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WO 2013/021130
PCT/FR2012/051852
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PROCEDE DE FONDERIE DE PIECES METALLIQUES MONOCRISTALLINES
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine de la fonderie, et en
particulier la fonderie de pièces métalliques monocristallines.
Les alliages métalliques traditionnels sont polycristallins équiaxes : à
l'état solide, ils forment une pluralité de grains de taille sensiblement
identique, typiquement de l'ordre de 1 mm, mais d'orientation plus ou
moins aléatoire. Les joints entre grains constituent des points faibles dans
une pièce métallique produite en un tel alliage. L'utilisation d'additifs pour
renforcer ces joints inter-grains présente toutefois le défaut de réduire la
température du point de fusion, ce qui est particulièrement inconvénient
quand les pièces ainsi produites sont destinées à être utilisées à haute
température.
Afin de résoudre cet inconvénient, des alliages polycristallins
colonnaires ont été initialement proposés dont les grains se solidifient avec
une orientation déterminée. Ceci permet, en orientant les grains dans la
direction de charge principale de la pièce métallique, d'augmenter la
résistance de ces pièces dans une direction particulière. Toutefois, même
dans des pièces soumis à des efforts fortement orientés suivant un axe
particulier, comme par exemple les aubes de turbine soumises aux forces
centrifuges, il peut aussi être avantageux d'offrir une résistance accrue
dans les autres axes.
Avec cet objet, depuis la fin des années 1979, des nouveaux alliages
métalliques dits monocristallins ont été développés permettant la
production en fonderie de pièces formées par un seul grain. Typiquement
ces alliages monocristallins sont des alliages de nickel avec une
concentration de titanium et/ou d'aluminium inférieure à 10% molaire.
Ainsi, après leur solidification, ces alliages forment des solides
biphasiques, avec une première phase Y et une deuxième phase Y'. La
phase Y' présente un réseau cristallin cubique à face centrée, dans lequel
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les atomes de nickel, aluminium et/ou titanium peuvent occuper n'importe
quelle des positions. Par contre, dans la phase Y', les atomes d'aluminium
et/ou titanium forment une configuration cubique, occupant les huit coins
du cube, tandis que des atomes de nickel occupent les faces du cube.
Un de ces nouveaux alliages est l'alliage de nickel AM1 développé
conjointement par la SNECMA et les laboratoires de l'ONERA, l'Ecole des
Mines de Paris, et IMPHY SA. Les pièces produites en un tel alliage
peuvent atteindre non seulement des tenues mécaniques particulièrement
élevées dans tous les axes d'effort, mais aussi une tenue thermique
améliorée, puisqu'on peut se passer des additifs destinés à lier plus
fortement entre eux les grains cristallins. Ainsi, des pièces métalliques
produites à base de tels alliages monocristallins peuvent être
avantageusement utilisées, par exemple, dans les parties chaudes de
turbines.
Toutefois, même en utilisant ces alliages spéciaux, il peut être
difficile d'éviter un phénomène de recristallisation pendant la production
de telles pièces, introduisant des nouveaux grains cristallins, et donc des
nouveaux points faibles dans la pièce. Dans un procédé de fonderie
traditionnel, l'alliage fondu est coulé dans une cavité d'un moule à travers
au moins un canal de coulée dans le moule, le moule est décoché après
solidification de l'alliage, afin de libérer la pièce, et celle-ci est ensuite
soumise à un traitement thermique, tel que par exemple une trempe dans
lequel le métal est d'abord chauffé, pour ensuite être refroidi rapidement,
afin d'homogénéiser les phases Y et Y" dans le monocristal sans
provoquer sa fusion.
