CH618361A5

CH618361A5 -

Info

Publication number: CH618361A5
Application number: CH1640876A
Authority: CH
Inventors: John Jacob Miller Jr; Donald Lewis Eppink; Ted Albert Loxley
Original assignee: Sherwood Refractories
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1980-07-31
Also published as: IL51173A; CA1070076A; SE438968B; FR2336998A1; DE2659168A1; JPS6045973B2; GB1548759A; SE7614616L; BE849958A; IL51173A0; IT1070052B; DE2659168C2; US4093017A; JPS5296927A; FR2336998B1

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau réfractaire poreux, utilisable dans un procédé de coulée à solidification directionnelle, à haute température, de superalliages.

Des pales de turbine et d'autres éléments métalliques de précision sont en alliages métalliques spéciaux et sont fabriqués par un procédé de coulée à solidification directionnelle, désigné habituellement par procédé SD; dans ce procédé, les éléments sont coulés à partir d'alliages classiques à base de nickel et de cobalt, par exemple B 1900, Mar-M-200, Mar-M-509, TRW 6A et analogues. Pour fabriquer des pièces présentant des cavités internes complexes, on utilise, lors de la coulée, pour former la cavité, des noyaux céramiques préformés. Ces noyaux sont poreux et consistent de préférence surtout en silice; on peut donc les éliminer facilement par dissolution sans endommager la pièce coulée.

Les noyaux sont mis en forme prédéterminée, en forme et en dimensions, par moulage d'une composition réfractaire pour noyaux, et les noyaux bruts (verts) sont alors traités à 1000-1300° C pour éliminer les composants combustibles et pour former un produit poreux à forte résistance mécanique.

La première étape de fabrication d'une pale creuse de turbine, ou d'un élément de ce type, par un procédé classique de coulée par placement, consiste à placer le noyau céramique préformé dans la cavité et à injecter de la cire ou un autre matériau élimi-nable, autour du noyau. Les composants de coulée, comprenant les gâtes, les downpoles, et analogues, sont également injectés, et sont assemblés en groupes.

L'assemblage à la cire est alors plongé dans un bain céramique; on saupoudre par une matière réfractaire, et l'on sèche. On répète ces opérations plusieurs fois, jusqu'à ce qu'il se forme une coquille d'épaisseur suffisante, par exemple 0,63 cm. Ce procédé est bien connu, et est décrit en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2932864.

Après que le nombre souhaité de couches a été formé sur le moule à coquilles et après séchage prolongé du moule, la cire est éliminée par chauffage. On utilise habituellement un traitement en autoclave et une élimination de la cire par chauffage éclair. Après cette opération et un nettoyage, le moule peut être utilisé pour la coulée.

Dans les techniques classiques de coulée, les moules et, par conséquent, les noyaux sont préchauffés au moins à 800° C, et le métal fondu est versé dans les moules à haute température. Dans le procédé SD, les moules sont préchauffés entre 1400 et 1600° C, et le métal est coulé à haute température, de l'ordre de 1500 à 1650°C.

Pour qu'un noyau réfractaire se comporte favorablement lors d'un procédé de coulée par placement, on doit optimiser ses propriétés. La composition du noyau doit être compatible avec un moulage économique et doit être soigneusement établie pour que le noyau soit poreux, tout en pouvant être éliminé sans endommager la pièce métallique coulée, c'est-à-dire que le noyau doit présenter une résistance suffisante pour supporter les contraintes apparaissant durant l'injection de cire, et le noyau doit également présenter une résistance convenable aux hautes températures pour résister aux contraintes résultant d'un écoulement non uniforme du métal; le noyau doit donc présenter une bonne stabilité dimen-sionnelle durant le préchauffage et la coulée du métal, et doit être chimiquement inerte vis-à-vis des superalliages fondus.

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Des compositions pour noyaux ont été proposées dans la technique antérieure, et ces compositions conviennent pour les procédés classiques de coulée. Cependant, ces compositions ne donnent pas entièrement satisfaction pour la fabrication de noyaux pour coulée à solidification directionnelle, visant à fabriquer des pales de turbine, des aubes de compresseurs, et autres éléments métalliques de précision.

Au cours du procédé SD, le moule à coquilles et le noyau correspondant peuvent être préchauffés à une température comprise entre 1350 et 1500°C, ou plus, et l'on verse un superalliage fondu dans le moule, entre 1450 et 1600° C. Le métal fondu entre en contact avec une plaque de refroidissement, refroidie, qui supporte le moule et le noyau, et le métal coulé se solidifie progressivement, sa température s'abaissant graduellement jusqu'à moins de 1100°C; ce résultat est atteint par réglage de la chaleur et par abaissement progressif de la plaque de refroidissement qui s'éloigne ainsi de la zone supérieure de chauffage du four.

Un cycle typique nécessite souvent lA h ou plus, ce qui fait que le noyau peut être soumis à une température dépassant 1450°C durant une période prolongée. Ceci peut provoquer un fléchissement sérieux ou une déformation, si l'on utilise un noyau classique en silice poreuse, ce qui fait que les tolérances nécessairement étroites ne peuvent pas être respectées.

Les noyaux réfractaires de la technique antérieure présentent une médiocre stabilité thermique à haute température, par exemple 1550°C ou plus, et ne conviennent donc pas pour le procédé SD que l'on doit effectuer à la température optimale ou en choisissant des gradients convenables de température.

Au cours d'un procédé SD typique, le noyau réfractaire éliminable poreux et le moule à coquilles qui l'entoure sont préchauffés à une température comprise entre 1350 et 1500° C durant 10 mn -1 h, avant que le superalliage fondu ne soit versé dans le moule; cela conduit nécessairement à un certain retrait, tandis qu'une partie de la silice fondue est convertie en cristobalite.

La quantité d'impuretés dans les noyaux de silice était limitée pour éviter une contamination du métal durant la coulée et pour éviter une dimension de la stabilité thermique. De petites quantités d'impuretés telles que le sodium peuvent, par exemple, provoquer la formation de verres à bas point de fusion, avec réduction très importante de la résistance du noyau au fléchissement sous contrainte thermique. On sait, par exemple, que quelques pour-cent d'une impureté dans un noyau contenant 95% ou plus de silice fondue pratiquement pure peuvent abaisser la température de déformation plastique commençante de plus de 50° C.

Habituellement, la silice fondue contient du sodium et d'autres impuretés normales qui favorisent la dévitrification, mais les quantités sont faibles et les impuretés sont réparties dans la masse, ce qui fait que leur effet est réduit. La dévitrification d'un noyau classique à forte teneur en silice apparaît si lentement que la quantité de cristobalite est limitée, et que le noyau fléchit et se déforme lorsqu'on l'utilise lors d'un procédé SD pour coulée de superalliages. Pour cette raison, les noyaux de silice de la technique antérieure, contenant de forts pourcentages de silice, ne présentent pas la stabilité thermique exigée pour la mise en œuvre du procédé SD, et ne résolvent pas le problème du fléchissement (ou affaissement).

