FR2978927A1

FR2978927A1 - Procede de fonderie de pieces metalliques monocristallines

Info

Publication number: FR2978927A1
Application number: FR1157264A
Authority: FR
Inventors: Celine Yanxi Chan; Benoit Georges Jocelyn Marie; David Locatelli
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-15
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: RU2605023C2; US20140193291A1; EP2741876A1; BR112014003169B1; BR112014003169A2; CN103747896B; EP2741876B2; WO2013021130A1; EP2741876B1; CN103747896A; CA2844584C; US9731350B2; CA2844584A1; FR2978927B1; RU2014108855A

Abstract

L'invention concerne le domaine de la fonderie, et en particulier un procédé de fonderie de pièces métalliques monocristallines (256), comportant au moins la coulée d'un alliage fondu (254) dans une cavité (251) d'un moule (250) à travers au moins un canal de coulée (252) dans le moule (250), le traitement thermique de l'alliage, et le décochage du moule (250), et dans lequel le traitement thermique est effectué avant la fin du décochage

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention concerne le domaine de la fonderie, et en particulier la fonderie de pièces métalliques monocristallines.

Les alliages métalliques traditionnels sont polycristallins équiaxes : à l'état solide, ils forment une pluralité de grains de taille sensiblement identique, typiquement de l'ordre de 1 mm, mais d'orientation plus ou moins aléatoire. Les joints entre grains constituent des points faibles dans une pièce métallique produite en un tel alliage. L'utilisation d'additifs pour renforcer ces joints inter-grains présente toutefois le défaut de réduire la température du point de fusion, ce qui est particulièrement inconvénient quand les pièces ainsi produites sont destinées à être utilisées à haute température.

Afin de résoudre cet inconvénient, des alliages polycristallins colonnaires ont été initialement proposés dont les grains se solidifient avec une orientation déterminée. Ceci permet, en orientant les grains dans la direction de charge principale de la pièce métallique, d'augmenter la résistance de ces pièces dans une direction particulière. Toutefois, même dans des pièces soumis à des efforts fortement orientés suivant un axe particulier, comme par exemple les aubes de turbine soumises aux forces centrifuges, il peut aussi être avantageux d'offrir une résistance accrue dans les autres axes.

Avec cet objet, depuis la fin des années 1979, des nouveaux alliages métalliques dits monocristallins ont été développés permettant la production en fonderie de pièces formées par un seul grain. Typiquement ces alliages monocristallins sont des alliages de nickel avec une concentration de titanium et/ou d'aluminium inférieure à 10% molaire. Ainsi, après leur solidification, ces alliages forment des solides biphasiques, avec une première phase Y et une deuxième phase Y'. La phase Y présente un réseau cristallin cubique à face centrée, dans lequel les atomes de nickel, aluminium et/ou titanium peuvent occuper n'importe quelle des positions. Par contre, dans la phase Y', les atomes d'aluminium

et/ou titanium forment une configuration cubique, occupant les huit coins du cube, tandis que des atomes de nickel occupent les faces du cube.

Un de ces nouveaux alliages est l'alliage de nickel « AMI » développé conjointement par la SNECMA et les laboratoires de l'ONERA, l'Ecole des Mines de Paris, et IMPHY SA. Les pièces produites en un tel alliage peuvent atteindre non seulement des tenues mécaniques particulièrement élevées dans tous les axes d'effort, mais aussi une tenue thermique améliorée, puisqu'on peut se passer des additifs destinés à lier plus fortement entre eux les grains cristallins. Ainsi, des pièces métalliques produites à base de tels alliages monocristallins peuvent être avantageusement utilisées, par exemple, dans les parties chaudes de turbines.

Toutefois, même en utilisant ces alliages spéciaux, il peut être difficile d'éviter un phénomène de recristallisation pendant la production de telles pièces, introduisant des nouveaux grains cristallins, et donc des nouveaux points faibles dans la pièce. Dans un procédé de fonderie traditionnel, l'alliage fondu est coulé dans une cavité d'un moule à travers au moins un canal de coulée dans le moule, le moule est décoché après solidification de l'alliage, afin de libérer la pièce, et celle-ci est ensuite soumise à un traitement thermique, tel que par exemple une trempe dans lequel le métal est d'abord chauffé, pour ensuite être refroidi rapidement, afin d'homogénéiser les phases Y et Y' dans le monocristal sans provoquer sa fusion.

