FR3145299A1

FR3145299A1 - Moule de fonderie

Info

Publication number: FR3145299A1
Application number: FR2300809A
Authority: FR
Inventors: Romain Benjamin Leriche Nicolas; Alain FARGEAS Serge; Todor Stoyanov
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-01-27
Publication date: 2024-08-02

Abstract

Moule de fonderie L’invention concerne un moule (10) de fonderie pour la coulée centrifuge d’un métal fondu par mise en rotation du moule autour d’un axe de rotation (101) vertical, ledit moule comprenant au moins : - une cavité de moulage (14) ; - un bras d’alimentation (13) de la cavité de moulage en communication fluidique avec la cavité de moulage au moyen d’une ouverture (22) ; le moule étant caractérisé en ce que la cavité de moulage est disposée entre le bras d’alimentation de la cavité de moulage et l’axe de rotation (101). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Moule de fonderie

L’invention concerne le domaine de la fonderie de métal, notamment des moules pour l’obtention de pièces et plus précisément des moules permettant un coulage par centrifugation.

Le moulage d’alliages fondus est utilisé dans de nombreux domaines technologiques pour obtenir des pièces directement aux formes désirées ne nécessitant pas de longues étapes de procédés supplémentaires.

Les procédés de fonderie connus comportent généralement au moins une étape de coulée d’un métal fondu à l’état liquide dans une cavité de moulage à la forme désirée, suivie du refroidissement et de la solidification du métal dans la cavité de moulage avant le démoulage du métal solidifié.

Une difficulté technique des procédés de fonderie connus est de s’affranchir des défauts créés à cause de la différence de température entre le moule et le métal coulé.

En effet, les coefficients de contractions thermiques différents entre le moule et le métal peuvent être à l’origine de défauts cristallins, notamment de criques ou de zones recristallisées, dont il est difficile de s’affranchir par de tels procédés.

Une solution proposée est de diminuer la différence de température entre le moule et le métal coulé, c’est-à-dire augmenter la température du moule avant de verser le métal. Cette solution impose une contrainte industrielle importante, car il devient alors nécessaire de disposer d’un plus grand four pouvant accueillir le moule et disposant d’éléments chauffants de plus grande puissance et les coûts du procédé sont augmentés.

Afin de minimiser les pertes thermiques du métal liquide lors de son introduction dans le moule, il a également été proposé d’accélérer le métal par exemple en mettant le moule en rotation. De la sorte, la force centrifuge travaille à envoyer le métal dans la cavité de moulage plus rapidement, ce qui se traduit par des pertes thermiques moins importantes, du fait d’un remplissage du moule plus rapide.

Lors d’un coulage par centrifugation, il est toutefois observés d’autres défauts, notamment des non-venues de métal, c’est-à-dire que les cavités de moulage ne sont pas nécessairement complètement remplies, des coulures ou encore des gouttes froides, dues à la projection non maîtrisées et rapides de métal dans le moule. Il s’ensuit des pièces non-conformes, qui ne peuvent pas être utilisées et qui représentent donc des pertes de matière.

Le coulage par centrifugation est également à l’origine d’un front de remplissage du métal liquide qui n’est pas homogène dans la cavité de moulage, car le débit de métal liquide est accéléré par l’action de la force centrifuge, et il est difficile d’assurer un remplissage progressif très homogène du moule.

Pour parvenir à un procédé de moulage de métal fondu encore plus efficient et limitant le nombre de pièces non conformes, il demeure souhaitable de proposer un procédé dénué de certains désavantages décrits ci-dessus.

L’invention vise précisément à répondre à ce besoin.

Pour cela l’invention propose un moule de fonderie pour la coulée centrifuge d’un métal fondu par mise en rotation du moule autour d’un axe de rotation vertical, ledit moule comprenant au moins :

- une cavité de moulage ;

- un bras d’alimentation de la cavité de moulage en communication fluidique avec la cavité de moulage au moyen d’une ouverture ;

le moule étant caractérisé en ce que la cavité de moulage est disposée entre le bras d’alimentation de la cavité de moulage et l’axe de rotation.

Dans la présente demande, le terme « métal » fera indépendamment référence à un métal pur ou à un alliage métallique s’il n’est pas fait mention particulière de l’un ou de l’autre.

Dans un moule de l’invention, lorsque le moule est mis en rotation autour de l’axe de rotation, le travail de la force centrifuge sur le métal liquide voulant entrer dans la cavité de moulage est négatif.

Dans la demande, le « travail » d’une force prend la signification classique de ce terme en physique générale et s’entend comme le produit scalaire de la force par le trajet parcouru exprimé vectoriellement.

La « force centrifuge » s’entend ici comme la force créée par un objet en rotation dont la direction est comprise dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation. La force centrifuge s’appliquant à l’objet considéré est orientée le long de la droite joignant l’axe de rotation au centre de masse de l’objet considéré, dans le sens s’éloignant du centre de rotation. Sa valeur F peut s’écrire F = mω²r où m est la masse de l’objet sur lequel elle s’applique, ω la vitesse angulaire (ici au carré), et r la distance séparant l’objet de l’axe de rotation.

Dans un moule de l’invention, la force centrifuge travaille positivement sur une portion de métal s’éloignant de l’axe de rotation, et négativement sur une portion de métal souhaitant se rapprocher de l’axe de rotation.

Notons que la force centrifuge n’est aucunement modifiée par le sens de rotation du moule et que ce dernier n’a d’importance que pour la force de Coriolis qui sera considérée dans d’autres modes de réalisation de l’invention.

Il peut sembler contre-intuitif de mettre le moule en rotation de sorte que le travail de la force centrifuge induite par la rotation du moule sur le métal liquide souhaitant entrer dans la cavité de moulage soit négatif.

Néanmoins, les inventeurs ont constaté qu’un moule de l’invention mis en rotation permet d’assurer que la force motrice du remplissage de la cavité de moulage soit généré indirectement par le métal présent dans le bras d’alimentation, et non la force centrifuge comme dans les procédés de l’art antérieur.

En effet, puisque le métal liquide est poussé dans la cavité par le métal alimentant le bras d’alimentation, et cela contre la force centrifuge, le remplissage de la cavité est bien moins turbulent que dans les moules de l’art antérieur, ce qui réduit l’apparition de défauts tels que les gouttes froides, les replis de métal ou les non-venues matière ou encore les retassures.

