ANNEAU MOULEUR POUR L'OBTENTION D'UN PRODUIT EN ALLIAGE DE TITANE OU EN INTERMETALLIQUE TIAL ET PROCEDE L'UTILISANT

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne le domaine de l’élaboration d’alliages, notamment les alliages aéronautiques comme les alliages à base titane ou les intermétalliques TiAl, notamment des anneaux mouleurs utilisés pour obtenir des lingots et les procédés utilisant de tels anneaux mouleurs.

Technique antérieure

[0002] L’élaboration d’alliages, notamment par tirage de lingot, consiste principalement à chauffer une matière première dans un creuset pour la faire fondre et à la couler dans un anneau mouleur qui conférera au lingot sa forme.

[0003] Les anneaux mouleurs sont généralement en partie constitués de cuivre et peuvent être refroidis à l’eau. Le cuivre est utilisé en raison de sa conductivité thermique élevée permettant de bons échanges thermiques, mais aussi en raison de sa bonne ductilité facilitant son utilisation en limitant les risques de rupture de cette pièce critique. Ainsi, le cuivre convient particulièrement à la réalisation des zones de l’anneau mouleur devant être refroidies, appelées zones froides.

[0004] En ce qui concerne les zones devant être chauffées, dites zones chaudes, les céramiques de fonderie, telles que l’alumine, l’yttrine, la zircone ou leurs dérivés et composites, sont généralement les plus adaptées pour la fabrication d’alliage.

[0005] Malheureusement, ces matériaux présentent des inconvénients pour la fabrication d’alliages à base titane ou d’alliages intermétalliques TiAl. En effet, ces alliages à l’état fondu réagissent fortement avec les céramiques de fonderie, conduisant à l’érosion de l’anneau mouleur et à l’incorporation dans l’alliage d’inclusions céramiques solides arrachées à la paroi de l’anneau mouleur. Pis encore, les céramiques de fonderie étant des oxydes, l’oxygène qu’elles contiennent contamine les alliages et les fragilise.

[0006] Par ailleurs, les céramiques de fonderie n’étant pas conductrices thermiques, l’utilisation d’une résistance électrique externe est nécessaire. Si un chauffage par induction est souhaité, un suscepteur additionnel entourant l’anneau mouleur est nécessaire pour éviter un couplage direct avec l’alliage en cours de solidification dans l’anneau mouleur. En effet, un tel couplage génère des vortex de circulation de l’alliage en fusion, déstabilisant alors le front de solidification.

[0007] Des métaux réfractaires sont occasionnellement utilisés pour réaliser les zones chaudes. Cependant, le risque d’interactions chimiques entre ces derniers et les alliages à base titane ou intermétalliques TiAl est élevé. Notamment, des eutectiques à bas point de fusion peuvent se former et conduire à la formation de défauts critiques dans ces alliages. [0008] Récemment, le nitrure d’aluminium a été utilisé pour la fabrication de creuset de fonderie qui s’est révélé prometteur. Ce matériau est néanmoins onéreux.

Résumé

[0009] La présente divulgation vient améliorer la situation.

[0010] Pour cela, la présente invention propose un anneau mouleur pour le moulage d’un lingot d’alliage à base de titane ou intermétallique TiAl, formé d’un tube avec une première et une deuxième extrémité et comprenant :

- un premier tronçon en un matériau thermiquement conducteur, et s’étendant à partir de la première extrémité, notamment sur une longueur L1 comprise entre 0,065 et 0,09 m ;

- un deuxième tronçon en un matériau en un alliage en phase MAX et s’étendant à partir du premier tronçon, notamment sur une longueur L2 comprise entre 0,17 et 0,3 m ; dans lequel la phase MAX est choisie parmi : bÏ AliCs, Nb ₂ AlC, Ti ₂ AlC et Ti ₂ AlN.

