FR3089833A1

FR3089833A1 - Coulée semi-continue d’un lingot avec compression du métal en cours de solidification

Info

Publication number: FR3089833A1
Application number: FR1872880A
Authority: FR
Inventors: Laurent Ferrer
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: US11673186B2; US20220062975A1; CN113272085A; EP3894111B1; FR3089833B1; CN113272085B; EP3894111A1; WO2020120919A1

Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un lingot en métal par coulée continue comprenant les étapes suivantes : S1 : fusion du métal, S2 : transfert par écoulement du métal liquide (2) dans un creuset (12), S3 : déplacement de la plaque de fond (14) du creuset (12), S4 : solidification progressive du métal liquide (2) à partir de la plaque de fond (14) du creuset (12), et S5 : pendant l’étape S3 de déplacement de la plaque de fond (14), application d’un effort de compression au métal (3) qui est présent entre la plaque de fond (14) et la paroi latérale (13), ledit effort de compression étant appliqué suivant un deuxième axe (X2) parallèle au premier axe (X1) de sorte à déformer ledit métal et à obtenir un lingot (3) présentant une largeur (L2) plus faible. Figure pour l’abrégé : [Fig. 2]

Description

Titre de l'invention : Coulée semi-continue d’un lingot avec compression du métal en cours de solidification

Domaine technique

[0001] L’invention concerne la fabrication de lingots métalliques, notamment dans un alliage de titane ou un alliage intermétallique à base de titane, par coulée semicontinue. Plus précisément, l’invention concerne la non optimisation des propriétés d’usage de produits finis ou à refondre réalisés dans ces matériaux métalliques. Technique antérieure

[0002] Il est connu de fabriquer des lingots métalliques par coulée semi-continue. Typiquement, ce procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :

• La fusion du métal dans un ou plusieurs bassins de surverse 10’ à partir de matières premières présentant soit une composition chimique proche de la composition recherchée en final, soit des compositions chimiques spécifiques dont le mélange conduit à la composition recherchée.

• Le versement du métal liquide 2’ du ou des bassins de surverse 10’ dans un creuset sans fond 12’. Pour cela, le métal liquide 2’ dont la composition correspond à la composition recherchée au final s’écoule du dernier bassin de surverse dans le creuset. La paroi du creuset 12’ est généralement en cuivre, en alliage de cuivre ou en un matériau à forte conductivité thermique et est refroidie de sorte à être maintenue à une température inférieure à la température de fusion ou de détérioration du matériau la constituant, par exemple par circulation d’un fluide ou d’un liquide à une température définie thermostatée. Une pollution par le cuivre est possible à la surface, accentuant la dispersion chimique cœur/peau. Dans ce creuset 12’, le métal liquide 2’ refroidit par extraction des calories par le bas (le creuset étant dépourvu de fond) et se solidifie au plus près de la paroi. Le métal solidifié 3’ fait alors office de contenant du métal liquide 2’ qui continue de se verser au fur et à mesure depuis les bassins et son front de solidification (correspondant à la frontière entre le métal solidifié 3’ et le métal liquide 2’ qui forme un puits) est de forme semi-ovoïde à hémisphérique.

[0003] Le métal solidifié 3’ forme le ou les lingot(s) métallique(s). Chaque lingot est extrait progressivement du creuset par le bas à l’aide d’une tige coulissante pour maintenir le niveau de métal liquide dans le creuset. Pour cela, la vitesse de descente de la tige coulissante est proportionnelle à la vitesse de remplissage du creuset par le métal liquide (ou vitesse de coulée).

[0004] Ce procédé permet ainsi d’obtenir des lingots métalliques.

[0005] Toutefois, il apparaît que la macrostructure de solidification du métal est très hétérogène et anisotrope. La composition chimique du métal est en effet dispersée. Par ailleurs, au niveau de la paroi du creuset, les grains dendritiques sont à tendance équiaxes et dans certains cas, une exsudation ségrégée et positive peut se produire. En revanche, dans le plus grand volume du creuset, les grains dendritiques sont colonnaires ou basaltiques. Plus précisément, la solidification en coulée semi-continue conduit à créer une solidification avec des grains colonnaires (ou basaltiques) dans une direction perpendiculaire au front de solidification et qui se propagent vers le milieu de la surface du puits liquide. Les propriétés des dendrites le long des colonnes (ou basaltes) ne sont cependant pas les mêmes que transversalement à celles-ci de sorte qu’une ségrégation est marquée plus fragile entre chaque colonne ou basalte.

[0006] Durant l’usinage dans cette structure de solidification colonnaires, la réponse des outils n’est donc pas la même en fonction de l’angle d’attaque par rapport à l’axe des dendrites. De plus, cette structure feuilletée avec deux types de microstructures crée une dispersion à l’usinage.

[0007] Les propriétés d’usage des lingots ainsi obtenus ne sont donc pas optimisées (le dimensionnement se faisant à partir des courbes minimales de dimensionnement tenant compte de la dispersion des propriétés et des réponses à l’usinage), dans la mesure où des porosités résiduelles peuvent être présentes dans le lingot brut de solidification. Par ailleurs, on obtient une dispersion des réponses à l’usinage ainsi qu’une dispersion des lois rhéologiques et des lois de forgeabilité de la microstructure brute de solidification dans les trois directions du lingot et en fonction de la position dans le lingot. Quand il est possible de convertir (forgeage, laminage, estampage, extrusion, etc.) le lingot dans cette microstructure brute de solidification, l’hérédité conduit à une dispersion des microstructures finales sur pièces. Or, dans le cas de lingots réalisés dans un alliage de titane ou un alliage intermétallique à base de titane, la microstructure brute de solidification ne permet pas un forgeage réaliste et économique en raison de leur rhéologie et de leur forgeabilité. Enfin, pour des aspects de peaux des lingots, la vitesse de coulée est lente, ce qui augmente d’autant le coût de fabrication.