De manière également contre-intuitive, le remplissage de la cavité de moulage est certes plus lent que dans un moule où la force centrifuge travaille positivement, mais pas suffisamment lent non plus pour nuire à la productivité du procédé, pourvu que le bras d’alimentation soit alimenté en continu en métal.

En particulier, la vitesse de remplissage d’un moule de l’invention reste plus rapide et plus uniforme que celle d’un coulage par gravité de l’art antérieur, c’est-à-dire un coulage dans lequel il n’y aurait pas du tout d’application de force centrifuge.

En outre, et ainsi que cela sera détaillé plus en détails ci-dessous, la productivité est aussi augmentée par l’avantage qu’un moule de l’invention peut être utilisé à des températures plus basses que celles des procédés de l’art antérieur, ce qui raccourcit la durée des étapes de chauffage.

Dans la demande, et sauf mention contraire, lorsqu’une direction est dite « sensiblement verticale », « sensiblement horizontale » ou « sensiblement alignée avec ... », il faut comprendre que la désorientation entre la direction considérée et la direction de référence, est inférieure ou égale à 45°, voire inférieure ou égale à 20°. Ainsi, une direction « sensiblement horizontale » peut présenter avec une direction horizontale une désorientation comprise en -45° et +45° de préférence, voire comprise entre -20° et + 20°, et de même pour une direction « sensiblement verticale », ou une direction sensiblement alignée avec une autre.

Comme décrit plus haut, la cavité de moulage est entièrement comprise entre l’axe de rotation et le bras d’alimentation. Il est donc entendu que, dans toute projection du moule dans un plan comprenant l’axe de rotation, la cavité de moulage est projetée entre l’axe de rotation et le bras d’alimentation.

Une autre manière géométrique de vérifier cette condition est de vérifier que la cavité de moulage soit entièrement comprise dans l’enveloppe obtenue en faisant tourner le bras d’alimentation autour de l’axe de rotation.

La disposition de la cavité de moulage entre l’axe de rotation du moule et le bras d’alimentation assure géométriquement que le travail de la force centrifuge sur le métal souhaitant rentrer dans la cavité de moulage depuis le bras d’alimentation soit négatif, lorsque le moule est mis en rotation autour de l’axe de rotation.

Dans un mode de réalisation, le métal fondu ne peut alimenter la cavité de moulage que via les ouvertures présentes entre le bras d’alimentation et la cavité de moulage.

Dans un mode de réalisation, le moule comprend en outre :

- un canal d’alimentation s’étendant selon l’axe de rotation entre une ouverture principale, destinée à permettre l’alimentation du canal d’alimentation par du métal fondu, et un bras transversal ;

- un bras transversal, s’étendant selon un deuxième axe sensiblement horizontal, le bras transversal étant connecté au canal d’alimentation et au bras d’alimentation.

L’ensemble formé par le canal d’alimentation, le bras transversal et le bras d’alimentation permet de proposer une architecture du moule relativement simple, dans laquelle le métal est alimenté par le milieu du moule tout en assurant que le remplissage de la cavité de moulage soit réalisé en assurant un travail négatif de la force centrifuge.

Le moule de fonderie de l’invention n’est pas limité par la position du bras transversal par rapport à la cavité de moulage. Plusieurs modes de réalisation sont envisageables pour le moule de l’invention, dont certains seront décrits plus bas en lien avec les figures.

Selon une première alternative, le bras transversal peut être disposé au-dessus de la cavité de moulage.

Ce mode de réalisation permet de raccourcir le canal d’alimentation ainsi qu’il sera explicité plus bas en lien avec les figures. En particulier, un canal d’alimentation ainsi raccourci permet de placer la cavité de moulage très proche de l’axe de rotation du moule ce qui permet de limiter l’encombrement du moule dans la direction transverse. En outre, cela permet de diminuer la masse de métal à utiliser pendant un procédé de l’invention.

Selon une deuxième alternative, le bras transversal est disposé au-dessous de la cavité.

Dans ce mode de réalisation, le métal coulé doit remonter le bras d’alimentation avant d’entrer dans la cavité de moulage, car cette dernière est alors disposée au-dessus du bras transversal.

Dans un moule selon cette alternative, il a néanmoins été constaté que le métal coulé engorge très rapidement la cavité de moulage et le bras transversal. Le métal coulé engorgeant ces éléments permet alors d’exercer une force suffisante pour que le métal coulé puisse remonter dans le bras d’alimentation malgré le travail négatif de la force de gravité puis entre dans la cavité malgré le travail négatif de la force centrifuge. En effet, le métal est forcé dans la cavité par le métal engorgé et avance dans le bras transversal sous l’effet de la centrifugation.

Notons ici que, de manière générale dans cette description et sauf mention contraire, le travail de la force de gravité est relativement faible par rapport au travail de la force centrifuge. Notons également que le travail de la force de gravité est négligé dans les éléments horizontaux, de même que le travail de la force centrifuge dans les éléments verticaux, exception faite de la description de la collerette qui sera faite plus bas, et dont l’effet technique est lié à l’effet de la force centrifuge sur le métal dans le canal d’alimentation.

Cette disposition permet donc de ralentir encore davantage le métal fondu avant son entrée dans la cavité de moulage, comparativement à un mode de réalisation selon la première alternative.

Ralentir le métal fondu et engorger les cavités de moulage permet d’avoir un front de progression du métal plus homogène et donc une pièce finale ayant encore moins de défauts cristallins.

En particulier, ce mode de réalisation permet d’éviter toute projection de métal en avant du front de remplissage dans le bras d’alimentation et dans la cavité de moulage, ce qui évite l’apparition de défauts tels que les gouttes froides. En outre, ce mode de réalisation permet d’assurer des échanges thermiques en fin de remplissage plus homogènes ce qui évite les défauts de retassures ainsi que l’apparition de contraintes mécaniques.

Dans un mode de réalisation, le moule comprend en outre un bras de rétention, sensiblement parallèle au bras d’alimentation positionné entre l’axe de rotation et la cavité de moulage.