On n'obtient pas de solution satisfaisante à ce problème par mélange de particules de silice et d'autres matières réfractaires comme l'alumine, car cela ne conduit pas à un noyau présentant les caractéristiques réfractaires optimales exigées dans les procédés modernes de coulée avec solidification directionnelle. L'incorporation de matières réfractaires supplémentaires de ce type peut limiter la température maximale de mise en œuvre, ce qui fait que le procédé SD ne peut plus être mis en œuvre aux températures souhaitables de 1550 à 1600°C.

La présente invention vise une amélioration déterminante dans le domaine de la coulée avec solidification directionnelle; l'invention propose en effet la fabrication d'un noyau éliminable poreux résistant au fléchissement et présentant une excellente stabilité dimensionnelle, même s'il est maintenu durant des heures à des températures dépassant 1550°C, ce qui assure une excellente précision.

Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que;

a) l'on moule un mélange comprenant un liant, des particules finement divisées d'un minéralisateur et des particules finement divisées de silice vitreuse, cette dernière ayant une pureté d'au moins 99,5% et étant présente dans le mélange en proportion d'au moins 80%, rapporté au poids des particules réfractaires, afin de former un noyau cru;

b) l'on cuit le noyau cru à une température d'au moins 1000° C pour provoquer une dévitrification partielle de la silice et former un noyau cuit poreux, et c) l'on refroidit le noyau cuit jusqu'à une température inférieure à 200° C pour former un noyau cuit refroidi, ayant une température d'utilisation ultime d'au moins 1600°C, la cuisson étant réglée et les proportions de silice et de minéralisateur dans le mélange étant choisies telles que le noyau cuit ne contienne pas moins de 0,03% en poids d'ions métalliques dévitrifiants et au moins 90% en poids de silice, telles que le noyau refroidi conserve un module de rupture d'au moins 50 kg/cm2 et telles que, si le noyau cuit refroidi était subséquemment chauffé pendant 30 mn à 1400° C, au moins 75% en poids de la silice présente dans le noyau chauffé serait sous la forme de cristobalite.

L'expression température d'utilisation ultime est utilisée ici pour désigner la plus haute température à laquelle une barre d'essai étalon mesurant 3,18 x 19,05 * 152,5 mm peut supporter son propre poids sans déformation lorsqu'elle repose verticalement sur son extrémité. On trouve cette température en faisant tenir la barre sur son extrémité et en élevant progressivement la température jusqu'à ce que la barre commence à fléchir.

Le terme minéralisateur est bien connu dans l'art de la céramique et désigne les composés contenant des ions dévitrifiants (c'est-à-dire des ions qui provoquent la transformation de la silice vitreuse en silice cristalline à une vitesse notable), tels que les ions de métaux alcalins (par exemple de sodium ou de lithium) et/ou des ions de métaux alcalino-terreux, mais à l'exclusion de l'aluminium ou des métaux moins efficaces que l'aluminium pour provoquer la conversion en l'état cristallin.

Le pourcentage d'ions dévitrifiants susmentionnés, et toutes les indications ci-après de pourcentages d'ions et d'impuretés métalliques, se rapportent au poids de l'ion ou du métal et non pas au poids de l'oxyde de métal.

Les noyaux réfractaires poreux obtenus par le procédé selon l'invention peuvent être utilisés dans le procédé SD aux températures de 1550 à 1650°C, ou même plus haut, ce qui permet de produire des moulages creux de qualité et de précision dimensionnelle améliorées.

Dans le procédé selon l'invention, le minéralisateur fournit des ions dévitrifiants qui provoquent la formation de cristobalite, de telle manière que la stabilité thermique du noyau ne soit pas affectée notablement par la cristobalite formée.

De préférence, le minéralisateur produit, comme ions dévitrifiants, des ions de métaux alcalins, notamment de potassium, de sodium ou de lithium, ou des ions de métaux alcalino-terreux, tels que de baryum, de calcium ou de magnésium. Les ions de sodium sont préférés en raison de leur plus grande vitesse de diffusion. Le minéralisateur peut être un sel, un oxyde, un silicate, un nitrate, un borate ou un autre composé d'un métal alcalin ou d'un métal alcalino-terreux, par exemple l'acétate de sodium, le chlorure de sodium, le carbonate de sodium, le silicate de sodium, le silicate de lithium, le silicate de potassium, le silicate de magnésium, le borax ou le bicarbonate de sodium, ou un mélange de deux ou plusieurs de ceux-ci, mais il peut également être un autre réfractaire (comme, par exemple, la silice, le zircon, la zircone ou l'alumine), lequel réfractaire contient une petite proportion d'ions

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dévitrifiants. Lorsque le minéralisateur est un silicate de métal alcalin, il peut être produit de toute manière appropriée et peut avoir un rapport moléculaire SÌO2 : M2O (dans lequel M est un métal alcalin) de 1,2 à 4:1, par exemple comme divulgué dans le brevet US N° 3918921.

De préférence, le minéralisateur est relativement pur, sauf qu'il contient des ions dévitrifiants. Une proportion préférée d'ions dévitrifiants est d'au moins 0,1%, ou encore mieux d'au moins 0,2%, rapporté au poids du minéralisateur. Le pourcentage en poids des ions dévitrifiants dans les particules de minéralisateur est de préférence plusieurs fois (par exemple d'au moins quatre fois) le pourcentage de tels ions dans les particules de silice vitreuse ayant une pureté d'au moins 99,5%, par exemple de jusqu'à 1%, rapporté au poids du minéralisateur.

De préférence, les particules contiennent au moins 1% en poids, ou encore mieux au moins 2% en poids, de particules du minéralisateur, dont la taille ne dépasse de préférence pas 100 n, ou encore mieux, ne dépasse pas 50 ji. Par exemple, d'excellents résultats peuvent être obtenus lorsque les particules comprennent de 80 à 98% en poids de silice vitreuse à 99,5% et de 2 à 20% en poids de particules de minéralisateur réfractaire contenant au moins 0,2% en poids d'ions dévitrifiants.

Les particules utilisées dans le noyau peuvent avoir une taille dans le domaine usuel pour les compositions à noyau. Pour une densité optimale, les plus grosses particules de silice vitreuse sont de préférence de 200 mailles Tyler ou d'environ 75 jx, mais un faible pourcentage peut être de 150 jx, ou plus grandes. La taille des particules dépend, dans une certaine mesure, du type de liant et de la méthode de moulage employée. Si le noyau doit être confectionné par coulée d'une barbotine, les plus grosses particules devraient avoir moins de 50 |i et de préférence moins de 25 |i, et une majorité des particules devrait ne pas être plus grosse que 44 |i, soit 325 mailles Tyler. Si le noyau doit être moulé par injection, la majeure partie du poids des particules de la composition pour noyau a de préférence une taille de 35 à 100 jj., et une partie mineure a une taille plus petite.

D'excellents résultats peuvent être obtenus si les particules comprennent au moins 40, et de préférence de 50 à 85% en poids, de particules ayant une taille de 35 à 100 (i, et 15 à 50% ou plus de particules ayant une taille non supérieure à 30 ou 40 p..

