FR2734189A1 - Compact selector for single crystal growth used esp. for casting single crystal superalloy turbine vane - Google Patents

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Abstract

Device for selecting a crystallisation grain of predetermined transverse orientation and vertical 001 direction, used in the casting of single crystal parts, comprises a starter base (10) and a two-dimensional chicane-type selector (30) in the form of a succession of straight bars with a common median symmetry plane, where the selector (30) includes at least one bar (35) inclined at 95-135 deg to each bar (34,36) adjoining its ends.

Description

DESCRIPTION
L'invention concerne un dispositif de sélection d'un grain de cristallisation utilisé dans un procédé de fabrication par fonderie de pièces monocristallines, notamment des aubes pour turbomachine en superalliage.DESCRIPTION
The invention relates to a device for selecting a grain of crystallization used in a foundry manufacturing process for monocrystalline parts, in particular blades for a superalloy turbomachine.

Selon ce procédé, d'un type connu en soi, on alimente le moule en métal fondu à sa partie supérieure et on opère une solidification dirigée dont le front progresse verticalement de bas en haut, à partir d'une sole refroidie. Pour obtenir des pièces monocristallines, un dispositif de sélection placé à la partie inférieure du moule permet de sélectionner à sa sortie un grain de cristal unique.According to this method, of a type known per se, the mold is fed with molten metal at its upper part and a directed solidification is carried out, the front of which progresses vertically from bottom to top, from a cooled sole. To obtain monocrystalline parts, a selection device placed at the bottom of the mold makes it possible to select a single crystal grain at its exit.

FR-A-1 481 366 et FR-A-2 037 187 décrivent par exemple des procédés de fabrication par fonderie de ce type, pour des pièces monocristallines.FR-A-1 481 366 and FR-A-2 037 187 describe for example manufacturing processes by foundry of this type, for monocrystalline parts.

Pour obtenir une orientation cristallographique déterminée sur la pièce on connaît également une technique d'élaboration dite à partir d'un germe-cristal constitué d'un fragment solide qui présente les orientations recherchées. Ces techniques peuvent toutefois être de mise en oeuvre délicate pour certaines applications.To obtain a determined crystallographic orientation on the part, there is also known a so-called elaboration technique from a seed crystal consisting of a solid fragment which has the desired orientations. These techniques can however be difficult to implement for certain applications.

Diverses formes de sélecteurs de grains ont également été utilisées. On connaît ainsi un sélecteur à chicanes hélicoidales et EP-A-O 105 823 décrit un exemple de sélecteur de ce type. GB-A-2 030 233 mentionne un sélecteur présentant plusieurs angles droits. Various forms of grain selectors have also been used. A selector with helical baffles is thus known and EP-A-O 105 823 describes an example of a selector of this type. GB-A-2 030 233 mentions a selector having several right angles.

Ces solutions connues n'ont pas toutefois donné entière satisfaction. L'invention vise à proposer un nouveau dispositif de sélection de grains qui réponde à plusieurs critères - le grain colonnaire unique sélectionné à la sortie du
sélecteur et développé dans la pièce monocristalline
doit être le plus proche de la direction cristallogra
phique F0013 coïncidant avec un axe choisi de la pièce
et les directions secondaires répondant également à
des axes déterminés - à chaque coulée, un taux de succès suffisant assurant
des pièces bonnes doit être obtenu, indépendamment de
variations admissibles dans les paramètres de mise en
oeuvre, tels que notamment, température du moule,
température de coulée, nature et volume de la pièce
et lors d'une coulée en grappes, indépendance de la
position de la pièce dans la grappe ou de la géométrie
de la grappe - réduction de l'encombrement du sélecteur et notamment
de sa hauteur.These known solutions have not however been entirely satisfactory. The invention aims to propose a new grain selection device which meets several criteria - the single columnar grain selected at the outlet of the
selector and developed in the monocrystalline part
must be closest to the direction crystallogra
phique F0013 coinciding with a selected axis of the part
and the secondary directions also responding to
specific axes - at each casting, a sufficient success rate ensuring
good parts must be obtained, regardless of
permissible variations in setting parameters
work, such as in particular, mold temperature,
casting temperature, type and volume of the part
and during clustering, independence of the
position of the part in the cluster or geometry
of the cluster - reduction of the size of the selector and in particular
of its height.

Un dispositif de sélection répondant à ces conditions et comportant un pion de base et un sélecteur de type bidimensionnel à chicanes dont tous les éléments forment une succession de barres rectilignes présentant un plan médian de symétrie qui est commun est caractérisé en ce que ledit sélecteur comporte au moins une barre orientée selon un angle compris entre 95 et 135 degrés par rapport à chacune des barres qui la prolongent à ses extrémités.A selection device meeting these conditions and comprising a basic pin and a selector of the two-dimensional type with baffles, all the elements of which form a succession of straight bars having a median plane of symmetry which is common is characterized in that said selector comprises at minus one bar oriented at an angle between 95 and 135 degrees relative to each of the bars which extend it at its ends.

Avantageusement, le sélecteur comporte une première barre verticale reliée au pion de base, suivie d'une deuxième barre qui est oblique, orientée à 120 degrés par rapport à la première et qui est suivie d'une troisième barre qui est verticale et suivie d'une quatrième barre, également oblique et orientée à 120 degrés par rapport à la troisième, l'extrémité de ladite quatrième barre venant se placer dans le prolongement de la première barre verticale et suivie d'une cinquième barre verticale de sortie du sélecteur.Advantageously, the selector comprises a first vertical bar connected to the base pin, followed by a second bar which is oblique, oriented 120 degrees relative to the first and which is followed by a third bar which is vertical and followed by a fourth bar, also oblique and oriented at 120 degrees with respect to the third, the end of said fourth bar coming to be placed in the extension of the first vertical bar and followed by a fifth vertical bar leaving the selector.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en perspective
d'un dispositif de sélection de grains antérieur à l'invention ; - la figure 2 représente selon une vue en perspective
analogue à celle de la figure 1, un dispositif de
sélection de grains adapté pour la fonderie monocris
talline et selon un mode de réalisation conforme à
l'invention.Other characteristics and advantages of the invention will be better understood on reading the following description of an embodiment of the invention, with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows a schematic perspective view
a grain selection device prior to the invention; - Figure 2 shows in a perspective view
similar to that of FIG. 1, a device for
grain selection suitable for the monocris foundry
talline and according to an embodiment in accordance with
the invention.

I1 est connu pour des applications en fonderie monocristalline, notamment dans la fabrication d'aubes de turbine, d'utiliser un dispositif de sélection de grains d'un type représenté sur la figure 1. Ledit dispositif comporte un pion 1 de base disposé sur une sole 2 de four. I1 is known for applications in monocrystalline foundry, in particular in the manufacture of turbine blades, to use a grain selection device of the type shown in FIG. 1. Said device comprises a basic pin 1 placed on a oven floor 2.

Ce four dans lequel est placé un moule alimenté en métal fondu à sa partie supérieure comporte toutes les dispositions connues en soi pour la réalisation de ce type d'opération. Le four n'a pas été représenté sur les dessins et n'a pas besoin d'être décrit plus en détail il comporte notamment des moyens de chauffage et des moyens d'imposer des gradients thermiques déterminés le long d'une direction privilégiée de solidification du métal fondu, notamment une sole refroidie. Au contact de ladite sole 2 refroidie, des grains colonnaires de cristallisation suivant la direction 001 se forment dans ledit pion 1. Le pion 1 est surmonté d'un sélecteur 3 de grains.La sole 2 étant considérée horizontale et la direction de solidification perpendiculaire à ladite sole étant verticale, le sélecteur 3 de grains comporte des éléments sous forme de barres rectilignes ayant tous un plan médian de symétrie commun. Ces éléments sont disposés de manière à former des chicanes et comprennent ainsi une première barre verticale 4 au-dessus du pion 1, suivie d'une deuxième barre horizontale 5, suivie d'une troisième barre verticale 6, suivie d'une quatrième barre horizontale 7 qui se trouve placée au-dessus de la deuxième barre et une cinquième barre 8 verticale, située dans le prolongement de la première barre 4,constitue la sortie du sélecteur et se raccorde sur le moule proprement dit.Le sélecteur 3 en imposant un chemin particulier au cours de leur croissance aux grains colonnaires issus du pion 1 permet d'aboutir à la sortie à un grain unique qui se dilate ensuite à la forme de la pièce monocristalline voulue dans le moule.This oven in which is placed a mold supplied with molten metal at its upper part includes all the arrangements known per se for carrying out this type of operation. The oven has not been shown in the drawings and does not need to be described in more detail. It comprises in particular heating means and means for imposing determined thermal gradients along a preferred direction of solidification. molten metal, especially a cooled sole. In contact with said cooled sole 2, columnar grains of crystallization in the direction 001 form in said pin 1. The pin 1 is surmounted by a grain selector 3. The sole 2 being considered horizontal and the direction of solidification perpendicular to said sole being vertical, the grain selector 3 comprises elements in the form of rectilinear bars all having a common median plane of symmetry. These elements are arranged so as to form baffles and thus comprise a first vertical bar 4 above the pin 1, followed by a second horizontal bar 5, followed by a third vertical bar 6, followed by a fourth horizontal bar. 7 which is placed above the second bar and a fifth vertical bar 8, located in the extension of the first bar 4, constitutes the outlet of the selector and is connected to the mold proper. The selector 3 imposing a path particular in the course of their growth with the columnar grains resulting from the pin 1 makes it possible to lead to the exit with a single grain which then expands to the shape of the desired monocrystalline part in the mold.