[0008] Il a été proposé de réaliser des opérations supplémentaires sur les lingots ainsi obtenus, en fonction de l’application envisagée pour les lingots.

[0009] Par exemple, il a été proposé d’appliquer aux lingots un traitement thermique de compression isostatique à chaud (ou compression unidirectionnelle à chaud). La réalisation de cette opération ne permet cependant que de supprimer les porosités résiduelles du brut de solidification mais ne modifie en rien la macro structure de solidification initiale. De plus, cette opération augmente considérablement le coût de fabrication ainsi que le temps de cycle industriel.

[0010] Il a également été proposé d’appliquer un traitement thermique au lingot pour permettre des transformations métallurgiques à une échelle microscopique. Ce traitement thermique ne modifie cependant pas la macro structure de solidification initiale.

Résumé de l’invention

[0011] Un objectif de l’invention est donc de proposer un procédé de fabrication par coulée semi-continue d’un lingot métallique, notamment dans un alliage de titane ou un alliage intermétallique à base de titane, dont la macrostructure est plus uniforme et plus isotrope que la macro structure colonnaire obtenue dans les procédés de fabrication conventionnels, qui soit simple à réaliser pour un coût modéré.

[0012] Pour cela, l’invention propose un procédé de fabrication d’un lingot en métal par coulée continue comprenant les étapes suivantes :

[0013] SI : fusion de tout ou partie du métal de sorte à obtenir du métal liquide,

[0014] S2 : transfert par écoulement du métal liquide dans un creuset, ledit creuset présentant une plaque de fond et au moins une paroi latérale délimitant ensemble une enceinte configurée pour recevoir le métal liquide, la paroi latérale présentant une première largeur suivant un premier axe,

[0015] S3 : déplacement de la plaque de fond par rapport à la paroi latérale à une vitesse contrôlée dépendant d’une vitesse d’écoulement du métal liquide et,

[0016] S4 : solidification progressive du métal liquide à partir de la plaque de fond du creuset.

[0017] Par ailleurs, pendant l’étape S3 de déplacement de la plaque de fond, le procédé comprend en outre une étape S5 d’application d’un effort de compression au métal qui est présent entre la plaque de fond et la paroi latérale, ledit effort de compression étant appliqué suivant un deuxième axe parallèle au premier axe de sorte à déformer ledit métal et à obtenir un lingot présentant une deuxième largeur suivant ce premier axe qui est inférieure à la première largeur.

[0018] Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de fabrication décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :

• lors de l’étape S5 d’application de l’effort de compression, le métal est en cours de solidification.

• le procédé de fabrication comprend en outre, après l’étape S5, au moins une étape supplémentaire d’application au lingot d’un effort de compression suivant un troisième axe de sorte à le déformer et à obtenir un lingot présentant une troisième largeur suivant ce troisième axe, la troisième largeur étant inférieure à la deuxième largeur.

• le procédé de fabrication comprend en outre, au cours de l’étape S5, l’application d’un effort de compression supplémentaire au métal qui est présent entre la plaque de fond et la paroi latérale suivant un axe qui est sécant avec le premier axe.

• au cours de l’étape S5, la plaque de fond est également déformée et le procédé de fabrication comprend en outre une étape ultérieure de découpe de la plaque de fond.

[0019] Selon un deuxième aspect, l’invention propose un outil pour la fabrication d’un lingot en métal par coulée semi-continue conformément à un procédé de fabrication comme décrit ci-dessus, ledit outil comprenant les éléments suivants :

• un bassin de surverse configuré pour faire fusionner le métal liquide sorte à obtenir du métal, • un creuset présentant une plaque de fond et au moins une paroi latérale délimitant ensemble une enceinte configurée pour recevoir le métal liquide, la paroi latérale présentant une première largeur suivant un premier axe, • un actionneur configuré pour déplacer la plaque de fond du creuset par rapport à la paroi latérale du creuset à une vitesse contrôlée dépendant d’une vitesse d’écoulement du métal liquide • des moyens de solidification progressive du métal et • des moyens de déformation configurés pour appliquer un effort de com- pression au métal qui est présent entre la plaque de fond et la paroi latérale, ledit effort de compression étant appliqué suivant un deuxième axe parallèle au premier axe de sorte à déformer ledit métal et à obtenir un lingot présentant une largeur suivant ce premier axe qui est inférieure à la première largeur.

[0020] Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’outil décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :

• l’outil comprend en outre des moyens de déformation supplémentaires s’étendant dans le même plan que les moyens de déformation et configurés pour appliquer un effort de compression simultanément au métal.

• l’outil comprend en outre des moyens de déformation supplémentaires s’étendant en aval des moyens de déformation et configurés pour appliquer un effort de compression au métal en sortie des moyens de déformation.

• les moyens de déformation comprennent l’un au moins des éléments suivants : une presse, un laminoir.

• une gorge est formée dans une surface de déformation des moyens de déformation afin de contraindre en volume le métal.

Brève description des dessins

[0021] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :

[0022] [fig.l]

[0023] La figure 1 illustre un procédé de fabrication par coulée semi-continu conventionnel.

[0024] [fig.2]

[0025] La figure 2 illustre un exemple d’outil pouvant être mis en œuvre dans un procédé de fabrication par coulée semi-continue conforme à un exemple de réalisation de l’invention, avant application des efforts de compression au lingot intermédiaire.