La moitié de ces dernières particules pourrait, par exemple,

être des particules du minéralisateur tel que décrit plus haut. La taille des particules du minéralisateur est de préférence non supérieure à 40 n (ou encore mieux non supérieure à 30 (x) et la taille moyenne des particules peut être de 1 à 20 n, par exemple.

Un minéralisateur préféré comprend des particules traitées de silice fondue ou d'un autre réfractaire approprié, présentant une faible taille des particules et contenant des ions dévitrifiants concentrés près des surfaces des particules. Le minéralisateur est de préférence de la silice colloïdale ou une matière productrice de silice contenant les ions dévitrifiants, de telle sorte que le noyau cuit final contienne un très haut pourcentage de silice.

Les particules de minéralisateur préférées sont en silice fondue ou autres particules de réfractaire appropriées, traitées avec un composé de métal alcalin ou de métal alcalino-terreux, de façon à procurer des ions dévitrifiants producteurs de cristobalite, concentrés près des surfaces extérieures des particules. Par exemple, de tels ions peuvent être concentrés dans les particules traitées au point qu'une majorité des ions métalliques dévitrifiants dans une particule moyenne soit localisée dans le tiers extérieur de la particule ou près de la surface extérieure de la particule.

Les silices colloïdales commerciales stabilisées au sodium, vendues sous les marques de fabrique Ludox, Syton ou Nalcoag sont d'excellents minéralisateurs.

Ces silices colloïdales du commerce ont une taille moyenne des particules de moins de 1 |x et une teneur en solides de 30 à 40% en poids, environ, et contiennent une quantité prédéterminée de sodium qui est étroitement contrôlée par le fabricant. Ces silices colloïdales peuvent être utilisées sous forme fluide, mais sont de préférence séchées pour évaporer l'eau, qui est le véhicule normal, ce qui procure une source de sodium de concentration connue. La silice colloïdale stabilisée au sodium séchée peut être mélangée à sec avec les particules de silice fondue de la composition pour noyau, afin d'assurer une distribution complète, même si un véhicule liquide est ajouté par la suite au mélange avant de former le noyau.

La proportion de minéralisateur employée dans le mélange à mouler dépend du type de minéralisateur et de la proportion d'ions dévitrifiants perdue par évaporation pendant la cuisson du noyau. Si le minéralisateur est un silicate de sodium contenant, par exemple, 20 ou 30% en poids de sodium, sa proportion peut n'être que de 0,5 à 2% en poids. Si le minéralisateur comprend des particules de réfractaire activatrices, telle que de la silice colloïdale stabilisée au sodium, séchée, une plus forte proportion est préférée. En général, le minéralisateur constitue de 1 à 20% du poids du noyau.

Comme mentionné plus haut, le noyau cuit contient au moins 0,03% d'ions dévitrifiants. Lorsque des minéralisateurs plus volatils sont utilisés (tels que des sels de sodium), des quantités substantielles du minéralisateur peuvent être nécessaires dans le mélange à mouler. De préférence, le noyau cuit contient au moins 0,04% d'ions dévitrifiants, ou encore mieux pas plus de 0,2% en poids d'ions dévitrifiants. Il est particulièrement préféré que le noyau cuit ne contienne pas plus de 0,1% en poids de ces ions.

La proportion préférée des ions dévitrifiants dépend du type de métal. Si le minéralisateur fournit des ions de sodium, la proportion totale préférée de sodium dans le noyau cuit est de préférence de 0,03 à 0,1%. Si le minéralisateur fournit des ions de lithium ou de potassium plutôt que des ions de sodium, alors la proportion totale préférée de lithium ou de potassium dans le noyau cuit est de préférence de 0,04 à 0,2%. De plus fortes proportions d'ions de magnésium peuvent être tolérées, par exemple de 0,1 ou 0,3% ou plus.

La majeure partie du poids des ions dévitrifiants du noyau cuit devrait être apportée par le minéralisateur et pas plus d'une partie mineure le devrait être par les impuretés naturelles de la silice. Les impuretés naturelles, telles que le sodium, qui sont présentes dans les particules de silice vitreuse tendent à amener la dévitrification, mais sont moins efficaces que les ions apportés par le minéralisateur et sont indésirables en quantités substantielles, car elles abaissent la température d'utilisation ultime. C'est pourquoi la silice vitreuse doit avoir une pureté d'au moins 99,5%.

Un abaissement radical de la température d'utilisation ultime se produirait si la silice contenait des quantités importantes d'impuretés, en particulier des impuretés qui causent la formation de verres, fondant à basse température, tels que des composés de métaux alcalins. Une telle perte de résistance à la chaleur serait catastrophique et c'est pourquoi il est essentiel que la teneur en impuretés soit limitée, et il est préférable de ne pas inclure des matières moins pures, tels que des verres de silice à 96%, dans le mélange à mouler, bien qu'une très faible proportion de ces derniers puisse parfois être tolérée.

La silice vitreuse peut contenir de relativement faibles proportions de composés de métaux alcalins ou alcalino-terreux (par exemple, moins de 100 parties par million de métaux alcalins et moins de 400 parties par million de métaux alcalino-terreux). Il n'est pas difficile de maintenir la haute pureté désirée, car la silice vitreuse commerciale a couramment une pureté de 99,7 à 99,8%, ou plus. La silice vitreuse utilisée dans le procédé selon l'invention a de préférence une pureté d'au moins 99,75%.

La silice vitreuse contient de préférence moins de 10 parties en poids par million (ppm) des éléments les plus indésirables, tels que bismuth, argent, cadmium et antimoine, et moins de 150 ppm d'éléments hautement indésirables, notamment plomb, étain et zinc.

Par exemple, une silice vitreuse appropriée contient moins de 1 ppm de bismuth, moins de 1 ppm d'argent, moins de 1 ppm de

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cadmium, moins de 5 ppm d'antimoine, moins de 40 ppm d'étain, moins de 40 ppm de plomb, moins de 60 ppm de zinc et moins de 2000 ppm de métaux alcalins et alcalino-terreux (par exemple, jusqu'à 1000 ppm de Mg et de Ca et jusqu'à 300 ppm de Na, de K et de Li). Le noyau cuit final pourrait, par exemple, contenir jusqu'à 1000 ppm de fer, jusqu'à 1000 ppm d'aluminium, jusqu'à 1000 ppm de titane et d'hafnium et jusqu'à 400 ppm d'autres métaux, tels que nickel, manganèse, chrome, strontium ou cuivre, par million de parties de noyau. Les impuretés métalliques indésirables sont de préférence présentes en faibles proportions en tant qu'impuretés naturelles, mais on comprendra que l'on peut fabriquer un noyau satisfaisant contenant des proportions relativement importantes des oxydes d'aluminium, de fer, de calcium, de magnésium, d'hafnium ou de titane. La silice vitreuse contient souvent 2000 ppm ou plus d'aluminium, et des résultats satisfaisants peuvent être obtenus lorsque les compositions pour noyau employées dans le procédé selon l'invention contiennent 1% ou plus d'alumine. Des noyaux acceptables peuvent être obtenus lorsque la teneur totale en fer, titane, hafnium, magnésium et calcium dans la matière réfractaire de la composition pour noyau est comprise entre 1000 et 3000 ppm ou plus, mais cette teneur est de préférence inférieure à 2000 ppm.