Toutefois cette solution connue a conduit à des résultats que l'invention vise à améliorer, concernant notamment une réduction des taux d'échecs dans la sélection d'une orientation transversale prédéterminée et de direction Cools se confondant avec la verticale et une sensibilité moins importante à des variations de paramètres de 1 'opération. However, this known solution has led to results which the invention aims to improve, in particular concerning a reduction in failure rates in the selection of a predetermined transverse orientation and of Cools direction merging with the vertical and a less significant sensitivity to variations in operating parameters.

Le dispositif de sélection de grains représenté sur la figure 2 montrant un exemple de sélecteur conforme à un mode de réalisation de l'invention permet d'obtenir de tels résultats améliorés. Le pion 10 de base est similaire au précédent représenté sur la figure 1. On conserve également le principe d'un sélecteur 30 de grains comportant des éléments sous forme de barres rectilignes ayant tous un plan médian de symétrie commun. Par contre et de manière remarquable, conforme à l'invention, une première barre verticale 34 au-dessus du pion 10 est suivie d'une deuxième barre 35 qui est inclinée sur l'horizontale d'un angle a qui est compris entre 5 et 45 degrés, la valeur préférée de l'angle a représentée sur la figure 2 étant de 30 degrés de manière que les axes médians des barres 34 et 35 situés dans un même plan font entre eux un angle de 120 degrés.La troisième barre suivante 36 est à nouveau verticale et la quatrième barre suivante 37 est également inclinée sur l'horizontale d'un angle b qui, comme précédemment pour la deuxième barre 35, est compris entre 5 et 45 degrés, la valeur préférée de l'angle b restant de 30 degrés de manière que les axes médians des barres 36 et 37 toujours situés dans un même plan font entre eux un angle de 120 degrés. La cinquième barre 38 de sortie du sélecteur 30 qui se raccorde au moule 39 de coulée de pièce monocristalline est à nouveau verticale et située dans le prolongement de la première barre 34.The grain selection device shown in FIG. 2 showing an example of a selector in accordance with an embodiment of the invention makes it possible to obtain such improved results. The basic pin 10 is similar to the previous one represented in FIG. 1. The principle of a grain selector 30 comprising elements in the form of rectilinear bars, all having a common median plane of symmetry, is also retained. By cons and remarkably, according to the invention, a first vertical bar 34 above the pin 10 is followed by a second bar 35 which is inclined to the horizontal by an angle a which is between 5 and 45 degrees, the preferred value of the angle represented in FIG. 2 being 30 degrees so that the median axes of the bars 34 and 35 located in the same plane form an angle of 120 degrees between them.The third next bar 36 is again vertical and the next fourth bar 37 is also inclined to the horizontal by an angle b which, as previously for the second bar 35, is between 5 and 45 degrees, the preferred value of the angle b remaining from 30 degrees so that the median axes of bars 36 and 37 always located in the same plane form an angle of 120 degrees between them. The fifth selector outlet bar 38 which connects to the monocrystalline part casting mold 39 is again vertical and located in the extension of the first bar 34.

