CA3029438A1 - Four de refroidissement par solidification dirigee et procede de refroidissement utilisant un tel four - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
Abstract
Four de refroidissement (20) par solidification dirigée pour piècemétallique de fonderie, comprenant une enceinte interne (26) cylindrique d'axe central vertical (X) et un support de moule (28) disposé dans l'enceinte interne (26), l'enceinte interne (26) comportant une zone de coulée (A) et une zone de refroidissement (B), la zone de coulée (A) et la zone de refroidissement (B) étant superposées l'une sur l'autre, les zones de coulée et de refroidissement étant isolées thermiquement l'une de l'autre, lorsque le support de moule est disposé dans la zone de coulée (A), par un premier écran thermique (31) fixe et un deuxième écran thermique (32) porté par le support de moule (28), la zone de coulée (A) comportant au moins un premier dispositif de chauffage et la zone de refroidissement (B) comportant un deuxième dispositif de chauffage (60), les premier et deuxième dispositifs de chauffage étant configurés pour que la température de la zone de coulée (A) soit supérieure à la température de la zone de refroidissement (B), la zone de refroidissement (B) comportant une partie haute (B') et une partie basse (B") superposées l'une sur l'autre et isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique (33), la partie haute (?') de la zone de refroidissement (B) comportant le deuxième dispositif de chauffage (60).
Description
Four de refroidissement par solidification dirigée et procédé de refroidissement utilisant un tel four DOMAINE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne le domaine du refroidissement de pièces métalliques fabriquées par fonderie, plus particulièrement un four de refroidissement par solidification dirigée pour pièce métallique de fonderie, et un procédé de refroidissement par solidification dirigée d'une pièce métallique de fonderie utilisant un tel four.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0001] La présente invention concerne le domaine du refroidissement de pièces métalliques fabriquées par fonderie, plus particulièrement un four de refroidissement par solidification dirigée pour pièce métallique de fonderie, et un procédé de refroidissement par solidification dirigée d'une pièce métallique de fonderie utilisant un tel four.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0002] Des procédés de fonderie dits à cire perdue ou à modèle perdu sont particulièrement adaptés pour la production de pièces métalliques de formes complexes. Ainsi, la fonderie à modèle perdu est notamment utilisée pour la production d'aubes de turbomachines.
[0003] Dans la fonderie à
modèle perdu, la première étape est la réalisation d'un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine, sur laquelle est ensuite surmoulé un moule. Après consolidation du moule, le matériau est évacué de l'intérieur du moule. Un métal en fusion est ensuite coulé dans ce moule, afin de remplir la cavité formée par le modèle dans le moule après son évacuation. Une fois que le métal est refroidit et complètement solidifié, le moule peut être ouvert ou détruit afin de récupérer une pièce métallique conforme à la forme du modèle.
modèle perdu, la première étape est la réalisation d'un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine, sur laquelle est ensuite surmoulé un moule. Après consolidation du moule, le matériau est évacué de l'intérieur du moule. Un métal en fusion est ensuite coulé dans ce moule, afin de remplir la cavité formée par le modèle dans le moule après son évacuation. Une fois que le métal est refroidit et complètement solidifié, le moule peut être ouvert ou détruit afin de récupérer une pièce métallique conforme à la forme du modèle.
[0004] Afin de pouvoir produire plusieurs pièces simultanément, il est possible de réunir plusieurs modèles dans une seule grappe, chaque modèle étant relié à un arbre qui forme, dans le moule, des canaux de coulée pour le métal en fusion.
[0005] On entend par métal , dans le présent contexte, tant des métaux purs que des alliages métalliques.
[0006] Afin de pouvoir profiter des avantages de ces alliages métalliques pour obtenir des propriétés thermomécaniques avantageuses dans une pièce produite par fonderie, il peut être souhaitable d'assurer une solidification dirigée du métal dans le moule.
[0007] On entend par solidification dirigée , dans le présent contexte, la maîtrise de la germination et de la croissance de cristaux solides, dans une direction donnée, dans le métal en fusion lors de son passage de l'état liquide à l'état solide. L'objet d'une telle solidification dirigée est d'éviter les effets négatifs des joints de grains dans la pièce.
Ainsi, la solidification dirigée peut être colonnaire ou nnonocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter tous les joints de grains dans une même direction, de manière à réduire leur contribution à la propagation de fissures. La solidification dirigée monocristalline consiste à
assurer la solidification de la pièce en un seul cristal, de manière à
supprimer les joints de grains.
Ainsi, la solidification dirigée peut être colonnaire ou nnonocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter tous les joints de grains dans une même direction, de manière à réduire leur contribution à la propagation de fissures. La solidification dirigée monocristalline consiste à
assurer la solidification de la pièce en un seul cristal, de manière à
supprimer les joints de grains.
[0008] Les pièces produites par solidification dirigée peuvent atteindre non seulement des tenues mécaniques particulièrement élevées dans tous les axes d'effort, mais aussi une tenue thermique améliorée, puisqu'on peut se passer d'additifs destinés à lier plus fortement entre eux les grains cristallins. Ainsi, ces pièces métalliques ainsi produites peuvent être avantageusement utilisées, par exemple, dans les parties chaudes de turbines.
[0009] Dans les procédés de fonderie par solidification dirigée, un métal liquide est coulé dans un moule comprenant un fût central s'étendant, suivant un axe principal, entre un godet de coulée et une base, et une pluralité de cavités de moulage arrangées en grappe autour du fût central, chacune reliée au godet de coulée par un canal d'amenée.
