EP3814541A1 - Procede de fabrication de lingots en compose metallique a base de titane - Google Patents

Procede de fabrication de lingots en compose metallique a base de titane

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EP3814541A1
EP3814541A1 EP19744764.2A EP19744764A EP3814541A1 EP 3814541 A1 EP3814541 A1 EP 3814541A1 EP 19744764 A EP19744764 A EP 19744764A EP 3814541 A1 EP3814541 A1 EP 3814541A1
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EP
European Patent Office
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raw material
fragments
basin
preheating
crucible
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EP19744764.2A
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German (de)
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EP3814541B1 (fr
Inventor
Bruno Vitorino LOPES
Laurent Ferrer
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to the general field of the manufacture of ingots of metallic compound based on titanium, such as alloys or intermetallic compounds, in particular for the manufacture of parts for an aircraft.
  • the main object of the present invention therefore is to overcome such a drawback by proposing, according to a first aspect of the invention, a method for manufacturing an ingot made of a titanium-based metal compound comprising the following steps:
  • such preheating makes it possible to reduce the thermal shock undergone by the raw materials during the melting step, thereby reducing the gassing of the raw materials.
  • These gas evolution can cause reactions which are capable of creating inclusions, these inclusions reducing the mechanical properties of the ingots.
  • the reactions caused by the evolution of gases can also produce elements which deposit at the level of the crucible, thus reducing the mechanical properties of the ingots.
  • the thermal shock of the raw materials promotes the projection of small solid particles of raw material which can fall further down into the basin and thus have a reduced time to dissolve, thus increasing the risk that unfused particles are found in the crucible and reduce the mechanical properties of the ingots.
  • Such a preheating step is particularly advantageous for the manufacture of ingots made of a titanium-based metal compound because these metal compounds have a high melting temperature (titanium having a melting temperature of 1668 ° C.), the metal compounds based on titanium with a higher risk of the presence of unmelted metal particles during the ingot formation.
  • the process can include the following characteristics, taken alone or in combination depending on the technical possibilities:
  • the preheating temperature is greater than or equal to 93% of the liquidus temperature;
  • the metallic compound based on titanium comprises at least one element having a melting temperature higher than the melting temperature of titanium;
  • the preheating of the raw material fragments by induction is configured to levitate said raw material fragments
  • the method comprises a step of controlling the orientation of the generator of the heating beam
  • the invention proposes a system for manufacturing an ingot made of a metallic titanium-based compound comprising:
  • a crucible which is fed by overflow from said at least one basin and which is configured to cool and solidify the liquid metal
  • the system comprises a preheating device which is configured to heat the fragments of raw material on the conveyor with a preheating temperature greater than or equal to 75% of the liquidus temperature of said fragments of raw material, and strictly lower than the liquidus temperature of said fragments of raw material.
  • the system can include the following characteristics, taken alone or in combination depending on the technical possibilities:
  • the preheating device comprises a generator of a heating beam
  • the system comprises an image acquisition device and an image analysis device, said image acquisition device being configured to acquire images of the preheating of the fragments of raw material by the generator of the heating beam, and said image analysis device being configured to control the orientation of the heater beam generator from the images acquired by said image acquisition device;
  • the induction preheating device is configured to levitate the fragments of raw material.
  • FIG. 1 schematically shows a system for manufacturing a metal compound ingot based on titanium according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a first alternative embodiment of a preheating device of the ingot manufacturing system
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the preheating device
  • FIG. 4 shows a schematic view of the different stages of a method of manufacturing an ingot of metallic compound based on titanium according to an implementation of the invention
  • FIG. 5 represents a schematic view of the different stages of the manufacturing process implemented with the variant of the manufacturing system of FIG. 1.
  • the raw material fragments 3 can be master alloys, fragments of recycled materials, or virgin raw material of titanium-based alloy or titanium-based intermetallic compound.
  • the fragments of raw material 3 can be formed by blocks of particles, such as chips, which are agglomerated and compacted with the press, these blocks having a length of between 20 cm and 50 cm for example.
  • metal compound based on titanium is understood here to mean either an alloy based on titanium, that is to say an alloy of which titanium is the main constituent, or an intermetallic compound based on titanium, that is to say say an intermetallic compound of which titanium is the main constituent.
  • An alloy is a combination of different metals, while an intermetallic compound is a combination of at least one metal with at least one metalloid.
  • the metallic compound can for example be an alloy from the following alloys: Til7, TiBetalô, T121S, TÎ6242, and T ⁇ 6246; or else an intermetallic compound among the following intermetallic compounds: TiAI 48-2-2, and TiNMB1.
