FR3095972A1 - Moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale et procédé de fabrication associé - Google Patents

Moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale et procédé de fabrication associé Download PDF

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Abstract

Moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale et procédé de fabrication associé L’invention concerne un moule (1) destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, le moule comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement (12) ayant une section elliptique dans lequel est disposé un germe monocristallin (2), le germe ayant une section elliptique définie par un petit axe et par un grand axe, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d’une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s’écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l’ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z), dans lequel le petit axe et le grand axe de la section du germe sont orientés en fonction des orientations cristallographiques secondaires du monocristal formant le germe monocristallin. Elle vise aussi le procédé de fabrication associé. Figure pour l’abrégé : Fig. 4.

Description

Moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale et procédé de fabrication associé
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces monocristallines par coulée de métal. La présente invention concerne notamment un moule destiné à être utilisé dans de tels procédés.
Dans certains cas, et notamment dans les turbomachines aéronautiques, il est nécessaire de disposer de pièces métalliques ou en alliage métallique qui présentent une structure monocristalline contrôlée. Par exemple, dans les distributeurs de turbines de turbomachines aéronautiques, les aubes doivent supporter des contraintes thermomécaniques importantes dues à la température élevée et aux efforts centrifuges auxquels elles sont soumises. Une structure monocristalline contrôlée dans les alliages métalliques formant ces aubes permet de limiter les effets de ces contraintes.
Pour réaliser une pièce monocristalline par coulée de métal, on peut fabriquer tout d’abord un moule céramique à partir d’un modèle de la pièce à fabriquer (par exemple un modèle en cire). On place dans le moule un germe monocristallin (c’est-à-dire dont l’orientation cristallographique est connue et constante dans tout le germe) sur lequel on vient couler le métal fondu qui va ensuite remplir une cavité du moule destinée à former la pièce. Lors du refroidissement, le métal se solidifie et la croissance épitaxiale des grains à partir du germe monocristallin permet de garantir l’orientation cristallographique dans la pièce moulée.
Cependant, le germe peut également être une source de défauts de la pièce obtenue par un tel procédé. En effet, les configurations de germe actuelles peuvent engendrer la croissance de grains parasites qui se propagent jusque dans la pièce coulée.
On connaît du document FR 3 042 725 un moule dans lequel on place un germe monocristallin cylindrique et dont les dimensions sont adaptées pour réduire l’apparition de tels grains parasites. Le germe monocristallin utilisé doit toutefois disposer d’un élément d’indexation tel qu’un ergot sur une portion inférieure de celui-ci qui est orienté en fonction d’une direction d’orientation cristallographique du germe monocristallin. Cet élément d’indexation est également une source de défauts dans la pièce obtenue, car il peut aussi être responsable de l’apparition de grains parasites au moment de la solidification dirigée.
Il existe donc un besoin pour disposer d’un moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale, ainsi que d’un procédé de fabrication mettant en œuvre un tel moule, qui ne présentent pas les inconvénients précités.
L’invention concerne un moule destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, le moule comprenant une cavité dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement ayant une section elliptique dans lequel est disposé un germe monocristallin, le germe ayant une section elliptique définie par un petit axe et par un grand axe, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d’une ouverture de section circulaire par laquelle est destiné à s’écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l’ouverture étant centrés sur un même axe vertical,
dans lequel le petit axe et le grand axe de la section du germe permettent de déterminer respectivement les orientations cristallographiques secondaires du monocristal formant le germe monocristallin.
Un tel moule permet une indexation aisée des directions cristallographiques du germe monocristallin en s’affranchissant d’artifices tel qu’un ergot ou un méplat sur un germe cylindrique, source de défauts dans la pièce. La forme elliptique du germe génère par ailleurs moins de défauts qu’un germe de forme oblongue qui présente une surface latérale plane (et qui n’est donc pas elliptique), notamment à cause de la difficulté de le positionner dans le logement avec un jeu faible.
Les orientations cristallographiques secondaires peuvent être les directions <100> et <010> du monocristal formant le germe. Le petit axe et le grand axe peuvent en particulier coïncider respectivement avec lesdites orientations cristallographiques secondaires, ou éventuellement former un angle prédéterminé et connu avec celles-ci.
Dans un exemple de réalisation, la section elliptique du germe peut présenter une excentricité supérieure ou égale à 0,5 et inférieure à 1. Une telle excentricité permet un repérage plus aisé des orientations cristallographiques, et un encombrement réduit compatible avec des géométries de moule complexes.
Dans un exemple de réalisation, la section elliptique du germe peut présenter une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82.