Après la coulée du métal en fusion dans les cavités du moule à travers le godet de coulée, ce métal en fusion est progressivement refroidi, suivant ledit axe principal à partir de la base vers le godet de coulée. Ceci peut être réalisé, par exemple, en extrayant progressivement le moule d'un four ou d'une chambre de chauffage, suivant l'axe principal, vers le bas, tout en refroidissant la base.
Après la coulée du métal en fusion dans les cavités du moule à travers le godet de coulée, ce métal en fusion est progressivement refroidi, suivant ledit axe principal à partir de la base vers le godet de coulée. Ceci peut être réalisé, par exemple, en extrayant progressivement le moule d'un four ou d'une chambre de chauffage, suivant l'axe principal, vers le bas, tout en refroidissant la base.
[0010] Grâce au refroidissement progressif du métal en fusion à partir de la base, la solidification du métal commence à proximité de la base et s'étend à partir de celui-ci suivant une direction parallèle à l'axe principal.
[0011] Néanmoins, au cours de la solidification et du refroidissement du métal, des gradients thermiques importants peuvent exister entre différentes parties du moule et le métal engendrant des distorsions et des contraintes thermomécaniques dans la pièce. Pour limiter ces contraintes, un refroidisseur en cuivre, permettant de maintenir une zone de refroidissement à une température de 300 C environ, est utilisé afin de diminuer les gradients thermiques existant dans la pièce au cours de la solidification dirigée.
[0012]
Toutefois, les pièces produites actuellement étant de plus en plus complexes (nouveaux alliages, aubes de turbines creuses ou pleines et/ou ayant des épaisseurs de paroi plus fines), les contraintes thermomécaniques engendrées peuvent être la cause de formation de grains recristallisés et de criques lors de la solidification et du refroidissement de ces aubes, créant ainsi des zones de fragilité de la pièce finale.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Toutefois, les pièces produites actuellement étant de plus en plus complexes (nouveaux alliages, aubes de turbines creuses ou pleines et/ou ayant des épaisseurs de paroi plus fines), les contraintes thermomécaniques engendrées peuvent être la cause de formation de grains recristallisés et de criques lors de la solidification et du refroidissement de ces aubes, créant ainsi des zones de fragilité de la pièce finale.
PRESENTATION DE L'INVENTION
[0013] Le présent exposé concerne un four de refroidissement par solidification dirigée pour pièce métallique de fonderie, comprenant :
- une enceinte interne cylindrique d'axe central vertical, - un support de moule disposé dans l'enceinte interne, l'enceinte interne comportant:
- une zone de coulée, - une zone de refroidissement, la zone de coulée et la zone de refroidissement étant superposées l'une sur l'autre, les zones de coulée et de refroidissement étant isolées thermiquement l'une de l'autre lorsque le support de moule est disposé dans la zone de coulée, par un premier écran thermique fixe et un deuxième écran thermique porté par le support de moule, la zone de coulée comportant au moins un premier dispositif de chauffage et la zone de refroidissement comportant un deuxième dispositif de chauffage, les premier et deuxième dispositifs de chauffage étant configurés pour que la température de la zone de coulée soit supérieure à
la température de la zone de refroidissement, la zone de refroidissement comportant une partie haute et une partie basse superposées l'une sur l'autre et isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique, la partie haute de la zone de refroidissement comportant le deuxième dispositif de chauffage.
- une enceinte interne cylindrique d'axe central vertical, - un support de moule disposé dans l'enceinte interne, l'enceinte interne comportant:
- une zone de coulée, - une zone de refroidissement, la zone de coulée et la zone de refroidissement étant superposées l'une sur l'autre, les zones de coulée et de refroidissement étant isolées thermiquement l'une de l'autre lorsque le support de moule est disposé dans la zone de coulée, par un premier écran thermique fixe et un deuxième écran thermique porté par le support de moule, la zone de coulée comportant au moins un premier dispositif de chauffage et la zone de refroidissement comportant un deuxième dispositif de chauffage, les premier et deuxième dispositifs de chauffage étant configurés pour que la température de la zone de coulée soit supérieure à
la température de la zone de refroidissement, la zone de refroidissement comportant une partie haute et une partie basse superposées l'une sur l'autre et isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique, la partie haute de la zone de refroidissement comportant le deuxième dispositif de chauffage.
[0014] Dans le présent exposé, par cylindrique , on comprend que la paroi du four définissant l'enceinte interne possède une section de forme quelconque qui peut être circulaire, carrée ou hexagonale suivant un plan perpendiculaire à l'axe vertical central du four. Toutefois, la forme du four peut également présenter une section globalement oblongue.
[0015] Le support de moule peut être un plateau pouvant se déplacer verticalement suivant l'axe central du four et étant apte à supporter le moule dans lequel le métal liquide doit être coulé.
[0016] Dans le présent exposé, la zone de coulée désigne la zone de l'enceinte interne du four dans laquelle s'effectue la coulée du métal liquide dans le moule. Le support de moule est alors positionné dans le bas de cette zone de coulée ou entre la zone de coulée et la zone de refroidissement, de sorte que le moule, disposé sur le support de moule, est également disposé dans cette zone.
[0017] Dans le présent exposé, la zone de refroidissement désigne la zone de l'enceinte interne du four positionnée verticalement sous la zone de coulée dans laquelle, lorsque le moule est positionné dans cette zone de refroidissement, le métal liquide présent dans le moule après la coulée se refroidit et se solidifie petit à petit.