  • the examples given are not limiting, other alloys or intermetallic compounds based on titanium can be used.
  • the system 1 comprises at least one basin in which the fragments of raw material 3 are melted.
  • the system 1 comprises a first basin 12 and a second basin 13 located downstream of said first basin 12.
  • the number of basins can however be greater, the system 1 thus being able to comprise three or four basins for example, or less important, the system 1 can thus comprise a single basin.
  • the first tank 12 and the second tank 13 collect liquid metal 4 obtained by the fusion of the fragments of raw material 3.
  • the first basin 12 and the second basin 13 are formed on the one hand by a wall which receives the liquid metal 4, said wall being for example made of copper, and on the other hand by a cooling device which makes it possible to maintain the wall at a temperature below its deterioration temperature, said cooling device being typically produced by a circuit for circulating a cooling liquid.
  • the raw material fragments 3 are melted in the first tank 12, then the liquid metal 4 obtained by the fusion of said raw material fragments 3 is transferred to the second tank 13.
  • the fusion of the raw material fragments 3 is carried out by heating means 14 which are located opposite the first tank 12 and the second tank 13.
  • the heating means 14 can for example be formed by plasma torches, electron guns, electric arc generators, laser generators, or induction heating means.
  • the heating means 14 are configured to keep the molten metal 4 molten in the first and second basins 12 and 13 in order to place the molten metal 4 in the desired metallurgical state.
  • the atmosphere in which the first tank 12 and the second tank 13 are located can be controlled. So that the liquid metal 4 does not react with the atmosphere, the controlled atmosphere can for example be produced by a vacuum atmosphere or by an inert gas atmosphere under a controlled pressure. According to another possible variant, the controlled atmosphere is formed by a specific gas under a controlled pressure, said specific gas being adapted to react with the liquid metal 4 in order to charge said liquid metal 4, and thus the metallic compound of the ingot 2, with said specific gas.
  • the first tank 12 and the second tank 13 can also be exposed to an uncontrolled atmosphere.
  • the system 1 comprises a crucible 15 into which the liquid metal 4 of the second basin 13 is poured in order to cool said liquid metal 4, solidify it and thus form a front of advancement of solid metal 5 which is shaped to form the ingot 2 by semi-continuous casting.
  • said crucible 15 comprises a cooling circuit which cools the walls of said crucible 15.
  • the walls of crucible 15, which are cooled by the cooling circuit, are produced in a material with high thermal conductivity, for example copper or copper alloy.
  • the heating means 14 are also located opposite the crucible 15 and are configured to keep the liquid metal 4 molten in the upper part of the crucible 15.
  • the liquid metal 4 is transferred from the first tank 12 to the second tank 13, and from the second tank 13 to the crucible 15 by overflow.
  • the second tank 13 is supplied by overflow of the liquid metal 4 from the first tank 12 towards said second tank
  • the crucible 15 is supplied by overflow of the liquid metal 4 from the second tank 13 towards said crucible 15.
  • the system 1 comprises a preheating device 16 which is located opposite the conveyor 11 and which is configured to preheat the fragments of raw material 3 before said fragments of raw material 3 are melted in the first tank 12.
  • the preheating device 16 is configured to heat the fragments of raw material 3 to a preheating temperature which is greater than or equal to 75% of the liquidus temperature of said fragments of raw material 3, and which is strictly lower than the liquidus temperature of said fragments of raw material 3.
  • Such a preheating temperature makes it possible to reduce the temperature gradient at the entrance to the first tank 12. This makes it possible to facilitate the fusion of the fragments of raw material 3, which reduces the presence of unfounded metal particles in the first and second tanks. 12 and 13, thus limiting the risk that these unfounded metal particles reach crucible 15.
  • Preheating according to the invention makes it possible in particular to reduce the presence of small, unfused metal particles by facilitating the melting of these particles, the small particles being the most likely not to fall to the bottom of the first and second basins 12 and 13 and therefore to be poured with the liquid metal 4 into the crucible 15.
  • such a preheating temperature makes it possible to reduce the thermal shock undergone by the fragments of raw material 3 when they arrive in the first tank 12.
  • the reduction in thermal shock makes it possible to reduce the gassing, thus limiting the reactions caused by these gaseous releases which are capable of producing undesired elements in the metallic compound degrading the mechanical properties of the ingot.
  • the preheating temperature is greater than or equal to the solidus temperature of the metal compound, which makes it possible to further accelerate the dissolution of the solid metal particles in the first and second basins 12 and 13, and makes it possible to reduce thermal shock.
  • the preheating temperature is always strictly lower than the liquidus temperature of the alloy.