Dans un exemple de réalisation, une distance de blocage correspondant à la différence entre la demi-longueur du petit axe de la section du germe et un rayon de l’ouverture peut être supérieure ou égale à 2,4 mm. La propagation de grains parasites est considérablement réduite pour une différence entre les rayons de l’ouverture et le demi petit axe du germe supérieure ou égale à 2,4 mm. Cette différence est ici appelée « distance de blocage » car elle est caractéristique du blocage de la propagation de grains parasites dans la pièce.
Dans un exemple de réalisation, le jeu séparant le germe d’une surface latérale du logement peut être inférieur ou égal à 0,03 mm. Un jeu réduit permet un positionnement correct du germe dans le logement et réduit également la propagation de grains parasites.
Dans un exemple de réalisation, la distance séparant une surface supérieure du germe et une surface supérieure du logement est comprise entre 5 mm et 10 mm. Une telle distance permet également de réduire la propagation de grains parasites tout en obtenant une épitaxie correcte.
Dans un exemple de réalisation, le germe monocristallin peut présenter un chanfrein ou un arrondi sur le pourtour de son arête supérieure. Par « supérieure » on entend l’arête située du côté du germe opposé à la base sur laquelle il repose quand le moule est en position verticale. Cet arrondi permet notamment d’éviter qu’une arête trop franche puisse venir au contact du moule et enlève des petits morceaux de moule qui pourraient entraîner l’apparition de grains parasites lors de la coulée de métal.
Dans un exemple de réalisation, le moule peut être destiné à être utilisé pour fabriquer une aube de turbomachine. Il peut par exemple s’agir d’une aube de distributeur de turbomachine aéronautique.
Dans ce cas, la section elliptique du germe peut présenter une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82, le petit axe peut présenter une longueur comprise entre 13 mm et 16 mm, et l’ouverture peut présenter un rayon compris entre 4 mm et 5 mm, et la distance séparant une surface supérieure du germe et une surface supérieure du logement peut être comprise entre 5 mm et 10 mm. Cette combinaison de paramètres permet de fabriquer une aube de turbomachine avec un nombre réduit de défauts liés à des grains parasites et d’obtenir un moule robuste.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce monocristalline par croissance épitaxiale, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- la fabrication d’un moule comprenant une cavité dans laquelle est destinée à être formée la pièce, et un logement ayant une section elliptique dans lequel est disposé un germe monocristallin, le germe ayant une section elliptique définie par un petit axe et par un grand axe, le petit axe et le grand axe de la section du germe étant orientés en fonction des orientations cristallographiques secondaires du monocristal formant le germe monocristallin, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d’une ouverture de section circulaire par laquelle est destiné à s’écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l’ouverture étant centrés sur un même axe vertical,
- la coulée d’un métal fondu dans le moule, et
- la solidification dirigée du métal coulé de façon à obtenir la pièce.
Dans un exemple de réalisation, la pièce monocristalline à fabriquer peut être une pièce pour l’aéronautique. Par « pièce pour l’aéronautique » on entend une pièce pouvant être utilisée dans un turboréacteur destiné à propulser un aéronef, par exemple : une aube de turbomachine aéronautique, un anneau de turbine, un distributeur basse pression, un système d’injection de chambre à combustion aéronautique, un composant de système d’injection aéronautique, une bride, un système de bridage, un support d’équipements moteur, un capot, etc.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
La figure 1 est un ordinogramme représentant les différentes étapes d’un procédé selon l’invention.
La figure 2 est une vue schématique en coupe d’un moule selon l’invention, disposé dans un four de solidification dirigée.
La figure 3 montre un germe monocristallin destiné à être utilisé dans un moule selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 est une vue agrandie de la figure 2 au niveau d’un logement de germe monocristallin.
La figure 5 est une vue de dessus du logement d’un moule selon u mode de réalisation de l’invention.
L’invention va maintenant être décrite dans le cadre d’un procédé de fabrication d’une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale. Dans l’exemple illustré, on s’intéresse à la fabrication d’aubes de distributeur de turbomachine aéronautique monocristallines en alliage métallique (par exemple en alliage à base de nickel tel que l’alliage commercial « AM1 »). Les étapes d’un tel procédé sont résumées dans l’ordinogramme de la figure 1.
De façon connue en soi, la première étape d’un procédé de fabrication par coulée de métal et croissance épitaxiale consiste à obtenir un modèle, par exemple en cire, de la pièce à fabriquer (étape E1).
Puis, le modèle en cire est recouvert d’une coque (ou carapace) céramique (étape E2), par exemple par trempes successives dans une barbotine adéquate et stuccage dans une poudre céramique. Le modèle muni de sa carapace est ensuite cuit et déciré (étape E3), c’est-à-dire que la cire présente dans le moule céramique obtenu est éliminée.
Un exemple de moule 1 selon l’invention obtenu à partir d’un modèle en cire est illustré sur les figures 2 à 4. Le moule 1 en céramique comprend notamment une ou plusieurs cavités 10 (ici deux cavités ont été représentées sur la figure 1) ayant la forme de la pièce à fabriquer (ici une aube de distributeur de turbomachine aéronautique), qui sont ouvertes à leurs extrémités supérieures et reliées entre elles par des canaux débouchant dans une partie conique, ou godet 11. C’est dans le godet 11 que le métal sera ultérieurement coulé avant de cheminer jusque dans les cavités 10.