Dans ce mode de réalisation, le bras de rétention permet d’une part de jouer un rôle de masselotte pendant la solidification, et permet d’avoir un front de solidification qui part du centre des cavités et pour aller vers les bras de rétention et d’alimentation ; et d’autre part d’exercer un effort global en compression lors du refroidissement et éviter les contraintes et les défauts cristallins associés.

Dans un mode de réalisation où un canal d’alimentation est en outre présent, le bras de rétention est alors disposé entre le canal d’alimentation et la cavité de moulage.

Il est toutefois important qu’il n’y ait pas de mise en communication fluidique directe entre le canal d’alimentation et la cavité de moulage, c’est-à-dire qu’il ne soit pas possible pour du métal coulé de passer du canal d’alimentation au bras de rétention sans passer d’abord par le bras d’alimentation puis la cavité de moulage. Cela assure que la cavité de moulage soit alimentée par du métal fondu sur lequel la force centrifuge exerce un travail négatif.

Dans un mode de réalisation, le bras d’alimentation s’étend selon un axe, dit d’alimentation, qui présente une désorientation avec la direction verticale inférieure ou égale à 20°.

La désorientation de l’axe d’alimentation par rapport à la direction verticale, c’est-à-dire également par rapport à l’axe de rotation, permet de disposer la cavité de moulage de manière oblique, et d’ainsi augmenter l’espace disponible entre l’axe de rotation et l’axe d’alimentation sans avoir à augmenter d’autant l’écartement entre ces deux axes. Cela permet de diminuer l’encombrement radial du moule.

Dans un mode de réalisation, l’invention concerne un moule de fonderie pour la coulée centrifuge d’un métal fondu par mise en rotation du moule autour d’un axe de rotation vertical, ledit moule comprenant au moins :

- un canal d’alimentation s’étendant selon l’axe de rotation, entre une ouverture principale, destinée à permettre l’alimentation du canal d’alimentation par du métal fondu, et un bras transversal ;

- un bras transversal, s’étendant selon un deuxième axe sensiblement horizontal, le bras transversal étant connecté au canal d’alimentation et au bras d’alimentation ;

- un bras d’alimentation, connecté au bras transversal et à au moins une cavité de moulage ;

- au moins une cavité de moulage s’étendant entre le bras d’alimentation et un bras de rétention;

- un bras de rétention, parallèle au bras d’alimentation, le bras de rétention étant connecté à l’au moins une cavité de moulage,

le moule étant caractérisé en ce que chaque cavité de moulage est entièrement comprise entre l’axe de rotation et l’axe du bras d’alimentation, chaque cavité étant connectée d’une part avec le bras d’alimentation et d’autre part avec le bras de rétention.

Dans un mode de réalisation dans lequel le moule comprend un canal d’alimentation et un bras transversal, la plus grande dimension de la cavité de moulage définit, dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, une désorientation par rapport au deuxième axe inférieure ou égale à 45°.

Dans ce mode de réalisation, la plus grande dimension de la cavité de moulage n’est donc pas alignée avec le bras transversal.

Dans la demande, « la plus grande dimension de la cavité de moulage » s’entend comme la longueur du plus grand segment de droite que l’on peut inscrire dans ladite cavité de moulage.

Ce mode de réalisation permet de placer dans le moule des cavités de moulage plus grandes, sans augmenter la longueur du bras transversal, et donc sans augmenter la dimension la plus grande du moule.

La « dimension la plus grande du moule » peut s’entendre comme le diamètre de l’enveloppe obtenue en mettant en rotation le bras d’alimentation autour de l’axe de rotation. Par construction, l’ensemble des parties du moule destinées à être alimentées en métal sont comprises dans cette enveloppe.

Dans un mode de réalisation, le canal d’alimentation comprend un corps cylindrique et une collerette s’étendant dans une direction sensiblement perpendiculaire au diamètre du corps cylindrique.

Une collerette s’entend ici comme un espace creux annulaire, disposé autour du canal d’alimentation et ouvert sur ce dernier, la collerette ayant un diamètre supérieur au diamètre du canal d’alimentation , par exemple au moins une fois et demi plus grand, voire deux fois plus grand, voire trois fois plus grand, que le diamètre du canal d’alimentation.

La présence d’une collerette dans le canal d’alimentation permet de piéger les projections de métal éventuellement créées dans le canal d’alimentation par le métal fondu ou encore de piéger le métal liquide qui, au contact des parois du canal d’alimentation et sous l’effet de la force centrifuge, peut remonter le long des parois du canal d’alimentation et être expulsé en dehors du moule.

Dans un mode de réalisation, la collerette peut présenter un angle α avec la direction horizontale compris entre 0° et 20°.

Une telle orientation de la collerette permet une meilleure captation des éventuelles projections du métal remontant, sans que du métal ne puisse stationner dans les collerettes à la fin du procédé, celui-ci redescendant dans le canal d’alimentation par gravité du fait de l’inclinaison de la collerette. Il s’ensuit une moins grande perte de métal une fois le moule complètement rempli.

Dans un mode de réalisation, la cavité de moulage a la forme d’une aube de turbomachine.

Dans un mode de réalisation où la cavité de moulage a la forme d’une aube, et où la plus grande dimension de la cavité de moulage définit, dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, une désorientation par rapport à la direction du bras transversal inférieure ou égale à 45°, la partie de la cavité de moulage définissant le bord de fuite de l’aube de turbomachine est plus éloignée de l’axe de rotation que la partie de la cavité de moulage définissant le bord d’attaque de l’aube de turbomachine.

De manière générale, le bord de fuite est plus fin que le bord d’attaque pour des raisons aérodynamiques. Lorsque la cavité de moulage est disposée avec la désorientation indiquée, la force centrifuge n’est pas parfaitement alignée avec la cavité de moulage. En choisissant de disposer le bord de fuite plus éloigné de l’axe de rotation que le bord d’attaque, qui sera dit bord extérieur de la cavité de moulage, on s’assure que la force centrifuge permette un remplissage préféré de la partie de la cavité de moulage correspondant au bord de fuite. Il a été constaté que cela permet une meilleure obtention des formes les plus fines de l’aube, et de manière générale un moins grand nombre de pièces non conformes. En effet, le remplissage des parties fines des cavités de moulage peut être une source importante de défauts sur les pièces finales obtenues par moulage centrifuge, notamment les non-venues de métal.