  • the preheating temperature is greater than or equal to 93% of the liquidus temperature of the alloy, making it possible to further accelerate the dissolution of the solid metal particles, and to further reduce the temperature difference suffered by the fragments of raw material 3.
  • the temperature preheating is strictly lower than the liquidus temperature of the alloy.
  • the invention is particularly advantageous for titanium-based metal compounds which comprise elements having a melting temperature higher than the melting temperature of titanium, such as for example molybdenum, vanadium, or tantalum.
  • the elements present in the metallic compound which have a melting temperature higher than the melting temperature of titanium, such as for example molybdenum, vanadium and tantalum are elements which tend to form non-molten particles in the liquid metal 4 which can reach the crucible 15.
  • the preheating device 16 comprises an induction preheating device 16a.
  • the induction preheating device 16a can be formed by a solenoid as illustrated in FIG. 2, or by an induction plate parallel to the conveyor 11.
  • the induction preheating device 16a is configured to levitate said fragments of raw material 3 above the conveyor 11.
  • the configuration of the induction preheating device 16a to ensure the gradual rise in temperature and the levitation of the fragments of raw material is carried out by adapting the intensity and the frequency of the electric current passing through said induction preheating device 16a.
  • the preheating device 16 comprises a generator 16b of a heating beam F, such as for example a light source, an electron beam generator, a plasma torch, or even a generator laser.
  • a generator 16b of a heating beam F such as for example a light source, an electron beam generator, a plasma torch, or even a generator laser.
  • the preheating device comprises an image acquisition device 16c, such as for example a camera, and an image analysis device 16d, such as a processor and a memory on which a image processing program.
  • the image acquisition device 16c is configured to acquire images of the preheating of the raw material fragments 3 by the generator 16b of the heating beam F.
  • the image acquisition device 16c is also configured to transmit the acquired images to the image analysis device 16d.
  • the image analysis device 16d is in turn configured to analyze the images transmitted by the image acquisition device 16c and control the orientation of the generator 16b of the heating beam F by checking that the heating beam F is indeed directed towards the fragments of raw material 3, and not directed alongside said fragments of raw material 3, directly towards the conveyor 11.
  • said image analysis device 16d When the image analysis device 16d detects that the heating beam F is not directed correctly, said image analysis device 16d can emit an alert so that an operator or an automat corrects the orientation of the generator 16b of the heating beam F.
  • the image analysis device 16d can also be configured to control the orientation of the generator 16b of the heating beam F so that when said image analysis device 16d detects that the heating beam F n is not correctly directed, said image analysis device 16d automatically corrects the orientation of said generator 16b of the heating beam F.
  • the system 1 for manufacturing the ingot 2 made of a titanium-based metal compound is configured to implement the manufacturing process illustrated in FIG. 4.
  • step El supply the fragments of raw material 3. This step El is carried out with the conveyor 11.
  • step E2 preheating the raw material fragments 3 with a preheating temperature greater than or equal to 75% of the liquidus temperature of said raw material fragments 3, and strictly lower than the liquidus temperature of said raw material fragments 3.
  • This step E2 preheating is performed with the preheating device 16.
  • the method comprises the following steps, as illustrated in FIG. 5:
  • step E31 of fusion in the first tank 12 is a variant of the step E3 of fusion in at least one tank.
  • step E41 of maintaining the fusion in the first tank 12 is a variant of the step E4 of maintaining the fusion in at least one tank.
  • step E42 of maintaining the fusion in the second tank 13 is a variant of the step E4 of maintaining the fusion in at least one tank.
  • step E51 pour the liquid metal 4 of the second tank 13 into the crucible 15 by overflow of said second tank 13 into said crucible 15.
  • This step E51 of pouring into the crucible 15 by overflow of the second tank 13 is a variant of step E5 pouring into the crucible 15 by overflow of at least one basin.
  • the method of manufacturing the ingot 2 from a metallic compound based on titanium can comprise a step of controlling the orientation of the beam heater F carried out during the preheating step E2 of the raw material fragments 3. This step of controlling the orientation of the heating beam F is performed by the image analysis device 16d from images acquired by the device d image acquisition 16c.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un lingot (2) en composé métallique à base de titane comprenant les étapes suivantes : - fournir des fragments de matière première (3); - fondre les fragments de matière première (3) en un métal liquide (4) dans au moins un bassin; - maintenir en fusion le métal liquide (4) dans ledit au moins un bassin; - verser le métal liquide (4) du au moins un bassin dans un creuset (15) par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset (15); - former un lingot (2) par refroidissement du métal liquide (4) dans le creuset (15); caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape suivante : - préchauffer les fragments de matière première (3) avant la fusion desdits fragments de matière première (3) avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première (3), et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première (3).