Le dispositif de sélection est entièrement entouré, d'une manière connue en soi, d'une carapace 40 en matériau thermiquement isolant et résistant aux hautes températures de type céramique. Les paramètres de dimensionnement du sélecteur de grains conforme à l'invention sont déterminés en fonction des dimensions du four utilisé et des pièces à obtenir et en fonction des gradients thermiques résultant des conditions de mise en oeuvre de la coulée des pièces. Le pion 1 de base, de forme préférée cylindrique présente ainsi un diamètre D choisi de manière à favoriser le nombre de grains tandis que les barres du sélecteur présentent une section identique, de forme préférée rectangulaire de côtés e et f de manière à limiter le nombre de grains et à limiter les effets de bord.La présence des angles a et b pour les barres non horizontales 35 et 37 permet d'éviter une détérioration du sélecteur par affaissement de ces barres et apparition en cours d'utilisation d'un angle inférieur à 90 degrés entre lesdites barres 35 et 37 et les barres verticales associées respectivement. La disposition non horizontale desdites barres 35 et 37 permet, notamment et de manière remarquable conforme à l'invention, d'éliminer des grains issus du pion 1 dont l'orientation cristallographique n'est pas satisfaisante et d'assurer ainsi une qualité améliorée du grain unique obtenu à la sortie du sélecteur. La longueur desdites barres 35 et 37 est par ailleurs déterminée de manière à contrôler le gradient thermique. Pour une application particulière, les paramètres suivants de dimensionnement du dispositif de sélection conforme à l'invention représenté sur la figure 2 ont ainsi été obtenus, exprimés en millimètres :
D = 15 à 20 ; H1 = 10 à 15 (hauteur du pion)
H2 = 10 à 15 (hauteur de la première et
de la troisième barres) g = 25 à 30 (longueur horizontale) , e = f = 4 à 5 i = 5 (hauteur de sortie), H = 60 à 70 (hauteur totale) a = b = 30 degrés. The selection device is entirely surrounded, in a manner known per se, by a shell 40 made of thermally insulating material and resistant to high temperatures of the ceramic type. The dimensioning parameters of the grain selector according to the invention are determined as a function of the dimensions of the furnace used and of the parts to be obtained and as a function of the thermal gradients resulting from the conditions of implementation of the casting of the parts. The basic pin 1, of cylindrical preferred shape, thus has a diameter D chosen so as to favor the number of grains while the selector bars have an identical section, of rectangular preferred shape with sides e and f so as to limit the number grains and to limit edge effects. The presence of angles a and b for non-horizontal bars 35 and 37 makes it possible to avoid deterioration of the selector by sagging of these bars and appearance during use of a lower angle. at 90 degrees between said bars 35 and 37 and the associated vertical bars respectively. The non-horizontal arrangement of said bars 35 and 37 makes it possible, in particular and in a remarkable manner in accordance with the invention, to eliminate grains coming from pin 1 whose crystallographic orientation is not satisfactory and thus to ensure an improved quality of the single grain obtained at the output of the selector. The length of said bars 35 and 37 is also determined so as to control the thermal gradient. For a particular application, the following parameters for dimensioning the selection device according to the invention shown in FIG. 2 were thus obtained, expressed in millimeters:
D = 15 to 20; H1 = 10 to 15 (pawn height)
H2 = 10 to 15 (height of the first and
from the third bar) g = 25 to 30 (horizontal length), e = f = 4 to 5 i = 5 (outlet height), H = 60 to 70 (total height) a = b = 30 degrees.

Claims (2)

REVENDICATIONS 1. Dispositif de sélection d'un grain de cristallisation d'orientation transversale prédéterminée et de direction g0010 se confondant avec la verticale, destiné à la fabrication par fonderie de pièces monocristallines comportant un pion (10) de base et un sélecteur (30) de type bidimensionnel à chicanes dont tous les éléments formant une succession de barres rectilignes présentent un plan médian de symétrie qui est commun caractérisé en ce que ledit sélecteur (30) comporte au moins une barre (35) orientée selon un angle compris entre 95 et 135 degrés par rapport à chacune des barres (34, 36) qui la prolongent à ses extrémités.1. Device for selecting a grain of crystallization of predetermined transverse orientation and direction g0010 merging with the vertical, intended for the manufacture by foundry of monocrystalline parts comprising a base pin (10) and a selector (30) of two-dimensional type with baffles in which all the elements forming a succession of straight bars have a median plane of symmetry which is common, characterized in that said selector (30) comprises at least one bar (35) oriented at an angle between 95 and 135 degrees relative to each of the bars (34, 36) which extend it at its ends. 2. Dispositif de sélection selon la revendication 1 dans lequel ledit sélecteur (30) comporte une première barre (34) reliée au pion de base (10) et qui est verticale, suivie d'une deuxième barre (35) qui est oblique, orientée à 120 degrés par rapport à la première (34) et qui est suivie d'une troisième barre (36) qui est verticale et suivie d'une quatrième barre (37), également oblique et orientée à 120 degrés par rapport à la troisième (36), l'extrémité de ladite quatrième barre (37) venant se placer dans le prolongement de la première barre (34) verticale et suivie d'une cinquième barre (38) verticale de sortie du sélecteur. 2. Selection device according to claim 1 wherein said selector (30) comprises a first bar (34) connected to the base pin (10) and which is vertical, followed by a second bar (35) which is oblique, oriented 120 degrees from the first (34) and which is followed by a third bar (36) which is vertical and followed by a fourth bar (37), also oblique and oriented 120 degrees from the third ( 36), the end of said fourth bar (37) being placed in the extension of the first vertical bar (34) and followed by a fifth vertical bar (38) for output from the selector.
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