<Desc/Clms Page number 1>
Alliages possédant aux températures élevées une bonne résistance à la corrosion et une résistance élevée au fluage .
Il existe une demande pour des alliages possédant, aux températures élevées, à la fois la résistance à la corrosion et une résistance élevée au fluage, en même temps que de bonnes propriétés mécaniques générales. Ils sont, en particulier, nécessaires pour la fabrication d'articles et de pièces soumis à des tensions aux tempéra- tures élevées, c'est-à-dire à des températures de l'ordre de 600 C. et plus . L'expression "soumis à des tensions" comprend celles engendrées dans l'article ou pièce par son
<Desc/Clms Page number 2>
propre poids.
L'invention comprend, pour la fabrication d'articles et de parties de ceux-ci soumis en service à des tensions à des températures élevées, l'utilisation d'alliages conte- nant à la fois du chrome et du nickel, conjointement avec une petite quantité de carbone et l'un, au moins , des élé- ments capables de former des carbures qui sont letitane, le niobium, le molybdène , le glucinium, le tungstène, et le vanadium . L'invention comprend aussi un traitement thermique approprié de l'alliage (ou, plus généralement, de l'article ou pièce).
Les compositions de base auxquelles se réfère l'inven- tion sont celles contenant de 20 à 95 % de nickel, de 5 à 30 % de chrome, de 0 à 20 % de cobalt et de 0 à 60 % de fer.
Il peut exister aussi d'autres éléments (par exemple du silicium, du manganèse et del'aluminium) jusqu'à une quan- tité totale de 10 %, et de petetes quantités de métaux des terres rares, de métaux alcalino- terreux et un ou plusieurs deh éléments suivants : phosphore, arsenic, antimoine et tan- tale . Entec ces limites de composition de base, l'alliage est choisi compte tenu des propriétés mécaniques générales requises et du genre de corrosion à laquelle l'article, ou pièee, doit résister pour la durée de service prévue .
Les considérations dont il y a lieu de tenir compte sont bien connues et ne seront pas exposées ici.
L'invention peut être avantageusement appliquée aux alliages ayant comme composition de base sensiblement 80 % de nickel et 20 % de chrome, lesquels sont bien connus pour leur capacité de résistance à la chaleur età la corro- sion.
En second lieu, l'alliage doit contenir de 0,05 à 0,5 % de carbone et un ou plusieurs des éléments capables de
<Desc/Clms Page number 3>
former des carbures dans les proportions suivantes : de 0,02 à 1,5 % de titane, de 0,05 à 5 % de niobium, de 0,05 à 10 % de molybdène, de 0,05 à 5 % de tungstène, de 0,05 à, 5 % de glucinium ou de 0,05 à 5 % devanadium. Le titane est l'élément préféré.
Voici des exemples d'alliages réalisés conformément à l'invention : a) alliage nickel-chrome 80/20 avec 0,35 % de titane et 0,10 % de carbone; b) 40 % de nickel,' 20 % de chrome, 40 % de fer avec 0,14 % de carbone et 0,2 % de titane; c) alliage nickel-chrome 80/20 avec 0,16 % de carbone et 1,2 % de niobium; d) alliage nickel-chrome 80/20 avec 0,17 % de carbone et 1,2 % de molybdène: . e) alliage nickel-chrome 80/20 avec 0,08 % de carbone et 2,2 % de tungstène; f) alliage nickel-chrome 80/20 avec 0,11 % de carbone et 1,1 % de vanadium.
Il y a lieu de noter que dans les alliages ayant la composition définie ici, il existe une phase qui entre en solution solide aux températures élevées et que, à une température donnée quelconque, on peut approcher d'un état d'équilibre pour lequel aucune quantité nouvelle de la phase n'entre en solution; lors d'un réchauffage subsé- quent à des températures plus basses (mais encore élevées), la phase dissoute précipite, ce phénomène étant connu sous le nom de trempe par précipitation.