Description

Titre de l'invention
Procédé de fabrication de lingots en composé métallique à base de titane Arrière-olan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de lingots en composé métallique à base de titane, tels que des alliages ou des composés intermétalliques, notamment pour la fabrication de pièces pour un aéronef.
Les lingots en alliage à base de titane, ou en composé intermétallique à base de titane, sont généralement fabriqués par fusion de fragments de matière première dans différents bassins, le métal liquide étant ensuite versé dans un creuset afin de refroidir et solidifier le métal pour former les lingots.
Toutefois, le procédé de fabrication conventionnel des lingots de titane peut aboutir à un problème d'abattement des propriétés mécaniques du lingot obtenu par rapport aux propriétés mécaniques désirées.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier un tel inconvénient en proposant, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane comprenant les étapes suivantes :
- fournir des fragments de matière première ;
- fondre les fragments de matière première en un métal liquide dans au moins un bassin ;
- maintenir en fusion le métal liquide dans ledit au moins un bassin ;
- verser le métal liquide du au moins un bassin dans un creuset par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset ;
- former un lingot par refroidissement du métal liquide dans le creuset ; caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape suivante :
- préchauffer les fragments de matière première avant la fusion desdits fragments de matière première avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première, ladite température de préchauffage étant strictement inférieure à la température de liquidus. Une telle étape de préchauffage des fragments de matière première permet d'améliorer l'homogénéité du métal dans le bassin, notamment par réduction de la présence d'infondus dans le bassin.
De plus, un tel préchauffage permet de réduire la diminution de température dans le bassin lorsque du métal nouvellement fondu tombe dans ledit bassin, améliorant ainsi également l'homogénéité par facilitation de la dissolution des infondus dans le bassin, et accroissant la vitesse de fusion du composé métallique permettant des gains productifs.
En outre, un tel préchauffage permet de réduire le choc thermique subi par les matières premières lors de l'étape de fusion, réduisant ainsi les dégagements gazeux des matières premières. Ces dégagements gazeux peuvent provoquer des réactions qui sont susceptibles de créer des inclusions, ces inclusions diminuant les propriétés mécaniques des lingots. Les réactions provoquées par les dégagements gazeux peuvent également produire des éléments qui se déposent au niveau du creuset, diminuant ainsi les propriétés mécaniques des lingots. De plus, le choc thermique des matières premières favorise les projections de petites particules solides de matière première qui peuvent retomber plus aval dans le bassin et ainsi disposer d'une durée réduite pour se dissoudre, augmentant ainsi le risque que des particules infondus se trouvent dans le creuset et diminuent les propriétés mécaniques des lingots.
Une telle étape de préchauffage est particulièrement avantageuse pour la fabrication de lingots en composé métallique à base de titane car ces composés métalliques possèdent une température de fusion élevée (le titane possédant une température de fusion de 1668°C), les composés métalliques à base de titane présentant un risque plus élevé de présence de particules de métal non fondues lors de la formation du lingot.
Le procédé peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison suivant les possibilités techniques :
- la température de préchauffage est supérieure ou égale à la température de solidus des fragments de matière première ;
- la température de préchauffage est supérieure ou égale à 93% de la température de liquidus ; - le composé métallique à base de titane comprend au moins un élément possédant une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane ;
- le préchauffage des fragments de matière première est réalisé par induction ;
- le préchauffage des fragments de matière première par induction est configuré pour assurer une lévitation desdits fragments de matière première ;
- le préchauffage des fragments de matière première est réalisé par un générateur d'un faisceau chauffant ;
- le procédé comprend une étape de contrôle de l'orientation du générateur du faisceau chauffant ;
- le procédé comprend les étapes suivantes :
• fondre des fragments de matière première en un métal liquide dans un premier bassin ;
• maintenir en fusion le métal liquide dans le premier bassin ;
• verser le métal liquide du premier bassin dans un deuxième bassin par débordement dudit premier bassin dans ledit deuxième bassin ;
• maintenir en fusion le métal liquide dans le deuxième bassin ;
• verser le métal liquide du deuxième bassin dans le creuset par débordement dudit deuxième bassin dans ledit creuset.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un système de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane comprenant :
- au moins un bassin qui est configuré pour recevoir du métal liquide ;
- un convoyeur qui est configuré pour acheminer des fragments de matière première vers ledit au moins un bassin ;
- un creuset qui est alimenté par débordement dudit au moins un bassin et qui est configuré pour refroidir et solidifier le métal liquide ;
- des moyens de chauffage qui sont situés en regard du au moins un bassin et du creuset et qui sont configurés pour chauffer et faire fondre des fragments de matière première dans ledit au moins un bassin et dans ledit creuset ;
caractérisé en ce que le système comprend un dispositif de préchauffage qui est configuré pour chauffer sur le convoyeur les fragments de matière première avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première, et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première.