Toutefois, les chocs mécaniques auxquels les pièces sont soumises
après la coulée peuvent déstabiliser localement le réseau cristallin du
monocristal. Ensuite, le traitement thermique peut déclencher des
recristallisations intempestives dans les endroits ainsi déstabilisés, perdant
ainsi le caractère monocristallin de la pièce et introduisant des points
faibles dans celle-ci. Même avec des grands efforts, il est très difficile
d'éviter des chocs mécaniques dans la manipulation de moules pouvant
avoir une masse de plusieurs dizaine de kilos, d'autant plus que le
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décochage du moule implique, en soi, des chocs mécaniques. D'autre part,
une réduction limitée de la température de traitement thermique, seule,
ne permet pas d'empêcher sensiblement ces phénomènes de
recristallisation.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Pour cela,
l'invention vise à proposer un procédé de fonderie qui permette de limiter
en grande partie les phénomènes de recristallisation suite au traitement
thermique des pièces après solidification de l'alliage coulé dans le moule.
Ce but est atteint grâce au fait que, dans un procédé de fonderie
suivant au moins un mode de réalisation de l'invention, le traitement
thermique est effectué après solidification de l'alliage dans le moule mais
avant la fin du décochage.
Grâce à ces dispositions, le traitement thermique est effectué avant
des opérations pouvant fragiliser la structure cristalline du monocristal
formant la pièce. Alors que la personne du métier aurait pu penser que la
présence au moins de restes du moule pendant le traitement thermique
pourrait affecter l'efficacité de celui-ci, il s'avère que le traitement
thermique peut être ainsi avancé sans effets délétères sur la pièce
métallique et qu'au contraire, cet avancement permet d'éviter des
recristallisations intempestives pendant le traitement thermique.
En particulier, si ledit décochage du moule comporte une première
étape de décochage au marteau, et une étape subséquente de décochage
au jet d'eau, ledit traitement thermique peut être effectué
avantageusement avant au moins le décochage au jet d'eau, qui se révèle
être souvent à la source de phénomènes de recristallisation lors de
traitements thermiques subséquents.
Dans des modes de réalisation alternatifs, il serait toutefois
envisageable d'effectuer le traitement thermique même avant le
décochage initial du moule. Dans ce cas, on lutterait contre lesdits
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phénomènes de recristallisation par d'autres moyens, notamment
géométriques.
Suivant un deuxième aspect de la présente invention, ledit canal de
coulée peut comporter au moins au moins une zone de transition
adjacente à ladite cavité, avec un rayon d'arrondi non inférieur à 0,3 mm
entre ledit canal de coulée et ladite cavité afin d'éviter un coude prononcé
dans l'écoulement de l'alliage fondu, coude qui pourrait donner lieu à une
zone de recristallisation de l'alliage. En particulier, le canal de coulée
peut
présenter, dans cette zone de transition, une section élargie, par rapport à
une section en amont, en direction d'un axe principal d'une section de la
cavité perpendiculaire au canal de coulée. Plus particulièrement, après la
coulée, cette zone de transition pourrait former au moins un voile
métallique plus fin que le canal de coulée en amont, et plus
particulièrement au moins un tel voile métallique de chacun de deux côtés
opposés du canal de coulée. Quand le moule contient au moins un noyau
pénétrant dans ladite cavité et occupant un espace adjacent audit canal
de coulée afin de former une cavité dans la pièce métallique, ladite zone
de transition peut former, après la coulée, au moins un voile métallique
adjacent audit noyau et plus fin que le canal de coulée en amont. Chaque
voile métallique adjacent au noyau peut présenter un bord extérieur
suivant une ligne sensiblement concave adjacente sur une surface du
noyau. La zone de transition peut former au moins un voile métallique de
chaque côté dudit noyau. Dans ce cas, lesdits voiles métalliques adjacents
au noyau peuvent présenter des bords extérieurs se rejoignant aux
extrémités, de manière à entourer le noyau.
De cette manière, lors de la coulée, cette zone de transition permet
de remplir la cavité de manière sensiblement simultanée sur toute sa
largeur, évitant ainsi de créer, lors de la solidification de l'alliage, des
irrégularités dans la structure cristalline du monocristal. Ces irrégularités
pourraient en effet provoquer, lors de l'étape de traitement thermique,
une recristallisation locale formant un point faible dans la pièce métallique.
