FR3033720A1 - Moule de fonderie - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine de la fonderie du métal, et plus particulièrement un moule de fonderie (1) comprenant un corps creux réfractaire (la) présentant au moins une cavité de moulage (7) et un canal d'amenée (8) et une isolation thermique (13) principalement en carbone recouvrant extérieurement au moins une partie dudit corps creux (la).

Description

1 Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine de la fonderie du métal, et plus particulièrement un moule de fonderie, ainsi que des procédés de fabrication et d'utilisation d'un tel moule de fonderie. On entend par « métal », dans le présent contexte, tant des métaux purs que des alliages métalliques, et notamment des alliages métalliques dits monocristallins tels qu'ont été développés depuis la fin des années 1970 afin de permettre la production en fonderie de pièces formées par un seul grain. 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 un inconvénient particulièrement quand les pièces ainsi produites sont destinées à être utilisées à haute température. Typiquement, les alliages monocristallins sont des alliages de nickel avec une concentration de titane 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 titane peuvent occuper n'importe quelle des positions.

Par contre, dans la phase y', les atomes d'aluminium et/ou titane forment une configuration cubique, occupant les huit coins du cube, tandis que des atomes de nickel occupent les faces du cube. Un de ces alliages est l'alliage de nickel «AMi » développé conjointement par la SNECMA et les laboratoires de l'ONERA, l'Ecole des 30 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 35 produites à base de tels alliages monocristallins peuvent être 3033720 2 avantageusement utilisées, par exemple, dans les parties chaudes de turbines. Néanmoins, afin de profiter pleinement des avantages des alliages monocristallins pour obtenir des propriétés thermomécaniques 5 particulièrement avantageuses dans une pièce produite par fonderie, il peut être souhaitable d'assurer une solidification dirigée du métal dans le moule. On entend par « solidification dirigée », dans le présent contexte, comme la maîtrise de la germination et croissance de cristaux solides dans le métal en fusion lors de son passage de l'état liquide à l'état solide.

10 L'objet d'une telle solidification dirigée est celui d'éviter les effets négatifs des joints de grains dans la pièce. Ainsi, la solidification dirigée peut être colonnaire ou monocristalline. La solidification dirigée colonnaire consiste à orienter tous les joints de grains dans une même direction, de manière à ce qu'ils ne puissent pas contribuer à la propagation de fissures. La 15 solidification dirigée monocristalline consiste à assurer la solidification de la pièce en un seul cristal, de manière à supprimer totalement les joints de grains. Le fascicule de publication de demande de brevet français FR 2 874 340 décrit un moule particulièrement adapté à la mise en oeuvre d'un 20 procédé de fonderie avec solidification dirigée. Ce moule de l'état de la technique comprend un fût central s'étendant, suivant un axe principal, entre un godet de coulée et une base, et une pluralité de cavités de moulage arrangées en grappe autour du fût central, chacune reliée au godet de coulée par un canal d'amenée. Dans un procédé de fonderie 25 utilisant ce moule, après la coulée du métal en fusion à travers le godet de coulée, ce métal en fusion est progressivement refroidi, suivant ledit axe principal à partir de la base vers le godet de coulée. Ceci peut être réalisé, par exemple, en extrayant progressivement le moule d'une chambre de chauffage, suivant l'axe principal, en direction de la base, tout en refroidissant la base. Grâce au refroidissement progressif du métal en fusion à partir de la base, la solidification du métal commence à proximité de la base et s'étend à partir de ceci suivant une direction parallèle à l'axe principal. Toutefois, le rayonnement thermique entre différentes parties du moule peut créer des distorsions dans la solidification dirigée du métal dans le moule. Afin d'éviter ces distorsions, en particulier dans les cavités 3033720 3 de moulage, le moule divulgué dans FR 2 874 340 comporte aussi au moins un écran thermique sensiblement perpendiculaire audit axe principal. Cet écran thermique sert à empêcher le rayonnement thermique en direction parallèle à l'axe principal, pour essayer d'éviter ces 5 distorsions. Néanmoins, même avec un tel écran thermique, des échanges de chaleur entre différentes parties du moule et de son environnement peuvent encore être cause de distorsions dans la direction de solidification du métal. Afin d'empêcher plus efficacement ces distorsions, des isolations 10 thermiques en matériaux fibreux céramiques ont été précédemment utilisées pour isoler thermiquement au moins une partie du moule, et en particulier les cavités de moulage. Toutefois, ces matériaux fibreux céramiques présentent des risques sanitaires, notamment par inhalation des fibres céramiques.

15 Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients en proposer un moule de fonderie qui permette d'assurer une solidification 20 dirigée du métal fondu au sein du moule sans distorsions sensibles dues au rayonnement thermique et sans risques sanitaires. Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait qu'un moule de fonderie comprend, à part un corps creux présentant au moins une cavité de moulage et un canal d'amenée, une isolation 25 thermique principalement en carbone recouvrant extérieurement au moins une partie dudit corps creux. Les isolations thermiques principalement en carbone offrent des propriétés thermiques appropriées à cette utilisation, notamment une bonne résistance aux hautes températures et une émissivité élevée, sans poser les mêmes risques sanitaires que les fibres 30 céramiques. Afin de faciliter sa pose et son maintien autour du corps creux réfractaire, ladite isolation thermique peut être sensiblement plus souple que le corps creux. En particulier, elle peut comprendre un feutre de carbone, qui est un matériau de grande souplesse. De cette manière, 35 l'isolation thermique peut épouser les formes et les aspérités extérieures 3033720 4 du corps creux réfractaire, facilitant ainsi son maintien même sans des moyens supplémentaires de fixation. L'isolation thermique peut notamment comprendre au moins 95% en poids de carbone, et même au moins 99% en poids, et présenter une 5 émissivité d'au moins 0,95, et même d'au moins 0,99. Afin de permettre le moulage simultané de plusieurs pièces, ledit moule peut comporter une pluralité de cavités de moulage, chacune reliée à un godet de coulée par au moins un canal d'amenée. Ces cavités de moulage peuvent notamment être arrangées en grappe autour d'un axe 10 central, mais d'autres configurations sont également envisageables. Par ailleurs, ladite isolation thermique peut envelopper ledit corps creux au moins autour d'une cavité de moulage, afin d'empêcher le rayonnement thermique vers et depuis la cavité de moulage en particulier, assurant ainsi la solidification dirigée du métal fondu dans celle-ci.

15 Parmi les procédés de fonderie on connaît depuis l'antiquité les procédés de fonderie dits à cire perdue ou à modèle perdu comme particulièrement adaptés pour la production de pièces métalliques avec des formes complexes. Ainsi, la fonderie à modèle perdu est notamment utilisée pour la production d'aubes de turbomachines.

20 Dans la fonderie à modèle perdu, la première étape est normalement la réalisation d'un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine, sur laquelle est ensuite surmoulé un corps creux. L'évacuation du matériau du modèle de l'intérieur du moule, qui donne son nom à ce procédé, va donc 25 laisser une empreinte en creux formant cavité de moulage. Ce procédé permet de former une cavité de moulage de grande précision. Ainsi, la présente divulgation concerne aussi un procédé de fabrication du moule de fonderie susmentionné, comprenant la fabrication d'un modèle fusible, le surmoulage du corps creux autour du modèle 30 fusible, et le placement de l'isolation thermique sur au moins une partie dudit corps creux. Si l'isolation thermique est souple, elle peut être drapée autour d'au moins une partie dudit corps creux, pouvant ainsi assurer son maintien en épousant les formes et les aspérités de surface du corps creux.

35 Parmi les différents types de moules pouvant être utilisés dans la fonderie à modèle perdu, on connaît notamment les moules dits moules 3033720 5 carapace, formés par trempage du modèle ou de la grappe de modèles dans une barbotine, suivi d'un saupoudrage du modèle ou de la grappe enduits de barbotine avec du sable réfractaire pour former une carapace autour du modèle ou de la grappe, et de la cuisson de cette carapace pour 5 solidifier la barbotine de manière à consolider l'ensemble. Plusieurs trempages et saupoudrages successifs peuvent être envisagés afin d'obtenir une carapace d'une épaisseur suffisante avant sa cuisson. On entend par « sable réfractaire », dans le présent contexte, tout matériau granulaire avec une granularité suffisamment fine pour satisfaire aux 10 tolérances de production souhaitées, capable de résister, à l'état solide, les températures du métal en fusion, et pouvant être consolidé en une seule pièce solide par la barbotine lors de la cuisson de la carapace. Ainsi, dans le procédé de fabrication susmentionné, ledit corps creux peut être formé par trempage du modèle dans une barbotine, 15 saupoudrage du modèle enduit de barbotine avec du sable réfractaire pour former une carapace autour du modèle, et cuisson de la carapace. La présente divulgation concerne bien sûr aussi un procédé de fonderie avec un tel moule, ainsi que le ou les produits d'un tel procédé.

20 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 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux 25 dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement une étape de refroidissement progressif du métal en fusion dans un procédé de fonderie à solidification dirigée ; - les figures 2A et 2B illustrent, respectivement, une progression 30 souhaitable et une progression non souhaitable du front de propagation de la cristallisation du métal dans une cavité de moulage lors du refroidissement progressif de la figure 1; - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un moule de fonderie suivant un mode de réalisation de la présente invention ; et 35 - la figure 4 est une vue latérale du moule de fonderie de la figure 3 ; et 3033720 6 - la figure 5 est une vue en perspective d'une grappe non permanente servant à former le moule de fonderie des figures 3 et 4.

5 Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre comment un refroidissement progressif du métal en fusion destiné à obtenir une solidification dirigée peut typiquement être réalisé dans un procédé de fonderie. Dans cette étape de refroidissement 10 progressif, subséquente à la coulée du métal en fusion dans un moule 1, ce moule 1, soutenu par un support 2 refroidi et mobile, est extrait d'une chambre de chauffage 3, suivant un axe principal X, vers le bas. Le moule 1 comporte un fût central 4 s'étendant, en direction de l'axe principal X, entre un godet de coulée 5 et une base 6 en forme de 15 plateau. Pendant l'extraction du moule 1 de la chambre de chauffage 3, cette base 6 est directement en contact avec le support 2. Le moule 1 comprend aussi une pluralité de cavités de moulage 7 arrangées en grappe autour du fût central 4. Chaque cavité de moulage 7 est reliée au godet de coulée 5 par un canal d'amenée 8 au travers duquel le métal en 20 fusion s'y est introduit lors de sa coulée. Chaque cavité de moulage 7 est aussi également reliée par le bas, à travers un sélecteur 9 en chicane, à un starter 10 formé par une plus petite cavité dans la base 6. Le moule 1 étant refroidi à travers de sa base 6 par le support 2, la solidification du métal en fusion va se déclencher dans les starters 10 et 25 se propager vers le haut suite à l'extraction progressive du moule carapace 1 de la chambre de chauffage 3 par le bas. L'étranglement formé par chaque sélecteur 9, ainsi que sa forme en chicane, vont toutefois assurer qu'un seul grain, parmi ceux ayant initialement germiné dans chaque starter 10, va pouvoir continuer à s'étendre vers la cavité de 30 moulage 7 correspondante. La figure 2A illustre la progression souhaitée du front de propagation 11 de la cristallisation du métal en fusion dans une cavité de moulage 7 en forme d'aube de turbomachine. Afin d'obtenir une aube de turbomachine monocristalline, on souhaite une progression régulière de cette 35 cristallisation suivant l'axe principal de la cavité de moulage 7. Si, par contre, le front de propagation 11 s'incline lors de sa progression dans la 3033720 7 cavité de moulage 7, comme illustré comparativement sur la figure 2B, le risque de génération de grains parasites 12 dans certains endroits de la cavité de moulage 7 augmente sensiblement. Or, des gradients de température perpendiculairement à l'axe principal de la cavité de moulage 5 7 peuvent facilement provoquer une telle inclinaison du front de propagation 11. Il est donc souhaitable de maîtriser en particulier le rayonnement thermique des différents éléments du moule 1. Les figures 3 et 4 illustrent un moule 1 suivant un mode de réalisation de l'invention. Ce moule de fonderie 1 comprend un corps 10 creux la en matériau réfractaire, et des isolations thermiques 13 en feutre de carbone souple drapé autour de chaque cavité de moulage 7. Ce feutre de carbone souple est formé de fibres de carbone enchevêtrées de manière à former un matériau textile non-tissé et peut comprendre, par exemple, au moins 99% en poids de carbone. Un tel feutre de carbone 15 peut présenter une émissivité d'au moins 0,99 et résister à des températures d'au moins 1400°C. Il est donc aussi réfractaire. Grâce aux propriétés thermiques de ce matériau, l'intérieur des cavités de moulage 7 est au moins partiellement protégé du rayonnement thermique de leur environnement.

20 La base 6 du moule 1 est en forme de plateau. En outre, des raidisseurs 20 en forme de colonnes inclinées relient le sommet de chaque cavité de moulage 7 à celui du godet de coulée 5. Le corps creux la du moule 1 peut être produit par le procédé dit à cire perdue ou à modèle perdu. Une première étape d'un tel procédé est 25 la création d'une grappe non permanente 21 comprenant une pluralité de modèles 22 reliés par un arbre 23, comme celle illustrée sur la figure 5. Les parties de l'arbre 23 destinées à former des volumes creux dans le moule 1, comme notamment le godet de coulée 5, les canaux d'amenée 8, les raidisseurs 20, les sélecteurs 9 et les starters 10 sont formées en une 30 matière à basse température de fusion, comme une cire ou résine de modelage. Les modèles 22, qui vont former les cavités de moulage 7, sont également formés en une matière à basse température de fusion. Lorsque la production de grands nombres de pièces est envisagée, il est notamment possible de produire ces éléments par injection de la cire ou 35 résine de modelage dans un moule permanent.