[0026] [fig.3]

[0027] La figue 3 illustre l’outil de la figure 2 lors de d’application d’efforts de compression au lingot intermédiaire à l’aide de presses.

[0028] [fig.4]

[0029] La figure 4 illustre un deuxième exemple d’outil pouvant être mis en œuvre dans un procédé de fabrication par coulée semi-continue conforme à un exemple de réalisation de l’invention, lors de d’application d’efforts de compression au lingot intermédiaire à l’aide de laminoirs.

[0030] [fig.5]

[0031] La figure 5 est un organigramme illustrant les étapes d’un exemple de réalisation d’un procédé de fabrication par coulée semi-continue conforme à l’invention.

[0032] [fig.6]

[0033] La figure 6 illustre un exemple de rouleaux dans lesquels une gorge est formée.

[0034] DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION

[0035] L’invention propose de réaliser un lingot métallique par coulée semi-continue, en appliquant des efforts de compression au métal en cours de solidification 3 afin de casser les dendrites pour obtenir des grains dont la structure tridimensionnelle est améliorée (recristallisation en grains équiaxe). Cette mise en forme à chaud permet donc, de manière simple et peu coûteuse, d’améliorer significativement les propriétés du matériau et les conditions d’usinage finales.

[0036] Le métal peut notamment comprendre un alliage à base de titane ou un composite intermétallique à base de titane.

[0037] L’alliage à base de titane peut par exemple comprendre l’un au moins des alliages suivants : Til7 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TiBetal6, Ti21S (Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si, ASTM Grade 21), TÎ6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo), TÎ6246 (Ti6Al-2Sn-4Zr-6Mo), TÎ5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr), TÎ1023 (Ti-10V-2Fe-3Al), TA6V (TL6A1-4V), etc.

[0038] L ‘alliage intermétallique peut par exemple comprendre un alliage intermétallique à base de titane, dont notamment les aluminures de titane, parmi lesquels : - les aluminures de titane à phases γ et a2 colonnaire, tels que : le Ti6

48A1-1V-O,3C, le Ti-48Al-2Cr-2Nb (aussi connu sous la désignation « GE 48-2-2 » ) ou le Ti-48Al-2Nb-0,75Cr-0,3Si (aussi connu sous la désignation « Daido RNT650 » ) ;

- les aluminures de titane à phases γ et a2 équiaxe, tels que le Ti45Al-2Nb-2Mn + 0,8TiB2 (aussi connu sous la désignation « Howmet 45XD »), le Ti-47Al-2Nb-2Mn + 0,8TiB2 (aussi connu sous la désignation « Howmet 47XD »), le Ti-47Al-2W-0,5Si-0,5B (aussi connu sous la désignation « ABB-23 » ) ou le Ti-48Al-l,3Fe-l,lV-0,3B ;

- les aluminures à phases β, γ et α2 équiaxe, tels que le Ti47,3-Al-2,2Nb-0,5Mn-0,4W-0,4Mo-0,23Si, le Ti46,5Al-3Nb-2Cr-0,2W-0,2Si-0,lC (aussi connu sous la désignation « K5SC »), le TI-46Al-5Nb-lW, le Ti-47Al-3,7(Cr,Nb,Mn,Si)-0,5B (aussi connu sous la désignation « GKSSTAB »), le Ti-45Al-8(Nb,B,C) (aussi connu sous la désignation « GKSS 20 TNB »), le Ti46,5Al-l,5Cr-2Nb-0,5Mo-0,13B-0,3C (aussi connu sous la désignation « 395M »), le Ti-46Al-2,5Cr-lNb-0,5Ta-0,01B (aussi connu sous la désignation « Plansee γ-ΜΕΤ »), le Ti-47Al-lRe-lW-0,2Si (aussi connu sous la désignation « Onera G4 »), le Ti-43A1-9V-O,3Y, le Ti-42Al-5Mn, le Ti43Al-4Nb-lMo-0,lB, ou le Ti-45Al-4Nb-4Ta. 25

[0039] On précise que dans la liste ci-dessus, toutes les valeurs numériques désignent le pourcentage atomique (at%) de l’élément qu’elles précédent. Ainsi, l’alliage Ti48Al-2Cr-2Nb comprend, en pourcentage atomique, 48% d’Al, 2% de Cr, 2% de Nb, et du titane (Ti) en complément à 100%.

[0040] Dans ce qui suit, on comprendra par lingot intermédiaire 3, la portion de métal en cours de solidification 3 à laquelle sont appliqués les efforts de compression, et par lingot final la portion de métal liquide 2 en sortie de l’outil 1.

[0041] Au cours d’une première étape SI, le métal liquide 2 est fondu de sorte à obtenir du métal liquide 2.

[0042] Cette étape peut être réalisée conventionnellement dans un outil 1 comprenant un ou plusieurs bassins 10 de surverse à partir de matières premières présentant soit une composition chimique proche de la composition recherchée en final, soit des compositions chimiques spécifiques.

[0043] Le (ou les) bassin (s) 10 de surverse peuvent être réalisés dans un matériau comprenant du cuivre, un alliage de cuivre ou tout autre matériau à forte conductivité thermique. Chaque bassin 10 de surverse est maintenu à une température inférieure à la température de fusion ou de détérioration du matériau le constituant, par exemple par circulation d’un fluide ou d’un liquide tel que de l’eau à une température définie thermostatée.