Une silice vitreuse de haute pureté typique contiendrait moins de 100 ppm de métaux alcalins et moins de 500 ppm de métaux alcalino-terreux comme impuretés naturelles. Une telle silice vitreuse est préférée dans le procédé selon l'invention, car elle procure un noyau plus réfractaire que l'on peut en obtenir avec une silice contenant de plus fortes proportions d'ions métalliques dévitrifiants.

Les particules réfractaires peuvent, si désiré, contenir un petit pourcentage de silice cristalline. La taille moyenne des particules peut être de 30 à 60 n ou plus, et une proportion mineure, telle que de 15 à 20% ou plus, peut avoir une taille des particules inférieure à 325 mailles Tyler ou moins de 40 (i.

Des mélanges de différentes silices ou matières productrices de silice peuvent être employés. Par exemple, la silice vitreuse peut comprendre un mélange de 10 à 30 parties de particules de —325 avec 40 à 50 parties de particules plus grosses (—200, + 325 mailles).

Le noyau cuit contient de préférence au moins 90% (ou encore mieux, au moins 95%) en poids de silice, mais le zircon et la zircone peuvent être tolérés en proportions substantielles, car ils ont moins tendance à réduire le pouvoir réfractaire que l'alumine et d'autres oxydes métalliques. En général, le noyau cuit devrait contenir pas plus de 5%, de préférence moins de 2% en poids d'alumine, et pas plus de 10%, de préférence pas plus de 5% en poids de réfractaires autres que la silice, le zircon et la zircone. S'il y a trop d'alumine, une température d'utilisation ultime suffisamment haute ne peut pas être obtenue.

Si le noyau contient une faible proportion, telle que de 5 à 10% en poids, d'un réfractaire autre que la silice, ce réfractaire est de préférence le zircon ou la zircone. D'autres réfractaires pouvant être inclus dans la composition pour noyau comprennent l'oxyde de magnésium, l'oxyde de calcium, l'oxyde de baryum, la thorine, l'oxyde de strontium, l'oxyde de béryllium, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxyde d'yttrium, l'oxyde de nickel et d'autres ayant un point de fusion supérieur à celui de la silice. En général, il est désirable d'éviter l'emploi de quantités significatives de tels réfractaires.

Lorsqu'on désire un pouvoir réfractaire maximal, la teneur en silice est de préférence de 98 à 99,5% ou plus, et le noyau est composé de manière à donner naissance à une très forte proportion de cristobalite avant l'utilisation du noyau pour la coulée des métaux, par exemple de 85 à 95% ou plus. Le procédé selon l'invention permet de produire un noyau à haute teneur en silice qui conserve sa rigidité et résiste à l'affaissement pendant la coulée des métaux à hautes températures, par exemple de 1650 à

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1680°C ou plus, se rapprochant du point de fusion de la cristobalite.

Si le minéralisateur consiste en particules de silice colloïdale stabilisée au sodium, séchée, le noyau cuit et refroidi devrait contenir 98% en poids (ou plus) de silice et devrait avoir une température d'utilisation ultime supérieure à 1650° C et un haut module de rupture, tel que 56 ou 63 kg/cm2.

Lorsqu'on désire former un noyau contenant 98% ou plus en poids de silice, la composition pour noyau peut contenir des matières formatrices de silice, de même que les particules de silice vitreuse. Diverses matières formatrices de silice peuvent être employées, y compris les résines thermodurcissantes liquides de phénylalcoyle inférieur/siloxane, du type général divulgué dans les brevets US Nos 3108985 et 3126357. Ces résines sont bien connues et se transforment en silice par chauffage à une température supérieure à 1000° C.

On peut utiliser diverses méthodes de moulage classiques pour produire les noyaux, notamment le pressage, l'injection, le transfert, la coulée par gravité ou en pâte, le laminage, le drain casting, la projection, l'immersion et l'extrusion (parmi lesquelles l'injection et le transfert sont préférés) et diverses techniques de séchage et de cuisson peuvent être employées. Une méthode préférée de moulage par injection est décrite dans le brevet US N° 3769044. En général, on préfère que le liant présent dans le mélange à mouler soit organique ou un composé qui forme de la silice ou un silicate par décomposition thermique. Un liant pour haute température peut aussi être employé. Un véhicule organique ou une cire peut être incorporé à la composition pour noyau et diverses autres matières peuvent être incluses, notamment un agent de démoulage ou un lubrifiant interne, comme on en utilise dans les compositions classiques pour noyaux. Les proportions des divers liants et les granulométries du produit réfractaire sont choisies de façon à conférer au noyau cuit une porosité appropriée et les propriétés physiques désirées. En général, le mélange à mouler contient environ de 5 à 15% en poids d'un liant organique, mais cela peut varier sensiblement. Par exemple, le liant peut être une cire, un polyterpène, l'huile de lin, une gomme à bas point de fusion, l'éthylcellulose, un silicate d'éthyle, la gomme laque, une huile ou une résine de silicone, la gilsonite ou un autre liant usuel. Le liant peut être un polymère organique synthétique, tel que le polyéthy-lène, le polypropylène, l'acétate de polyvinyle ou le polystyrène. Des liants et autres additifs appropriés sont divulguéos, par exemple, dans les brevets US Nos 3093494, 3222435, 3325571, 3330892, 3423216, 3549736, 3688832 et 3769044. Lorsqu'un liant producteur de silice est inclus, il peut être présent en proportion de 4 à 20% en poids.

On donne ci-après un exemple de composition appropriée pour moulage par injection.

Ingrédient

Parties en poids

Silice vitreuse (—200 mailles Tyler)

64-70

Véhicule organique

12-15

Liant organique

3-10

Liant à haute température

0-10

Lubrifiant interne

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Silice colloïdale stabilisée au sodium,

séchée (teneur en sodium 0,75 à 1,0%

en poids, séchée de façon usuelle ou

par pulvérisation ou lyophilisation)

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Lorsqu'on utilise, dans la composition, une proportion de liant organique d'environ 5 à 6%, rapporté au poids de la silice, on peut obtenir un noyau cuit de résistance appropriée, ayant une porosité d'environ 30 à 35% en volume, contenant au moins 40% en poids de cristobalite, contenant au moins 0,03% en poids

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d'ions de sodium et capable de produire plus de 80% en poids de cristobalite, s'il est subséquemment chauffé pendant 15 mn à 1400°C. Un tel noyau peut avoir une teneur en silice de 99 à 99,5% ou plus et une température d'utilisation ultime très élevée, telle qu'environ 1650°C.

Si désiré, le mélange à mouler que l'on emploie pour fabriquer le noyau peut contenir un lubrifiant, tel qu'un composé non métallique, tel que l'acide oléique ou l'acide stéarique, bien que d'autres lubrifiants, tels que des stéarates de métaux, le stéarate d'aluminium, le stéarate d'ammonium et le stéarate de magnésium, ou d'autres stéarates, tels que le stéarate de n-butyle, peuvent aussi être utilisés.