[0018] Dans le présent exposé, les termes au-dessus , en-dessous , haut , bas , sous , sont définis par rapport au sens de coulée du métal dans le moule sous l'effet de la force de gravité, c'est-à-dire par rapport à l'orientation normale du moule et du four de refroidissement lors du coulage du métal dans le moule.
[0019] Les zones de coulée et de refroidissement comportent un premier et un deuxième dispositif de chauffage respectivement, de sorte que la température de la zone de coulée soit supérieure à la température de la zone de refroidissement. Le fait que la température de la zone de refroidissement soit inférieure à la température de la zone de coulée permet au métal dans le moule de passer progressivement de l'état liquide à l'état solide.
[0020] Les deux zones sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un premier écran thermique fixe pouvant être disposé dans la paroi du four, et par un deuxième écran thermique porté par le support de moule lorsque celui-ci est disposé dans la zone de coulée, permettant de réguler plus précisément la température de chaque zone, sans qu'elle ne subisse l'influence de la température de la zone voisine.
[0021] La régulation des dispositifs de chauffage, et donc de la température des zones de coulée et de refroidissement permet de maîtriser les températures, la vitesse de refroidissement et donc les gradients de température pendant le refroidissement du métal, et ainsi limiter les contraintes thermomécaniques et les déformations plastiques dans le métal.
[0022] La partie haute de la zone de refroidissement comportant le deuxième dispositif de chauffage permet de maîtriser les gradients de 5 température dans le métal au cours de la solidification dirigée. Le troisième écran thermique peut être disposé dans la paroi du four. La partie haute de la zone de refroidissement est ainsi isolée thermiquement de la zone de coulée par le premier et le deuxième écran thermique, et de la partie basse de la zone de refroidissement par le troisième écran thermique, ce qui permet de réguler plus précisément la température de cette zone, sans qu'elle ne subisse l'influence de la température des zones voisines.
[0023] Dans certains modes de réalisation, la partie haute de la zone de refroidissement est amovible.
[0024] Par amovible , on comprend que la partie haute de la zone de refroidissement peut être désolidarisée du reste du four. Il est ainsi possible d'adapter le deuxième dispositif de chauffage en fonction du type d'alliage utilisé pour la pièce métallique, et donc en fonction des gradients de température devant exister dans cette pièce au cours de la solidification dirigée. Il est notamment possible de remplacer cette partie pour revenir au refroidisseur en cuivre connu, le cas échéant. Cela présente l'avantage d'offrir un large choix possible d'alliages et de géométries pour la pièce métallique, le four étant adaptable en fonction de ces différents types d'alliage, mais également d'offrir une maintenance simple et rapide pour les opérateurs.
[0025] Dans certains modes de réalisation, le deuxième dispositif de chauffage comprend un suscepteur à induction.
[0026] Dans certains modes de réalisation, le deuxième dispositif de chauffage comprend une résistance électrique.
[0027] Dans certains modes de réalisation, l'enceinte interne a un diamètre supérieur ou égal à 20 cm, de préférence supérieur ou égal à
50 cm, de préférence encore supérieur ou égal à 80 cm.
50 cm, de préférence encore supérieur ou égal à 80 cm.
[0028] Cela permet d'améliorer l'efficacité du processus de fabrication des pièces métalliques, en offrant la possibilité d'utiliser des grappes de plus grandes tailles, comportant un plus grand nombre de pièces ou des pièces de formes complexes occupant un volume plus important.
[0029] Dans certains modes de réalisation, la zone de coulée comporte une partie haute et une partie basse isolées thermiquement l'une de l'autre par un quatrième écran thermique, la partie haute comportant un dispositif de chauffage haut et la partie basse comportant un dispositif de chauffage bas.
[0030] Dans certains modes de réalisation, les dispositifs de chauffage haut et bas de la zone de coulée sont configurés pour que la température de la partie haute soit supérieure ou égale à la température de la partie basse.
[0031] Dans certains modes de réalisation, les dispositifs de chauffage haut et bas de la zone de coulée sont configurés pour que la température de la partie basse soit supérieure ou égale à la température de la partie haute.
[0032] Cela permet de maîtriser les températures dans la zone de coulée, et d'adapter les températures des parties haute et basse de la zone de coulée en fonction du type de grappe et du type d'alliage considéré. Cela permet par conséquent de maîtriser les gradients thermiques dans le sens de la solidification dirigée, et de maîtriser le temps de refroidissement.
[0033] Le présent exposé concerne également un procédé de refroidissement par solidification dirigée d'une pièce métallique de fonderie utilisant le four du présent exposé, comprenant des étapes de :
- fixation de la partie haute de la zone de refroidissement sur le four, -ajustement de la zone de coulée à une température de coulée et de la zone de refroidissement à une température de refroidissement, la température de la partie haute de la zone de refroidissement étant supérieure ou égale à 700 C, -refroidissement progressif de la pièce métallique par déplacement du support de moule à l'intérieur du four de la zone de coulée vers la zone de refroidissement.
- fixation de la partie haute de la zone de refroidissement sur le four, -ajustement de la zone de coulée à une température de coulée et de la zone de refroidissement à une température de refroidissement, la température de la partie haute de la zone de refroidissement étant supérieure ou égale à 700 C, -refroidissement progressif de la pièce métallique par déplacement du support de moule à l'intérieur du four de la zone de coulée vers la zone de refroidissement.
[0034] Au cours de la solidification dirigée, lorsque le support de moule se déplace vers le bas dans la direction verticale, le moule, disposé sur le support de grappe, passe progressivement de la zone de coulée à la zone de refroidissement. Ce procédé permet, d'une part, d'adapter la partie haute de la zone de refroidissement en fonction du type de grappe et du type d'alliage considéré et, d'autre part, de régler les températures des différentes zones à des valeurs permettant de refroidir le métal de la pièce métallique par solidification dirigée en maîtrisant les gradients de température au sein de la pièce, et par conséquent de limiter le risque d'apparition de grains recristallisés et donc de défauts ou de points de fragilité de la pièce.
[0035] Dans certains modes de réalisation, la différence de température entre la zone de coulée et le métal liquide est comprise entre 0 C et 50 C, la température de la zone de coulée étant inférieure à la température du métal liquide.
[0036] Le fait de ne pas excéder cette différence de température permet, lorsque le moule est positionné dans la zone de coulée, de conserver le métal à l'état liquide, de sorte que la totalité du métal présent dans le moule reste à l'état liquide pendant toute la phase de coulée. Cela permet d'éviter la présence de défauts métallurgiques qui pourraient .. apparaitre dans le cas d'une solidification non maîtrisée.
[0037] Dans certains modes de réalisation, la température de la partie haute de la zone de refroidissement est supérieure ou égale à 700 C, de préférence supérieure ou égale à 800 C, de préférence encore supérieure ou égale à 900 C.
[0038] Le fait de régler la température de cette zone à ces valeurs permet au métal, au cours de la solidification dirigée, de passer de l'état liquide à l'état solide, tout en limitant les gradients de température au sein de la grappe. Cela permet d'obtenir un refroidissement plus progressif et plus lent, limitant ainsi les risques d'apparition de grains recristallisés, et donc de maîtriser les contraintes et les déformations dans la pièce.
[0039] Dans certains modes de réalisation, au cours du refroidissement de la pièce métallique, la vitesse de refroidissement en un point donné de la pièce métallique est inférieure à - 0,30 C/s, de préférence inférieure ou égale à - 0,25 C/s, et supérieure à - 0,10 C/s, de préférence supérieure ou égale à - 0,15 C/s.
[0040] Les vitesses de refroidissement ont des valeurs négatives. En effet, par exemple, une vitesse de refroidissement de - 0,30 C/s signifie qu'au cours du refroidissement, la température en un point donné de la pièce métallique diminue de 0,30 C toutes les secondes. Par conséquent, par inférieure à - 0,30 C/s , on comprend une vitesse de refroidissement plus lente, de sorte que c'est valeurs doivent être considérée en valeur absolue. Par exemple, - 0,25 C/s est une vitesse de refroidissement inférieure à - 0,30 C/s.
[0041] Ces vitesses de refroidissement permettent de diminuer les gradients de températures dans la pièce métallique en maîtrisant davantage son refroidissement, et donc de limiter le risque d'apparition de grains recristallisés et de défauts de la pièce.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0042]
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue latérale d'un moule carapace comprenant une grappe de fonderie;
- la figure 2 est une vue en section schématique d'un four de refroidissement ;
- la figure 3A est une vue en section schématique du four de la figure 2, le moule de la figure 1 étant disposé dans la zone de coulée, et la figure 3B
est une vue en section schématique du four et du moule pendant la solidification dirigée ;
- la figure 4 est un graphique illustrant l'évolution de la température en un point d'une pièce pour différentes températures de la partie amovible;
- la figure 5 représente les contraintes thermiques dans une pièce métallique en comparant l'utilisation d'un four classique et d'un four selon le présent exposé.
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue latérale d'un moule carapace comprenant une grappe de fonderie;
- la figure 2 est une vue en section schématique d'un four de refroidissement ;
- la figure 3A est une vue en section schématique du four de la figure 2, le moule de la figure 1 étant disposé dans la zone de coulée, et la figure 3B
est une vue en section schématique du four et du moule pendant la solidification dirigée ;
- la figure 4 est un graphique illustrant l'évolution de la température en un point d'une pièce pour différentes températures de la partie amovible;
- la figure 5 représente les contraintes thermiques dans une pièce métallique en comparant l'utilisation d'un four classique et d'un four selon le présent exposé.
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION
[0043] Un exemple de four 20 selon le présent exposé et un procédé
de refroidissement par solidification dirigée d'aubes de fonderie vont maintenant être présentés en relation avec les figures 1 à 5.
de refroidissement par solidification dirigée d'aubes de fonderie vont maintenant être présentés en relation avec les figures 1 à 5.
[0044] La fabrication d'aubes est réalisée par un procédé de fonderie.
Une première étape de ce procédé de fonderie consiste à fabriquer un modèle de l'aube et de regrouper une pluralité de modèles de sorte à
former une grappe permettant la fabrication d'un moule, décrite dans l'étape suivante.
Une première étape de ce procédé de fonderie consiste à fabriquer un modèle de l'aube et de regrouper une pluralité de modèles de sorte à
former une grappe permettant la fabrication d'un moule, décrite dans l'étape suivante.
[0045] Dans une deuxième étape, on fabrique un moule carapace 1 à
partir de la grappe en cire.
partir de la grappe en cire.