[0044] La fusion des matières premières afin d’obtenir le métal liquide 2 fondu peut être effectuée par tout moyen de chauffage 11, comme par exemple à l’aide de l’un au moins des moyens de chauffage suivant : des arcs électriques, par induction, par torche plasma et/ou par bombardement électronique.

[0045] Par exemple, les moyens industriels pouvant être employés pour cette fusion comprennent un four de fusion par induction sous vide ou sous pression partielle, un four de fusion par torches plasma sous pression contrôlée (connu sous sa terminologie anglosaxonne « PAM furnace »), un four de fusion par bombardement électronique sous vide (connu sous sa terminologie anglosaxonne « EB fumace »), ou encore un four de fusion combinant plusieurs de ces moyens de chauffage.

[0046] Par ailleurs, l’atmosphère peut être contrôlée en fonction des applications choisies pour le lingot final. Ainsi, lors de l’étape SI de fusion, le four peut être mis sous vide afin d’éviter toute réaction chimique avec le métal fondu liquide 2. En variante, le four peut être mis sous une pression contrôlée de gaz inerte, afin d’éviter toute réaction chimique avec le métal liquide 2 fondu liquide. Selon une autre variante encore, le four peut être mis sous une pression contrôlée de gaz spécifique pour permettre une réaction chimique avec le métal liquide et charger la composition chimique de l’alliage en cet élément gazeux.

[0047] Cette première étape SI de fusion du métal étant conventionnelle, elle ne sera pas détaillée davantage ici.

[0048] Au cours d’une deuxième étape S2, le métal liquide 2 ainsi obtenu est transféré par écoulement dans un creuset 12, soit directement depuis le premier bassin 10 de surverse, soit via un ou plusieurs bassins 10 de surverse intermédiaires, par exemple par débordement.

[0049] Le creuset 12 comprend une plaque de fond 14 et au moins une paroi latérale 13 délimitant ensemble une enceinte configurée pour recevoir le métal liquide 2.

[0050] La forme du creuset 12 dépend de la forme du lingot final que l’on cherche à obtenir. La paroi latérale 13 du creuset 12 peut donc ne comprendre qu’un seul pan, dans le cas où le creuset 12 est de section circulaire ou courbe, ou plusieurs pans dans le cas d’un creuset 12 de forme parallélépipédique ou quelconque.

[0051] Une largeur maximale de cette paroi latérale 13 est égale à une première largeur LL Par largeur, on comprendra ici la distance entre deux droites parallèles (ou « lignes d’appui ») qui sont tangentes à la courbe fermée formée par la face interne de la paroi latérale 13 délimitant radialement l’enceinte en deux points distincts. La largeur maximale correspond alors à la plus grande largeur de la face interne délimitant l’enceinte. Par exemple, dans le cas d’une enceinte de section circulaire, la largeur maximale est égale au diamètre du cercle. En variante, dans le cas d’une enceinte de section polygonale, la largeur maximale correspond à la diagonale du polygone.

[0052] La plaque de fond 14 est configurée pour fermer de manière étanche le creuset 12 et éviter les fuites de métal liquide 2. Pour cela, la plaque de fond 14 peut être plus large que la paroi latérale 13 et venir en butée contre sa face inférieure de sorte à former un joint étanche. En variante, la plaque de fond 14 peut pénétrer avec ajustement dans l’enceinte. La largeur de la plaque de fond 14 est alors sensiblement égale à la largeur de la paroi latérale 13 en tout point de sa circonférence de sorte que la plaque de fond 14 vient en contact surfacique avec la face interne de la paroi latérale 13, le contact formant un joint étanche. La largeur de la plaque de fond 14 au niveau du premier axe XI est en outre égale à la première largeur LL

[0053] La plaque de fond 14 est de préférence réalisée en cuivre, en alliage de cuivre, en aluminium, en alliage d’aluminium, ou dans tout autre matériau à forte conductivité thermique et déformable à la température de fusion du métal liquide 2. De la sorte, la plaque de fond 14 diffuse la chaleur provenant du métal, facilitant ainsi son refroidissement et la formation du front de solidification 4. Le cas échéant, la plaque de fond 14 peut être aspergée ou arrosée avec un fluide de refroidissement, tel que de l’eau.

[0054] Le cas échéant, la plaque de fond 14 peut être recouverte d’un film formant une barrière de diffusion afin d’éviter la diffusion des éléments chimiques de la plaque de fond 14 vers le métal.

[0055] Au cours d’une troisième étape S3, la plaque de fond 14 du creuset 12 est déplacée suivant un axe longitudinal X par rapport à la paroi latérale 13 à une vitesse contrôlée dépendant d’une vitesse d’écoulement du métal liquide 2 de sorte à tirer le métal 3 en dehors du creuset 12. Pour cela, un actionneur est fixé sur la plaque de fond 14 de sorte à permettre son tirage suivant un axe longitudinal X qui est normal à la plaque de fond 14.

[0056] L’actionneur peut par exemple être fixé sur une tige 16 coaxiale avec l’axe longitudinal X, la tige 16 étant elle-même fixée sur la plaque afin de déplacer la plaque le long dudit axe X.

[0057] De manière conventionnelle, la vitesse de descente de la plaque de fond 14 est proportionnelle à la vitesse de coulée afin de maintenir le niveau de métal liquide 2 dans le creuset 12.