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Afin d'augmenter la production de pièces métalliques, le moule peut
contenir une pluralité de cavités, arrangées en grappe, pour mouler une
pluralité de pièces métalliques simultanément.
5 Le procédé suivant l'invention est particulièrement approprié pour la
production de certaines pièces métalliques, comme les aubes de
turbomachine. La présente invention se rapporte aussi aux pièces
métalliques obtenues par ce procédé.
Brève description des dessins
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux,
à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation
représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux
dessins annexés sur lesquels
¨ la figure 1 illustre un procédé de fonderie de l'art antérieur ;
¨ la figure 2 illustre un procédé de fonderie suivant un mode de
réalisation de la présente invention ;
¨ la figure 3 illustre la connexion entre un canal de coulée et une
cavité de moulage d'un moule de l'art antérieur ;
¨ la figure 4 est une vue en perspective d'une pièce métallique
produite suivant le procédé de la figure 2 ; et
¨ la figure 5 et une coupe transversale de la pièce métallique de la
figure 4 dans le plan V-V.
Description détaillée de l'invention
Un procédé classique de fonderie, tel qu'utilisé par exemple dans la
production d'aubes de turbomachine et plus particulièrement d'aubes de
turbine haute pression, est illustré sur la figure 1. Dans une première
étape, un moule céramique 150 est produit, typiquement par le procédé
de la cire perdue, bien que d'autres procédés classiques puissent être
utilisés alternativement. Ce moule céramique 150 comporte une grappe de
cavités 151 reliées par des canaux de coulée 152 à un orifice 153 à
l'extérieur du moule 150. Chaque cavité 151 est conformée pour mouler
une pièce métallique à produire. Dans ce cas, les pièces à produire étant
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creuses, le moule 150 comporte aussi des noyaux 155 pénétrant dans
chacune des cavités 151. Après cette première étape, dans une étape de
coulée, un alliage fondu 154 est versé dans l'orifice 153 pour remplir les
cavités 151 à travers les canaux de coulée 152.
Après solidification de l'alliage, dans une troisième étape, on procède
au décochage initial du moule 150 au marteau, afin de libérer du moule
150 les pièces métalliques 156 unies en une grappe 157. Afin d'éliminer
les derniers restes du moule 150, on procède ensuite à une étape
supplémentaire de décochage par jet d'eau. Dans l'étape suivante S105,
les pièces individuelles 156 sont découpées de la grappe 157. Les noyaux
155 sont ensuite décochés de chaque pièce 156 dans l'étape suivante, et
les pièces 156 sont finalement traitées thermiquement. Ce traitement
thermique peut être, par exemple, une trempe, dans laquelle les pièces
156 sont brièvement chauffées, pour être ensuite rapidement refroidies,
afin d'endurcir l'alliage des pièces.
Parmi les alliages pouvant être utilisés dans ce procédé, on compte
notamment les alliages dits monocristallins, qui permettent la production
de pièces formées par un seul grain cristallin, ou monocristal. Toutefois,
dans ce procédé de l'art antérieur, le traitement thermique, dont l'objet
est en fait l'homogénéisation des phases Y et Y' dans le monocristal, peut
déclencher des phénomènes de recristallisation fragilisant localement les
pièces. Afin d'éviter cet inconvénient, dans un procédé de fonderie suivant
un mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, l'ordre des
opérations est modifié, de manière à avancer l'étape de traitement
thermique.