[0011] Grâce à l’utilisation d’un tel anneau mouleur, il n’y a pas de risque de contamination de l’alliage fabriqué car les éléments composant le matériau de l’anneau mouleur sont des éléments généralement présents dans les alliages à base titane et intermétalliques TiAl. Il n’y a donc pas de risque que celui-ci soit fragilisé par l’inclusion d’éléments étrangers, tel que l’oxygène des céramiques de fonderie. Par ailleurs, un tel anneau mouleur présente une bonne résistance au choc thermique et une faible dilatation thermique.

[0012] D’autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont décrites ci-après.

[0013] Le matériau thermiquement conducteur peut être du cuivre.

[0014] La surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon peut être recouverte d’une ou de plusieurs couches, chacune des couches est dans un matériau choisi parmi : bÏ AliCs, Nb ₂ AlC, Ti ₂ AlC, Ti ₂ AIN et AIN.

[0015] Lorsque le matériau est IM AIICS, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon peut être recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en Nb ₂ AlC ;

- d’une première couche en Nb ₂ AlC et d’une deuxième couche en Ti ₂ AlC ;

- d’une première couche en Nb ₂ AlC, d’une deuxième couche en Ti ₂ AlC et d’une troisième couche en AIN ; ou

- d’une première couche en Nb ₂ AlC, d’une deuxième couche en Ti ₂ AlC, d’une troisième couche en Ti ₂ AlN et d’une quatrième couche en AIN.

[0016] Lorsque le matériau est Nb ₂ AlC, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon peut être recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en Ti ₂ AlC ; - d’une première couche en TizAlC et d’une deuxième couche en AIN ; ou

- d’une première couche en TAAIC, d’une deuxième couche en TizAIN et d’une troisième couche en AIN.

[0017] Lorsque la matériau est TAAIC, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon peut être recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en AIN ; ou

- d’une première couche en TAAIN et d’une deuxième couche en AIN.

[0018] Le premier tronçon et le deuxième tronçon peuvent être reliés l’un à l’autre par une jonction réalisée par assemblage mécanique ou soudage.

[0019] L’anneau mouleur peut en outre comprendre un troisième tronçon s’étendant à partir du deuxième tronçon jusqu’à la deuxième extrémité, notamment sur une longueur d’au moins 0,03 m, et en un matériau thermiquement conducteur.

[0020] L’anneau mouleur peut en outre comprendre une collerette s’étendant à partir de la première extrémité perpendiculairement à l’extension du premier tronçon et vers l’extérieur.

[0021] Dans un autre aspect, la présente invention concerne un procédé d’obtention d’un produit en alliage de titane ou en intermétallique TiAl par fusion par torche plasma, l’alliage présentant une structure dirigée.

[0022] Le procédé comprend :

- la sélection d’un anneau mouleur tel que décrit ci-dessus et dont la longueur L1 est comprise entre 0,065 et 0,09 m et la longueur L2 entre 0,17 et 0,3 m, et dont l’épaisseur el et e2 des premier et deuxième tronçons est choisie conformément aux inéquations Math.1 et Math. 2 ci-dessous, où R est le rayon intérieur de l’anneau mouleur, ATI est le gradient thermique maximal souhaité dans le premier tronçon, AT2 est le gradient thermique maximal souhaité dans le deuxième tronçon, Al est égal à 9 °C.m et A2 à 60 °C.m, Ll _m ; _n est égal à 0,065 m, Ll _max à 0,09 m, L2 _m ; _n à 0,17 m, et L2 _max à 0,3 m ;

- le chauffage de la surface de l’alliage fondu au niveau de l’anneau mouleur ;

- le refroidissement du premier tronçon de l’anneau mouleur formant une zone froide, le refroidissement formant une couronne semi-solide d’alliage ;

- le chauffage du deuxième tronçon de l’anneau mouleur formant une zone chaude engendrant ainsi un front de solidification de l’alliage dans cette zone chaude et dont la planéité par rapport à un plan perpendiculaire à une direction de tirage est inférieure à 10° ; et

- le tirage de l’alliage solidifié à une vitesse supérieure à 10 ⁴ m/s suivant une direction de tirage. [0023] [Math. 1] [0024] [Math. 2]

Brève description des dessins

[0025] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig- 1

[0026] [Fig. 1] montre un schéma illustrant le procédé de fusion par torche plasma en creuset froid utilisant l’anneau mouleur selon l’invention.