Toutefois, les chocs mécaniques auxquels les pièces sont soumises après la coulée peuvent déstabiliser localement le réseau cristallin du monocristal. Ensuite, le traitement thermique peut déclencher des recristallisations intempestives dans les endroits ainsi déstabilisés, perdant ainsi le caractère monocristallin de la pièce et introduisant des points faibles dans celle-ci. Même avec des grands efforts, il est très difficile d'éviter des chocs mécaniques dans la manipulation de moules pouvant avoir une masse de plusieurs dizaine de kilos, d'autant plus que le décochage du moule implique, en soi, des chocs mécaniques. D'autre part, une réduction limitée de la température de traitement thermique, seule,

ne permet pas d'empêcher sensiblement ces phénomènes de recristallisation.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Pour cela, l'invention vise à proposer un procédé de fonderie qui permette de limiter en grande partie les phénomènes de recristallisation suite au traitement thermique des pièces après solidification de l'alliage coulé dans le moule.

Ce but est atteint grâce au fait que, dans un procédé de fonderie suivant au moins un mode de réalisation de l'invention, le traitement thermique est effectué après solidification de l'alliage dans le moule mais avant la fin du décochage. 15 Grâce à ces dispositions, le traitement thermique est effectué avant des opérations pouvant fragiliser la structure cristalline du monocristal formant la pièce. Alors que la personne du métier aurait pu penser que la présence au moins de restes du moule pendant le traitement thermique 20 pourrait affecter l'efficacité de celui-ci, il s'avère que le traitement thermique peut être ainsi avancé sans effets délétères sur la pièce métallique et qu'au contraire, cet avancement permet d'éviter des recristallisations intempestives pendant le traitement thermique.

25 En particulier, si ledit décochage du moule comporte une première étape de décochage au marteau, et une étape subséquente de décochage au jet d'eau, ledit traitement thermique peut être effectué avantageusement avant au moins le décochage au jet d'eau, qui se révèle être souvent à la source de phénomènes de recristallisation lors de 30 traitements thermiques subséquents.

Suivant un deuxième aspect de la présente invention, ledit canal de coulée peut comporter au moins au moins une zone de transition adjacente à ladite cavité, avec un rayon d'arrondi non inférieur à 0,3 mm 35 entre ledit canal de coulée et ladite cavité afin d'éviter un coude prononcé dans l'écoulement de l'alliage fondu, coude qui pourrait donner lieu à une 10

zone de recristallisation de l'alliage. En particulier, le canal de coulée peut présenter, dans cette zone de transition, une section élargie, par rapport à une section en amont, en direction d'un axe principal d'une section de la cavité perpendiculaire au canal de coulée. Plus particulièrement, après la coulée, cette zone de transition pourrait former au moins un voile métallique plus fin que le canal de coulée en amont, et plus particulièrement au moins un tel voile métallique de chacun de deux côtés opposés du canal de coulée. Quand le moule contient au moins un noyau pénétrant dans ladite cavité et occupant un espace adjacent audit canal de coulée afin de former une cavité dans la pièce métallique, ladite zone de transition peut former, après la coulée, au moins un voile métallique adjacent audit noyau et plus fin que le canal de coulée en amont, et en particulier au moins un voile métallique de chaque côté du noyau.

De cette manière, lors de la coulée, cette zone de transition permet de remplir la cavité de manière sensiblement simultanée sur toute sa largeur, évitant ainsi de créer, lors de la solidification de l'alliage, des irrégularités dans la structure cristalline du monocristal. Ces irrégularités pourraient en effet provoquer, lors de l'étape de traitement thermique, une recristallisation locale formant un point faible dans la pièce métallique.

Afin d'augmenter la production de pièces métalliques, le moule peut contenir une pluralité de cavités, arrangées en grappe, pour mouler une pluralité de pièces métalliques simultanément.