[0046] La dernière opération de la deuxième étape consiste à éliminer la cire du modèle de grappe du moule carapace 1. Cette élimination de la cire est réalisée en portant le moule carapace 1 à une température supérieure à la température de fusion de la cire.
[0047] Dans une troisième étape, on forme la grappe 10 d'aubes 12 (Fig. 1) dans le moule carapace 1 en coulant du métal en fusion dans le moule carapace 1. Le coulage du métal dans le moule carapace 1 s'effectue par la partie supérieur du moule, appelée godet de coulée 14.
Au cours de cette étape, le moule carapace 1 se trouve dans une zone de coulée A du four de refroidissement 20.
Au cours de cette étape, le moule carapace 1 se trouve dans une zone de coulée A du four de refroidissement 20.
[0048] Dans une quatrième étape, le métal présent dans le moule carapace est refroidit et solidifié dans une zone de refroidissement B du four de refroidissement 20.
[0049] Enfin, dans une cinquième étape, après que la grappe 10 ait été libérée du moule carapace 1 par un procédé de décochage, chacune des aubes 12 est séparée du reste de la grappe 10 et finie par des procédés de parachèvement, par exemple des procédés d'usinage.
[0050]
L'invention concerne notamment le four de refroidissement 20 et le procédé de solidification mis en oeuvre lors de la quatrième étape indiquée ci-dessus.
L'invention concerne notamment le four de refroidissement 20 et le procédé de solidification mis en oeuvre lors de la quatrième étape indiquée ci-dessus.
[0051] Ce procédé de solidification, appelé 'solidification dirigée' est mis en oeuvre au moyen du four 20 (Fig.2).
[0052] Le four 20 comprend une paroi cylindrique 22 d'axe central vertical X, et une paroi supérieure 24 disposée sur l'extrémité supérieure de la paroi cylindrique 22, perpendiculairement à l'axe X, de sorte que les parois cylindrique 22 et supérieure 24 forment une enceinte interne 26 du four. La paroi supérieure comporte un orifice 240, positionné sensiblement au centre de la paroi 24.
[0053] Le four se compose d'une zone de coulée A et d'une zone de refroidissement B, superposées l'une sur l'autre, de sorte que la zone de coulée A est disposée au-dessus de la zone de refroidissement B. Les zones de coulée A et de refroidissement B sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un premier écran thermique 31, pouvant être un matériau thermiquement non conducteur inséré dans la paroi 22. Par exemple, le premier écran thermique 31 peut être composé de papier graphite compressé, ou d'un sandwich comportant une couche de feutre compressée entre deux couches de graphite possédant une émissivité
comprise entre 0,4 et 0,8 en fonction de la température (commercialisé
par exemple sous la dénomination de PAPEYX).
comprise entre 0,4 et 0,8 en fonction de la température (commercialisé
par exemple sous la dénomination de PAPEYX).
[0054] Le four 20 comporte en outre un support de moule 28 horizontal, disposé au sein de l'enceinte interne 26, et fixé sur un vérin 29 permettant de déplacer le support 28 verticalement vers le haut ou vers le bas. Le support de moule 28 comporte un deuxième écran thermique 32, de sorte que lorsque le moule 1 est positionné sur le support de moule 28, le moule 1 est isolé thermiquement du reste de l'enceinte interne 26 qui 10 se situe sous le deuxième écran thermique 32. Ainsi, lorsque le moule 1 se trouve dans la zone de coulée A, il est isolé thermiquement de la zone de refroidissement B par le premier écran thermique 31 et le deuxième écran thermique 32.
[0055] Par ailleurs, la zone de refroidissement B comprend elle-même une partie haute B' et une partie basse B", les parties haute B' et basse B"
étant superposées l'une sur l'autre de sorte que la partie haute B' est disposée au-dessus de la partie basse B". Les parties haute et basse B' et B" sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique 33. La partie haute B' comporte également un dispositif de chauffage 60 comportant un suscepteur 62 et une bobine de chauffage 64. La partie basse B", constituant la partie inférieure du four 20, est reliée à un bâti 70.
étant superposées l'une sur l'autre de sorte que la partie haute B' est disposée au-dessus de la partie basse B". Les parties haute et basse B' et B" sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique 33. La partie haute B' comporte également un dispositif de chauffage 60 comportant un suscepteur 62 et une bobine de chauffage 64. La partie basse B", constituant la partie inférieure du four 20, est reliée à un bâti 70.
[0056] La partie haute B' de la zone de refroidissement B est amovible.
Le dispositif de chauffage 60 peut ainsi être adapté en fonction des pièces devant être refroidies, leurs dimensions, leurs alliages. Cela permet également de simplifier et de faciliter les opérations de maintenance pour les opérateurs.
Le dispositif de chauffage 60 peut ainsi être adapté en fonction des pièces devant être refroidies, leurs dimensions, leurs alliages. Cela permet également de simplifier et de faciliter les opérations de maintenance pour les opérateurs.