Que la résistance au fluage soit, ou non, en relation avec le durcissement résultant de la trempe par précipitation, on a constaté que pour produire la meilleure résistance au fluage, il est nécessaire de maintenir l'alliage (ou bien l'article
<Desc/Clms Page number 4>
ou la pièce) à une température élevée (d'au moins 1075 C) pendant un temps assez long pour que l'équilibre à la tem- pérature en question soit effectivement atteint. On refroi- dit ensuite la matière avec une rapidité suffisante, à par- tir de cette température, pour maintenir la solution formée par le chauffage, le procédé de refroidissement dépendant des dimensions de l'article ou pièce soumis au traitement.
C'est ainsi que lorsque les dimensions de l'article ou piè- ce traitée sont faibles, par exemple dans le cas de barres d'un diamètre allant jusqu'à 15,8 mm. , le refroidissement dans l'air peut 'être suffisamment rapide, mais que, pour des dimensions plus grandes la trempe à l'eau ou à l'huile doit être employée car c'est seulement par un tel refroidis- sement rapide à partir de la température élevée utilisée pour provoquer la dissolution de la phase précipitable que l'on obtient ultérieurement les propriétés désirées de bonne résistance au fluage.
Les températures auxquelles doit être chauffé l'allia- ge (ou bien l'article ou pièce) varient dans une oortaine mesure avec la composition de l'alliage; mais on a ohservé qu'en général l'alliage (ou bien l'article ou pièce) devait être chauffé à une température inférieure au solidus et aussi près de celui-ci que cela est pratiquement possible dans les conditions de fabrication. Par exemple , dans le cas d'alliages de baseformés de 80 % de nickel et de20 % de chrome et contenant, par exemple, 0,4 % de titane et 0,12 de carbone, une température de l'ordre de 1225 C. est désirable et l'alliage doit être maintenu à cette tempéra- turependant un temps assez long pour assurer une dissolu- tion sensiblement complète de la phase précipitable ,soit pendant une heure ou davantage .
Si l'on utiliseune tem- pérature plus basse, par exemple 11500C. , les résultats
<Desc/Clms Page number 5>
obtenus ne sont pas aussi bons, même si l'alliage est mainte nu à cette température pendant un laps de temps plus long, par exemple pendant deux heures ou plus . Avec les alliages auxquels s'applique l'invention, il est nécessaire ddutili- ser une température de 1075 C. ou une température plus éle- vée pour obtenir les résultats désirés.
L'addition, à des alliages ayant les compositions de base en question, d'éléments formant des catbures est déjà connue, mais dans ceux des procédés antérieurement proposés, qui concernaient les alliages destinés à être utilisés aux températures élevées, les traitements thermiques décrits ne comportaient pas le chauffage à des températures attei- gnant 10750C qu On a trouvé nécessaires .
D'autres procédés antérieurs, décrits dans les brevets britanniques n 495.562 et n 504.864, comprenaient des traitements de durcisse- ment par p.récipitation dans lesquels la trempe peut se faire à partir de températures supérieures à. 1075 C., mais ces traitements concernaient la fabrication d'articles qui doivent avoir un module d'élasticité constant et une limite élastique élevée, comme, par exemple, des ressorts destinés à être utilisés entre les limites de température déterminées par des conditions climatiques , Il n'y a pas de relation connue entre les propriétés élastiques d'un al- liage et ses propriétés de fluage et , pour autant qu'on le sache, la découverte formant la hase de la présente in- vention, à savoir que par la corrélation de la composition de l'alliage et de son traitement thermique,
on obtient de remarquables propriétés de fluage, est entièrement nouvelle et la fabrication, à partir d'alliages ayant les compositions susvisées et ayant subi le traitement thermique décrit, d'articles et de parties de ceux-ci soumis, en service, à des tensions aux températures élevées , est nouvelle aussi.