Le procédé suivant l'invention est particulièrement approprié pour la production de certaines pièces métalliques, comme les aubes de turbomachine. La présente invention se rapporte aussi aux pièces métalliques obtenues par ce procédé. Brève description des dessins

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation 35 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : 30

la figure 1 illustre un procédé de fonderie de l'art antérieur ; la figure 2 illustre un procédé de fonderie suivant un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 illustre la connexion entre un canal de coulée et une cavité de moulage d'un moule de l'art antérieur ; la figure 4 est une vue en perspective d'une pièce métallique produite suivant le procédé de la figure 2 ; et la figure 5 et une coupe transversale de la pièce métallique de la figure 4 dans le plan V-V.

Description détaillée de l'invention

Un procédé classique de fonderie, tel qu'utilisé par exemple dans la production d'aubes de turbomachine et plus particulièrement d'aubes de turbine haute pression, est illustré sur la figure 1. Dans une première étape, un moule céramique 150 est produit, typiquement par le procédé de la cire perdue, bien que d'autres procédés classiques puissent être utilisés alternativement. Ce moule céramique 150 comporte une grappe de cavités 151 reliées par des canaux de coulée 152 à un orifice 153 à l'extérieur du moule 150. Chaque cavité 151 est conformée pour mouler une pièce métallique à produire. Dans ce cas, les pièces à produire étant creuses, le moule 150 comporte aussi des noyaux 155 pénétrant dans chacune des cavités 151. Après cette première étape, dans une étape de coulée, un alliage fondu 154 est versé dans l'orifice 153 pour remplir les cavités 151 à travers les canaux de coulée 152.

Après solidification de l'alliage, dans une troisième étape, on procède au décochage initial du moule 150 au marteau, afin de libérer du moule 150 les pièces métalliques 156 unies en une grappe 157. Afin d'éliminer les derniers restes du moule 150, on procède ensuite à une étape supplémentaire de décochage par jet d'eau. Dans l'étape suivante S105, les pièces individuelles 156 sont découpées de la grappe 157. Les noyaux 155 sont ensuite décochés de chaque pièce 156 dans l'étape suivante, et les pièces 156 sont finalement traitées thermiquement. Ce traitement thermique peut être, par exemple, une trempe, dans laquelle les pièces

156 sont brièvement chauffées, pour être ensuite rapidement refroidies, afin d'endurcir l'alliage des pièces.

Parmi les alliages pouvant être utilisés dans ce procédé, on compte notamment les alliages dits monocristallins, qui permettent la production de pièces formées par un seul grain cristallin, ou monocristal. Toutefois, dans ce procédé de l'art antérieur, le traitement thermique, dont l'objet est en fait l'homogénéisation des phases Y et Y' dans le monocristal, peut déclencher des phénomènes de recristallisation fragilisant localement les pièces. Afin d'éviter cet inconvénient, dans un procédé de fonderie suivant un mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, l'ordre des opérations est modifié, de manière à avancer l'étape de traitement thermique.

Ainsi, dans ce procédé illustré sur la figure 2, la première étape est aussi la production d'un moule céramique 250. Comme dans l'art antérieur, ce moule céramique 250 peut aussi être produit par le procédé de la cire perdue, ou par un autre procédé alternatif parmi ceux connus de la personne du métier. En outre, comme dans l'art antérieur, ce moule céramique 250 comporte une grappe de cavités 251 reliées par des canaux de coulée 252 à un orifice 253 à l'extérieur du moule 250. Chaque cavité 251 est aussi conformée pour mouler une pièce métallique à produire. En outre, les pièces à produire étant aussi creuses, le moule 250 comporte également des noyaux 255 pénétrant dans chacune des cavités 251.