[0058] Au cours d’une quatrième étape S4, qui est concomitante à la troisième étape S3, le métal liquide 2 se solidifie progressivement. La solidification démarre au niveau de la plaque de fond 14 et se propage progressivement en direction de l’embouchure 15 du creuset 12 par laquelle est transféré le métal liquide 2. Le métal liquide 2 se solidifie au plus près de la paroi latérale 13 et de la plaque de fond 14, et le front de solidification 4 s’éloigne progressivement de la plaque de fond 14 à mesure qu’elle est déplacée. Le métal solidifié 3 fait alors office de contenant pour le puits de métal liquide 2.

[0059] Pour cela, la paroi latérale 13 et la plaque de fond 14 peuvent être refroidies de manière conventionnelle, par exemple par circulation d’un fluide ou d’un liquide tel que de l’eau à une température définie thermostatée. Par ailleurs, le métal liquide 2 se solidifie également entre la plaque de fond 14 et la paroi latérale 13 et forme une étanchéité avec la paroi latérale 13, évitant ainsi toute fuite de métal liquide 2.

[0060] Au cours d’une cinquième étape S5, concomitamment à l’étape S3 de déplacement de la plaque de fond 14, un effort de compression est appliqué au moins une fois au métal en cours de solidification 3 (ci-après, lingot intermédiaire) afin de casser les dendrites.

[0061] Pour cela, l’outil 1 comprend des moyens de déformation 20 configurés pour appliquer des efforts de compression au lingot intermédiaire 3. Ces moyens de déformation 20 peuvent notamment comprendre une ou plusieurs presses 21 et/ou un ou plusieurs laminoirs 20. La ou les presse 20 et le ou les laminoirs 20 sont alors répartis autour de l’axe longitudinal X suivant une ou plusieurs rangées (selon que le métal en cours de solidification 3 reçoive un ou plusieurs efforts de compression successifs).

[0062] De préférence, l’outil 1 comprend au moins deux rangées en série de moyens de déformation 20 le long de l’axe longitudinal X.

[0063] On notera que, au cours de cette étape S5, le métal 3 auquel est appliqué l’effort de compression doit être en cours de solidification mais ne doit pas encore l’être. Il doit se trouver dans une phase comprenant à la fois du métal liquide et du métal solide (également désignée par « fondue forgée »), dans laquelle la porosité du métal est meilleure que lorsqu’il est à l’état solide. On notera en particulier que, dans le puits liquide et le solide, il y a une large fourchette de températures (gradient de température), les zones les plus chaudes étant à la surface centrale du liquide et les zones les plus froides étant en peau refroidie du solide. Dans un alliage, les passages de l’état solide à l’état liquide (et inversement) ne se font pas à une température précise mais dans un intervalle de températures. Le métal 3 est à 100% à l’état solide et sa température est localement inférieure à une température appelée Solidus. Le métal liquide 2 est à 100% à l’état liquide et sa température est supérieure à une température appelée Liquidus. Entre ces deux états, le métal est dit pâteux (phase fondue forgée) avec un mélange de liquide et de solide avec une température comprise entre le Solidus et le Liquidus. Durant les premières étapes de compression, on recherche à avoir le maximum de cette zone sous les marteaux ou cylindres de travail.

[0064] Il en ressort que l’étape S5 n’est donc pas une compression statique à chaud.

[0065] Pour cela, la température du lingot lors de l’étape S5 est hétérogène et comprise dans un gradient de température entre la peau refroidie du métal 3 à une température nettement inférieure à la température Solidus jusqu’à cœur à une température qu’on recherchera supérieure à la température Solidus (une portion de métal pâteux pris sous compression. De préférence, la température à cœur est supérieure à la température

Liquidus. De plus, il est à noter que sous la déformation liée à la compression, il y a un échauffement dit adiabatique qui augmente la température, et ce d’autant plus que la température est basse. Cela est vrai pour les premiers étages des moyens de déformation 20 (c’est-à-dire les premiers trains de marteaux ou de cylindres). Pour les autres étages, la température du cœur peut être inférieure à la température solidus.

[0066] Au cours de l’étape S5, l’effort de compression est appliqué perpendiculairement à l’axe longitudinal X, suivant une direction parallèle au premier axe XI de sorte à déformer le métal et à obtenir un lingot intermédiaire 3 présentant une deuxième largeur L2 suivant cette direction qui est inférieure à la première largeur Ll. Le cas échéant, un deuxième effort de compression peut en outre être appliqué :

• soit simultanément, dans le même plan que le premier axe XI, suivant un axe qui est sécant avec le premier axe XI (non illustré sur les figures), • soit successivement, en aval, suivant un axe qui peut être parallèle au premier axe XI (étape S6 - voir axes X2 et X3 sur les figures 3 et 4).

[0067] Ces étapes S5, S6 permettent de casser les colonnes et les basaltes durant la solidification du métal 3 alors qu’il est encore en phase semi-liquide (pâteux), d’entraîner une recristallisation équiaxe dans le lingot intermédiaire 3 et d’améliorer l’état de surface de la peau du lingot final. En outre, il est possible d’augmenter la vitesse de coulée en comparaison avec l’art antérieur en augmentant la vitesse de tirage de l’actionneur, réduisant ainsi la durée totale de fusion ainsi que le coût de fabrication des lingots finals.

[0068] De préférence, au moins deux efforts de compression successifs sont appliqués au métal en cours de solidification 3, afin d’obtenir un lingot final ayant une macrostructure dont les grains sont équiaxes. Le lingot final présente alors une troisième largeur L3, qui est inférieure à la première et à la deuxième largeur Ll, L2.