[0057] La zone de coulée A comprend également une partie haute A' et d'une partie basse A", les parties haute A' et basse A" étant superposées l'une sur l'autre de sorte que la partie haute A' est disposée au-dessus de la partie basse A". Les parties haute et basse A' et A" sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un quatrième écran thermique 34. La partie haute A' comporte un dispositif de chauffage 40 comportant un suscepteur 42 et une bobine de chauffage 44. Le suscepteur 42 peut être un tube de graphite disposé dans l'enceinte interne 26 de sorte à être plaqué contre la paroi 22 du four 20. La bobine de chauffage 44 peut être une bobine en cuivre entourant la paroi externe 22, permettant de créer un champ magnétique ayant pour effet de chauffer le suscepteur 42. Ce dernier chauffe ainsi également l'enceinte interne 26 par radiation. Par ailleurs, l'enceinte interne 26 est mise sous vide, de sorte à préserver le suscepteur en graphite de toute oxydation. De manière alternative, l'enceinte interne 26 peut également être mise sous vide partiel avec une présence de gaz neutre, par exemple de l'argon.
[0058] La partie basse A" comporte également un dispositif de chauffage 50 comportant un suscepteur 52 et une bobine de chauffage 54, le dispositif de chauffage 50 de la partie basse A" étant distinct du dispositif de chauffage 40 de la partie haute A', de sorte à pourvoir chauffer les parties indépendamment l'une de l'autre, et ainsi maîtriser les gradients de température dans l'enceinte interne 29 au niveau de la zone de coulée A.
[0059] Dans l'exemple présent, le diamètre interne de la paroi cylindrique est compris entre 200 et 1000 mm. La zone de coulée s'étend verticalement sur une hauteur de 1 m. Ces dimensions permettent de travailler avec des grappes de grande taille, comportant un plus grand nombre d'aubes dont la hauteur peut être comprise entre 200 et 300 mm.
La partie haute amovible B' s'étend verticalement sur une hauteur comprise entre 150 et 300 mm.
La partie haute amovible B' s'étend verticalement sur une hauteur comprise entre 150 et 300 mm.
[0060] Un procédé de refroidissement par solidification dirigée d'aubes métallique de fonderie utilisant le four décrit ci-dessus va maintenant être décrit.
[0061] Tout d'abord, la partie haute B' de la zone de refroidissement est fixée au four 20.
[0062]
Préalablement, une étape de coulée, illustrée sur la figure 3A, consiste à disposer le moule 1 dans la zone de coulée A en le positionnant sur le support 28, lui-même situé dans la zone de coulée A. Le moule 1 est positionné de sorte que le godet de coulée 14 soit en face de l'orifice 240 de la paroi supérieure 24 du four 20. Du métal à l'état liquide à une température comprise entre 1480 et 1600 C, contenu dans un creuset 80, est alors versé dans le godet 14 via l'orifice 240, jusqu'au remplissage presque complet du moule 1, le godet de coulée 14 n'étant que partiellement rempli.
Préalablement, une étape de coulée, illustrée sur la figure 3A, consiste à disposer le moule 1 dans la zone de coulée A en le positionnant sur le support 28, lui-même situé dans la zone de coulée A. Le moule 1 est positionné de sorte que le godet de coulée 14 soit en face de l'orifice 240 de la paroi supérieure 24 du four 20. Du métal à l'état liquide à une température comprise entre 1480 et 1600 C, contenu dans un creuset 80, est alors versé dans le godet 14 via l'orifice 240, jusqu'au remplissage presque complet du moule 1, le godet de coulée 14 n'étant que partiellement rempli.
[0063]
Parallèlement à cette étape de coulée, les dispositifs de chauffage 40 et 50 sont réglés de manière à chauffer le moule 1 par radiation thermique, de sorte à maintenir celui-ci à une température comprise entre 1480 C et 1600 C. La température de la zone de coulée est donc inférieure ou égale à la température du métal liquide, la différence étant comprise entre 0 et 50 C. Ainsi, la température du métal liquide coulé dans le moule 1 reste supérieure à la température de fusion du métal, de sorte à éviter une solidification non souhaitée du métal dans le moule 1 pendant toute l'étape de coulée. Le moule 1 est par ailleurs isolé thermiquement de la zone de refroidissement B par les premier et deuxième écrans thermiques 31 et 32.
Parallèlement à cette étape de coulée, les dispositifs de chauffage 40 et 50 sont réglés de manière à chauffer le moule 1 par radiation thermique, de sorte à maintenir celui-ci à une température comprise entre 1480 C et 1600 C. La température de la zone de coulée est donc inférieure ou égale à la température du métal liquide, la différence étant comprise entre 0 et 50 C. Ainsi, la température du métal liquide coulé dans le moule 1 reste supérieure à la température de fusion du métal, de sorte à éviter une solidification non souhaitée du métal dans le moule 1 pendant toute l'étape de coulée. Le moule 1 est par ailleurs isolé thermiquement de la zone de refroidissement B par les premier et deuxième écrans thermiques 31 et 32.
[0064] Lorsque l'étape de coulée est terminée, c'est-à-dire lorsque le moule 1 est entièrement rempli de métal liquide, à l'exception de la couche de métal déjà solidifiée et qui est en contact avec le fond du moule, et après une phase d'attente avant la descente du support, la phase de solidification commence.