Après la première étape, et aussi comme dans l'art antérieur, dans une étape de coulée, un alliage fondu 254 est versé dans l'orifice 253 pour remplir les cavités 251 à travers les canaux de coulée 252. Après solidification de l'alliage, dans une troisième étape, on procède aussi au décochage initial du moule 250 au marteau, afin de libérer du moule 250 les pièces métalliques 256 unies en une grappe 257. Toutefois, dans ce procédé, après ce décochage initial, or procède directement à l'étape de traitement thermique. Pendant ce traitement thermique, les pièces métalliques 256, formant encore une grappe 257 avec encore des restes du moule 250, sont directement soumises à, par exemple, une trempe,

dans laquelle les pièces 256 sont brièvement chauffées, pour être ensuite rapidement refroidies.

Afin d'éliminer les derniers restes du moule 250, on peut procéder ensuite au décochage par jet d'eau dans l'étape suivante. Finalement, les pièces individuelles 256 sont découpées de la grappe 257, et les noyaux 255 sont ensuite décochés de chaque pièce 256, déjà traitée thermiquement avant le décochage au jet d'eau.

Grâce à l'avancement de l'étape de traitement thermique, il est possible de réduire les phénomènes de recristallisation lors de cette étape. Toutefois, afin de réduire cette recristallisation de manière encore plus complète et surtout plus fiable, il convient aussi de donner une forme appropriée aux canaux de coulée 252. Dans la figure 3, on peut voir la connexion entre un canal de coulée 152 et une cavité de moulage 151 dans le moule 150 de l'art antérieur. Cette connexion forme des coudes très prononcés entre le canal 152 et la cavité 151, coudes qui peuvent provoquer la formation de zones de recristallisation 160 pendant le traitement thermique.

Dans le moule 250 du procédé illustré sur la figure 2, afin d'éviter la formation de telles zones de recristallisation dans chaque pièce 256 autour des canaux de coulée 252, ces canaux 252 peuvent comprendre des zones de transition adjacentes aux cavités 251. Dans cette zone de transition, le canal de coulée 252 s'élargit progressivement dans la direction d'un axe principal X d'une section S de la cavité 251 dans un plan A perpendiculaire au canal de coulée, de manière à ce que que le rayon d'arrondi entre le canal de coulée 252 et la cavité 251 ne soit pas inférieur à 0,3 mm. En particulier, dans le mode de réalisation illustré, dans lequel le moule 250 comporte aussi au noyau 253 adjacent au canal de coulée 252, cette zone de transition s'élargit d'un côté et d'autre du noyau 253, ainsi que du côté opposé au noyau 253. Quand la cavité 251 et le canal 252 seront remplis de métal, celui-ci formera ainsi un voile 261 du côté opposé au noyau 253, et deux voiles 262, 263 adjacents au noyau 253, un de chaque côté du noyau 253, comme illustré sur les figures 4 et 5. Ces voiles 261, 262, 263

sont, perpendiculairement à l'axe X, sensiblement plus fins que le canal de coulée 252 en amont de la zone de transition.

Lors de l'étape de coulée, la présence de cette zone de transition permet ainsi de distribuer le débit d'alliage fondu sensiblement dans toute la largeur de la cavité 251, évitant ainsi la formation de zones de recristallisation subséquente.

La pièce monocristalline 256 illustrée sur la figure 4 est une aube de turbine. Les voiles 261,262 et 263 sont adjacents à la tête d'aube 265, et, pendant la coulée, l'alliage fondu s'écoule de la tête d'aube 265, à travers le pied d'aube 266, jusqu'à un canal de coulée 252 connecté à une autre cavité 251 plus en aval. L'écoulement de l'alliage fondu suit ainsi sensiblement la direction de l'axe principal Z de l'aube.