Le raisonnement développé ici s’applique à toute forme de cavité de moulage présentant une partie fine et une partie épaisse, et il sera alors toujours préférable de disposer la partie la plus fine de la cavité de moulage plus éloignée de l’axe de rotation que la partie plus épaisse.

Dans un mode de réalisation dans lequel la cavité présente une partie plus fine et une partie plus épaisse, il peut être préféré de disposer la partie fine de la cavité de sorte que la partie fine ouvre la marche quand le moule est mis en rotation. On peut aussi dire que la partie fine de la cavité de moulage est en avance dans le sens de rotation par rapport à la partie épaisse. En d’autres termes, la partie la plus fine de la cavité de moulage est disposée de sorte qu’elle passe la première en un point donné lorsque le moule est mis en rotation.

Cette disposition de la partie la plus fine de la cavité de moulage, comparativement à la partie la plus épaisse, assure que la force de Coriolis exercée par la rotation entraine le métal dans la partie la plus fine de la cavité de moulage.

Ainsi, la partie la plus fine de la cavité de moulage se remplit plus facilement que la partie la plus épaisse, et de nouveau, il a été constaté que cela permet une meilleure obtention des formes les plus fines de l’aube, et de manière générale un moins grand nombre de pièces non conformes. En effet, le remplissage des parties fines des cavités de moulage peut être une source importante de défauts sur les pièces finales obtenues par moulage centrifuge.

La « force de Coriolis » s’entend avec le sens qu’elle a dans le domaine de la physique générale, c’est-à-dire comme une force inertielle (ou fictive, car résultant du mouvement non linéaire du référentiel) agissant perpendiculairement à la direction du mouvement d'un corps en déplacement dans un milieu lui-même en rotation uniforme. La valeur de cette force n’est pas importante dans la présente invention, seule sa présence et la direction seront importantes dans certains modes de réalisation.

Dans un mode de réalisation, et en particulier lorsque la cavité de moulage comprend une partie fine et une partie épaisse, il est possible de bénéficier des deux avantages techniques décrits plus en disposant la cavité de sorte que la partie fine de la cavité soit sur le bord avant de la cavité, et que ce bord avant soit également le bord extérieur vis-à-vis de la désorientation la cavité dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, et par rapport à la direction du bras transversal.

De cette manière, à la fois la force de Coriolis et la force centrifuge assurent que la partie fine de la cavité de moulage soit remplie en premier, ce qui diminue le nombre de pièces non-conformes en assurant un bon remplissage des parties fines de la cavité de moulage.

Dans un mode de réalisation, le moule comprend en outre un élément filtrant entre le bras d’alimentation et la cavité de moulage.

Un tel élément filtrant permet par exemple de retenir les oxydes ou les inclusions qui peuvent être créées lors du trajet du métal fondu dans le bras d’alimentation ou le cas échéant tout le parcours réalisé. Egalement, un élément filtrant disposé à l’entrée de la cavité de moulage permet d’assurer que le remplissage de la cavité de moulage soit fait dans un régime non turbulent ce qui limite encore davantage le risque de créer des défauts dans la cavité de moulage.

Dans un mode de réalisation, l’élément filtrant peut être un filtre céramique.

Dans un mode de réalisation, le moule décrit peut également comprendre des raidisseurs.

Les raidisseurs sont des éléments qui ne sont pas traversés par le métal fondu, et qui sont destinés à assurer l’intégrité mécanique du moule. Par exemple, des raidisseurs peuvent être placés entre un élément extérieur au moule et un élément du moule ou entre deux éléments du moule.

Dans un mode de réalisation, un raidisseur peut être placé entre le canal d’alimentation et le bras de rétention, entre le bras d’alimentation et le bras de rétention, entre le canal d’alimentation et la cavité de moulage, entre la cavité de moulage et le bras d’alimentation.

Dans un mode de réalisation, les raidisseurs peuvent être composés d’un matériau céramique.

Bien qu’elle ait été décrite dans un mode de réalisation facilitant sa compréhension, l’invention n’est pas limitée par le nombre de cavités comprises dans le moule.

Dans un mode de réalisation, le moule peut comprendre, pour chaque bras d’alimentation, une pluralité de cavités de moulage, chaque cavité de moulage étant connectée au bras d’alimentation et s’étendant entre ledit bras d’alimentation et l’axe de rotation.

Les cavités de moulage connectées à un même bras d’alimentation peuvent être alignées dans un même plan, par exemple un plan vertical.

Dans un mode de réalisation, un moule de l’invention peut comprendre une ou plusieurs répétitions des parties du moule déjà décrites disposées radialement autour de l’axe de rotation. C’est-à-dire qu’un moule de l’invention peut présenter une invariance par rotation autour de l’axe de rotation.

Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car il permet de disposer un plus grand nombre de cavité pour le même encombrement du moule. En outre, les effets de l’invention sont obtenus pour chacune des cavités de moulage présentes dans le moule, sans nécessiter de revoir les paramètres du procédé de moulage en particulier les températures et/ou la vitesse de rotation.

Par exemple, un moule de l’invention peut comprendre 2, 3, 4, voire 5 ou encore 6 répétitions d’un ensemble comprenant un bras transversal, un bras d’alimentation, au moins une cavité de moulage et un bras de rétention, le moule comprenant en outre un unique canal d’alimentation commun.

Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de fonderie d’une pièce en métal par fonderie centrifuge comprenant :
- une étape de chauffe d’un moule tel que décrit plus haut à une température T1 ;
- une étape d’alimentation du moule par un métal fondu à une température T2, de sorte que la différence T2-T1 soit inférieure ou égale à 350°C ; et
- la mise en rotation du moule, autour de l’axe de rotation.

Pour la bonne réalisation de l’invention, le métal doit être fondu à la température T2, et cette dernière est donc supérieure à la température de fusion du métal, ou la température du liquidus dans le cas d’un alliage de métal.

Par exemple, la température T2 peut être supérieure ou égale de plus de 20°C, voire de plus de 40°C à la température de fusion du métal fondu, ou à la température du liquidus dans le cas d’un alliage.