On peut modifier la composition, par exemple en substituant environ 10 à 20 parties en poids du sol de silice colloïdale stabilisée au sodium aux 3 à 7 parties de silice colloïdale séchée. On pourrait alors modifier la technique de mélange en mélangeant le sol de silice colloïdale avec les particules de silice fondue et le liant organique dans un mélangeur à bras sigma et en séchant ces matières à une température telle que 120° C pendant une période de temps allant jusqu'à plusieurs heures avant d'ajouter les autres ingrédients. Par ailleurs, la technique serait la même et le mélange pour noyau pourrait être façonné dans la machine de moulage par injection, puis cuit de la même manière.

Dans la composition, la silice vitreuse a une pureté d'au moins 99,5%, de préférence d'au moins 99,75% en poids, et a une granulométrie telle qu'elle produise un noyau cuit ayant une porosité de 20 à 40% en volume et contienne moins de 40 ppm d'ions de métal alcalin et moins de 100 ppm d'ions de métal alcalino-terreux.

La composition peut être façonnée en un noyau cru et cuite à une température de 1000 à 1200°C pendant 1 à 12 h (la durée dépendant de la température). On obtient un noyau cuit présentant le degré désiré de dévitrification, de solidité et de porosité.

Si le noyau ainsi formé présente une très haute porosité, il est possible d'imprégner le noyau poreux avec un supplément de minéralisateur. Cependant, cette dernière méthode n'est pas préférée, car le noyau qui en résulte est susceptible d'être non uniforme et de composition imprévisible. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le minéralisateur et la silice vitreuse sont mélangés dans les proportions désirées pour former le noyau cru.

De préférence, la cuisson du noyau cru à au moins 1000° C est précédée d'une cuisson à plus basse température, par exemple entre 500 et 600° C, pour éliminer les composés organiques. La cuisson à au moins 1000 'C (qui provoque la dévitrification partielle de la silice) est de préférence conduite entre 1000 et 1400°C, ou encore mieux entre 1100 et 1200°C, pendant une durée, telle que de 30 mn à 8 h et de préférence de pas plus de 12 h, suffisantes pour obtenir la proportion désirée de cristobalite. Le degré de dévitrification devrait être limité, de façon que le noyau cuit conserve une solidité suffisante pour pouvoir être manié après son refroidissement à la température ordinaire, et devrait être suffisant pour permettre au noyau de former la proportion désirée de cristobalite pendant le préchauffage qui précède la coulée du métal (c'est-à-dire au moins 75% de cristobalite à la fin d'un préchauffage de lA h).

Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, on cuit le noyau cru pendant une durée suffisante pour obtenir un noyau contenant de 35 à 60% en poids de cristobalite, de préférence entre 40 et 55% (plus spécialement entre 40 et 50%) en poids.

Lorsque la cuisson est achevée, on refroidit le noyau ou on le laisse refroidir en dessous de 200° C (c'est-à-dire en dessous de la température d'inversion oc, ß de la cristobalite) jusqu'à une température à laquelle le noyau peut être maintenu pendant sa conservation (c'est-à-dire à la température ordinaire ou en dessous de 100C C). Par suite du refroidissement, des fissures se développent et le noyau perd de sa résistance, mais il conserve une résistance suffisante pour le maniement subséquent. Après le refroidissement à la température ordinaire (25° C), le noyau a un module de rupture d'au moins 50 kg/cm2, de préférence de 56 à 70 kg/cm2, ou plus, afin que sa résistance soit suffisante pour l'injection de la cire.

La composition du noyau et la procédure de cuisson sont contrôlées de façon à fournir un noyau ayant la densité et les dimensions désirées, et peuvent être réglées pour maintenir des tolérances très serrées lorsque le noyau est formé par moulage par injection, par exemple. Le retrait est inférieur à 3% et souvent bien inférieur à 2% pendant la cuisson. La composition du noyau est de préférence telle que le noyau ait une porosité de 20 à 40% en volume, et de préférence d'au moins 25% en volume après la cuisson, afin que le noyau soit facile à dissoudre dans les alcalis caustiques.

La cuisson du noyau cru entraîne l'évaporation ou la perte d'une partie du minéralisateur et peut, par exemple, entraîner une perte substantielle d'ions sodium, en particulier lorsque le minéralisateur est un sel de sodium ou analogue. La proportion de minéralisateur est telle que le noyau cuit contienne au moins 0,03% des ions dévitrifiants (comme mentionné plus haut).

Le noyau cuit obtenu par le procédé selon l'invention devrait être chimiquement inerte vis-à-vis des superalliages en fusion, et contient de préférence au moins 95% en poids de silice ou une teneur telle que le noyau conserve sa rigidité à une température de 1600°C, ou encore mieux de 1650°C.

Le procédé selon l'invention s'applique à la fabrication de noyaux réfractaires poreux de configurations variées, mais il est particulièrement adapté à la production de noyaux pour pales de turbine ou de compresseur, ou d'autres profils d'aile, des pièces de moteur à réaction et d'autres pièces de précision fabriquées en superalliage à base de nickel et de cobalt.

Un exemple d'un noyau pour pale de turbine produit par le procédé selon l'invention est représenté au dessin annexé, dans lequel:

la fig. 1 est une vue en perspective du noyau, et la fig. 2 est une coupe, à plus grande échelle, du noyau représenté à la fig. 1.

Dans la fig. 1, le noyau réfractaire A représenté présente une section rectangulaire plate 2 formant une pièce avec une section 3 d'aile courbe de plus grande largeur. La partie 3 possède une partie 4 épaisse comprenant le bord d'attaque, qui s'amincit graduellement jusqu'à la partie 5 se terminant par le bord de fuite, inclinée en formant un angle substantiel avec la section 2.

Comme on le voit à la fig. 2, le noyau est pourvu de fentes 6 et 7 près des parties d'attaque et de fuite du noyau et présente une série de trous circulaires 8, espacés régulièrement, près de la partie centrale du noyau. La surface supérieure du noyau présente plusieurs rainures parallèles droites 9 qui partent des trous 8 et s'étendent vers l'extérieur. Le noyau présente une surface inférieure 10 à courbure uniforme et des bords droits d'attaque et de fuite 11 et 12 sur les côtés opposés de la surface 10. La partie 13 courbée du bord de fuite étant vers l'intérieur à partir du bord de fuite 12 jusqu'au bord de fuite de la section 2, et la fente 7 a une partie inclinée 14 qui s'étend dans l'ensemble dans la même direction jusqu'à la partie droite 15 de la fente ménagée dans la section 2. La fente 6 a une partie inclinée 16 et une partie droite 17 dans la section 2 et parallèle à la partie de fente 15. On comprendra que la disposition de ces fentes et des autres ouvertures du noyau peut varier en fonction de la destination de la pale et qu'une multitude de configurations variées du noyau peut être employée. Les noyaux fabriqués par le procédé selon l'invention peuvent être utilisés dans un procédé de moulage des métaux, consistant à placer le noyau dans un moule réfractaire de façon à délimiter une cavité de moule entre le noyau et le moule, à préchauffer le moule et le noyau à une température d'au moins 1300°C (par exemple de 1400 à 1550°C) pendant une durée suffisante pour accroître la dévitrification du noyau jusqu'au point où au moins 75% (de préférence au moins 80%) en poids de

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la silice du noyau soit sous forme de cristobalite, et à laisser le métal en fusion couler dans la cavité du moule.