Ainsi, dans ce procédé illustré sur la figure 2, la première étape est
aussi la production d'un moule céramique 250. Comme dans l'art
antérieur, ce moule céramique 250 peut aussi être produit par le procédé
de la cire perdue, ou par un autre procédé alternatif parmi ceux connus de
la personne du métier. En outre, comme dans l'art antérieur, ce moule
céramique 250 comporte une grappe de cavités 251 reliées par des
canaux de coulée 252 à un orifice 253 à l'extérieur du moule 250. Chaque
cavité 251 est aussi conformée pour mouler une pièce métallique à
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produire. En outre, les pièces à produire étant aussi creuses, le moule 250
comporte également des noyaux 255 pénétrant dans chacune des cavités
251.
Après la première étape, et aussi comme dans l'art antérieur, dans
une étape de coulée, un alliage fondu 254 est versé dans l'orifice 253 pour
remplir les cavités 251 à travers les canaux de coulée 252. Après
solidification de l'alliage, dans une troisième étape, on procède aussi au
décochage initial du moule 250 au marteau, afin de libérer du moule 250
les pièces métalliques 256 unies en une grappe 257. Toutefois, dans ce
procédé, après ce décochage initial, or procède directement à l'étape de
traitement thermique. Pendant ce traitement thermique, les pièces
métalliques 256, formant encore une grappe 257 avec encore des restes
du moule 250, sont directement soumises à, par exemple, une trempe,
dans laquelle les pièces 256 sont brièvement chauffées, pour être ensuite
rapidement refroidies.
Afin d'éliminer les derniers restes du moule 250, on peut procéder
ensuite au décochage par jet d'eau dans l'étape suivante. Finalement, les
pièces individuelles 256 sont découpées de la grappe 257, et les noyaux
255 sont ensuite décochés de chaque pièce 256, déjà traitée
thermiquement avant le décochage au jet d'eau.
Grâce à l'avancement de l'étape de traitement thermique, il est
possible de réduire les phénomènes de recristallisation lors de cette étape.
Toutefois, afin de réduire cette recristallisation de manière encore plus
complète et surtout plus fiable, il convient aussi de donner une forme
appropriée aux canaux de coulée 252. Dans la figure 3, on peut voir la
connexion entre un canal de coulée 152 et une cavité de moulage 151
dans le moule 150 de l'art antérieur. Cette connexion forme des coudes
très prononcés entre le canal 152 et la cavité 151, coudes qui peuvent
provoquer la formation de zones de recristallisation 160 pendant le
traitement thermique.
Dans le moule 250 du procédé illustré sur la figure 2, afin d'éviter la
formation de telles zones de recristallisation dans chaque pièce 256 autour
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des canaux de coulée 252, ces canaux 252 peuvent comprendre des zones
de transition adjacentes aux cavités 251. Dans cette zone de transition, le
canal de coulée 252 s'élargit progressivement dans la direction d'un axe
principal X d'une section S de la cavité 251 dans un plan A perpendiculaire
au canal de coulée, de manière à ce que le rayon d'arrondi entre le canal
de coulée 252 et la cavité 251 ne soit pas inférieur à 0,3 mm. En
particulier, dans le mode de réalisation illustré, dans lequel le moule 250
comporte aussi au noyau 253 adjacent au canal de coulée 252, cette zone
de transition s'élargit d'un côté et d'autre du noyau 253, ainsi que du côté
opposé au noyau 253. Quand la cavité 251 et le canal 252 seront remplis
de métal, celui-ci formera ainsi un voile 261 du côté opposé au noyau 253,
et deux voiles 262, 263 adjacents au noyau 253, un de chaque côté du
noyau 253, comme illustré sur les figures 4 et 5. Ces voiles 261, 262, 263
sont, perpendiculairement à l'axe X, sensiblement plus fins que le canal de
coulée 252 en amont de la zone de transition.
Lors de l'étape de coulée, la présence de la zone de transition
permet ainsi de distribuer le débit d'alliage fondu sensiblement dans toute
la largeur de la cavité 251, évitant ainsi la formation de zones de
recristallisation subséquente.