[0069] Dans le cas où les moyens de déformation 20 comprennent au moins une presse, chaque presse 20 comprend une paire de marteaux 21 placés en regard se déplaçant le long d’une même direction coupant l’axe longitudinal X et dont le mouvement est synchronisé. Le cas échéant, plusieurs paires de marteaux 21 peuvent s’étendre dans le même plan et former ensemble une unique rangée. Les paires de marteaux 21 d’une même rangée peuvent alors être synchronisées de sorte à appliquer simultanément l’effort de compression au lingot intermédiaire 3 en regard et le contraindre ainsi en volume.

[0070] Lorsqu’au moins deux efforts de compression successifs sont appliqués au lingot intermédiaire 3 par des presses 20, les paires de marteaux 21 s’étendent dans des plans parallèles formant chacun une rangée.

[0071] On comprendra que l’outil 1 peut comprendre un nombre supérieur ou égal à deux paires de marteaux 21, le nombre de marteaux 21 étant toujours un nombre pair.

[0072] Pendant l’étape S5, chaque paire de marteaux 21 est déplacée le long de l’axe longitudinal X à la même vitesse que la plaque de fond 14 afin de suivre le lingot intermédiaire 3 lors de l’application de l’effort de compression et de l’éjecter vers le bas, avant de retourner dans leur position initiale afin d’appliquer l’effort de compression au lingot intermédiaire 3 suivant (qui se trouve immédiatement au-dessus de celui qui vient d’être comprimé). De préférence, la vitesse de déplacement selon l’axe longitudinal X des marteaux 21 est sensiblement égale à la vitesse de coulée lors de l’application de l’effort de compression.

[0073] Chaque presse 20 peut être mécanique, hydraulique ou mixte.

[0074] Dans le cas où les moyens de déformation 20 comprennent au moins un laminoir, chaque laminoir 20 comprend deux rouleaux 23 en regard s’étendant le long du premier axe XI. Le cas échéant, plusieurs paires de rouleaux 23 peuvent s’étendre dans le même plan et former ensemble une unique rangée. Les paires de rouleaux 23 d’une même rangée peuvent alors être positionnées de sorte à contraindre en volume le lingot intermédiaire 3.

[0075] Lorsqu’au moins deux efforts de compression successifs sont appliqués au lingot intermédiaire 3, les paires de rouleaux 23 peuvent s’étendre dans des plans parallèles formant chacun une rangée.

[0076] On comprendra que l’outil 1 peut comprendre un nombre supérieur ou égal à deux paires de rouleaux 23, le nombre de rouleaux 23 étant toujours un nombre pair.

[0077] Pendant l’étape S5, la vitesse de rotation des rouleaux 23 est choisie de sorte que leur surface de laminage suive le lingot intermédiaire 3 lors de l’application de l’effort de compression et de l’éjecter vers le bas. Le cas échéant, la vitesse de chaque paire de rouleau 23 peut être adaptée de manière analogue à ce qui est déjà fait dans le cas des lignes de laminage de duo. Plus précisément, dans le cas du laminage duo, deux rouleaux, cylindriques ou diabolo, de laminoir travaillent aussi bien en effort qu’en déformation. L’entrefer entre les rouleaux est figé et leur rotation entraîne le défilement. Les rouleaux sont refroidis à l’eau.

[0078] Quelle que soit la variante de réalisation, une gorge 22 peut être formée dans la surface d’application de l’effort de compression de chaque marteau 21 et de chaque rouleau 23 de sorte à contraindre en volume le lingot intermédiaire 3 (voir la figure 6). En d’autres termes, le lingot intermédiaire 3 est contraint de s’allonger suivant l’axe longitudinal X, la gorge 22 étant conformée de sorte à réduire sa section et sa largeur en empêchant son expansion dans un plan radial à l’axe longitudinal X. La forme et les dimensions de la gorge 22 sont choisies en fonction de la forme et des dimensions de la paroi latérale 13 du creuset 12 et de la forme (section ronde, carrée, rectangulaire, prismatique, profilé quelconque, etc.) et des dimensions souhaitées pour le lingot final.

[0079] En variante, lorsque plusieurs paires moyens de déformation 20 sont placées dans un même plan normal à l’axe longitudinal X, lesdits moyens de déformation 20 sont positionnés par rapport au lingot intermédiaire 3 de sorte que leur surface d’application forme une goulotte (dont la forme et les dimensions dépendent de celles de la paroi latérale 13 du creuset 12 et du lingot final), afin de contraindre le volume dudit lingot intermédiaire 3 et de garantir sa déformation longitudinale.

[0080] Les moyens de déformation 20 sont de préférence refroidis et lubrifiés, par exemple à l’eau.

[0081] Le cas échéant, l’outil 1 peut en outre comprendre un ou plusieurs moyens de chauffage, s’étendant au niveau des moyens de déformation 20, afin d’améliorer la maîtrise de la température du lingot intermédiaire 3, d’augmenter la température de laminage et de réduire les contraintes au niveau des moyens de déformation 20.

[0082] La vitesse de déplacement des moyens de déformation 20 (translation des marteaux 21 et rotation des rouleaux 23) est ajustée de sorte à garantir une application homogène de l’effort de compression au lingot intermédiaire 3. Toute section du métal en cours de solidification 3 issu de l’enceinte est donc comprimée lors de l’étape S5.

[0083] Dans une forme de réalisation, la plaque de fond 14 est également déformée lors de l’étape S5 afin de garantir que tout le métal sortant de l’enceinte soit bien comprimé par les moyens de déformation 20 (voir figures 3 et 4). Cela permet en outre de simplifier le procédé S puisqu’il n’est pas nécessaire d’écarter les marteaux 21 ou les rouleaux 23 pour éviter de déformer la plaque de fond 14 et permettre son passage.

[0084] Le cas échéant, l’outil 1 peut comprendre une sonde configurée pour détecter les contraintes engendrées sur la première rangée, et donc l’arrivée de la plaque de fond 14 au niveau des moyens de déformation 20.

[0085] On notera que la vitesse de coulée peut être augmentée à partir du moment où la plaque de fond 14 arrive au niveau de la première rangée de presse(s) 20 et/ou de laminoir(s) 20, afin que la profondeur du puits de métal liquide 2 puisse être le plus proche de l’entrefer de la première rangée et de garantir ainsi que le métal du lingot intermédiaire 3 soit bien en phase semi-liquide. Typiquement, la vitesse de coulée peut être augmentée lorsque la sonde détecte les contraintes engendrées sur la première rangée de rouleaux 23 ou de marteaux 21.

[0086] Dans une forme de réalisation, les moyens de déformation 20 peuvent former tout ou partie de l’actionneur et être utilisés pour le déplacement de la plaque de fond 14 et du métal en cours de solidification 3 vers le bas lors de l’étape S3. A cette fin, l’entrefer des moyens de déplacement de la rangée la plus en aval peut être sensiblement égal à la largeur de la tige 16. La largeur et la forme de la tige 16 sont donc sensiblement identiques à la largeur et à la forme du lingot final.

[0087] En variante, l’actionneur peut comprendre un mécanisme spécifique configuré pour déplacer la tige 16 jusqu’à ce que la plaque de fond 14 atteigne la première rangée de moyens de déformation 20. Puis, le cas échéant, ce mécanisme spécifique pourra être désengagé de la tige 16, le rôle de l’actionneur étant repris par les moyens de déformation 20 de sorte que le déplacement de la tige 16 est effectué simultanément au déplacement (translation des marteaux 21 ou rotation des rouleaux 23) des moyens de déformation 20.

[0088] Dans le cas d’un laminoir 20, on notera que, pour un lingot du type barre ronde, la vitesse V) du métal en sortie de l’outil 1 est déterminée en fonction du rayon final Ri recherché pour le lingot 3, du rayon initial R_o du lingot et de sa vitesse de coulée V_o (au niveau de l’embouchure 15 de l’outil 1):

[0089] V! = Vo * R₀ ²/Ri²

[0090] Dans le cas où le lingot présente une section initiale S_o et une section finale Si quelconques, la vitesse Vi en sortie de l’outil 1 est alors définie comme suit : [0091] Vi = Vo*S_o/Si

[0092] De manière générale, lorsque l’outil 1 comprend plusieurs étages de laminoirs 20, la vitesse V_n du lingot 3 à la sortie de l’étage n du laminoir 20 est définie comme suit : [0093] V_n = V_n_i * S_n_i/S_n.

[0094] De manière connue en soi, la vitesse de rotation des rouleaux n est alors déterminée en tenant compte du plus petit rayon du rouleau en forme de diabolo, de la vitesse V_ndu lingot 3 en sortie de l’étage n de rouleaux et d’un facteur qui tient compte du glissement à température à définir par essais.

[0095] Dans le cas d’une presse 20, qui réalise deux mouvements simultanément (un déplacement longitudinal VL dans le sens long et un déplacement radial pour déformer la matière à une vitesse donnée VR), la pression radiale d’un marteau 21 d’un étage n donné, dont l’aire de contact est A, engendre un déplacement de la matière en haut et en bas d’une vitesse égale à :

[0096] A/(S_{n l}+S_n) * VR * Cste

[0097] où : Cste est une constante fonction de la température et du glissement à définir par essais.

[0098] Afin de garantir une même vitesse de coulée V_o dans le creuset dans le sens longitudinal, la vitesse VL des marteaux 21 de l’étage n doit être égale à :

[0099] VL = V_{n l} + N * A/(S_{n l}+S_n) * VR * Cste

[0100] où : N est le nombre de marteaux par étage.

[0101] La vitesse V_n du lingot 3 à la sortie de l’étage n est donc :

[0102] V_n = VL + N * A/(S_n_i+S_n) * VR * Cste

[0103] La pression appliquée par les marteaux 21/rouleaux 23 est déterminée en fonction des entrefers, des rapports de section du lingot 3 (S_n_i/S_n) et des contraintes d’écoulement afin de ne pas atteindre la puissance maximale des presses ou du laminoir 20. De manière générale, la contrainte moyenne d’écoulement dépend de la température moyenne (entre le cœur et la périphérie) et de la vitesse de déformation fonction des vitesses ci-dessus.

[0104] Le procédé S de l’invention permet de réduire les macrostructures très hétérogènes liées à la solidification colonnaire, aux ségrégations positives et aux ségrégations alignées obtenues avec les coulées semi-continues conventionnelles. Les propriétés du lingot final sont nettement améliorées, tout comme les conditions d’usinage de cette structure brute de solidification. En particulier :

• La suppression des grains colonnaires rend les propriétés mécaniques et dynamiques isotropes, avec les mêmes propriétés suivant une direction perpendiculaire au front de solidification 4 et suivant une direction parallèle à celuici.

• La suppression des grains colonnaires rend les efforts de compression d’usinage isotrope suivant ces mêmes directions. Les relaxations de contraintes d’usinage sont aussi plus isotropes, ce qui réduit la dispersion des déformations des pièces, simplifie les gammes d’usinage, réduit le coût de fabrication et réduit le temps de cycle de fabrication.

• La suppression des ségrégations positives alignées réduit la dispersion des propriétés d’usage des conditions d’usinage, améliore le dimensionnement et réduit les risques de rebut dimensionnel.