Le système peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison suivant les possibilités techniques :
- le dispositif de préchauffage comprend un générateur d'un faisceau chauffant ;
- le système comprend un dispositif d'acquisition d'images et un dispositif d'analyse d'images, ledit dispositif d'acquisition d'images étant configuré pour acquérir des images du préchauffage des fragments de matière première par le générateur du faisceau chauffant, et ledit dispositif d'analyse d'images étant configuré pour contrôler l'orientation du générateur du faisceau chauffant à partir des images acquises par ledit dispositif d'acquisition d'image ;
- le dispositif de préchauffage comprend un dispositif de préchauffage par induction ;
- le dispositif de préchauffage par induction est configuré pour assurer une lévitation des fragments de matière première.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 représente schématiquement un système de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une première variante de réalisation d'un dispositif de préchauffage du système de fabrication d'un lingot ;
- la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif de préchauffage ;
- la figure 4 représente une vue schématique des différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane selon une mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 5 représente une vue schématique des différentes étapes du procédé de fabrication mis en œuvre avec la variante du système de fabrication de la figure 1.
Description détaillée de l'invention
Comme illustrée sur la figure 1, un système 1 de fabrication d'un lingot 2 en composé métallique à base de titane comprend un convoyeur 11 sur lequel sont acheminés des fragments de matière première 3. Le convoyeur 11 peut par exemple être formé par une table vibrante, un vérin poussoir, un tapis roulant, ou une vis sans fin.
Les fragments de matière première 3 peuvent être des alliages mères, des fragments de matériaux recyclés, ou de la matière première vierge d'alliage à base de titane ou de composé intermétallique à base de titane. Typiquement, les fragments de matière première 3 peuvent être formés par des blocs de particules, telles que des copeaux, qui sont agglomérées et compactées à la presse, ces blocs possédant une longueur comprise entre 20cm et 50cm par exemple.
Par composé métallique à base de titane on comprend ici soit un alliage à base de titane, c'est-à-dire un alliage dont le titane est le principal constituant, soit un composé intermétallique à base de titane, c'est-à-dire un composé intermétallique dont le titane est le principal constituant. Un alliage est une combinaison de différents métaux, tandis qu'un composé intermétallique est une combinaison d'au moins un métal avec au moins un métalloïde.
Le composé métallique peut par exemple être un alliage parmi les alliages suivants : Til7, TiBetalô, T121S, TÎ6242, et TΊ6246 ; ou bien un composé intermétallique parmi les composés intermétalliques suivants : TiAI 48-2-2, et TiNMBl. Les exemples donnés ne sont pas limitatifs, d'autres alliages ou composés intermétalliques à base de titane peuvent être utilisés.
Le système 1 comprend au moins un bassin dans lequel les fragments de matière première 3 sont fondus. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, le système 1 comprend un premier bassin 12 et un deuxième bassin 13 situé en aval dudit premier bassin 12. Le nombre de bassin peut cependant être plus important, le système 1 pouvant ainsi comprendre trois ou quatre bassins par exemple, ou bien moins important, le système 1 pouvant ainsi comprendre un unique bassin.
Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 recueillent du métal liquide 4 obtenu par la fusion des fragments de matière première 3.
Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 sont formés d'une part par une paroi qui reçoit le métal liquide 4, ladite paroi étant par exemple en cuivre, et d'autre part par un dispositif de refroidissement qui permet de maintenir la paroi à une température inférieure à sa température de détérioration, ledit dispositif de refroidissement étant typiquement réalisé par un circuit de circulation d'un liquide de refroidissement.
Les fragments de matière première 3 sont fondus dans le premier bassin 12, puis le métal liquide 4 obtenu par la fusion desdits fragments de matière première 3 est transféré dans le deuxième bassin 13.
La fusion des fragments de matière première 3 est réalisée par des moyens de chauffage 14 qui sont situés en regard du premier bassin 12 et du deuxième bassin 13.
Les moyens de chauffage 14 peuvent par exemple être formés par des torches plasma, des canons à électrons, des générateurs d'arcs électriques, des générateurs lasers, ou des moyens de chauffage par induction.
De plus, les moyens de chauffage 14 sont configurés pour maintenir en fusion le métal liquide 4 dans les premiers et deuxième bassins 12 et 13 afin de placer le métal liquide 4 dans l'état métallurgique désiré.