La température de préchauffage est de préférence non supérieure à 1600°C, la durée de préchaufFage est de préférence non supérieure à 1 h, ou encore mieux de 10 à 30 mn, et le noyau a de préférence une composition et une teneur en minéralisateur telles qu'au moins 80% en poids du noyau soit de la cristobalite à la fin de cette période de préchauffage, avant qu'on laisse couler le métal en fusion autour du noyau. La teneur maximale en cristobalite dépend, entre autres, de la proportion de zircon, de zircone ou d'autres matières réfractaires contenues dans le noyau. Le préchauffage est de préférence effectué immédiatement avant la coulée du métal dans la cavité du moule.

On comprendra que la durée de préchauffage est habituellement mesurée entre le moment où le four atteint la température de réglage désirée et le moment où le métal en fusion est coulé dans le moule, mais elle peut également être mesurée entre le moment où débute le chauffage du moule dans le four et celui où le métal à mouler entre en fusion et commence à couler sur le noyau. Cette dernière mesure s'applique lorsque le superalliage solide est placé dans le moule ou adjacent à celui-ci et est chauffé avec le moule jusqu'au moment où il entre en fusion et s'écoule autour du noyau pour remplir la cavité du moule. Dans ce dernier cas, il n'y a pas d'étapes de coulée séparées comme dans la méthode la plus courante.

Si le noyau cuit contient une portion mineure de cristobalite, par exemple 35% en poids ou moins, au début du préchauffage, il devrait contenir suffisamment de minéralisateur pour assurer une grande vitesse de formation de la cristobalite. Par exemple, un tel noyau devrait contenir une portion majeure de cristobalite, telle que de 75 à 80% en poids, après un préchauffage de 30 mn entre 1400 et 1600°C et avant qu'on laisse le métal en fusion couler autour du noyau.

On peut former le moule réfractaire externe par tout procédé approprié de façonnage ou moulage, et il est de préférence formé de particules réfractaires finement divisées, tels que de la silice, du zircon ou de l'alumine finement divisés. De préférence, le moule externe est une coquille réfractaire formée autour d'un modèle destructible en cire, en mercure congelé ou autre matière de configuration destructible. Un tel modèle peut, par exemple, être moulé autour du noyau, puis être plongé à plusieurs reprises dans une bouillie céramique pour former un moule classique en forme de coquille multicouche.

Dans la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les noyaux de silice cuits sont de préférence employés dans un procédé classique à cire perdue tel que divulgué dans les brevets US N°s 2961751 ou 2932864. Dans un tel procédé, le noyau (par exemple un noyau du type représenté aux fig. 1 et 2) est placé dans une cavité de moule et de la cire ou une autre matière pour modèle destructible est injectée autour du noyau. Des composants pour jet de coulée sont également injectés et peuvent être assemblés en faisceaux avec les modèles de cire. L'assemblage de cire renfermant le noyau est ensuite plongé dans une bouillie céramique, saupoudré de grains réfractaires et séché comme décrit, par exemple, dans le brevet US N° 2932864 susmentionné.

Comme expliqué dans ce brevet, ces opérations devraient être répétées 4 à 10 fois (ou plus) pour former un moule en coquille multicouche ayant l'épaisseur de paroi désirée. L'ensemble comprenant le moule, le noyau et le modèle, est ensuite séché soigneusement et la cire ou autre matière du modèle est éliminée. L'élimination de la cire à l'autoclave ou par brève cuisson sont les méthodes les plus employées.

Après l'élimination de la cire ou de l'autre matière du modèle, le moule en coquille et le noyau qu'il renferme peuvent être cuits de la manière usuelle pour l'obtention du moule en coquille ayant la résistance nécessaire. Par exemple, ils peuvent être cuits pendant 10 mn à 1 h à une température de 800 à 1100°C. La cuisson peut être effectuée dans le même four que celui employé pour l'élimination de la cire et ce peut être une continuation de ce chauffage, du fait qu'il n'est pas nécessaire d'interrompre le chauffage ou de retirer le moule du four.

Après la cuisson, le moule en coquille et le noyau devraient être refroidis en dessous de 200° C (de préférence en dessous de 100°C) pour l'inspection et le maniement, et ils peuvent être conservés à la température ordinaire jusqu'au moment de leur utilisation. Cela provoque à nouveau une dilatation volumétrique potentiellement détériorante du noyau, lorsque celui-ci passe par la température d'inversion oc, ß.

Le moule en coquille peut être fait de diverses matières réfractaires, comme décrit dans le brevet US N° 2932864 susmentionné, y compris les oxydes et silicates d'aluminium et de zirconium. Le réfractaire préféré est l'alumine, et il est préférable de former un moule en coquille contenant au moins 85%, et de préférence au moins 95% (par exemple 95 à 99%) en poids d'alumine et ayant un pouvoir réfractaire très élevé, afin qu'il conserve sa forme à une température de 1650 à 1750°C. Cela permet l'emploi de très hautes températures de coulée des métaux.

Le moule en coquille d'aluminium décrit ci-dessus peut être utilisé avec des noyaux obtenus par le procédé selon l'invention et ayant des pouvoirs réfractaires variés. Par exemple, le moule en coquille peut être utilisé dans le procédé SD avec un noyau à haute teneur en silice ayant une température d'utilisation ultime de 1650 à 1680°C ou plus, et le moule et le noyau peuvent être préchauffés à une température de 1500 à 1600° C pendant 10 à 20 mn, ou de manière que le noyau contienne 80 à 100% de cristobalite avant qu'on laisse le métal en fusion couler autour du noyau.

Bien que les noyaux produits par le procédé selon l'invention puissent être utilisés pour le moulage des métaux à toutes températures, ils sont destinés au moulage des superalliages à très hautes températures. Ils peuvent être appelés noyaux SD, car ils conviennent particulièrement au procédé de solidification directionnelle et ils donnent d'excellents résultats lorsque le procédé SD est mis en œuvre de la manière usuelle, par exemple selon les techniques décrites dans l'un des brevets US Nos 3620289, 2690267 ou 3700023, pour déterminer une orientation contrôlée de la structure cristalline du moulage métallique.

Dans un procédé SD classique, on place le noyau à l'intérieur d'un moule réfractaire externe en coquille pour définir une cavité de moule à extrémités ouvertes de dimension et forme prédéterminées, et le moule avec son noyau sont placés dans un four, sur une plaque de refroidissement au niveau du fond de la cavité, et sont préchauffés pendant une durée appropriée avant la coulée du métal en fusion autour du noyau ou contre celui-ci. Le four peut être du type décrit dans les brevets US ci-dessus, et présente, de préférence, une plaque de refroidissement montée pour se déplacer verticalement dans le four, et est muni d'un dispositif de chauffage par induction tel que décrit dans ledit brevet US N° 3700023. On peut opérer sous atmosphère inerte ou sous grand vide, les meilleurs résultats étant obtenus sous vide.