Le moule 1 comprend également des logements 12 dans lesquels sont insérés des germes monocristallins 2 (étape E4). Il y a typiquement autant de logements 12 que de cavités 10. Un logement 12 est localisé au-dessous d’une cavité 10 et est en communication fluidique avec la cavité qui le surmonte par le biais d’une ouverture 13, afin que du métal liquide puisse s’introduire depuis la cavité 10 jusque dans le logement 12. Le canal reliant l’ouverture 13 et la cavité 10 est ici de forme cylindrique. On notera que le moule 1 est dépourvu de conduit sélecteur de grain de type hélicoïdal.
Le logement 12 et le germe monocristallin 2 sont de forme elliptique (c’est-à-dire présentant une section elliptique constante sur toute leur hauteur). Le logement 12 et le germe 2 présentent des dimensions proches de façon à laisser un jeuJ(figure 5) le plus faible possible entre la paroi latérale du logement 12 et le germe 2 pour éviter que du métal liquide ne s’infiltre autour du germe 2 lors de la coulée et génère des grains parasites lors de la solidification du métal. Ce jeuJpeut être inférieur ou égal à 0,03 mm.
A la base du moule 1 se trouve un socle 14 qui assure le maintien du germe 2 dans le logement 12, et qui supporte également l’ensemble du moule 1 lorsqu’il est en position verticale.
Le germe 2, montré en perspective sur la figure 3, présente une section elliptique avec un petit axe P1 et un grand axe P2. On a représenté en tirets sur la surface supérieure du germe une dendrite 2a schématisant les orientations cristallographiques secondaires du monocristal formant le germe 2. La dendrite définit ainsi une direction X correspondant à l’orientation cristallographique <100>, une direction Y correspondant à l’orientation <010>, et une direction Z perpendiculaire aux directions X et Y correspondant à l’orientation <001>. Dans cet exemple, le petit axe P1 et le grand axe P2 coïncident respectivement avec les directions Y et X. L’excentricité de l’ellipse définissant le germe 2 (ainsi que le logement 12) est de préférence comprise entre 0,5 et 1 (exclu), et encore plus préférentiellement comprise entre 0,55 et 0,82 pour l’application envisagée. Le germe 2 présente ici un arrondi 2b sur le pourtour de son arête supérieure. En variante, le germe 2 peut présenter un chanfrein à la place d’un arrondi. Typiquement, le germe 2 n’occupe pas complètement le logement 12, et un espace est ménagé entre l’extrémité supérieure du germe 2 et l’ouverture 13 dans lequel du métal liquide pourra être coulé.
La figure 4 montre une vue détaillée d’un logement 12 dans lequel est disposé un germe 2. Le germe 2 et l’ouverture 13 sont centrés sur le même axe vertical Z.
Le germe 2 présente une longueur Lg, qui est par exemple comprise entre 40 et 45 mm. L’ouverture 13 (ou la paroi supérieure du logement 12) peut être séparée de la surface supérieure du germe 2 d’une distance d comprise entre 5 mm et 10 mm pour obtenir une épitaxie correcte. L’ouverture 13 peut par exemple s’étendre sur une longueur Ld de l’ordre de 5 mm. De préférence, le rayon de l’ouverture Rd est supérieur ou égal à 4 mm pour réduire l’impact de l’ouverture sur la solidité du moule 1. De préférence encore, le rayon de l’ouverture Rd est inférieur ou égal à 5 mm, pour assurer un remplissage correct du moule 1 par le métal fondu. Le petit axe P1 du germe 2 peut présenter une longueur supérieure à 13 mm afin d’augmenter la fiabilité du moule 1.
On définit une distance de blocage Db (figure 5), correspondant à la différence entre le demi petit axe (P1)/2 du germe et le rayon de l’ouverture Rd : Db = (P1)/2 – Rd. Cette distance de blocage est une grandeur caractéristique de la propagation de grains parasites depuis le logement du germe 12 jusqu’à la cavité 10. La distance de blocage Db peut être supérieure ou égale à 2,4 mm pour assurer un meilleur blocage des grains parasites.
Une fois les germes 2 insérés et orientés dans leurs logements 12, l’ensemble du moule 1 sur son socle 14 est placé sur un plateau mobile 30 d’un four 3 de solidification dirigée. Le four 3 présente avantageusement une fenêtre supérieure 31 par laquelle on peut couler du métal dans le moule 1. Le plateau mobile 30 permet de retirer rapidement le moule 1 de l’enceinte chaude du four 3 pour réguler sa température. Le plateau 30 peut être une sole en cuivre refroidie. Les germes 2 peuvent être fixés par exemple par collage au plateau 30.
Le moule 1 est mis en température dans le four 3, et du métal liquide 40 est coulé à partir d’un creuset 4 dans le moule 1 (étape E5), par la fenêtre 31 du four. Les logements 12 des germes 2 se remplissent de métal, puis les cavités 10 dans lesquelles sont formées les pièces. On retire progressivement le moule 1 du four 3, par exemple en abaissant le plateau mobile 30, afin de réduire la température du moule 1 et de contrôler la solidification du métal dans le moule (étape E6).
Lors de la solidification dirigée, le grain métallique va croitre par épitaxie à partir du germe, dont l’orientation cristallographique est bien connue et contrôlée. En respectant les dimensions particulières du moule selon l’invention, la croissance de grains parasites dont l’orientation n’est pas contrôlée est évitée, et l’on obtient, après décochage, des pièces présentant une structure monocristalline contrôlée.
Après décochage (étape E7) du moule, on peut enfin procéder à des usinages classiques de finition (étape E8) pour obtenir les pièces monocristallines finies.
Au cours d’un essai, on a coulé dans un moule tel que le moule 1 représenté sur les figures 2 et 3, en céramique, des aubes de turbomachine en alliage métallique à base de nickel AM1. L’excentricité des ellipses définissant le germe 2 et le logement 12 est de l’ordre de 0,75, le rayon de l’ouverture est de l’ordre de 4,5 mm, le petit axe présente une longueur de 14,5 mm, et la distance séparant la surface supérieure du germe 2 et la surface supérieure du logement est de 6 mm. La température du four pour réaliser la coulée et la solidification dirigée est comprise, dans cet exemple, entre 1480°C et 1600°C. Le moule fabriqué est robuste, et les aubes obtenues comprennent moins de défauts liés notamment à la propagation de grains parasites que lorsqu’un germe cylindrique avec méplat est utilisé.