L'atmosphère dans laquelle sont situés le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 peut être contrôlée. Afin que le métal liquide 4 ne réagisse pas avec l'atmosphère, l'atmosphère contrôlée peut par exemple être réalisée par une atmosphère sous vide ou bien par une atmosphère de gaz inerte sous une pression contrôlée. Selon une autre variante possible, l'atmosphère contrôlée est formée par un gaz spécifique sous une pression contrôlée, ledit gaz spécifique étant adapté pour réagir avec le métal liquide 4 afin de charger ledit métal liquide 4, et ainsi le composé métallique du lingot 2, avec ledit gaz spécifique. Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 peuvent également être exposés à une atmosphère non contrôlée.
Comme illustré sur la figure 1, le système 1 comprend un creuset 15 dans lequel le métal liquide 4 du deuxième bassin 13 est versé afin de refroidir ledit métal liquide 4, le solidifier et ainsi former un front d'avancement de métal solide 5 qui est mis en forme afin former le lingot 2 par coulée semi-continue.
Afin de refroidir le métal liquide 4 qui est versé dans le creuset 15, ledit creuset 15 comprend un circuit de refroidissement qui refroidi les parois dudit creuset 15. Les parois du creuset 15, qui sont refroidies par le circuit de refroidissement, sont réalisées en un matériau à forte conductivité thermique, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre.
Par ailleurs, comme visible sur la figure 1, les moyens de chauffage 14 sont également situés en regard du creuset 15 et sont configurés pour maintenir en fusion le métal liquide 4 dans la partie haute du creuset 15.
Le métal liquide 4 est transféré du premier bassin 12 vers le deuxième bassin 13, et du deuxième bassin 13 vers le creuset 15 par débordement. Autrement dit, le deuxième bassin 13 est alimenté par débordement du métal liquide 4 du premier bassin 12 vers ledit deuxième bassin, et le creuset 15 est alimenté par débordement du métal liquide 4 du deuxième bassin 13 vers ledit creuset 15. Une telle caractéristique permet de limiter le risque qu'une particule de métal non-fondue atteigne le creuset 15, ce qui réduirait les propriétés mécaniques du lingot 2. En effet, le métal encore solide tend à tomber au fond du premier bassin 13 et du deuxième bassin 14.
Afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques du lingot 2 du composé métallique à base de titane, le système 1 comprend un dispositif de préchauffage 16 qui est situé en regard du convoyeur 11 et qui est configuré pour préchauffer les fragments de matière première 3 avant que lesdits fragments de matière première 3 soient fondues dans le premier bassin 12.
Le dispositif de préchauffage 16 est configuré pour chauffer les fragments de matière première 3 à une température de préchauffage qui est supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première 3, et qui est strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première 3.
Une telle température de préchauffage permet de diminuer le gradient de température à l'entrée du premier bassin 12. Cela permet de faciliter la fusion des fragments de matière première 3, ce qui réduit la présence de particules de métal infondues dans les premier et deuxième bassins 12 et 13, limitant ainsi le risque que ces particules de métal infondues atteignent le creuset 15.
Le préchauffage selon l'invention permet notamment de réduire la présence des particules de métal infondues de faible taille grâce à la facilitation de la fusion de ces particules, les particules de faible taille étant les plus susceptibles de ne pas tomber au fond des premier et deuxième bassins 12 et 13 et donc d'être versées avec le métal liquide 4 dans le creuset 15.
De plus, une telle température de préchauffage permet de réduire le choc thermique subi par les fragments de matière première 3 lorsqu'ils arrivent dans le premier bassin 12. La réduction du choc thermique permet de réduire les dégagements gazeux, limitant ainsi les réactions provoquées par ces dégagements gazeux qui sont susceptibles de produire des éléments non désirés dans le composé métallique dégradant les propriétés mécaniques du lingot.
De manière préférentielle, la température de préchauffage est supérieure ou égale à la température de solidus du composé métallique, ce qui permet d'accélérer d'avantage la dissolution des particules de métal solide dans les premier et deuxième bassins 12 et 13, et permet de réduire le choc thermique. La température de préchauffage est toujours strictement inférieure à la température de liquidus de l'alliage.
Ainsi, les fragments de matière première 3 sont partiellement fondus car ils sont à une température supérieure à la température de solidus mais strictement inférieure à la température de liquidus du composé métallique.
De manière encore plus préférentielle, la température de préchauffage est supérieure ou égale à 93% de la température de liquidus de l'alliage, permettant d'accélérer encore plus la dissolution des particules de métal solide, et de réduire encore plus la différence de température subie par les fragments de matière première 3. Là encore, la température de préchauffage est strictement inférieure à la température de liquidus de l'alliage.