Dans le procédé SD classique, le moule en coquille et le noyau sont préchauffés à haute température, par exemple de 1400 à 1500°C, pendant 10 à 40 mn et ensuite on verse le superalliage en fusion, ou le laisse couler, dans la cavité du moule. Si on verse le métal, on peut le verser dans le moule à une température dépassant la température d'utilisation ultime du noyau et le laisser refroidir rapidement en dessous de cette dernière température. Il est cependant préférable que la composition des particules réfractaires et les conditions du procédé de fabrication du noyau soient telles que le noyau préchauffé contienne au moins 98% en poids de silice et ait une stabilité thermique suffisante pour qu'il conserve sa forme dans le moule à 1650° C.

Dans le procédé SD utilisant le noyau ici décrit, la température de coulée du métal peut être de 1650 à 1700°C et le métal en fusion dans le moule en coquille peut être à une température de 1600 à 1650 'C pendant 10 mn ou plus pendant le moulage, sans

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que le noyau soit gravement déformé. Par exemple, lorsqu'on moule un superalliage dans un four à vide par un tel procédé SD, des parties de superalliage dans la partie supérieure du moule en coquille peuvent être maintenues au moins 100° C au-dessus du point de fusion ou température du liquidus du superalliage pendant un laps de temps de 10 mn ou plus au cours de la solidification du métal, tandis que la plaque de refroidissement est progressivement abaissée. De préférence, on maintient un grand vide, tel que de 10 à 20 (x de mercure, pendant une telle solidification. La température du métal en fusion entourant le noyau peut être d'au moins 40 à 50° C supérieure à la température du liquidus pendant 10 à 20 mn ou plus. Le haut gradient de température donne des résultats sensiblement meilleurs lors du moulage de certains superalliages.

Les hautes températures de moulage peuvent aussi être très importantes dans le cas du moulage de superalliages spéciaux fondant à très hautes températures. Le procédé selon l'invention permet l'emploi de températures de moulage très supérieures à celles qui pouvaient être employées précédemment.

Après la coulée du métal, on contrôle sa température tout en abaissant progressivement la plaque de refroidissement de la manière usuelle, à faible vitesse, tel que 15 cm/h, afin de provoquer une solidification progressive en direction ascendante. On maintient des parties du métal dans la partie supérieure de la cavité du moule à des températures au-dessus du point de fusion du superalliage, tel qu'au-dessus de 1400° (par exemple 1400 à 1500°C) pendant des durées dépassant généralement 15 mn et habituellement pendant au moins 20 mn, par exemple jusqu'à 60 mn. La solidification du moulage prend usuellement au moins 30 mn et peut parfois prendre de 1 à 1,5 h avant que l'on retire le moule à coquille et les moulages solidifiés du four.

Après avoir retiré le moule du four, on peut le briser pour en dégager le moulage, et on peut éliminer le noyau poreux qui reste dans le moulage en le dissolvant. La dissolution peut être réalisée dans un autoclave, au moyen d'une solution aqueuse à 30-40% d'hydroxyde de sodium, à une température de 150 à 200° C.

Comme le noyau obtenu par le procédé selon l'invention contient un fort pourcentage de cristobalite au moment où le métal en fusion commence à couler autour du noyau, il peut résister à l'affaissement ou à la déformation lorsque le procédé SD est mis en œuvre à hautes températures. Ce noyau permet donc de produire des moulages avec des tolérances serrées et une grande précision dimensionnelle.

La composition des noyaux obtenus par le procédé selon l'invention est à bien des égards semblable à celle des noyaux classiques à haute teneur en silice, utilisés dans le moulage à la cire perdue de pièces métalliques de précision, mais ils sont exceptionnels et révolutionnaires dans le domaine du moulage par solidification directionnelle, du fait qu'ils emploient de hauts pourcentages de silice de haute pureté pour éviter une perte de pouvoir réfractaire due à la présence d'autres matières réfractaires ou d'impuretés, tels que des composés de métaux alcalins, tendant à former des composés à bas point de fusion, et du fait qu'on leur a ajouté un minéralisateur contenant des quantités prédéterminées de ces mêmes impuretés. Ces noyaux maintiennent des tolérances serrées et permettent l'emploi de températures de coulée des métaux très supérieures aux températures qui pourraient être tolérées par les noyaux réfractaires connus.

Les exemples ci-après, dans lesquels toutes les parties et pourcentages sont en poids sauf indication contraire, illustrent l'invention.

Exemples 1 et 2:

Les compositions données dans les tableaux I (ex. 1) et II (ex. 2) ont été préparées.

Tableau I

Composants Parties en poids

Silice fondue 64,1

Véhicule organique 13,0

Liant organique 3,9

Liant pour haute température 7,8

Lubrifiant interne 4,6 Silice colloïdale séchée et stabilisée au sodium (Ludox HS-30 séché (DuPont);

teneur en sodium 0,87% en poids) 6,6

Tableau II

Composants Parties en poids

Silice fondue 70,4

Véhicule organique 13,0

Liant organique 3,9

Liant pour haute température 7,8

Lubrifiant interne 4,6 Verre au silicate de sodium broyé;

-0,044 mm (20% Na20- 80% Si02) 0,3

Les formulations sont mélangées et chauffées dans un mélangeur sigma classique. On mélange les ingrédients secs, comprenant la silice fondue, le minéralisateur et quelquefois le liant organique, avant d'ajouter les autres composants du mélange. Le véhicule organique, le lubrifiant et le liant à haute température sont soigneusement mélangés avant d'être ajoutés aux ingrédients secs dans ledit mélangeur sigma.

Avant et pendant le moulage par injection, on élève la température de chaque mélange à une température comprise entre 65 et 90° C pour faciliter l'écoulement dans la cavité du moule. Après que l'on a enlevé le noyau cru du moule, il est lentement chauffé à environ 500-600° C pour éliminer et décomposer les composants organiques. Le noyau subit alors une cuisson entre 1100 et 1200°C, durant une période qui peut atteindre 3 h, ce qui confère la résistance mécanique nécessaire au traitement ultérieur.

Les propriétés physiques des noyaux ainsi préparés sont rassemblées dans le tableau III ci-dessous :

Tableau III

Exemple 1

Exemple 2

Porosité, % volume

31,2

32,4

Densité (g/cm3)

2,25

2,24

Densité apparente (g/cmî)

1,53

1,52

Module de rupture à température

ambiante (kg/cm2)

68,1

69,8

Pourcentage de cristobalite

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Chaque noyau est chauffé à 1375°C durant 15 mn, ce qui reproduit un cycle typique de préchauffage d'un procédé SD. La teneur en cristobalite dans les échantillons est déterminée après ce cycle thermique. Les échantillons des deux formulations présentent des teneurs en cristobalite supérieures à 80% en poids après ce traitement thermique. D'autres d'échantillons, fabriqués comme dans les exemples 1 et 2, sont rapidement chauffés pour déterminer la température à laquelle un échantillon disposé verticalement se déforme sous son propre poids. Pour les deux formations, cette température est supérieure à 1650°C.