Parmi les alliages pouvant être utilisés dans ce procédé, on compte notamment les alliages monocristallins de nickel, tels que, notamment, les AMI et AM3 de SNECMA, mais aussi d'autres comme les CMSX-2® CMSX-4®, CMSX-6 ®, et CMSX-10 ® du C-M Group, les René® N5 et N6 de General Electric, les RR2000 et SRR99 de Rolls-Royce, et les PWA 1480, 1484 et 1487 de Pratt & Whitney, entre autres. Le tableau 1 illustre les compositions de ces alliages : 9 Alliage Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb Re Hf C B Ni CMSX-2 8,0 5,0 0,6 8,0 5,6 1,0 6,0 - - - - - Bal CMSX-4 6,5 9,6 0,6 6,4 5,6 1,0 6,5 - 3,0 0,1 - - Bal CMSX-6 10,0 5,0 3,0 - 4,8 4,7 6,0 - - 0,1 - - Bal CMSX-10 2,0 3,0 0,4 5,0 5,7 0,2 8,0 - 6,0 0,03 - - Bal René N5 7,0 8,0 2,0 5,0 6,2 - 7,0 - 3,0 0,2 - - Bal René N6 4,2 12,5 1,4 6,0 5,75 - 7,2 - 5,4 0,15 0,05 0,004 Bal RR2000 10,0 15,0 3,0 - 5,5 4,0 - - - - - - Bal SRR99 8,0 5,0 - 10,0 5,5 2,2 12,0 - - - - - Bal PWA1480 10,0 5,0 - 4,0 5,0 1,5 12,0 - - - 0,07 - Bal PWA1484 5,0 10,0 2,0 6,0 5,6 - 9,0 - 3,0 0,1 - - Bal PWA1487 5,0 10,0 1,9 5,9 5,6 - 8,4 - 3,0 0,25 - - Bal AMI 7,0 8,0 2,0 5,0 5,0 1,8 8,0 1,0 - - - - Bal AM3 8,0 5,5 2,25 5,0 6,0 2,0 3,5 - - - - - Bal Tableau 1 : Compositions d'alliages de nickel monocristallins en % massique Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, dans un mode de réalisation alternatif, le traitement thermique pourrait être effectué même avant le décochage initial du moule. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fonderie de pièces métalliques monocristallines (256), comportant au moins les étapes de : coulée d'un alliage fondu (254) dans une cavité (251) d'un moule (250) à travers au moins un canal de coulée (252) dans le moule (250) ; traitement thermique de l'alliage ; et décochage du moule (250) ; et caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué après solidification de l'alliage dans le moule (250) mais avant la fin du décochage.
2. Procédé de fonderie suivant la revendication 1, dans lequel ledit décochage du moule (250) comporte une première étape de décochage au marteau, et une étape subséquente de décochage au jet d'eau, ledit traitement thermique étant effectué avant au moins le décochage au jet d'eau.
3. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit canal de coulée (252) comporte au moins une zone de transition adjacente à ladite cavité (251), avec un rayon d'arrondi non inférieur à 0,3 mm entre ledit canal de coulée (252) et ladite cavité (251).
4. Procédé de fonderie suivant la revendication 3, dans lequel ledit canal de coulée (252) présente une section transversale élargie, par rapport à une section en amont, dans la direction d'un axe principal (X) d'une section (S) de la cavité (251) dans un plan (A) perpendiculaire au canal de coulée (252).
5. Procédé de fonderie suivant la revendication 4, dans lequel, après la coulée, ladite zone de transition forme au moins un voile métallique (261,262,263) plus fin que le canal de coulée (252) en amont.
6. Procédé de fonderie suivant la revendication 5, dans lequel, après la coulée, ladite zone de transition forme, de chacun de deux côtés35opposés du canal de coulée (252), au moins un voile métallique (261,262,263) plus fin que le canal de coulée (252) en amont.
7. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit moule contient au moins un noyau (255) pénétrant dans ladite cavité et occupant un espace adjacent audit canal de coulée (252) afin de former une cavité dans la pièce métallique (256), et dans lequel ladite zone de transition forme, après la coulée, au moins un voile métallique (262,263) adjacent audit noyau (255) et plus fin que le canal de coulée (252) en amont.
8. Procédé de fonderie suivant la revendication 7, dans lequel, après la coulée, ladite zone de transition forme au moins un voile métallique (262,263) adjacent audit noyau (255) de chacun de deux côtés opposés du noyau (255).
9. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ladite pièce métallique (256) est une aube de turbomachine.
10. Procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit moule (250) contient une pluralité de cavités (251), arrangées en grappe, afin de mouler une pluralité de pièces métalliques (256) simultanément.
11. Pièce métallique monocristalline (256) produite par un procédé de fonderie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10. 25