L'invention est particulièrement avantageuse pour les composés métalliques à base de titane qui comprennent des éléments possédant une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane, comme par exemple du molybdène, du vanadium, ou du tantale. En effet, les éléments présents dans le composé métallique qui possèdent une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane, comme par exemple le molybdène, le vanadium et le tantale, sont des éléments qui tendent à former des particules non-fondues dans le métal liquide 4 qui peuvent atteindre le creuset 15.
Selon une première variante possible illustrée sur la figure 2, le dispositif de préchauffage 16 comprend un dispositif de préchauffage par induction 16a. Le dispositif de préchauffage par induction 16a peut être formé par un solénoïde comme cela illustré sur la figure 2, ou bien par une plaque à induction parallèle au convoyeur 11.
Selon une caractéristique avantageuse permettant de limiter la pollution des fragments de matière première 3 par le contact avec le convoyeur 11, le dispositif de préchauffage par induction 16a est configuré pour assurer une lévitation desdits fragments de matière première 3 au- dessus du convoyeur 11.
La configuration du dispositif de préchauffage par induction 16a pour assurer la montée en température progressive et la lévitation des fragments de matière première est réalisée en adaptant l'intensité et la fréquence du courant électrique traversant ledit dispositif de préchauffage par induction 16a.
Selon une deuxième variante de réalisation illustrée sur la figure 3, le dispositif de préchauffage 16 comprend un générateur 16b d'un faisceau chauffant F, comme par exemple un foyer lumineux, un générateur de faisceau à électron, une torche plasma, ou encore un générateur laser.
De manière avantageuse, afin d'améliorer l'efficacité du préchauffage des fragments de matière première 3, le dispositif de préchauffage comprend un dispositif d'acquisition d'images 16c, comme par exemple une caméra, et un dispositif d'analyse d'images 16d, comme par exemple un processeur et une mémoire sur laquelle est enregistrée un programme de traitement d'image. Le dispositif d'acquisition d'images 16c est configuré pour acquérir des images du préchauffage des fragments de matière première 3 par le générateur 16b du faisceau chauffant F.
Le dispositif d'acquisition d'images 16c est également configuré pour transmettre les images acquises au dispositif d'analyse d'images 16d. Le dispositif d'analyse d'images 16d est quant à lui configuré pour analyser les images transmises par le dispositif d'acquisition d'images 16c et contrôler l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F par vérification que le faisceau chauffant F est bien dirigé vers les fragments de matière première 3, et non dirigé à côté desdits fragments de matière première 3, directement vers le convoyeur 11.
Lorsque le dispositif d'analyse d'images 16d détecte que le faisceau chauffant F n'est pas dirigé correctement, ledit dispositif d'analyse d'images 16d peut émettre une alerte pour qu'un opérateur ou un automate corrige l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F. Le dispositif d'analyse d'images 16d peut également être configuré pour commander l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F afin que lorsque ledit dispositif d'analyse d'images 16d détecte que le faisceau chauffant F n'est pas dirigé correctement, ledit dispositif d'analyse d'images 16d corrige automatiquement l'orientation dudit générateur 16b du faisceau chauffant F.
Le système 1 de fabrication du lingot 2 en composé métallique à base de titane est configuré pour mettre en œuvre le procédé de fabrication illustré sur la figure 4.
Comme illustré sur la figure 4, le procédé de fabrication du lingot 2 comprend les étapes suivantes :
- El : fournir les fragments de matière première 3. Cette étape El est réalisée avec le convoyeur 11.
- E2 : préchauffer les fragments de matière première 3 avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première 3, et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première 3. Cette étape de préchauffage E2 est réalisée avec le dispositif de préchauffage 16.
- E3 : fondre les fragments de matière première 3 en un métal liquide 4 dans au moins un bassin. Cette étape de fusion est réalisée après l'étape E2 de préchauffage. Cette étape de fusion E3 est réalisée avec les moyens de chauffage 14.
- E4 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans ledit au moins un bassin. Cette étape de maintien en fusion permet de placer le métal liquide 4 dans l'état métallurgique désiré, et permet en plus d'assurer une bonne dissolution des particules de métal non-fondues. Cette étape de de maintien en fusion E4 est réalisée avec les moyens de chauffage 14.
- E5 : verser le métal liquide 4 du au moins un bassin dans le creuset 15 par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset 15.
- E6 : former le lingot 2 par refroidissement du métal liquide 4 dans le creuset 15.
Avec le mode de réalisation du système 1 illustré sur la figure 1, le procédé comprend les étapes suivantes, comme illustré sur la figure 5 :
- E31 : fondre les fragments de matière première 3 en un métal liquide 4 dans le premier bassin 12. Cette étape E31 de fusion dans le premier bassin 12 est une variante de l'étape E3 de fusion dans au moins un bassin.