Claims (10)

  1. Moule (1) destiné à être utilisé pour fabriquer une pièce monocristalline par coulée de métal et croissance épitaxiale, le moule comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce et un logement (12) ayant une section elliptique dans lequel est disposé un germe monocristallin (2), le germe ayant une section elliptique définie par un petit axe (P1) et par un grand axe (P2), le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d’une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s’écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l’ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z),
    dans lequel le petit axe et le grand axe de la section du germe permettent de déterminer respectivement les orientations cristallographiques secondaires (X, Y) du monocristal formant le germe monocristallin.
  2. Moule selon la revendication 1, dans lequel la section elliptique du germe (2) présente une excentricité supérieure ou égale à 0,5 et inférieure à 1.
  3. Moule selon la revendication 2, dans lequel la section elliptique du germe (2) présente une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82.
  4. Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une distance de blocage (Db) correspondant à la différence entre la demi-longueur du petit axe (P1/2) de la section du germe et un rayon (Rd) de l’ouverture (13) est supérieure ou égale à 2,4 mm.
  5. Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le jeu (J) séparant le germe d’une surface latérale du logement est inférieur ou égal à 0,03 mm.
  6. Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la distance (d) séparant une surface supérieure du germe et une surface supérieure du logement est comprise entre 5 mm et 10 mm.
  7. Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le germe monocristallin (2) présente un chanfrein ou un arrondi (2b) sur le pourtour de son arête supérieure.
  8. Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, destiné à être utilisé pour fabriquer une aube de turbomachine.
  9. Moule selon la revendication 8, dans lequel la section elliptique du germe (2) présente une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82, le petit axe (P1) présente une longueur comprise entre 13 mm et 16 mm, l’ouverture (13) présente un rayon (Rd) compris entre 4 mm et 5 mm, et la distance (d) séparant une surface supérieure du germe et une surface supérieure du logement est comprise entre 5 mm et 10 mm.
  10. Procédé de fabrication d’une pièce monocristalline par croissance épitaxiale, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - la fabrication (E2) d’un moule (1) comprenant une cavité (10) dans laquelle est destinée à être formée la pièce, et un logement (12) ayant une section elliptique dans lequel est disposé un germe monocristallin (2), le germe ayant une section elliptique définie par un petit axe (P1) et par un grand axe (P2), le petit axe et le grand axe de la section du germe étant orientés en fonction des orientations cristallographiques secondaires (X, Y) du monocristal formant le germe monocristallin, le logement étant en communication fluidique avec la cavité par le biais d’une ouverture (13) de section circulaire par laquelle est destiné à s’écouler du métal fondu, le germe monocristallin et l’ouverture étant centrés sur un même axe vertical (Z),
    - la coulée (E5) d’un métal fondu dans le moule, et
    - la solidification dirigée (E6) du métal coulé de façon à obtenir la pièce.
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