WO2020229055A1 - Moule pour la fabrication d'une piece par coulee de metal et croissance epitaxiale et procede de fabrication associe - Google Patents

Moule pour la fabrication d'une piece par coulee de metal et croissance epitaxiale et procede de fabrication associe Download PDF

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WO2020229055A1
WO2020229055A1 PCT/EP2020/059628 EP2020059628W WO2020229055A1 WO 2020229055 A1 WO2020229055 A1 WO 2020229055A1 EP 2020059628 W EP2020059628 W EP 2020059628W WO 2020229055 A1 WO2020229055 A1 WO 2020229055A1
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WO
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seed
mold
housing
monocrystalline
section
Prior art date
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PCT/EP2020/059628
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Inventor
Serge Alain FARGEAS
Nicolas Romain Benjamin Leriche
Original Assignee
Safran Aircraft Engines
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Priority to CN202080036046.2A priority patent/CN113825577B/zh
Priority to BR112021022702A priority patent/BR112021022702A2/pt
Priority to CA3137702A priority patent/CA3137702A1/fr
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/14—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/52—Alloys

Definitions

  • the present invention relates in particular to a mold intended for use in such processes.
  • metal parts or metal alloy parts which have a controlled monocrystalline structure.
  • the blades In certain cases, and in particular in aeronautical turbomachines, it is necessary to have metal parts or metal alloy parts which have a controlled monocrystalline structure.
  • the blades In the distributors of turbines of aeronautical turbomachines, the blades must withstand significant thermomechanical stresses due to the high temperature and to the centrifugal forces to which they are subjected.
  • a controlled monocrystalline structure in the metal alloys forming these blades makes it possible to limit the effects of these stresses.
  • the germ can also be a source of defects in the part obtained by such a process.
  • current seed configurations can cause the growth of parasitic grains which propagate into the casting.
  • Document FR 3 042 725 discloses a mold in which a cylindrical monocrystalline seed is placed and whose dimensions are adapted to reduce the appearance of such parasitic grains.
  • the monocrystalline seed used must however, have an indexing element such as a lug on a lower portion thereof which is oriented as a function of a direction of crystallographic orientation of the monocrystalline seed.
  • This indexing element is also a source of defects in the part obtained, because it can also be responsible for the appearance of parasitic grains at the time of directed solidification.
  • the invention relates to a mold intended to be used to manufacture a monocrystalline part by metal casting and epitaxial growth, the mold
  • the housing having an elliptical section in which a single crystal seed is disposed, the seed having an elliptical section defined by a minor axis and a major axis, the housing being in fluid communication with the cavity through an opening of circular section through which molten metal is intended to flow, the monocrystalline seed and the opening being centered on the same vertical axis,
  • Such a mold allows easy indexing of the crystallographic directions of the monocrystalline seed by eliminating artifacts such as a lug or a flat on a cylindrical seed, a source of defects in the part.
  • the elliptical shape of the seed moreover generates fewer defects than a seed of oblong shape which has a flat lateral surface (and which is therefore not elliptical), in particular because of the difficulty of positioning it in the housing with a clearance low.
  • the secondary crystallographic orientations can be the ⁇ 100> and ⁇ 010> directions of the single crystal forming the seed.
  • the minor axis and the major axis may in particular coincide respectively with said secondary crystallographic orientations, or possibly form an angle
  • the elliptical section of the seed may have an eccentricity greater than or equal to 0.5 and less than 1. Such an eccentricity allows easier identification of the crystallographic orientations, and a reduced bulk compatible with geometries complex molds.
  • the elliptical section of the seed may have an eccentricity of between 0.55 and 0.82.
  • a blocking distance corresponding to the difference between the half-length of the minor axis of the section of the seed and a radius of the opening may be greater than or equal to 2.4 mm.
  • the spread of parasitic grains is considerably reduced for a difference between the radii of the opening and the semi minor axis of the germ greater than or equal to 2.4 mm. This difference is here called “blocking distance” because it is characteristic of blocking the propagation of parasitic grains in the part.
  • side of the housing may be less than or equal to 0.03 mm.
  • a reduced clearance allows correct positioning of the germ in the housing and also reduces the propagation of parasitic grains.
  • the distance separating an upper surface of the seed and an upper surface of the housing is between 5 mm and 10 mm. Such a distance also makes it possible to reduce the propagation of parasitic grains while obtaining correct epitaxy.
  • the monocrystalline seed may have a chamfer or a rounding around the perimeter of its upper edge.
  • the mold can be intended to be used to manufacture a turbine engine blade. It may for example be an aeronautical turbomachine distributor blade.
  • the elliptical section of the seed may have an eccentricity of between 0.55 and 0.82
  • the minor axis may have a length of between 13 mm and 16 mm
  • the opening may have a radius of between 4 mm and 5 mm
  • the distance separating an upper surface of the seed and an upper surface of the housing may be between 5 mm and 10 mm.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a part
  • a mold comprising a cavity in which the part is intended to be formed, and a housing having an elliptical section in which is disposed a monocrystalline seed, the seed having an elliptical section defined by a small axis and a large axis, the minor axis and the major axis of the section of the seed being oriented as a function of the secondary crystallographic orientations of the single crystal forming the single crystal seed, the housing being in
  • the monocrystalline part to be manufactured can be a part for aeronautics.
  • part for aeronautics is meant a part that can be used in a turbojet intended to propel an aircraft, for example: an aeronautical turbomachine blade, a turbine ring, a low pressure distributor, a chamber injection system aircraft combustion, an aircraft injection system component, a flange, a clamping system, an engine equipment support, a cover, etc.
  • Figure 1 is a flowchart showing the different steps of a process according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a mold according to
  • the invention disposed in a directed solidification furnace.
  • Figure 3 shows a monocrystalline seed for use in a mold according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is an enlarged view of Figure 2 at a
  • Figure 5 is a top view of the housing of a mold according to an embodiment of the invention.
  • the first step of a manufacturing process by metal casting and epitaxial growth consists in obtaining a model, for example in wax, of the part to be manufactured (step E1).
  • the wax model is covered with a ceramic shell (or shell) (step E2), for example by successive quenching in a suitable slip and stucco in a ceramic powder.
  • the model provided with its shell is then fired and dewaxed (step E3), that is to say that the wax present in the ceramic mold obtained is eliminated.
  • An example of a mold 1 according to the invention obtained from a wax model is illustrated in Figures 2 to 4.
  • the ceramic mold 1 comprises in particular one or more cavities 10 (here two cavities have been shown on Figure 1) having the shape of the part to be manufactured (here a distributor blade of
  • aeronautical turbomachine which are open at their upper ends and interconnected by channels opening into a conical part, or bucket 11. It is in the bucket 1 1 that the metal will be subsequently poured before traveling into the cavities 10 .
  • the mold 1 also comprises housings 12 in which are
  • step E4 There are typically as many housings 12 as there are cavities 10.
  • a housing 12 is located below a cavity 10 and is in fluid communication with the cavity which surmounts it through an opening 13, so that metal liquid can be introduced from the cavity 10 into the housing 12.
  • the channel connecting the opening 13 and the cavity 10 is here of cylindrical shape. It will be noted that the mold 1 does not have a helical type grain selector duct.
  • the housing 12 and the monocrystalline seed 2 are elliptical in shape (that is to say having a constant elliptical section over their entire height).
  • the housing 12 and the seed 2 have similar dimensions so as to leave the smallest possible clearance J (figure 5) between the side wall of the housing 12 and the seed 2 to prevent liquid metal from infiltrating around the seed. 2 during casting and generates parasitic grains during solidification of the metal.
  • This clearance J may be less than or equal to 0.03 mm.
  • a base 14 which maintains the germ 2 in the housing 12, and which also supports the assembly of the mold 1 when it is in the vertical position.
  • the seed 2 shown in perspective in Figure 3, has a section
  • a dendrite 2a schematizing the secondary crystallographic orientations of the single crystal forming the seed 2.
  • the dendrite thus defines an X direction corresponding to the crystallographic orientation ⁇ 100>, a Y direction corresponding to the orientation ⁇ 010>, and a Z direction perpendicular to the X and Y directions corresponding to the orientation ⁇ 001>.
  • the minor axis P1 and the major axis P2 respectively coincide with the Y and X directions.
  • the eccentricity of the ellipse defining the seed 2 is preferably between 0.5 and 1 (excluded), and even more preferably between 0.55 and 0.82 for the envisaged application.
  • the seed 2 here has a rounded 2b around the perimeter of its upper edge.
  • the seed 2 may have a chamfer instead of a rounding.
  • seed 2 does not completely occupy housing 12, and a space is provided between the upper end of seed 2 and opening 13 into which liquid metal can be poured.
  • Figure 4 shows a detailed view of a housing 12 in which is
  • the seed 2 and the opening 13 are centered on the same vertical axis Z.
  • the seed 2 has a length Lg, which is for example between 40 and 45 mm.
  • the opening 13 (or the upper wall of the housing 12) can be separated from the upper surface of the seed 2 by a distance d between 5 mm and 10 mm to obtain correct epitaxy.
  • the opening 13 can for example extend over a length Ld of the order of 5 mm.
  • the radius of the opening Rd is greater than or equal to 4 mm to reduce the impact of the opening on the strength of the mold 1. More preferably, the radius of the opening Rd is less than or equal to 5 mm, to ensure correct filling of mold 1 with molten metal.
  • the small axis P1 of seed 2 can be longer than 13 mm in order to increase the reliability of mold 1.
  • This blocking distance is a quantity characteristic of the propagation of parasitic grains from the housing from the germ 12 to the cavity 10.
  • the blocking distance Db can be greater than or equal to 2.4 mm to ensure better blocking of the parasitic grains.
  • the oven 3 advantageously has a window upper 31 through which metal can be poured into the mold 1.
  • the movable plate 30 allows the mold 1 to be quickly removed from the hot chamber of the oven 3 in order to regulate its temperature.
  • Tray 30 can be a cooled copper hearth.
  • the seeds 2 can be fixed for example by gluing to the plate 30.
  • the mold 1 is brought to temperature in the furnace 3, and liquid metal 40 is poured from a crucible 4 into the mold 1 (step E5), through the window 31 of the furnace.
  • the housing 12 of the seeds 2 fill with metal, then the cavities 10 in which the parts are formed.
  • the mold 1 is gradually withdrawn from the oven 3, for example by lowering the movable plate 30, in order to reduce the temperature of the mold 1 and to control the solidification of the metal in the mold (step E6).
  • the metal grain will grow by epitaxy from the seed, whose crystallographic orientation is well known and controlled.
  • the growth of parasitic grains, the orientation of which is not controlled, is avoided, and parts having a structure are obtained after unhooking.
  • step E7 After unhooking (step E7) from the mold, we can finally proceed to
  • step E8 conventional finishing machining

