémité inférieure avec une plaque conventionnelle de refroidissement 40 sur un piston 42 d'une machine conventionnelle de moulage qui représente la technique bien connue de retrait du moule de Bridgeman. Le grain 20 peut reposer directement sur la plaque de refroidissement 40 ou bien être disposé dans le moule hors de contact avec la plaque de refroidissement. Le grain monocristallin 20 peut être incorporé dans la cavité d'inducteur 12 en utilisant des techniques conventionnelles de fabrication de moules à manteau ou un assemblage d'un motif en cire comprenant la cavité de l'inducteur, le passage du connecteur et la cavité de l'article est formé et revêtu en un matériau de moule à manteau en céramique en utilisant le procédé bien connu en cire perdue. Quand l'assemblage du motif est retiré du moule à manteau revêtu, le moule à manteau est cuit à une température élevée pour développer la résistance du moule pour le moulage. Le grain 20 est alors inséré dans l'extrémité ouverte de la cavité de l'inducteur 12. Le grain est typiquement un corps cylindrique moulé par sa forme bien que d'autres formes ou configurations du grain puissent être utilisées dans la mise en pratique de l'invention. Alternativement, le grain monocristallin peut être attaché à l'assemblage de cire et ainsi le moule à manteau est construit autour de l'assemblage et du grain 20. La présente invention envisage un grain 20 comprenant un ou plusieurs éléments d'alliage sélectionnés dans le groupe consistant en Mo, Cr, W, Ta, Re, Nb et V en certaines quantités, le reste étant Ni, Co ou leurs combinaisons. Les éléments d'alliage de la liste sont des agents d'alliage durcissant par précipitation qui forment des précipités avec Ni ou Co ou avec un ou plusieurs autres agents d'alliage lorsqu'ils sont soumis à un traitement thermique de durcissement par précipitation approprié. Un ou plusieurs de C et B peuvent facultativement être présents dans le grain 20. Selon un exemple de mode de réalisation de la présente invention, le grain 20 consiste essentiellement en, en % en poids, environ 5,0 % à environ 40,0 % de Mo, jusqu'à 0,1 % d'un élément sélectionné dans le groupe consistant en C et B et leurs combinaisons, et le reste sélectionné dans le groupe consistant en Ni et Co et leurs combinaisons. Une composition préférée du grain 20 pour le moulage de superalliages à base de nickel et de corps du grain d'alliage de nickel consiste essentiellement en, en % en poids, environ 15 % à environ 30 % de Mo, 0 à environ 0,05 % de C et/ou B, le reste étant essentiellement Ni. Une composition préférée du grain 20 pour mouler des corps de grain d'alliage de cobalt consiste essentiellement en, en % en poids, environ 8 % à environ 28 % de Mo, 0 à environ 0,05 % de C et/ou B et le reste étant essentiellement Co. La teneur en Mo dans les gammes indiquées impartit une résistance à l'oxydation, un renforcement en solution solide et une possibilité de durcissement par précipitation au grain 20. La teneur en C et/ou B dans les gammes indiquées impartit la propreté de l'alliage et/ou le contrôle de la température du liquidus/solidus au grain 20. Le grain 20 est résistant à l'oxydation et à la croissance d'oxyde à la haute température de préchauffage du moule d'un traitement de moulage monocristallin typique pour surmonter les problèmes ci-dessus de croissance d'oxyde et nucléation de grains parasites ainsi que la nécessité de schémas spéciaux. Le moule 10 avec le grain 20 de l'invention peut être rempli du superalliage fondu à travers la coupe supérieure de versement 18 à son extrémité supérieure, alors que le moule réside dans le four de moulage sous vide, comme on le sait bien ou bien par toute autre technique conventionnelle de remplissage du moule. Dans d'autres exemples de modes de réalisation de la présente invention, le ou les éléments d'alliage peuvent être sélectionnés parmi un ou plusieurs du groupe consistant en Mo, Cr, W, Ta, Re, Nb, V et leurs combinaisons à une ou des concentrations appropriées dans un grain 20 d'alliage de nickel ou d'alliage de cobalt pour un durcissement par précipitation du grain lors d'un traitement thermique approprié. Par exemple, pour l'illustration et non la limitation, un grain 20 d' alliage à base de nickel ou de cobalt peut comprendre 1) environ 15 % en poids à environ 47 % en poids de Cr et le reste étant Ni et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 2) environ 10 % en poids à environ 45 % en poids de W et le reste étant Ni et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 3) environ 15 % en poids à environ 33 % en poids de Ta et le reste étant Ni ou Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 4) environ 8 % en poids à environ 13 % en poids de Re et le reste étant Ni et facultativement jusqu' à 0,1 % en poids de C et/ou B, 5) environ 5 % en poids à environ 18 % en poids de Nb et le reste étant Ni et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 6) environ 5 % en poids à environ 30 % en poids de V et le reste étant Ni ou Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B. Pour une plus ample illustration et sans limitation, un grain 20 d'alliage à base de cobalt peut comprendre 1) environ 2 % en poids à environ 37 % en poids de Cr, le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 2) environ 10 % à environ 40 % en poids de W, le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 3) environ 5 % en poids à environ 44 % en poids de Ta et le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 4) environ 5 % en poids à environ 36 % en poids de Re et le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 5) environ 1 % en poids à environ 12 % en poids de Nb et le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B, 6) environ 2 % en poids à environ 28 % en poids de V et le reste étant Co et facultativement jusqu'à 0,1 % en poids de C et/ou B. Le grain 20 est pourvu d'une orientation cristallographique devant être impartie au moulage monocristallin dans la cavité 16 de l'article par solidification épitaxiée, comme on le sait bien. Pour l'exemple seulement, pour la plupart des superalliages à base de nickel cubique à face centrée, le cristal d'ensemencement peut avoir un axe du cristal [001] orienté parallèlement à l'axe z d'une surface portante de turbine à mouler dans la cavité 16 du moule. Le grain 20 peut être formé à l'orientation cristallographique souhaitée en moulant le grain 20 avec l'orientation souhaitée ou bien le grain peut être physiquement orienté pour produire un moulage avec l'orientation souhaitée relativement à la cavité 16 du moule. Le grain 20 peut être utilisé dans la condition de grain tel que moulé ou facultativement peut être durci par précipitation après moulage par traitement thermique avant mise en place du grain dans le moule à manteau. Le traitement thermique est entrepris à des températures et pendant des temps pour former des précipités d'un ou plusieurs des éléments durcissant par précipitation donnés ci-dessus (e. g. Mo, Cr, W, Ta, Re, Nb et/ou V) avec Ni ou Co et/ou avec un autre ou d'autres agents d'alliage présents. Les températures et les temps employés pour le traitement thermique de durcissement par précipitation dépendront de la composition de l'alliage du grain utilisée. Les températures et les temps du traitement thermique peuvent être déterminés à partir des diagrammes de phase de l'alliage du grain particulier employé et/ou empiriquement de tests d'évaluation au traitement thermique. Pour le moulage de superalliages à base de nickel monocristallin et d'alliages de grain de nickel et de cobalt, le moule à manteau 10 est typiquement chauffé dans un four à mouler sous vide 50 ayant un suscepteur 52 inductivement chauffé par une bobine d'induction 54 à une température élevée dans la gamme de 1480 à 1590 degrés C avant d'y verser l'alliage superchauffé fondu. Le niveau de vide (pression subambiante) dans le four de moulage est typiquement inférieur à 15 microns. La température de l'alliage fondu surchauffé dépendra de l'alliage qui est moulé et généralement est dans la gamme de 93 à 260 degrés C au-dessus du point de fusion de l'alliage. Quand l'alliage fondu est versé dans la coupe de versement 18, il s'écoule vers le bas pour remplir la cavité 16 du moule et la cavité d'inducteur 12, et l'alliage fondu fait fondre une région supérieure du grain 20. Le piston 42 est déplacé pour retirer le moule 10 du four de moulage 50 pour établir un front de solidification dans l'alliage fondu qui progresse vers le haut à partir de la cavité d'inducteur 12 à travers le passage de connecteur 14 et la cavité 16 de l'article, d'une manière connue, pour y former un article moulé monocristallin comme décrit par exemple par Ver Snyder dans le brevet US 3 260 505 et Piearcey dans le brevet US 3 494 709. L'utilisation du grain 20 résistant à l'oxydation selon l'invention réduit ou élimine la nucléation de grains parasites dans la cavité d'inducteur 12. Des défauts de moulage dus à une mauvaise orientation du grain sont considérablement réduits par mise en pratique de l'invention. Les Exemples qui suivent sont offerts pour mieux illustrer, sans limiter, l'invention. EXEMPLES Un superalliage à base de nickel connu en tant que CMSX-10 a été surchauffé à 1510 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain monocristallin 20 comprenait Ni- 26,6 % en poids Mo (i.e. 26,6 % en poids de Mo et le reste étant Ni) et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité 12 de l'inducteur. On a également surchauffé CMSX-10 à 1657 degrés C et on l'a versé dans un moule à manteau 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-27,52 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un superalliage à base de nickel connu en tant que Rene'N5 a été surchauffé à 1480 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-25 