[0065] Le support 28 est alors déplacé vers le bas par le vérin 29, de sorte que le moule passe peu à peu de la zone de coulée A à la zone de refroidissement B' (figure 3B). La température de cette zone est ensuite réglée à une température de 700 C ou supérieure à 700 C, tout en étant inférieure à la température de fusion du métal de sorte à entraîner la solidification de celui-ci, la zone de coulée A étant toujours maintenue à
une température de 1500 C à 1530 C. La partie basse du moule 1 étant la première à pénétrer dans la zone de refroidissement, le métal liquide commence donc à se solidifier dans cette partie basse du moule. Il se créé
ainsi un front de solidification, représenté symboliquement par une ligne 12a sur la figure 3B, correspondant à l'interface entre les phases liquide et solide du métal. Ce front de solidification 12a se déplace vers le haut dans le référentiel du moule 1, à mesure que ce dernier pénètre dans la zone de refroidissement B, selon le principe de la solidification dirigée. Ainsi, lorsque le support 28 continue sa descente, le moule 1 se trouve finalement, sur toute sa hauteur, dans la partie inférieure B" de la zone de refroidissement, de sorte que la totalité du métal présent dans le moule 1 est à l'état solide. La phase de solidification est alors terminée. La durée totale du procédé de refroidissement est par exemple comprise entre 3600 et 7600 secondes, le support 28 se déplaçant à une vitesse comprise entre 1 et 10mm/s.
une température de 1500 C à 1530 C. La partie basse du moule 1 étant la première à pénétrer dans la zone de refroidissement, le métal liquide commence donc à se solidifier dans cette partie basse du moule. Il se créé
ainsi un front de solidification, représenté symboliquement par une ligne 12a sur la figure 3B, correspondant à l'interface entre les phases liquide et solide du métal. Ce front de solidification 12a se déplace vers le haut dans le référentiel du moule 1, à mesure que ce dernier pénètre dans la zone de refroidissement B, selon le principe de la solidification dirigée. Ainsi, lorsque le support 28 continue sa descente, le moule 1 se trouve finalement, sur toute sa hauteur, dans la partie inférieure B" de la zone de refroidissement, de sorte que la totalité du métal présent dans le moule 1 est à l'état solide. La phase de solidification est alors terminée. La durée totale du procédé de refroidissement est par exemple comprise entre 3600 et 7600 secondes, le support 28 se déplaçant à une vitesse comprise entre 1 et 10mm/s.
[0066] Les aubes 12 obtenues sont des aubes creuses ou pleines et monocristallines, comportant des alliages à base de nickel. On entend par alliage à base de nickel, des alliages dont la teneur massique en nickel est majoritaire. On comprend que le nickel est donc l'élément dont la teneur massique dans l'alliage est la plus élevée. Ces aubes creuses ou pleines, plus fragiles, peuvent présenter des défauts si les gradients de températures ne sont pas maîtrisés au cours du refroidissement et de la solidification. Le four et le procédé décrit ci-dessus, notamment la partie amovible B' permet de limiter voire supprimer ces risques en réglant la température de cette partie à une température suffisamment élevée (supérieure ou égale à 700 C), de sorte à minimiser les gradients thermiques existant dans les aubes 12 dans le sens de la solidification dirigée, c'est-à-dire lorsque le moule 1 se situe à la fois dans la zone de coulée A et dans la zone de refroidissement B.
[0067] La figure 4 illustre l'évolution de la température en un point du bord d'attaque d'une aube 12, pour différentes températures de la partie amovible B', au cours de la phase de solidification (S) et de la phase de refroidissement (R). La courbe en pointillés représente le cas de référence utilisant un refroidisseur en cuivre permettant de maintenir une zone de refroidissement à une température de 300 C environ, la courbe en trait fin continu représente un cas utilisant le four lorsque la partie amovible B' chauffe à 700 C, et la courbe en trait gras continu représente un cas où la partie amovible B' chauffe à 1000 C. Les autres courbes représentent des cas intermédiaires.
[0068] Alors que les différences entre chaque configuration sont peu marquées pendant la phase de solidification, l'influence de la partie amovible est particulièrement visible au cours de la phase de refroidissement à partir de 700 C. Pour cette température, la vitesse de refroidissement, correspondant à la pente de la courbe, est de ¨ 0,23 C/s, de sorte que la température en ce point est plus élevée de 57 C que dans le cas de référence. Pour une température de la partie amovible de 1000 C, la vitesse de refroidissement est de ¨ 0,18 C/s, de sorte que la température en ce point est plus élevée de 165 C que dans le cas de référence. Ces vitesses de refroidissement plus faibles engendrent des gradients de température plus faibles, et donc des contraintes également plus faibles dans la pièce métallique au cours du refroidissement.
[0069] Par ailleurs, la figure 5 illustre les contraintes thermiques dans le métal d'une aube en comparant l'utilisation d'un four classique (aubes (b) à droite sur la figure 5) et d'un four selon le présent exposé (aubes (a) à gauche sur la figure 5). Les aubes du dessus et du dessous représentent respectivement les deux faces principales d'une même aube. Sur la figure 5, pour les aubes (b) correspondant au four classique, les zones 90 indiquent les zones de l'aube où les contraintes sont les plus importantes.
Pour les aubes (a) correspondant au four selon le présent exposé, les zones 92 indiquent les zones de l'aube où les contraintes sont les plus importantes. On constate ainsi que les zones 92 s'étendent sur une surface plus faible de l'aube que les zones 90, de sorte que les contraintes sont plus faibles dans les aubes refroidies par le four 20 du présent exposé, que par un four classique. Plus précisément, les contraintes dans le métal peuvent être réduites d'environ 24%, grâce au four 20 et au procédé du présent exposé.
Pour les aubes (a) correspondant au four selon le présent exposé, les zones 92 indiquent les zones de l'aube où les contraintes sont les plus importantes. On constate ainsi que les zones 92 s'étendent sur une surface plus faible de l'aube que les zones 90, de sorte que les contraintes sont plus faibles dans les aubes refroidies par le four 20 du présent exposé, que par un four classique. Plus précisément, les contraintes dans le métal peuvent être réduites d'environ 24%, grâce au four 20 et au procédé du présent exposé.
[0070] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à
des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Par exemple, la zone de refroidissement peut comprendre deux dispositifs de chauffage superposés l'un sur l'autre.
des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Par exemple, la zone de refroidissement peut comprendre deux dispositifs de chauffage superposés l'un sur l'autre.
[0071] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposable, seules ou en combinaison, à
un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à
un procédé.
un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à
un procédé.
Claims (10)
1. Four de refroidissement (20) par solidification dirigée pour pièce métallique de fonderie, comprenant :
- une enceinte interne (26) cylindrique d'axe central vertical (X), - un support de moule (28) disposé dans l'enceinte interne (26), l'enceinte interne (26) comportant :
- une zone de coulée (A), - une zone de refroidissement (B), la zone de coulée (A) et la zone de refroidissement (B) étant superposées l'une sur l'autre, les zones de coulée et de refroidissement étant isolées thermiquement l'une de l'autre, lorsque le support de moule est disposé dans la zone de coulée (A), par un premier écran thermique (31) fixe et un deuxième écran thermique (32) porté par le support de moule (28), la zone de coulée (A) comportant au moins un premier dispositif de chauffage et la zone de refroidissement (B) comportant un deuxième dispositif de chauffage (60), les premier et deuxième dispositifs de chauffage étant configurés pour que la température de la zone de coulée (A) soit supérieure à la température de la zone de refroidissement (B), la zone de refroidissement (B) comportant une partie haute (B') et une partie basse (B") superposées l'une sur l'autre et isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique (33), la partie haute (3') de la zone de refroidissement (B) comportant le deuxième dispositif de chauffage (60).
- une enceinte interne (26) cylindrique d'axe central vertical (X), - un support de moule (28) disposé dans l'enceinte interne (26), l'enceinte interne (26) comportant :
- une zone de coulée (A), - une zone de refroidissement (B), la zone de coulée (A) et la zone de refroidissement (B) étant superposées l'une sur l'autre, les zones de coulée et de refroidissement étant isolées thermiquement l'une de l'autre, lorsque le support de moule est disposé dans la zone de coulée (A), par un premier écran thermique (31) fixe et un deuxième écran thermique (32) porté par le support de moule (28), la zone de coulée (A) comportant au moins un premier dispositif de chauffage et la zone de refroidissement (B) comportant un deuxième dispositif de chauffage (60), les premier et deuxième dispositifs de chauffage étant configurés pour que la température de la zone de coulée (A) soit supérieure à la température de la zone de refroidissement (B), la zone de refroidissement (B) comportant une partie haute (B') et une partie basse (B") superposées l'une sur l'autre et isolées thermiquement l'une de l'autre par un troisième écran thermique (33), la partie haute (3') de la zone de refroidissement (B) comportant le deuxième dispositif de chauffage (60).
2. Four (20) selon la revendication 1, dans lequel la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) est amovible.
3. Four (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième dispositif de chauffage (60) comprend un suscepteur à induction (62).
4. Four (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième dispositif de chauffage (60) comprend une résistance électrique.
5. Four (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'enceinte interne (26) a un diamètre supérieur ou égal à
20 cm, de préférence supérieur ou égal à 50 cm, de préférence encore supérieur ou égal à 80 cm.
20 cm, de préférence supérieur ou égal à 50 cm, de préférence encore supérieur ou égal à 80 cm.
6. Four (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la zone de coulée (A) comporte une partie haute (A') et une partie basse (A") isolées thermiquement l'une de l'autre par un quatrième écran thermique (34), la partie haute (A') comportant un dispositif de chauffage haut (40) et la partie basse (A") comportant un dispositif de chauffage bas (50).
7. Procédé de refroidissement par solidification dirigée d'une pièce métallique de fonderie utilisant le four (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant des étapes de :
- fixation de la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) sur le four (20), - ajustement de la zone de coulée (A) à une température de coulée et de la zone de refroidissement (B) à une température de refroidissement, la température de la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) étant supérieure ou égale à 700°C, - refroidissement progressif de la pièce métallique par déplacement du support de moule (28) à l'intérieur du four (20) de la zone de coulée (A) vers la zone de refroidissement (B).
- fixation de la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) sur le four (20), - ajustement de la zone de coulée (A) à une température de coulée et de la zone de refroidissement (B) à une température de refroidissement, la température de la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) étant supérieure ou égale à 700°C, - refroidissement progressif de la pièce métallique par déplacement du support de moule (28) à l'intérieur du four (20) de la zone de coulée (A) vers la zone de refroidissement (B).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la différence de température entre la zone de coulée (A) et le métal liquide est comprise entre 0°C et 50°C, la température de la zone de coulée (A) étant inférieure à la température du métal liquide.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la température de la partie haute (B') de la zone de refroidissement (B) est supérieure ou égale à 700°C, de préférence supérieure ou égale à
800°C, de préférence encore supérieure ou égale à 900°C.
800°C, de préférence encore supérieure ou égale à 900°C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel, au cours du refroidissement de la pièce métallique, la vitesse de refroidissement en un point donné de la pièce métallique est inférieure à - 0,30°C/s, de préférence inférieure ou égale à -0,25°C/s, et supérieure à ¨ 0,10°C/s, de préférence supérieure ou égale à ¨ 0,15°C/s.
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