Fig- 2

[0027] [Fig. 2] illustre un anneau mouleur selon l’invention avec une zone froide et une zone chaude.

Fig- 3

[0028] [Fig. 3] illustre un anneau mouleur selon l’invention avec une zone froide, une zone chaude et une deuxième zone froide.

Fig. 4

[0029] [Fig. 4] montre l’angle a formé par le front de solidification par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de tirage en fonction de la longueur de la zone froide L1 et de la longueur de la zone chaude L2 à une vitesse de tirage de 0,00015 m/s.

Fig. 5

[0030] [Fig. 5] montre l’angle a formé par le front de solidification par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de tirage en fonction de la longueur de la zone froide L1 et de la longueur de la zone chaude L2 à une vitesse de tirage de 0,0003 m/s.

Fig. 6

[0031] [Fig. 6] montre l’angle a formé par le front de solidification par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de tirage en fonction de la longueur de la zone froide L1 et de la longueur de la zone chaude L2 à une vitesse de tirage de 0,00045 m/s.

Fig. 7

[0032] [Fig. 7] montre l’angle a formé par le front de solidification par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de tirage en fonction de la longueur de la zone chaude L2 et de la longueur de la zone froide L3 à une vitesse de tirage de 0,0003 m/s, pour une longueur de zone froide L1 de 0,077 m environ. [0033] Dans les figures 4 à 7 ci-dessus, les lignes sont des lignes isoplèthes joignant des points de même valeur angulaire. La ligne continue indique la limite entre le domaine où l’angle a est supérieur à 10° et le domaine où il est inférieur à 10°. Plus le motif est noir et plus l’angle est important.

Exposé

[0034] Un anneau mouleur selon la présente invention est décrit ci-après en référence à la figure 2 et à la figure 3. Un tel anneau mouleur 1 est particulièrement adapté pour le moulage d’un lingot d’alliage à base de titane ou intermétallique TiAl, formé d’un tube avec une première extrémité 11 et une deuxième extrémité 12.

[0035] L’anneau mouleur 1 comprend un premier tronçon 13 et un deuxième tronçon 14 de tube. Le premier tronçon 13 est en un matériau thermiquement conducteur, et s’étend à partir de la première extrémité 11, notamment sur une longueur L1 comprise entre 0,065 et 0,09 m. Le deuxième tronçon 14 est en un alliage en phase MAX et s’étend à partir du premier tronçon 13, notamment sur une longueur L2 comprise entre 0,17 et 0,3 m ; la phase MAX étant choisie parmi : Nb-iAliCs, NbzAlC, TizAlC et TizAlN. Ces phases MAX sont les phases les plus compatibles avec les compositions des alliages à base de titane et des alliages intermétalliques TiAl. En effet, outre les éléments titane et aluminium, de tels alliages comprennent d’autres éléments dont les plus communément utilisés sont le zirconium, molybdène, le niobium, le chrome, le tungstène, le vanadium, le carbone et le bore. Ainsi, les seules phases MAX retenues présentent toutes l’aluminium au site A. Par ailleurs, ces phases MAX retenues sont compatibles avec une température propre des températures de fusion des alliages à base de titane et des alliages intermétalliques TiAl qui sont proches de 1500°C.

[0036] L’anneau mouleur 1 peut comprendre en outre un troisième tronçon 15 s’étendant à partir du deuxième tronçon 14 jusqu’à la deuxième extrémité 12, notamment sur une longueur L3 d’au moins 0,03 m, et en un matériau thermiquement conducteur.

[0037] Les longueurs LI, L2 et L3 ont été déterminées par simulation dans le but notamment d’obtenir un front de solidification perpendiculaire à la direction de tirage, c’est-à-dire à l’axe longitudinal de l’anneau mouleur 1. Les résultats de ses simulations sont montrés sur les figures 3 à 6. Ces figures montrent l’impact du choix des longueurs L1 et L2 sur la planéité du front de solidification à des vitesses de tirage différentes, respectivement 0,00015 m/s, 0,0003 m/s et 0,00045 m/s. Plus le front de solidification est plan et plus le domaine correspondant est clair. On constate que plus la vitesse de tirage est importante et plus le domaine correspondant à un front de solidification formant un angle inférieur à 10° par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de tirage se réduit. L’angle est mesuré au niveau de la surface interne de l’anneau mouleur dans un plan comprenant l’axe longitudinal du lingot tiré colinéaire à la direction de tirage ; cet angle est celui entre une droite résultant de l’intersection entre le plan considéré et le plan perpendiculaire à l’axe de tirage et une droite tangente à la courbe résultant de l’intersection entre le plan considéré et le front de solidification prise à la surface interne de l’anneau mouleur. Les intervalles de longueurs ont été définis afin d’avoir un bon compromis entre planéité du front de solidification et gamme de vitesse de tirage sur laquelle le procédé est applicable. Lorsque la longueur L1 et la longueur L2 sont situées dans les intervalles précités, l’angle est inférieur à 10° pour une large gamme de vitesse de tirage.

[0038] Le premier tronçon 13 est une zone froide et sert notamment de surface d’échange thermique entre l’alliage qui a été déversé dans l’anneau mouleur et un circuit de fluide caloporteur, permettant de maintenir la température de l’alliage à environ 25°C à ce niveau. Le matériau thermiquement conducteur est préférentiellement du cuivre, matériau qui présente une conductivité thermique élevée tout en étant ductile.

[0039] Le deuxième tronçon 14 est une zone chaude, c’est-à-dire une zone qui est chauffée pour faire refondre l’alliage à ce niveau permettant alors d’obtenir un front de solidification le plus plan possible, notamment avec un angle inférieur à 10°.

[0040] Pour les alliages contenant du niobium et de l’aluminium, les phases LT AICS et NbzAlC peuvent être utilisées seules. Dans d’autres cas, il est préférable que la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon soit recouverte d’une ou de plusieurs couches, chacune des couches est dans un matériau choisi parmi : Nb4AICA NbzAlC, TizAlC, TizAIN et AIN.

[0041] Par exemple, lorsque le matériau est bftMAliCs, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon 14 est recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en Nb AIC ;

- d’une première couche en Nb AIC et d’une deuxième couche en TizAlC ;

- d’une première couche en NbzAlC, d’une deuxième couche en TizAlC et d’une troisième couche en AIN ; ou

- d’une première couche en NbzAlC, d’une deuxième couche en TizAlC, d’une troisième couche en TizAIN et d’une quatrième couche en AIN.

[0042] Autre exemple, lorsque le matériau est NbzAlC, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon 14 est recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en TizAlC ;

- d’une première couche en TizAlC et d’une deuxième couche en AIN ; ou

- d’une première couche en TizAlC, d’une deuxième couche en TizAIN et d’une troisième couche en AIN.

[0043] Toujours autre exemple, lorsque le matériau est TizAlC, la surface interne du tube au niveau du deuxième tronçon 14 est recouverte, de l’extérieur vers l’intérieur :

- d’une seule couche en AIN ; ou

- d’une première couche en TizAIN et d’une deuxième couche en AIN. [0044] Les ordres de couches présentés ci-dessus sont importants. En effet, ils permettent d’éviter la formation de phases secondaires aux interfaces entre les différentes couches ; l’existence d’une solution solide continue étant de mise entre ces phases.

[0045] Les configurations présentant AIN dans la couche la plus interne sont notamment adaptées au tirage d’alliages exempts d’aluminium et ayant des températures de fusion supérieures à 1600°C.

[0046] Les couches présentent de préférence une épaisseur comprise entre 50 pm et 1000 pm. Par exemple : 60 pm, 70 pm, 80 pm, 90 pm, 100 pm, 250 pm, 500 pm, ou 750 pm.

[0047] Par ailleurs, le choix des matériaux mentionnés ci-dessus a pour avantage aussi de faciliter la fabrication de l’anneau mouleur. En effet, tous ces matériaux sont aujourd’hui disponibles sous la forme de poudres. Ainsi, pour réaliser l’anneau mouleur, les différentes poudres choisies peuvent être densifiées ou déposées sous forme de couches. Les températures nécessaires pour densifier ces différents matériaux sont relativement proches, entre 1400 et 1700°C, ce qui peut permettre notamment de les cofiritter entre elles. Dans tous les cas, la méthode suivante pourra être mise en œuvre : les différents matériaux sont positionnés de manière concentrique dans un moule permettant le frittage à haute température de poudres. Si des épaisseurs fines sont nécessaires (i.e. inférieures à 250 pm), le procédé de pulvérisation à froid (cold spray en anglais) pourra être utilisé pour créer sur la surface interne de l’anneau mouleur les couches nécessaires. Pour les cas faisant intervenir AIN, et si une épaisseur fine (i.e. inférieure à 250pm) est nécessaire, le procédé de pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsions de haute puissance (aussi appelé HiPIMS) pourra être mis en œuvre sur la face interne de l’anneau mouleur.

[0048] Pour le cofritage, le procédé de frittage flash (spark plasma sintering en anglais) peut être utilisé par exemple en appliquant le cycle de densification suivant :

- température maximale de fritage : 1500-1600°C ;

- temps de maintien : 10-30 min ;

- pression appliquée : 30-100 MPa ;

- atmosphère : vide.

[0049] Une couche additionnelle non en contact avec l’alliage en fusion peut être ajoutée dans l’anneau mouleur, par exemple sur la surface externe, mais de manière générale à tout niveau avec pour seule limitation qu’elle ne soit pas en contact avec l’alliage en fusion. Cette couche additionnelle est constituée d’un matériau ferromagnétique, notamment un alliage ferromagnétique. Cete couche additionnelle permet de favoriser le couplage magnétique avec l’anneau mouleur. Des exemples de matériaux pour une telle couche sont : le fer pur, alliages FeCo ou FeSi, etc. La couche additionnelle présente de préférence une épaisseur d’au moins 250 pm, par exemple 300 pm, 350 pm, 400 pm, 450 pm, 500 pm. Cette couche additionnelle peut être obtenue par projection thermique ou pulvérisation à frais (cold spray en anglais). [0050] Le premier tronçon 13 et le deuxième tronçon 14 peuvent être reliés l’un à l’autre par une jonction 17 réalisée par assemblage mécanique ou soudage. La jonction 17 est de préférence comprise dans la zone froide de l’anneau mouleur. En effet, cela évite de limiter les techniques d’assemblage mais également de tirer parti de la ductilité du cuivre pour limiter les contraintes de flexion dans les empilements de couches en phase MAX.

[0051] Le troisième tronçon 15, quand il est prévu est une zone froide pour le refroidissement de l’alliage.

[0052] La deuxième extrémité 12 de l’anneau mouleur peut présenter un chanfrein facilitant l’insertion de l’anneau mouleur dans l’installation pour l’obtention de lingot d’alliage par tirage. Lorsque le troisième tronçon 15 est prévu, le chanfrein peut être réalisé dans le troisième tronçon 15, notamment de manière à occuper entièrement le troisième tronçon 15.

[0053] L’anneau mouleur 1 peut comprendre en outre une collerette 16 s’étendant à partir de la première extrémité 11 perpendiculairement à l’extension du premier tronçon 13 et vers l’extérieur. La collerette 16 est de préférence circulaire, mais pas nécessairement. Elle peut présenter une forme carrée, rectangulaire ou triangulaire, optionnellement avec les coins arrondis.

