FR3042725B1 - Moule pour la fabrication d'une piece par coulee de metal et croissance epitaxiale, et procede correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moule (1) destiné à être utilisé pour la fabrication d'une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, le moule comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement (12) dans lequel est disposé un germe monocristallin (2) cylindrique, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d'une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s'écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l'ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z). Le germe monocristallin présente un rayon (Rg) supérieur à 6 mm, et une distance de blocage (Db) correspondant à la différence entre le rayon du germe et un rayon de l'ouverture (Rd) est supérieure ou égale à 2,4 mm. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une pièce monocristalline par croissance épitaxiale.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces monocristallines par coulée de métal. La présente invention concerne notamment un moule destiné à être utilisé dans de tels procédés.

Dans certains cas, et notamment dans les turbomachines aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée. Par exemple, dans les distributeurs de turbines de turbomachines aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes * permet de limiter les effets de ces contraintes.

Pour réaliser une pièce monocristalline par coulée de métal, on peut fabriquer tout d'abord un moule céramique à partir d'un modèle de la pièce à fabriquer (par exemple un modèle en cire). On place dans le moule un germe monocristallin (c'est-à-dire dont l'orientation cristallographique est connue et constante dans tout le germe) sur lequel on vient couler le métal fondu qui va ensuite remplir une cavité du moule destinée à former la pièce. Lors du refroidissement, le métal se solidifie et la croissance épitaxiale des grains à partir du germe monocristallin permet de garantir l'orientation cristallographique dans la pièce moulée.

Cependant, le germe peut également être une source de défauts de la pièce obtenue par un tel procédé. En effet, les configurations de germe actuelles peuvent engendrer la croissance de grains parasites qui se propagent jusque dans la pièce coulée.

Il existe donc un besoin pour disposer d'un moule pour la fabrication d'une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale, ainsi que d'un procédé de fabrication mettant en œuvre un tel moule, qui ne présentent pas les inconvénients précités.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de teis inconvénients en proposant un moule destiné à être utilisé pour la fabrication d'une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, le moule comprenant une cavité dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement dans lequel est disposé un germe monocristallin cylindrique, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d'une ouverture de section circulaire par laquelle est destiné à s'écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l'ouverture étant centrés sur un même axe vertical. Conformément à l'invention, le germe monocristallin présente un rayon supérieur à 6 mm, et une distance de blocage correspondant à la différence entre le rayon du germe et un rayon de l'ouverture est supérieure ou égale à 2,4 mm.

Le moule selon l'invention est remarquable en ce que l'ouverture, jouant le rôle d'un diaphragme réduisant la propagation de grains parasites entre le logement du germe et la cavité du moule, ainsi que le germe, présentent des dimensions particulières. En effet, les inventeurs ont déterminé à la suite d'essais que la propagation de grains parasites est considérablement réduite pour une différence entre les rayons de l'ouverture et du germe supérieure ou égale à 2,4 mm. Cette différence est ici appelée « distance de blocage » car elle est caractéristique du blocage de la propagation de grains parasites dans la pièce.

En outre, la valeur du rayon du germe, qui doit être strictement supérieure à 6 mm, permet d'assurer que l'ouverture soit suffisamment large pour assurer la solidité (ou rigidité) du moule lors de la coulée. En effet, un rayon de germe et un rayon d'ouverture trop petits peuvent créer un point de fragilité qui peut entraîner la rupture prématurée du moule sous son propre poids, au niveau de l'ouverture.

De préférence, le rayon de l'ouverture est inférieur ou égal à 5 mm, afin d'assurer un remplissage correct du moule en cohérence avec le dimensionnement du système d'alimentation.

De préférence également, le rayon de l'ouverture est supérieur ou égal à 3,5 mm pour conférer au moule une résistance mécanique suffisante au niveau de l'ouverture.

De préférence encore, le germe monocristallin présente à une extrémité au moins un élément d'indexation orienté en fonction d'une direction d'orientation cristaiiographique dudit germe monocristaiiin. Cet élément d'indexation peut prendre la forme d'une encoche pratiquée par exemple au niveau de la base du germe, ou encore d'un ergot proche de la base du germe. Plusieurs de ces éléments d'indexation peuvent également être présents à d'autres positions sur le germe. Ces éléments d'indexation permettent d'orienter avec précision le germe dans son logement, pour contrôler l'orientation cristallographique qui sera celle de la pièce fabriquée.

Avantageusement, le germe monocristallin présente un chanfrein sur le pourtour de son arête supérieure. Par « supérieure » on entend l'arête située du côté du germe opposé à la base sur laquelle il repose quand le moule est en position verticale. Ce chanfrein permet notamment d'éviter qu'une arête trop franche puisse venir au contact du moule et enlève des petits morceaux de moule qui pourraient entraîner l'apparition de grains parasites lors de la coulée de métal.

Le moule selon l'invention peut être destiné à être utilisé pour la fabrication d'une aube de turbomachine, la cavité du moule présentant alors une forme correspondant à celle de ladite aube. Il peut par exemple s'agir d'une aube de distributeur de turbomachine aéronautique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce monocristalline par croissance épitaxiale, le procédé comprenant les étapes suivantes : - la fabrication d'un moule comprenant une cavité dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement dans lequel est disposé un germe monocristallin cylindrique, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d'une ouverture de section circulaire par laquelle est destiné à s'écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l'ouverture étant centrés sur un même axe vertical, et - la coulée de métal fondu dans le moule, caractérisé en ce que le germe monocristallin présente un rayon supérieur à 6 mm, et en ce qu'une distance de blocage correspondant à la différence entre le rayon du germe et un rayon de l'ouverture est supérieure ou égale à 2,4 mm.

De préférence, le rayon de l'ouverture est inférieur ou égal à 5 mm en cohérence avec le dimensionnement du système d'alimentation.

De préférence encore, le rayon de l'ouverture est supérieur ou égai à 3,5 mm. L'invention vise enfin un procédé tel que celui présenté ci-dessus dans lequel la pièce monocristalline à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique. Par « pièce pour l'aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d'injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d'injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d'équipements moteur, un capot, etc.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est un ordinogramme représentant les différentes étapes d'un procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un moule selon l'invention, disposé dans un four de solidification dirigée, et - la figure 3 est une vue agrandie de la figure 2 au niveau d'un logement de germe monocristallin.

Description détaillée de l'invention L'invention va maintenant être décrite dans le cadre d'un procédé de fabrication d'une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale. Dans l'exemple illustré, on s'intéresse à la fabrication d'aubes de distributeur de turbomachine aéronautique monocristallines en alliage métallique (par exemple en alliage à base de nickel tel que l'alliage commercial « AMI »). Les étapes d'un tel procédé sont résumées dans l'ordinogramme de la figure 1.

De façon connue en soi, la première étape d'un procédé de fabrication par coulée de métal et croissance épitaxiale consiste à obtenir un modèle, par exemple en cire, de la pièce à fabriquer (étape El).

Puis, le modèle en cire est recouvert d'une coque (ou carapace) céramique (étape E2), par exemple par trempes successives dans une barbotine adéquate. Le modèie muni de sa carapace est ensuite cuit et déciré (étape E3), c'est-à-dire que la cire présente dans le moule céramique obtenu est éliminée.

Un exemple de moule 1 selon l'invention obtenu à partir d'un modèle en cire est illustré sur les figures 2 et 3. Le moule 1 en céramique comprend notamment une ou plusieurs cavités 10 (ici deux cavités ont été représentées sur la figure 1) ayant la forme de la pièce à fabriquer (ici une aube de distributeur de turbomachine aéronautique), qui sont ouvertes à leurs extrémités supérieures et reliées entre elles par des canaux débouchant dans une partie conique, ou godet 11. C'est dans le godet 11 que le métal sera ultérieurement coulé avant de cheminer jusque dans les cavités 10.

Le moule 1 comprend également des logements 12 dans lesquels sont insérés des germes monocristallins 2 (étape E4). Il y a typiquement autant de logements 12 que de cavités 10. Un logement 12 est localisé au-dessous d'une cavité 10 et est en communication fluidique avec la cavité qui le surmonte par le biais d'une ouverture 13, afin que du métal liquide puisse s'introduire depuis la cavité 10 jusque dans le logement 12.

Le logement 12 et le germe monocristallin 2 sont de forme sensiblement cylindrique (c'est-à-dire présentant une section circulaire constante sur toute leur longueur). Le logement 12 et le germe 2 présentent des rayons sensiblement égaux, de façon à laisser un jeu le plus faible possible entre la paroi du logement 12 et le germe 2 pour éviter que du métal liquide ne s'infiltre autour du germe 2 lors de la coulée. A la base du moule 1 se trouve un socle 14 qui assure le maintien du germe 2 dans le logement 12, et qui supporte également l'ensemble du moule 1 lorsqu'il est en position verticale.

La figure 3 montre une vue détaillée d'un logement 12 dans lequel est disposé un germe 2. Le germe 2 et l'ouverture 13 sont centrés sur le même axe vertical Z.

Le germe 2 est de forme cylindrique et comprend également au niveau du pourtour de son arête supérieure un chanfrein 20 qui permet l'insertion du germe 2 plus facilement dans le logement 12, sans risquer de détacher des morceaux de céramique de la paroi du logement 12. Typiquement, ie germe 2 n'occupe pas complètement ie iogement 12, et un espace est ménagé entre l'extrémité supérieure du germe 2 et l'ouverture 13 dans lequel du métal liquide pourra être coulé.

Le germe 2 présente une longueur Lg, qui est par exemple comprise entre 30 et 47 mm. L'ouverture 13 peut par exemple s'étendre sur une longueur Ld de l'ordre de 5 mm.

Conformément à l'invention, le rayon Rg du germe 2 est strictement supérieur à 6 mm afin d'augmenter la fiabilité du moule 1. On définit par la suite une distance de blocage Db, correspondant à la différence entre le rayon du germe Rg et le rayon de l'ouverture Rd : Db = Rg - Rd. Cette distance de blocage est une grandeur caractéristique de la propagation de grains parasites depuis le logement du germe 12 jusqu'à la cavité 10. Conformément à l'invention, la distance de blocage Db doit être supérieure ou égale à 2,4 mm pour assurer le blocage des grains parasites.

Pour parvenir à cette plage de valeurs de la distance de blocage Db, les inventeurs ont mené une série d'essais, dont les résultats sont regroupés dans le tableau 1 ci-dessous. A chaque case du tableau 1 correspond une valeur du rayon de l'ouverture Rd et une valeur du rayon du germe Rg, la valeur indiquée dans chaque case étant la distance de blocage Db (calculée) correspondante.

Tableau 1 : Distance de blocage en fonction du rayon du germe et du rayon de l'ouverture

On a coulé dans un moule tel que le moule 1 représenté sur les figures 2 et 3 des pièces en alliage métallique (par exemple en alliage à base de nickel tel que ΓΑΜ1) en faisant varier les rayons Rg et Rd. Lorsque le blocage des grains parasites a été effectif pour les valeurs de rayons considérées (c'est-à-dire que la pièce obtenue présente une structure monocristalline sans grains parasites), la valeur de la distance de blocage a été soulignée dans le tableau. On remarque alors qu'avec une

distance de blocage de 2,4 mm minimum, les grains parasites ne se propagent pas dans la cavité 10 dans laquelle la pièce est formée.

De préférence, le rayon de l'ouverture Rd est supérieur ou égal à 3,5 mm pour réduire l'impact de l'ouverture sur la solidité du moule 1. De préférence encore, le rayon de l'ouverture Rd est inférieur ou égal à 5 mm, pour assurer un remplissage correct du moule 1.

Comme illustré sur la figure 3, le germe 2 présente au niveau de son extrémité inférieure un élément d'indexation 21, constitué ici par un ergot. Cet élément d'indexation 21 permet à l'opérateur de déterminer précisément l'orientation cristallographique dans le germe 2, et de maintenir le germe 2 dans une direction fixe dans son logement 12. L'élément d'indexation 21 peut par exemple être bloqué dans le socle 14 du moule comme représenté sur la figure 3, ou dans une rainure complémentaire présente dans le moule 1 (non illustrée ici). On notera que, dans des exemples de réalisation non illustrés, plusieurs éléments d'indexation peuvent être présents sur le germe 2.

Une fois les germes 2 insérés et orientés dans leurs logements 12, l'ensemble du moule 1 sur son socle 14 est placé sur un plateau mobile 30 d'un four 3 de solidification dirigée. Le four 3 présente avantageusement une fenêtre supérieure 31 par laquelle on peut couler du métal dans le moule 1. Le plateau mobile 30 permet de retirer rapidement le moule 1 de l'enceinte chaude du four 3 pour réguler sa température.

Le moule 1 est mis en température dans le four 3, et du métal liquide 40 est coulé à partir d'un creuset 4 dans le moule 1 (étape E5), par la fenêtre 31 du four. Les logements 12 des germes 2 se remplissent de métal, puis les cavités 10 dans lesquelles sont formées les pièces. On retire progressivement le moule 1 du four 3, par exemple en abaissant le plateau mobile 30, afin de réduire la température du moule 1 et de contrôler la solidification du métal dans le moule (étape E6).

Lors de la solidification dirigée, les grains métallique vont croître par épitaxie à partir du germe, dont l'orientation cristallographique est bien connue et contrôlée. En respectant les dimensions particulières du moule selon l'invention, ia croissance de grains parasites dont l'orientation n'est pas contrôlée est évitée, et l'on obtient, après décochage, des pièces présentant une structure monocristalline contrôlée.

Après décochage (étape E7) du moule, on peut enfin procéder à des usinages classiques de finition (étape E8) pour obtenir les pièces monocristallines finies.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Moule (î) destiné à être utilisé pour la fabrication d'une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, ie moule comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement (12) dans lequel est disposé un germe monocristallin (2) cylindrique, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par 1e biais d'une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s'écouter du métal fondu, 1e germe monocrisfallin et l'ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z), caractérisé en ce que te germe monocristallin présente un rayon (Rg) supérieur à 6 mm, et en ce qu'une distance de blocage (Db) correspondant à la différence entre 1e rayon du germe et un rayon de l'ouverture (Rd) est supérieure ou égale à 2,4 mm, le rayon de l'ouverture (Rd) étant supérieur ou égal à 3,5 mm..
2. 2. Moule selon la revendication 1, caractérisé en ce que te rayon de l'ouverture (Rd) est inférieur ou égal à 5 mm.
3. 3. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que te germe monocristallin (2) présente à une extrémité au moins un élément d'indexation (21) orienté en fonction d'une direction d'orientation cristallographique dudit germe monocristallin.
4. 4. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le germe monocristallin (2) présente un chanfrein (20) sur le pourtour de son arête supérieure.
5. 5. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qui! est destiné à être utilisé pour la fabrication d'une aube de turbomachine, la cavité (10) du moule présentant une forme correspondant à celle de ladite aube.
6. 6. Procédé de fabrication d'une pièce monocristalline par croissance épitaxiale, le procédé comprenant les étapes suivantes : - ta fabrication d'un moule (1) comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement (12) dans lequel est disposé un germe monocristallin (2) cylindrique, 1e logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d'une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s'écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l'ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z), et - ta coulée de métal fondu dans le moule, caractérisé en ce que te germe monocristallin présente un rayon (Rg) supérieur à 6 mm, et en ce qu'une distance de blocage (Db) correspondant à la différence entre le rayon du germe et un rayon de l'ouverture (Rd) est supérieure ou égale à 2,4 mm, le rayon de l'ouverture (Rd) étant supérieur ou égal à 3,5 mm..
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rayon de l'ouverture (Rd) est inférieur ou égal à 5 mm,
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ta pièce monocristalline à fabriquer est une pièce pour l'aéronautique.