Dans un mode de réalisation du procédé, la différence de température T2-T1 peut être comprise entre 300°C et 150°C, voire comprise entre 250°C et 200°C.

Il faut noter que ces différences de températures entre le métal fondu et le moule sont bien plus importantes que les différences de températures permises par les procédés de coulage de l’art antérieur. Il en résulte d’une part un gain considérable en termes d’énergie et une simplification du procédé industriel. En effet, pour la coulée d’un même alliage, il n’est plus nécessaire de chauffer autant le four qu’avec un procédé de l’art antérieur.

En outre, puisque la température T1 de chauffage du moule est moins élevée que dans les procédés de l’art antérieur, le procédé permet un gain de temps, grâce à une baisse des temps de cycles de chauffe et de refroidissement.

Egalement, puisque la différence de température admissible entre le moule et le métal coulé est plus importante, le procédé de l’invention permet le moulage de métaux inaccessibles pour des moules de l’art antérieur.

Dans un mode de réalisation, le métal fondu peut être un aluminure de titane.

Dans un tel mode de réalisation, la température T2 peut être de 1550°C et la température T1 supérieure ou égale à 1200°C.

Dans d’autres modes de réalisation, le métal fondu peut être choisi parmi un superalliage base nickel.

Dans un tel mode de réalisation, la température T2 peut être de 1450°C et la température T1 supérieure ou égale à 1150°C, par exemple compris entre 1150°C et 1200°C.

Dans un mode de réalisation, l’étape d’alimentation du moule par le métal fondu peut être réalisée sous air à pression atmosphérique.

Ce mode de réalisation permet une simplification des procédés de l’art antérieur dont certains nécessitent d’être réalisés sous vide.

Dans un autre mode de réalisation, l’étape d’alimentation du moule par le métal fondu peut être réalisée sous vide, par exemple à une pression inférieure ou égale à 0,1 Pa.

Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de refroidissement contrôlé jusqu’à une température T3, par exemple comprise entre 700°C et 900°C puis un refroidissement à l’air.

Par exemple, le refroidissement au cours de l’étape de refroidissement contrôlé peut être inférieur ou égal à 7°C/min.

Cette limite supérieure au taux de refroidissement permet de limiter également les efforts exercés sur le métal par la différence de contraction thermique entre le moule et le métal qui refroidit.

Dans un mode de réalisation, le procédé de fonderie peut comprendre une étape de décochage, c’est-à-dire de destruction du moule afin d’obtenir la pièce souhaitée.

Par exemple, le décochage du moule peut être réalisé de manière mécanique.

La représente schématiquement un moule dans un mode de réalisation de l’invention.

La représente schématiquement un canal d’alimentation d’un moule dans un mode de réalisation de l’invention.

L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière.

La représente schématiquement un moule 10 selon l’invention.

Un tel moule 10 comprend :

- un canal d’alimentation 11 s’étendant selon l’axe de rotation 101 vertical, s’étendant entre une ouverture principale 21, destinée à permettre l’alimentation du canal d’alimentation par du métal fondu, et un bras transversal 12;

- un bras transversal 12, s’étendant selon un deuxième axe 102 sensiblement horizontal, le bras transversal 12 étant connecté au canal d’alimentation 11 et au bras d’alimentation 13;

- un bras d’alimentation 13, s’étendant selon un axe 103 dit « axe d’alimentation », le bras d’alimentation 13 étant connecté au bras transversal 12 et à au moins une cavité de moulage 14, ici trois sont représentées;

- trois cavités de moulage 14 s’étendant entre le bras d’alimentation 13 et un bras de rétention 15;

- un bras de rétention 15, parallèle au bras d’alimentation 13, le bras de rétention 15 étant connecté auxdites cavités de moulage 14.

Dans ce moule 10, la cavité de moulage 14 est entièrement comprise entre l’axe de rotation 101 et l’axe d’alimentation 103 et chaque cavité de moulage est connectée au bras d’alimentation 13 et au bras de rétention 15 via les ouvertures 22.

Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, le bras transversal 12 du moule 10 est présent en dessous des cavités de moulage 14.

Le moule 10 représenté sur la comprend en outre un godet d’alimentation 23 permettant une alimentation plus aisée du canal d’alimentation 11 en métal fondu, via l’ouverture principale 21.

Egalement, le moule 10 comprend dans le mode de réalisation représenté des raidisseurs 16 entre le canal d’alimentation 11 et le bras de rétention 15 ou encore entre le bras de rétention 15 et le bras 13.

Sur la , le trajet de métal fondu est représenté par des flèches, et, comme figuré, le métal fondu traverse successivement l’ouverture principale 21, le canal d’alimentation 11, le bras transversal 12, le bras d’alimentation 13 avant d’entrer dans les cavités 14 par les ouvertures 22, et d’en ressortir par les ouvertures connectées au bras de rétention 15.

Sur la est également représentée la force centrifuge s’appliquant lorsque le moule 10 est mis en rotation ω autour de l’axe de rotation 101.

Le long de ce trajet, la force centrifuge Fc travaille positivement pour du métal traversant le bras transversal 12, car le déplacement d’un élément de métal s’y fait dans le même sens que celui de ladite force centrifuge Fc.

En revanche, lorsque le métal souhaite entrer dans la cavité de moulage 14 depuis le bras d’alimentation la force centrifuge Fc travaille alors négativement. En d’autres termes, elle s’oppose à l’entrée du métal dans la cavité de moulage 14. Néanmoins, et pour les raisons déjà exposées plus haut, le travail négatif de cette force centrifuge sur le métal entrant dans la cavité de moulage permet l’obtention d’une pièce comprenant moins de défauts qu’une pièce obtenue avec un moule de l’art antérieur, dans lequel la force centrifuge travaille positivement.

En effet, le métal fondu, qui engorge le bras d’alimentation exerce une force suffisante sur le métal situé au niveau de l’ouverture 22 de la cavité de moulage 14, et cela malgré la force centrifuge Fc.

Sur la , on peut également noter que la force de gravité Fg, aussi dite simplement « gravité », s’applique le long de l’axe Z, et vers le bas, c’est-à-dire selon la direction -Z. Ainsi, sur la , la gravité travaille positivement sur le métal descendant le canal d’alimentation 11, mais négativement sur le métal souhaitant remonter le long du bras d’alimentation 13.