• La suppression de l’exsudation en surface du lingot, pendant la solidification, réduit aussi la dispersion des propriétés et des conditions d’usinage.

[0105] Le procédé S permet l’obtention de lingots pouvant être transformés de sorte à obtenir :

• des demi-produits en barre ou en billettes dont les propriétés d’emploi peuvent être améliorées de 15%. Une fois refroidis, les lingots finals sont déformés à chaud par laminage, forgeage, estampage, extrusion, etc. afin de former des barres ou des billettes en vue d’une déformation ultérieure à froid ou à chaud et/ou d’un usinage.

• des barreaux de fonderie, bruts de solidification, dont la dispersion des propriétés d’emploi et de réponse à l’usinage sont nettement améliorés. En particulier, le traitement isostatique à chaud peut être supprimé avant usinage.

• des lopins ou ébauches, bruts de solidification. Une fois refroidis, les lingots finals sont débités en lopins ou ébauches et peuvent être déformés à chaud au plus près des côtes de la pièce finale par forgeage, laminage, estampage, extrusion, etc. sans dispersion des microstructures finales sur la pièce.

Claims

Revendications [Revendication 1] Procédé de fabrication (S) d’un lingot en métal par coulée continue comprenant les étapes suivantes : S1 : fusion de tout ou partie du métal de sorte à obtenir du métal liquide (2), S2 : transfert par écoulement du métal liquide (2) dans un creuset (12), ledit creuset (12) présentant une plaque de fond (14) et au moins une paroi latérale (13) délimitant ensemble une enceinte configurée pour recevoir le métal liquide (2), la paroi latérale (13) présentant une première largeur (Ll) suivant un premier axe (XI), S3 : déplacement de la plaque de fond (14) par rapport à la paroi latérale (13) à une vitesse contrôlée dépendant d’une vitesse d’écoulement du métal liquide (2) et, S4 : solidification progressive du métal liquide (2) à partir de la plaque de fond (14) du creuset (12), le procédé de fabrication (S) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre, pendant l’étape S3 de déplacement de la plaque de fond (14), une étape S5 d’application d’un effort de compression au métal (3) qui est présent entre la plaque de fond (14) et la paroi latérale (13), ledit effort de compression étant appliqué suivant un deuxième axe (X2) parallèle au premier axe (XI) de sorte à déformer ledit métal et à obtenir un lingot (3) présentant une deuxième largeur (L2) suivant ce premier axe (XI) qui est inférieure à la première largeur (Ll). [Revendication 2] Procédé de fabrication (S) selon la revendication 1, dans lequel, lors de l’étape S5 d’application de l’effort de compression, le métal est en cours de solidification. [Revendication 3] Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 ou 2 comprenant en outre, après l’étape S5, au moins une étape supplémentaire (S6) d’application au lingot (3) d’un effort de compression suivant un troisième axe (X3) de sorte à le déformer et à obtenir un lingot (3) présentant une troisième largeur (L3) suivant ce troisième axe (X2), la troisième largeur (L3) étant inférieure à la deuxième largeur (L2). [Revendication 4] Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre, au cours de l’étape S5, l’application d’un effort de compression supplémentaire au métal qui est présent entre la plaque de fond (14) et la paroi latérale (13) suivant un axe qui est sécant avec le

premier axe (XI). [Revendication 5] Procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel, au cours de l’étape S5, la plaque de fond (14) est également déformée et le procédé de fabrication (S) comprend en outre une étape ultérieure (S7) de découpe de la plaque de fond (14). [Revendication 6] Outil (1) pour la fabrication d’un lingot en métal par coulée semicontinue conformément à un procédé de fabrication (S) selon l’une des revendications 1 à 5, ledit outil (1) comprenant les éléments suivants : - un bassin de surverse configuré pour faire fusionner le métal liquide (2) sorte à obtenir du métal, - un creuset (12) présentant une plaque de fond (14) et au moins une paroi latérale (13) délimitant ensemble une enceinte configurée pour recevoir le métal liquide (2), la paroi latérale (13) présentant une première largeur (Ll) suivant un premier axe (XI), - un actionneur (20) configuré pour déplacer la plaque de fond (14) du creuset (12) par rapport à la paroi latérale (13) du creuset (12) à une vitesse contrôlée dépendant d’une vitesse d’écoulement du métal liquide (2), et - des moyens de solidification progressive du métal (3), l’outil (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens de déformation configurés pour appliquer un effort de compression au métal (3) qui est présent entre la plaque de fond (14) et la paroi latérale (13), ledit effort de compression étant appliqué suivant un deuxième axe (X2) parallèle au premier axe (XI) de sorte à déformer ledit métal et à obtenir un lingot (3) présentant une largeur suivant ce premier axe (XI) qui est inférieure à la première largeur (Ll). [Revendication 7] Outil (1) selon la revendication 6 comprenant en outre des moyens de déformation supplémentaires s’étendant dans le même plan que les moyens de déformation et configurés pour appliquer un effort de compression simultanément au métal. [Revendication 8] Outil (1) selon l’une des revendications 6 ou 7 comprenant en outre des moyens de déformation supplémentaires s’étendant en aval des moyens de déformation et configurés pour appliquer un effort de compression au métal en sortie des moyens de déformation. [Revendication 9] Outil (1) selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel les moyens de déformation (20) comprennent l’un au moins des éléments suivants : une presse, un laminoir. [Revendication 10] Outil (1) selon la revendication 8, dans lequel une gorge (22) est formée

dans une surface de déformation des moyens de déformation (20) afin de contraindre en volume le métal (3).