[0054] La lumière à l’intérieur de l’anneau mouleur confère au lingot d’alliage sa forme. Etant donné que le lingot doit pouvoir être tiré de la première extrémité vers la deuxième extrémité, la paroi interne de l’anneau mouleur est un cylindre mathématique, c’est-à-dire une surface générée par des génératrices parallèles entre elles autour d’une courbe fermée et s’étendant entre la première et deuxième extrémités 11, 12. Bien que de préférence, la courbe fermée soit un cercle (le lingot tiré est donc un cylindre droit à base circulaire), la présente invention n’est pas limitée à une telle forme. Notamment, la courbe fermée peut être un carré, un rectangle ou un triangle. Les angles peuvent également être arrondis.

[0055] L’épaisseur des parois au niveau du premier tronçon 13, du deuxième tronçon 14 et du troisième tronçon 15 est de préférence choisie en fonction du gradient de température maximal que l’anneau mouleur 1 doit supporter entre sa surface interne au contact de l’alliage et sa surface externe. Notamment, les épaisseurs sont choisies suivant Math. 1 et Math. 2 ci-dessus.

[0056] De manière générale, l’épaisseur el du premier tronçon L1 est inférieure à l’épaisseur e2 du tronçon L2. Ainsi, un épaulement est formé entre les premier et deuxième tronçons. Cet épaulement est de préférence supérieur à 90° et correspond de préférence à la jonction des matériaux des deux tronçons.

[0057] L’anneau mouleur 1 décrit ci-dessus peut être avantageusement utilisé dans un procédé d’obtention d’un produit en alliage de titane ou en intermétallique TiAl par fusion par torche plasma pour obtenir un alliage présentant une structure dirigée. [0058] Le procédé est représenté schématiquement sur la figure 1 est comprend :

- la sélection d’un anneau mouleur 1 tel que décrit ci-dessus et dont la longueur L1 est comprise entre 0,065 et 0,09 m et la longueur L2 entre 0,17 et 0,3 m, et dont l’épaisseur el et e2 des premier et deuxième tronçons est choisie : où R est le rayon intérieur de l’anneau mouleur, ATI est le gradient thermique maximal souhaité dans le premier tronçon, AT2 est le gradient thermique maximal souhaité dans le deuxième tronçon, Al est égal à 9 °C.m et A2 à 60 °C.m, Ll _m ; _n est égal à 0,065 m, Ll _max à 0,09 m, L2 _m ; _n à 0,17 m, et L2 _max à 0,3 m :

- le chauffage de la surface de l’alliage fondu au niveau de l’anneau mouleur, notamment par une torche plasma 3 ;

- le refroidissement du premier tronçon 13 de l’anneau mouleur 1 formant une zone froide, notamment par des moyens de refroidissement 4, le refroidissement formant une couronne semi-solide d’alliage ;

- le chauffage, notamment par une chauffe 5, du deuxième tronçon 14 de l’anneau mouleur 1 formant une zone chaude engendrant ainsi un front de solidification de l’alliage dans cette zone chaude et dont la planéité par rapport à un plan perpendiculaire à une direction de tirage est inférieure à 10° ; et

- le tirage de l’alliage solidifié à une vitesse supérieure à 10 ⁴ m/s suivant une direction de tirage.

[0059] Le procédé peut comprendre en outre le refroidissement du troisième tronçon 15 de l’anneau mouleur formant une deuxième zone froide, notamment par un deuxième moyen de refroidissement 6. [0060] En amont des étapes décrites ci-dessus, le procédé peut comprendre la fourniture de matière première MP (notamment sous forme de chutes, de briquettes, de barres, d’un mélange éponge/alliage mère, etc.), le chauffage de la matière première MP (par exemple par torche plasma 8, par arcs électriques, par induction, par bombardement électronique, etc.) faisant fondre la matière première MP en un alliage fondu brut, le raffinage de l’alliage fondu brut (comprenant par exemple la stabilisation de la température de l’alliage et l’élimination d’impuretés), et le coulage 2 de l’alliage fondu raffiné dans l’anneau mouleur 1. Ces étapes sont connues de l’état de la technique et ne constituent pas le cœur de la présente invention.