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Après que chacun des noyaux crus a été cuit, on le place dans une buse d'injection d'une machine pour injection de cire, et l'on injecte de la cire fondue autour du noyau pour former un élément éliminable. Ensuite, cet élément et le noyau sont plusieurs fois plongés dans une bouillie céramique et séchés dans des tunnels de 5 séchage, comme indiqué dans le brevet des Etats-Unis N° 2392864. On obtient ainsi un moule à coquilles multicouches entourant ledit élément.

Le moule séché est débarrassé de la cire dans un four à haute température, par exemple 800-1000°C; ensuite, on le cuit avec le 10 noyau, durant 10 mn à 1 h, entre 850 et 1100° C. Après cette cuisson, on refroidit à la température ambiante et l'on stocke jusqu'à utilisation.

Chaque moule et son noyau sont préchauffés durant environ 15 15 mn sur une plaque de refroidissement dans un four sous vide fonctionnant à une température d'environ 1480 à 1500°C, pour préchauffer le noyau à environ 1380-1400°C et pour transformer au moins 75% de la silice en cristobalite avant la coulée métallique. Le superalliage fondu est coulé à 1620°C sans provoquer de 20 déformation ou d'affaissement notable du noyau de cristobalite, car ce noyau conserve ses caractéristiques mécaniques au-delà de 1650°C. Cela n'est pas vrai pour les noyaux classiques à forte teneur en silice de la technique antérieure, qui s'affaissent au-dessous de 1600°C. 25

Après coulée du métal dans le moule et autour du noyau, le métal commence à se solidifier au niveau de la plaque de refroidissement et la température du métal diminue lorsqu'on abaisse progressivement la plaque de refroidissement en l'éloignant de la zone de chauffage par induction du four. Cela provoque la solidification progressive du métal, en environ 1 h, jusqu'à solidification totale.

Le moule est alors enlevé du four, on sépare en la brisant la coquille extérieure de la pièce coulée, et cette pièce coulée est placée dans une solution d'alcali caustique pour dissoudre le noyau.

Le mode opératoire est classique, sauf en ce qui concerne les nouveaux noyaux et les compositions correspondantes. Les noyaux obtenus selon le procédé de l'invention conviennent parfaitement pour un procédé SD, en raison de leur caractère réfractaire élevé; on obtient des pièces moulées de qualité excellente.

Les noyaux des exemples 1 et 2 présentent une température d'utilisation ultime comprise entre environ 1650 et 1680°C.

La température d'utilisation ultime dépend des matériaux mélangés avec les particules de silice vitreuse pour former la composition pour noyaux, et dépend également des proportions. Une température d'utilisation ultime très élevée peut être obtenue si l'on utilise une silice colloïdale stabilisée au sodium ou une autre silice finement divisée, en tant que minéralisateur, en utilisant des particules de silice de pureté élevée en tant que matériau réfractaire.

On peut obtenir de bons résultats en utilisant d'autres minéralisateurs, par exemple des silicates de métaux alcalins. Par exemple, on peut remplacer dans les formulations ci-dessus la silice colloïdale par une certaine quantité, environ 0,5 à environ 2% du poids des particules réfractaires, d'un silicate de sodium, contenant 20% en poids d'oxyde de sodium, ou plus.

R

1 feuille dessins

Claims

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1. Procédé de fabrication d'un noyau réfractaire poreux, caractérisé en ce que:

a) l'on moule un mélange comprenant un liant, des particules finement divisées d'un minéralisateur et des particules finement divisées de silice vitreuse, cette dernière ayant une pureté d'au moins 99,5% et étant présente dans le mélange en proportion d'au moins 80%, rapporté au poids des particules réfractaires, afin de former un noyau cru ;

b) l'on cuit le noyau cru à une température d'au moins 1000°C pour provoquer une dévitrification partielle de la silice et former un noyau cuit poreux, et c) l'on refroidit le noyau cuit jusqu'à une température inférieure à 200° C pour former un noyau cuit refroidi, ayant ime température d'utilisation ultime d'au moins 1600°C, la cuisson étant réglée et les proportions de silice et de minéralisateur dans le mélange étant choisies telles que le noyau cuit contienne pas moins de 0,03% en poids d'ions métalliques dévitrifiants et au moins 90% en poids de silice, telles que le noyau refroidi conserve un module de rupture d'au moins 50 kg/cm2 et telles que, si le noyau cuit refroidi était subséquemment chauffé pendant 30 mn à 1400° C, au moins 75% en poids de la silice présente dans le noyau chauffé serait sous la forme de cristobalite.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le minéralisateur est présent en proportion d'au moins 1%, rapporté au poids des particules réfractaires, à une dimension de particules d'au plus 50 )x et contient au moins 0,1% en poids d'ions dévitrifiants qui favorisent la formation de cristobalite.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le minéralisateur est présent en proportion d'au moins 2%, rapporté au poids des particules réfractaires et en ce que les particules du minéralisateur sont des particules réfractaires ayant une concentration d'ions dévitrifiants plus grande à leur surface qu'à leur centre.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on cuit le noyau cru pendant une période suffisante pour former un noyau cuit contenant au moins 35% en poids de cristobalite.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on cuit le noyau cru pendant une période telle que le noyau cuit contienne au plus 55% en poids de cristobalite.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le noyau cuit contient au plus 0,2% en poids d'ions dévitrifiants et moins de 2% en poids d'alumine.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le noyau cuit contient au plus 5% en poids de matières réfractaires autres que la silice, le zircon ou la zircone.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins 95% en poids du noyau cuit sont de la silice.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'étape a) est effectuée par moulage par injection.

10. Noyau réfractaire poreux obtenu conformément au procédé selon la revendication 1.

11. Utilisation du noyau selon la revendication 10 dans un procédé de moulage de métaux, dans lequel on place un noyau à l'intérieur d'un moule réfractaire de manière à définir une cavité de moulage entre le noyau et le moule et on laise couler du métal en fusion dans la cavité de moulage, caractérisée en ce que l'on préchauffe le moule et le noyau à une température d'au moins 1300°C pendant une période suffisante pour provoquer une dévitrification plus prononcée du noyau et telle qu'au moins 75% en poids de la silice présente dans le noyau soit sous la forme de cristobalite, avant de laisser couler le métal en fusion dans la cavité de moulage.

12. Utilisation selon la revendication 11, caractérisée en ce que la température de préchauffage est d'au plus 1600°C et que le préchauffage est d'une durée telle qu'au moins 80% en poids de la silice du noyau soit sous forme de cristobalite.

13. Utilisation selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisée en ce que le métal en fusion est un superalliage à base de nickel ou de cobalt et qu'on solidifie le moulage directionnelle-ment.