- E41 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans le premier bassin 12. Cette étape E41 de maintien en fusion dans le premier bassin 12 est une variante de l'étape E4 de maintien en fusion dans au moins un bassin.
- E5' : verser le métal liquide 4 du premier bassin 12 dans le deuxième bassin 13 par débordement dudit premier bassin 12 dans ledit deuxième bassin 13.
- E42 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans le deuxième bassin 13. Cette étape E42 de maintien en fusion dans le deuxième bassin 13 est une variante de l'étape E4 de maintien en fusion dans au moins un bassin.
- E51 : verser le métal liquide 4 du deuxième bassin 13 dans le creuset 15 par débordement dudit deuxième bassin 13 dans ledit creuset 15. Cette étape E51 de versage dans le creuset 15 par débordement du deuxième bassin 13 est une variante de l'étape E5 de versage dans le creuset 15 par débordement d'au moins un bassin.
Par ailleurs, lorsque le préchauffage des fragments de matière première 3 est réalisé avec un générateur 16b d'un faisceau chauffant F, le procédé de fabrication du lingot 2 en composé métallique à base de titane peut comprendre une étape de contrôle de l'orientation du faisceau chauffant F effectuée durant l'étape de préchauffage E2 des fragments de matière première 3. Cette étape de contrôle de l'orientation du faisceau chauffant F est réalisée par le dispositif d'analyse d'images 16d à partir des images acquises par le dispositif d'acquisition d'images 16c.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un lingot (2) en composé métallique à base de titane comprenant les étapes suivantes :
- (El) fournir des fragments de matière première (3) ;
- (E3) fondre les fragments de matière première (3) en un métal liquide (4) dans au moins un bassin ;
- (E4) maintenir en fusion le métal liquide (4) dans ledit au moins un bassin ;
- (E5) verser le métal liquide (4) du au moins un bassin dans un creuset (15) par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset (15) ;
- (E6) former un lingot (2) par refroidissement du métal liquide (4) dans le creuset (15) ;
caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape suivante :
- (E2) préchauffer les fragments de matière première (3) avant la fusion desdits fragments de matière première (3) avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première (3), et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première (3).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température de préchauffage est supérieure ou égale à la température de solidus des fragments de matière première (3).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la température de préchauffage est supérieure ou égale à 93% de la température de liquidus. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le composé métallique à base de titane comprend au moins un élément possédant une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le préchauffage des fragments de matière première (3) est réalisé par induction.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le préchauffage des fragments de matière première (3) est réalisé par un générateur (16b) d'un faisceau chauffant (F). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit procédé comprend une étape de contrôle de l'orientation du générateur (16b) du faisceau chauffant (F).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le procédé comprend les étapes suivantes :
- (E31) : fondre des fragments de matière première (3) en un métal liquide (4) dans un premier bassin (12) ;
- (E41) : maintenir en fusion le métal liquide (4) dans le premier bassin
(12) ;
- (E5 : verser le métal liquide (4) du premier bassin (12) dans un deuxième bassin (13) par débordement dudit premier bassin (12) dans ledit deuxième bassin (13) ;
- (E42) : maintenir en fusion le métal liquide (4) dans le deuxième bassin (13) ;
- (E51) : verser le métal liquide (4) du deuxième bassin (13) dans le creuset (15) par débordement dudit deuxième bassin (13) dans ledit creuset (15).
9. Système (1) de fabrication de fabrication d'un lingot (2) en composé métallique à base de titane comprenant :
- au moins un bassin qui est configuré pour recevoir du métal liquide (4) ;
- un convoyeur (11) qui est configuré pour acheminer des fragments de matière première (3) vers ledit au moins un bassin ;
- un creuset (15) qui est alimenté par débordement dudit au moins un bassin et qui est configuré pour refroidir et solidifier le métal liquide (4) ; - des moyens de chauffage (14) qui sont situés en regard du au moins un bassin et du creuset (15) et qui sont configurés pour faire fondre et maintenir en fusion des fragments de matière première (3) dans ledit au moins un bassin et dans ledit creuset (15) ;
caractérisé en ce que le système (1) comprend un dispositif de préchauffage (16) qui est configuré pour chauffer sur le convoyeur (11) lesdits fragments de matière première (3) avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première (3), et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première (3).
10. Système (1) selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de préchauffage (16) comprend un générateur (16b) d'un faisceau chauffant (F).
11. Système selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de préchauffage (16) comprend un dispositif de préchauffage par induction
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