La pièce monocristalline 256 illustrée sur la figure 4 est une aube de
turbine. Elle y est illustrée en état brut de démoulage, c'est-à-dire, avec le
métal solidifié hors-pièce dans le canal de démoulage 252. Ce métal forme
ainsi une tige centrale 275, des voiles 261,262 et 263, et une section
élargie 276 adjacente à la tête d'aube 265. Pendant la coulée, l'alliage
fondu s'écoule de la tête d'aube 265, à travers le pied d'aube 266, jusqu'à
un canal de coulée 252 connecté à une autre cavité 251 plus en aval.
L'écoulement de l'alliage fondu suit ainsi sensiblement la direction de l'axe
principal Z de l'aube. Le voile 261, qui s'étend en direction du bord de
fuite 267 de l'aube, présente un bord extérieur 268 avec un segment
amont concave et un segment aval convexe. En coupe transversale, ce
bord extérieur 268 présente un rayon de courbure R qui n'évolue que très
graduellement de la tige centrale 275 à la section élargie 276. Les voiles
262 et 263, qui s'étendent en direction du bord d'attaque 269 de l'aube de
chaque côté du noyau 253, présentent des bords extérieurs respectifs
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270,271 sensiblement concaves longeant le noyau 253. Ces bords
extérieurs 270, 271 se rejoignent par leurs extrémités au-dessus du noyau
253 et devant celui-ci, formant ainsi deux raccordements 272,273, de
manière à entourer le noyau 253. En coupe transversale, ces voiles 262,
263 présentent des rayons de courbure R' et R" sur les surfaces
adjacentes aux bords extérieurs 270, 271 afin d'éviter la germination de
défauts métallurgiques indésirables à proximité du noyau 253. La surface
de transition 277 des voiles 261,262 et 263 et la tige 275 à la section
élargie 276 est également arrondie pour éviter la germination de tels
défauts.
Parmi les alliages pouvant être utilisés dans ce procédé, on compte
notamment les alliages monocristallins de nickel, tels que, notamment, les
AM1 et AM3 de SNECMA, mais aussi d'autres comme les CMSX-2C) ,
CMSX-4C), CMSX-6 C), et CMSX-10 0 du C-M Group, les René N5 et N6
de General Electric, les RR2000 et SRR99 de Rolls-Royce, et les PWA
1480, 1484 et 1487 de Pratt 8( Whitney, entre autres. Le tableau 1 illustre
les compositions de ces alliages :
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Alliage Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb Re Hf C B Ni
CMSX-4 6,5 9,6 0,6 6,4 5,6 1,0 6,5 - 3,0 0,1 - -
Bal
CMSX-6 10,0 5,0 3,0 - 4,8 4,7 6,0 - - 0,1 - -
Bal
CMSX-10 2,0 3,0 0,4 5,0 5,7 0,2 8,0 - 6,0 0,03 - -
Bal
René N5 7,0 8,0 2,0 5,0 6,2 - 7,0 - 3,0 0,2
- - Bal
René N6 4,2 12,5 1,4 6,0 5,75 -
7,2 - 5,4 0,15 0,05 0,004 Bal
1
RR2000 10,0 ' 15,0 3,0 - 5,5 ' 4,0 - ' - - ' - - -
Bal
SRR99 8,0 5,0 - 10,0 5,5 2,2 12,0 - - - - -
Bal
PWA1480 10,0 5,0 - 4,0 5,0 1,5 12,0 - .- -
' 0,07 - Bal
PWA1484 5,0 10,0 2,0 6,0 5,6 - 9,0 - 3,0 0,1 - -
Bal
PVVA1487 5,0 10,0 1,9 5,9 5,6 - 8,4 - 3,0 0,25 - -
Bal
AM1 7,0 8,0 2,0 5,0 5,0 1,8 8,0 1,0 - - -
Bal
AM3 8,0 5,5 2,25 5,0 6,0 2,0 3,5
Bal
Tableau 1 : Compositions d'alliages de nickel monocristallins en % massique
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Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un
exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes
modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples