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Abstract

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.

Description

Description
Titre de l'invention : Moule pour la fabrication d’une pièce par coulée de métal et croissance épitaxiale et procédé de fabrication associé
Domaine Technique
[0001 ] 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.
Technique antérieure
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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 oeuvre un tel moule, qui ne présentent pas les
inconvénients précités.
Exposé de l’invention
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011 ] Dans un exemple de réalisation, la section elliptique du germe peut présenter une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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. [0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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. Brève description des dessins
[0020] 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 :
[0021 ] [Fig. 1 ] La figure 1 est un ordinogramme représentant les différentes étapes d’un procédé selon l’invention.
[0022] [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique en coupe d’un moule selon
l’invention, disposé dans un four de solidification dirigée.
[0023] [Fig. 3] La figure 3 montre un germe monocristallin destiné à être utilisé dans un moule selon un mode de réalisation de l’invention.
[0024] [Fig. 4] La figure 4 est une vue agrandie de la figure 2 au niveau d’un
logement de germe monocristallin.
[0025] [Fig. 5] La figure 5 est une vue de dessus du logement d’un moule selon u mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
[0026] 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.
[0027] 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 ).
[0028] 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. [0029] 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 1 1 que le métal sera ultérieurement coulé avant de cheminer jusque dans les cavités 10.
[0030] 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.
[0031 ] 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 jeu J (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 jeu J peut être inférieur ou égal à 0,03 mm.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] On définit une distance de blocage Db (figure 5), correspondant à la
différence entre le demi petit axe ( P 1 )/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.
[0037] 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.
[0038] 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).
[0039] Lors de la solidification dirigée, le grain métallique va croître 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.
[0040] Après décochage (étape E7) du moule, on peut enfin procéder à des
usinages classiques de finition (étape E8) pour obtenir les pièces
monocristallines finies.
[0041 ] 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

Revendications
[Revendication 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.
[Revendication 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.
[Revendication 3] Moule selon la revendication 2, dans lequel la section elliptique du germe (2) présente une excentricité comprise entre 0,55 et 0,82.
[Revendication 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.
[Revendication 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.
[Revendication 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.
[Revendication 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.
[Revendication 8] Moule selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, destiné à être utilisé pour fabriquer une aube de turbomachine.
[Revendication 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.
[Revendication 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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