3033720 8 Dans ce mode de réalisation, pour produire le moule 1 à partir de cette grappe non permanente 21, on procède au trempé de la grappe 21 dans une barbotine, pour ensuite la saupoudrer avec un sable réfractaire. Ces étapes de trempage et saupoudrage peuvent être répétées plusieurs 5 fois, jusqu'à former une carapace de sable imprégné de barbotine d'une épaisseur souhaitée autour de la grappe 21. La grappe 21 enrobée de cette carapace peut ensuite être chauffée pour faire fondre et évacuer de l'intérieur de la carapace la matière à basse température de fusion de la grappe 21. Ensuite, dans une étape de 10 cuisson à plus haute température, la barbotine se solidifie de manière à consolider le sable réfractaire pour former le corps creux réfractaire la du moule 1 des figures 3 et 4. Finalement, ce corps creux la peut être recouvert localement, au niveau des cavités de moulage 7, avec des bandes souples de feutre de 15 carbone pour former les isolations thermiques 13. Cet emballage peut être individuel, autour de chaque cavité de moulage 7, et/ou entourer simultanément plusieurs cavités de moulage 7. Une tension sur les bandes de feutre, associée à leur souplesse et à la rugosité des surfaces externes du corps creux la, peuvent permettre le maintien de ces isolations 20 thermiques 13 par simple friction, sans moyens supplémentaires de fixation. Ce moule 1 peut ensuite être utilisé dans un procédé de fonderie dans lequel du métal en fusion est d'abord coulé dans le moule 1 à travers le godet de coulée 5, pour ensuite être sujet à une solidification dirigée de 25 la manière illustrée sur la figure 1. Parmi les alliages métalliques pouvant être utilisés dans ce procédé, on compte notamment les alliages monocristallins de nickel, tels que, notamment, les AM1 et AM3 de SNECMA, mais aussi d'autres comme les CMSX-2() , CMSX-4C), CMSX-6 C), et CMSX-10 C) du C-M Group, les RenéC) N5 et N6 de General Electric, 30 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 : 3033720 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 AM1 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 5 Après le refroidissement et la solidification du métal dans le moule 1, celui-ci pourra être décoché pour libérer les pièces métalliques, lesquelles pourront ensuite être finies par des procédés d'usinage et/ou des traitements de surface. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un 10 exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur cet exemple sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. 15

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Moule de fonderie (1) comprenant : un corps creux (1a) présentant au moins une cavité de moulage 5 (7) et un canal d'amenée (8) ; et une isolation thermique (13) principalement en carbone recouvrant extérieurement au moins une partie dudit corps creux (la).
2. 2. Moule de fonderie (1) suivant la revendication 1, dans lequel l'isolation thermique (13) est sensiblement plus souple que le corps creux 10 (la).
3. 3. Moule de fonderie (1) suivant la revendication 2, dans lequel l'isolation thermique comprend un feutre de carbone.
4. 4. Moule de fonderie (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'isolation thermique (13) 15 comprend au moins 95% en poids de carbone.
5. 5. Moule de fonderie (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'isolation thermique (13) présente une émissivité d'au moins 0,95.
6. 6. Moule de fonderie (1) suivant l'une quelconque des 20 revendications précédentes, dans lequel ledit moule comporte une pluralité de cavités de moulage (7), chacune reliée à un godet de coulée (5) par au moins un canal d'amenée (8).
7. 7. Moule de fonderie (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite isolation thermique (13) 25 enveloppe ledit corps creux au moins autour d'une cavité de moulage (7).
8. 8. Procédé de fabrication d'un moule de fonderie (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : fabrication d'un modèle fusible (22) ; 30 surmoulage du corps creux (1a) autour du modèle fusible (22) ; placement de l'isolation thermique (13) sur au moins une partie dudit corps creux (1a).
9. 9. Procédé de fabrication suivant la revendication 8, dans lequel l'isolation thermique (13) est drapée autour d'au moins une partie dudit 35 corps creux (1a). 3033720 11
10. 10. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel ledit corps creux (1a) est formé par trempage du modèle (22) dans une barbotine, saupoudrage du modèle (22) enduit de barbotine avec du sable réfractaire pour former une carapace autour du modèle (22), et cuisson de la carapace.