Comme décrit plus haut, il est avantageux que la force de gravité travaille négativement sur le métal remplissant le bras d’alimentation 13 puisque cela permet un front de progression du métal plus homogène, et évite notamment toute projection de métal en avant du front de remplissage.

La décrit un mode de réalisation alternatif pour un moule 10 de l’invention.

Dans ce mode alternatif, le bras transversal 12 du moule 10 est présent au-dessus des cavités de moulage 14. Il s’ensuit un canal d’alimentation 11 dont la dimension peut être fortement réduite. Cela rend en outre possible de disposer le bras de rétention 15 beaucoup plus près de l’axe de rotation 101, ce qui limite l’encombrement général du moule.

En effet, pour des cavités de moulage de tailles identiques, puisque ces dernières peuvent être rapprochées de l’axe de rotation 101, le bras transversal 12 peut être raccourci.

Dans le mode de réalisation représenté, des raidisseurs 16 permettent de renforcer structurellement le moule, sans empêcher bien sûr sa mise en rotation ω autour de l’axe de rotation 101.

La représente un moule 10 de l’invention encore différent.

Sur le moule 10 de la , le bras d’alimentation 13 s’étend selon un axe d’alimentation 103 qui présente une désorientation γ par rapport à la direction verticale, repérée par le segment 301.

Dans le moule 10 de la , on voit également que la désorientation γ du bras d’alimentation par rapport à la verticale est reproduite entre la cavité de moulage 14 et la direction horizontale, repérée par la droite 302.

Cette inclinaison γ de la cavité de moulage permet d’augmenter la taille maximale des cavités Lmax, séparant le bras d’alimentation 13 et le canal d’alimentation 11 sans avoir besoin d’allonger le bras transversal 12, et donc en augmentant très peu l’encombrement du moule 10 dans son ensemble.

L’encombrement supplémentaire en hauteur, du fait de la désorientation γ introduite peut être préférable qu’un encombrement supplémentaire dans la direction X radiale pour les procédés industriels, et notamment pour des raisons d’homogénéité du chauffage obtenu dans les fours.

En effet, de manière classique, les fours de chauffe industriels présentent des éléments de chauffage disposés circonférentiellement à la chambre de chauffage sensiblement cylindrique. De tels fours garantissent une meilleure uniformité de chauffe dans la direction verticale que dans la direction radiale, et c’est pourquoi il est généralement préféré de ne pas augmenter les dimensions radiales des fours industriels.

Un optimum entre le gain de place, et l’homogénéité du remplissage des cavités semble être atteint pour un angle γ de 20°, et c’est pourquoi dans un mode de réalisation γ est compris entre 0° et 20°, de préférence entre 10° et 20°.

En effet, avec une désorientation selon un angle γ trop importante, la force centrifuge pourrait avoir une composante selon un axe vertical qui déstabilise le mouvement du métal fondu que l’on souhaite conserver globalement le long de l’axe de la cavité 104.

Le moule 10 de la présente encore une alternative à la géométrie du moule 10 de la , permettant d’augmenter la taille des cavités de moulage 14, sans augmenter l’encombrement général du moule. Sur le moule 10 de la , le moule est représenté vu « du dessus », c’est-à-dire que la direction Z est maintenant perpendiculaire au plan de la feuille.

Le moule 10 de la est représenté dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation 101, et dans ce plan, la plus grande dimension de la cavité de moulage, s’étendant selon l’axe 105 présente une désorientation δ par rapport au deuxième axe 102 le long duquel s’étend le bras transversal 12.

Ce mode de réalisation permet d’une part d’allonger les cavités de moulage 14, sans augmentation de la longueur du bras transversal 12, et en conséquence, sans augmentation de la plus grande dimension du moule.

Cela présente les mêmes avantages que ci-dessus, à savoir de permettre des cavités de moulage 14 plus grandes, sans avoir à allonger la dimension des fours, et donc sans ajouter une contrainte supplémentaire sur l’homogénéité du chauffage délivré par le four.

Dans le mode de réalisation de la , puisque la cavité de moulage est désaxée par rapport au deuxième axe 102, la force centrifuge Fc n’est donc pas alignée dans la direction principale de la cavité de moulage 14, c’est-à-dire selon l’axe 105.

Du fait de cette désorientation δ, le métal coulé remplissant la cavité de moulage 14 sera plaqué, par la composante positive de la force centrifuge Fc vers le bord extérieur 51 de la cavité de moulage 14. Le bord extérieur 51 de la cavité de moulage s’entend comme le bord de la cavité 14 le plus éloigné de l’axe de rotation.

Néanmoins, dans un mode de réalisation où la cavité de moulage présente une partie plus fine qu’une autre dans la direction principale 105 de la cavité de moulage 14, il est avantageux de disposer la partie la plus fine de la cavité de moulage 14 du côté du bord extérieur 51, et la partie la plus épaisse vers le bord intérieur 52 de la cavité de moulage 14. Le bord intérieur 52 s’entend comme le bord de la cavité de moulage 14 le plus éloigné de l’axe de rotation. Par construction, les bords intérieur 52 et extérieur 51 sont disposés de part et d’autre de la cavité de moulage 14.

Par exemple, dans le cas où la cavité de moulage 14 a la forme d’une aube de turbomachine, il est préférable que le bord de fuite de cette aube, plus fin que le bord d’attaque pour des raisons hydrodynamiques connues, soit positionné du côté du bord extérieur 51 de la cavité de moulage 14.

Comme décrit plus haut, il est en effet préférable que les parties les plus fines de la cavité de moulage 14 soient remplies les premières lors de la propagation du front de remplissage, afin d’éviter les non-venues de matière, et donc de diminuer le nombre de défauts dans la pièce finalement obtenue.

Dans ce mode de réalisation où le moule 10 présente des cavités de moulage 14 ayant une désorientation δ, les inventeurs n’ont pas constaté de dégradation des pièces même pour des désorientations δ de 45°. Dans un mode de réalisation la désorientation δ est comprise entre 0° et 45°, voire entre 10° et 45°, voire 25° et 45°.

Plus la désorientation δ est proche de 45° et plus la longueur de la cavité de moulage 14 peut être augmentée pour une longueur du bras transversal 12 donnée.

Dans les modes de réalisation déjà décrits, il faut encore noter qu’augmenter la longueur des cavités de moulage, sans augmenter la longueur du bras transversal 12 permet de diminuer la quantité de métal à engager pour le remplissage complet d’un moule 10, ce qui peut représenter à la fin du procédé de moulage un gain substantiel.

Les modes de réalisation décrits précédemment ne sont pas incompatibles les uns des autres, et l’on doit considérer couvert par l’invention un mode de réalisation dans lequel les cavités de moulage 14 présentent plusieurs désorientations δ et γ non nulles, et conformes aux valeurs décrites précédemment. Cela permet l’obtention conjointe des différents effets techniques décrits pour les différents modes de réalisation.

Le moule présenté de la présente en outre des raidisseurs 16, disposés entre le canal d’alimentation 11 et le bras de rétention 15, entre le canal d’alimentation 11 et les cavités de moulage 14 et entre le bras de rétention 15 et le bras d’alimentation 13.

Ces raidisseurs 16 permettent d’assurer l’intégrité mécanique du moule 10, notamment lorsque celui-ci est mis en rotation.

La présente un moule 10 de l’invention dans un autre mode de réalisation.

Comme décrit plus haut, un moule 10 de l’invention peut comprendre plusieurs répétitions d’un ensemble comprenant un bras transversal 12, un bras d’alimentation 13, au moins une cavité de moulage 14, le moule comprenant en outre un unique canal d’alimentation commun 11.

La représente un tel moule présentant quatre répétitions de cet ensemble, et propose donc un moule ayant une invariance par rotation de 90° autour de l’axe de rotation 101.

L’ensemble des caractéristiques décrites ci-avant peut être pris en association avec ce mode de réalisation. Notamment, les cavités de moulage 14 des différents ensembles ne sont pas nécessairement strictement identiques et/ou ces dernières peuvent être orientées selon les besoins des pièces à produire.

La permet également d’illustrer un mode de réalisation applicable à des moules déjà décrits.

Sur la est représentée la force de Coriolis Fcor, générée lorsque le moule est mis en rotation ω autour de son axe de rotation 101.

La force de Coriolis exerce une force sur le métal entrant dans la cavité de moulage 14 depuis le bras d’alimentation 13.

Si l’on ne considère pas la force de Coriolis Fcor, le trajet du métal serait figuré par la flèche 401, en l’espèce alignée avec l’axe 102 qui est aussi ici l’axe principal de la cavité de moulage et du bras transversal 12.

Néanmoins, du fait de la force de Coriolis Fcor, le trajet réel du métal dans la cavité est représenté par la flèche 402. Ainsi, le métal est plaqué par la force de Coriolis Fcor contre le bord avant 41 de la cavité de moulage 14. Le bord avant 41 du moule s’entend comme le bord ouvrant la marche lorsque le moule est mis en rotation.

Pour les mêmes raisons que celles décrites en lien avec la , il est avantageux, lorsque la cavité de moulage 14 présente des zones plus fines que d’autres, de disposer les zones les plus fines du côté du bord avant 41, et de disposer les zones les plus épaisses du côté du bord arrière 42. Par opposition au bord avant 41, le bord arrière 42 est le bord de la cavité fermant la marche lorsque le moule est mis en rotation. De la sorte, le métal coulé entrant dans la cavité de moulage 14 remplit préférentiellement les zones fines de la cavité de moulage 14, ce qui diminue le nombre de pièces non conformes.

Dans un mode de réalisation, il est possible de disposer la partie fine de la cavité de sorte qu’elle soit à la fois sur le bord extérieur 51 et sur le bord avant 41.

Ce mode de réalisation est le plus préférable, car il assure un excellent remplissage de la partie la plus fine de la cavité de moulage 14, car à la fois la force centrifuge et la force de Coriolis assurent un remplissage préférentiel de la partie la plus fine de la cavité de moulage.

Toutefois, il faut noter que ce mode de réalisation la construction du moule impose alors un choix pour le sens de rotation du moule. En effet, la force de Coriolis dépend du sens de rotation. Les figures 6 et 7 présentent différentes géométries alternatives d’un canal d’introduction d’un moule 10 décrit ci-avant.

Dans le mode de réalisation décrit en , le canal d’alimentation 11 présente, en plus d’un godet d’alimentation 23 et de l’ouverture 21 une collerette perpendiculaire à l’axe de rotation 101.

Cette collerette a une section S1 supérieure à la section du reste du canal d’alimentation 11.

Une telle collerette permet d’éviter les projections de métal éventuellement générées lors de la mise en rotation du moule dans le canal d’alimentation 11.

L’utilisation d’une telle collerette permet d’utiliser un canal d’alimentation 11 dont la section est constante de haut en bas, ce qui permet un gain potentiellement assez conséquent sur la quantité de métal à introduire dans le moule pour en assurer le remplissage.

En effet, pour des canaux d’alimentation ne disposant pas d’une telle collerette, et pour s’affranchir des mêmes désavantages, il est généralement proposé un canal d’alimentation de section variable, qui nécessitent d’introduire plus de métal pour que ce dernier parvienne aux cavités de moulage.

Le mode de réalisation de la propose une amélioration de la collerette de la . La collerette s’entend à nouveau comme la zone dont la section S1 est supérieure à la section du reste du canal d’alimentation 11. Comme décrit sur la , la direction principale de la collerette 202 présente une désorientation α par rapport à l’horizontale 201.

A la différence de la collerette de la , ce mode de réalisation permet d’assurer que les projections de métal prises dans la collerette peuvent ultérieurement retomber dans le canal d’introduction 11, et l’on diminue ainsi la quantité de métal retenue dans les collerettes en fin de procédé et permet également un « piégeage » plus efficace des éventuelles projections.

La nature des moules 10 décrits ci-avant n’est pas limitative de l’invention, pourvu qu’elle permette à ces derniers d’être remplis de métal fondu.

De même, le mode d’obtention des moules n’est pas limitatif, et ces derniers peuvent par exemple être obtenus au moyen de procédés déjà décrits, notamment par un procédé successif de trempages dans une barbotine et de saupoudrages par un sable réfractaire, tels que divulgués par exemple dans les brevets FR 2870147 et FR 2870148.

Comme cela a été décrit ci-dessus, l’invention concerne également un procédé d’obtention d’une pièce métallique.

Comme décrit plus haut, la géométrie particulière d’un moule 10 de l’invention permet d’obtenir des pièces de qualité satisfaisante sans nécessiter de procéder à la coulée avec des moules aux températures aussi élevées que dans l’art antérieur.

Dans un mode de réalisation, une fois le coulage réalisé, le moule peut être mis dans un four pour réaliser un refroidissement contrôlé.

Le moule peut encore être maintenu dans le four pendant une première étape de refroidissement et solidification du métal dans le moule, dans laquelle le taux de refroidissement du four peut être contrôlé et limité, par exemple, à un taux inférieur ou égal 7°C/min. Cette limite supérieure au taux de refroidissement permet de limiter également les efforts exercés sur le métal par la différence de contraction thermique entre le moule et le métal qui refroidit. Néanmoins, la contraction thermique du métal, supérieure à celle des parois réfractaires du moule, va provoquer un flambage du métal dans les bras d’alimentation. Ce flambage va exercer une contrainte en compression sur le métal dans les cavités de moulage, de manière à équilibrer au moins partiellement des contraintes en traction provoquées par la contraction thermique du métal dans les cavités de moulage. On peut ainsi éviter des concentrations d’efforts pouvant perturber la cristallisation du métal et créer des points faibles dans les pièces issues de ce procédé de fonderie.

Au cours de cette étape de refroidissement et de solidification, le métal liquide se solidifie dans le moule 10 et en particulier dans la cavité de moulage 14.

Pour éviter les défauts de retassure, on peut appliquer le procédé des cercles de Heuvers, telle que décrit, par exemple, par R. Wlodawer dans « Directional Solidification of Steel Castings », Pergamon Press, 1966.

Par exemple, on peut choisir le moule 10de telle manière que l’aire de toute section transversale du bras d’alimentation et du bras de rétention, perpendiculairement à l’axe d’alimentation ou l’axe du bras de rétention, soit plus grande que l’aire de toute section transversale des cavités de moulage, perpendiculairement à l’axe principal de la cavité de moulage. En outre, la partie la plus massive de chaque cavité de moulage peut présenter une section transversale avec une aire, perpendiculairement à l’axe horizontal X, supérieure à l’aire de toute section transversale de la cavité de moulage correspondante, perpendiculairement à l’axe de la cavité de moulage 104, mais inférieure à l’aire de toute section transversale du bras d’alimentation et du bras de rétention perpendiculairement à l’axe d’alimentation. .

Par ailleurs, chacun du bras d’alimentation et du bras de rétention peut présenter des sections transversales à aire croissantes vers le haut suivant l’axe d’alimentation, ou l’axe du bras de rétention.

Pour cela dans un moule 10, le bras d’alimentation 13 et/ou le bras de rétention 15 peut présenter un angle de divergence compris entre 5 et 15°. L’angle de divergence s’entend comme l’angle entre les bords opposés du bras d’alimentation 13 et/ou de rétention 15. Ainsi, la solidification du métal qui se déclenche au sein de chaque cavité de moulage 14, où la section transversale est la plus étroite, va pouvoir s’étendre jusqu’au bras d’alimentation 13 et/ou au bras de rétention 15 avec deux fronts de solidification opposés et toujours plus larges, évitant ainsi les défauts de retassure qui peuvent être provoqués par des étranglements dans les cavités du moule 14.

Claims

Moule (10) de fonderie pour la coulée centrifuge d’un métal fondu par mise en rotation du moule autour d’un axe de rotation (101) vertical, ledit moule comprenant au moins :
- une cavité de moulage (14) ;
- un bras d’alimentation (13) de la cavité de moulage en communication fluidique avec la cavité de moulage au moyen d’une ouverture (22) ;
le moule étant caractérisé en ce que la cavité de moulage est disposée entre le bras d’alimentation de la cavité de moulage et l’axe de rotation.
Moule (10) de fonderie selon la revendication 1 comprenant en outre :
- un canal d’alimentation (11) s’étendant selon l’axe de rotation (101) entre une ouverture principale (21), destinée à permettre l’alimentation du canal d’alimentation par du métal fondu, et un bras transversal (12) ;
- un bras transversal, s’étendant selon un deuxième axe (102) sensiblement horizontal, le bras transversal étant connecté au canal d’alimentation et au bras d’alimentation (13).
Moule (10) de fonderie selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un bras de rétention (15), sensiblement parallèle au bras d’alimentation (13) positionné entre l’axe de rotation (101) et la cavité de moulage.
Moule (10) de fonderie selon la revendication 1 à 3, dans lequel le bras d’alimentation (13) s’étend selon un axe (103) et qui présente une désorientation (γ) avec la direction verticale inférieure ou égale à 20°.
Moule (10) de fonderie selon la revendication 2 à 4, dans lequel le canal d’alimentation (11) comprend un corps cylindrique et une collerette s’étendant dans une direction sensiblement perpendiculaire au corps cylindrique.
Moule (10) de fonderie selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la cavité de moulage (14) a la forme d’une aube de turbomachine.
Moule (10) de fonderie selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la plus grande dimension de la cavité de moulage (14) définit, dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation (101), une désorientation (δ) par rapport à l’axe du bras transversal inférieure ou égale à 45°.
Moule (10) de fonderie selon la revendication 7 elle-même rattachée à la revendication 6, dans lequel la partie de la cavité de moulage (14) définissant le bord de fuite de l’aube de turbomachine est plus éloignée de l’axe de rotation que la partie de la cavité de moulage définissant le bord d’attaque de l’aube de turbomachine.
Moule (10) de fonderie selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un élément filtrant entre le bras d’alimentation (13) et la cavité de moulage (14).
Procédé de fonderie d’une pièce en métal par fonderie centrifuge comprenant au moins :
- une étape de chauffe d’un moule (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 à une température T1 ;
- une étape d’alimentation du moule par un métal fondu à une température T2, de sorte que la différence T2-T1 soit inférieure ou égale à 350°C ; et
- la mise en rotation du moule, autour de l’axe de rotation (101).