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. On a également surchauffé Rene'N5 à 1480 degrés C et on l' a versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-15 % en poids Mo-0,05 % en poids C et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 480 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. On a également surchauffé Rene'N5 à 1480 degrés C et on l' a versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-26,4 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 488 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grain parasite ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un superalliage à base de nickel monocristallin de quatrième génération a été surchauffé à 1496 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-27 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un alliage d'un grain monocristallin de nickel comprenant 20 % en poids de Mo et le reste étant Ni a été surchauffé à 1582 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un moule à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni 25 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un alliage de grain d'un monocristal de nickel comprenant 20 % en poids de Re et le reste étant Ni a été surchauffé à 1590 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-25 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un alliage de grain monocristallin de nickel comprenant 25 % en poids de Mo et le reste étant Ni a été surchauffé à 1480 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-25 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensiblement, donc aucune nucléation de grain parasite ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un alliage d'un grain d'un monocristal de nickel comprenant 27 % en poids de Mo et le reste étant Ni a été surchauffé à 1480 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-25 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. Un alliage d'un monocristal de nickel comprenant 27 % en poids de Mo et le reste étant Ni a été surchauffé à 1480 degrés C et versé dans le moule 10 chauffé à 1552 degrés C dans un four à mouler sous vide. Le grain 20 comprenait Ni-27 % en poids Mo et a été durci par précipitation avant mise en place dans le moule par traitement thermique à 760 degrés C pendant 6 heures et refroidi à l'air à température ambiante. Le grain n'a pas présenté d'oxydation sensible, donc aucune nucléation de grains parasites ne s'est produite dans la cavité d'inducteur 12. REVENDICATIONS 1. Grain pour le moulage d'un article monocristallin caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en, en % en poids : un élément d'alliage sélectionné dans le groupe consistant en environ 5,0 % à environ 40,0 % de Mo, environ 15 % en poids à environ 47 % en poids de Cr, environ 10 % en poids à environ 45 % en poids de W, environ 15 % en poids à environ 33 % en poids de Ta, environ 8 % en poids à environ 13 % en poids de Re, environ 5 % en poids à environ 18 % en poids de Nb, environ 5 % en poids à environ 30 % en poids de V et leurs combinaisons, jusqu'à 0,1 % en poids d'un élément sélectionné dans le groupe consistant en C et B, et le reste sélectionné dans le groupe consistant en Ni et Co. 2. Grain pour le moulage d'un article monocristallin caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en, en % en poids, environ 5,0 % à environ 40,0 % Mo, jusqu'à 0,1 % C et/ou B et le reste étant essentiellement Ni. 3. Grain de la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement, en % en poids, en environ 15 % à environ 30 % Mo, jusqu'à environ 0,05 % C et le reste étant essentiellement Ni. 4. Moule pour le moulage monocristallin caractérisé en ce qu'il comprend une cavité d'inducteur du grain (12) connectée à une cavité de moulage d'un article (16) par un connecteur et un grain (20) selon la revendication 1 dans ladite cavité d'inducteur. 5. Moule pour le moulage monocristallin, caractérisé en ce qu'il comprend une cavité d'inducteur du grain (12) connectée à une cavité de moulage d'un article (16) par un connecteur et un grain (20) selon l'une des revendications 1 à 3 dans ladite cavité d'inducteur, ledit grain consistant essentiellement en, en % en poids, environ 5,0 % à environ 40,0 % de Mo, jusqu'à 0,1 % de C et le reste étant sélectionné dans le groupe consistant en Ni et Co. 6. Moule de la revendication 5, caractérisé en ce que le grain (20) précité consiste essentiellement en, en % en poids, environ 15 % à environ 30 % de Mo, jusqu'à environ 0,05 % de C et le reste étant essentiellement Ni. 7. Procédé pour le moulage d'un article monocristallin, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un grain selon la revendication 1 dans une cavité d'inducteur du grain en communication avec une cavité de moulage d'un article, à introduire un superalliage fondu dans le moule et à nucléer par épitaxie et faire croître un grain monocristallin dans ledit superalliage fondu.