<Desc/Clms Page number 6>
Dans la mise en oeuvre de la présente invention,le dernier salade de la fabrication de l'article, ou pièce, peut être un travail à chaud et peut être exécuté à une température assez élevée pour assurer une dissolution ef- fectivement complète de la phase précipitable; lorsqu'il en est ainsi, le chauffage séparé, tel qu'il a été décrit plus haut, pour provoquer la dissolution de cette phase peut être supprimé.
Après refroidissement, on peut réchauffer l'article à la température à laquelle il devra résister en service, ou à une température supérieure, pour stabiliser les proprié- tés de l'alliage . Par exemple, si la température de service doit vraisemblablement être de l'ordre de 650 C., on pourra réchauffer l'alliage à une température telle que 750 c. Par contre, si la résistance maximum au fluage n'est pas requise initialement, un réchauffage séparé peut être supprimé ,car on peut obtenir les propriétés désirées en mettant en service l'article ou pièce.
Si la résistapce au choc (sur léprouvette entaillée) doit être élevée , on peut avantageusement traiter les alliages de manière appropriée pour supprimer les films inter cri stallinwde carbure . De plus, pour certains usages le fluage total est plus important que la vitesse de fluage, ce qui fait que, lorsqu'un fluage total faible est t spéci- fié, on peut avantageusement soumettre les alliages à un traitement réduisant le fluage initial caractéristique et rapide qui se produit normalement en service .
Par exemple, avant leur mise en service, les alliages peuvent être main- tenus pendant un certain temps à la température à laquelle ils seront soumis en. service, ou à une température voisine ; on peut aussi les déformer de manière permanente en les soumettant à des tensions soit à la température ordinaire, soit, de préférence, à une température élevée, par exemple Il /
<Desc/Clms Page number 7>
à celle à laquelle ils se trouveront soumis en service, ou à une température voisine. Une telle déformation perma- nente peut consister, par exemple, en un allongement de 20 % ou plus .
Il y a lieu de noter, toutefois, que ue traitement n'a rien de commun avec le sévère travail è froid que l'on combine parfois avec le durcissement par précipitation pour développer des propriétés dans les al- liages , comme c'est le eas , par exemple, dans les bre- vets britanniques cités plus haut, car l'effet avantageux du travail à froid est perdu, dans une large mesure, lorsque l'alliage est maintenu à des températures élevées pendant une période de temps considérable .
L'invention est particulièrement utile dans la fabri- cation de moteurs à combustion interne (notamment d'organes de moteurs d'aviation), de pièces de turbines à vapeur ou d'autres moteurs importants, de parties de fours et d'autres pièces soumises à des tensions à des températures élevées.
Mais l'invention est surtout de grande valeur dans la fa- brication depièces de turbines à gaz.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Alloys possessing good corrosion resistance and high creep resistance at elevated temperatures.
There is a demand for alloys possessing, at elevated temperatures, both corrosion resistance and high creep resistance, as well as good general mechanical properties. They are, in particular, necessary for the manufacture of articles and parts subjected to tensions at high temperatures, that is to say at temperatures of the order of 600 ° C. and more. The expression "subjected to tensions" includes those generated in the article or part by its
<Desc / Clms Page number 2>
own weight.
The invention comprises, for the manufacture of articles and parts thereof subjected in service to stresses at elevated temperatures, the use of alloys containing both chromium and nickel, together with a small amount of carbon and at least one of the elements capable of forming carbides which are titanium, niobium, molybdenum, glucinium, tungsten, and vanadium. The invention also comprises an appropriate heat treatment of the alloy (or, more generally, of the article or part).
The base compositions to which the invention refers are those containing 20 to 95% nickel, 5 to 30% chromium, 0 to 20% cobalt and 0 to 60% iron.
There may also be other elements (eg silicon, manganese and aluminum) up to a total amount of 10%, and small amounts of rare earth metals, alkaline earth metals and a or more of the following: phosphorus, arsenic, antimony and tantalum. Within these basic composition limits, the alloy is chosen having regard to the general mechanical properties required and the type of corrosion that the article, or part, must withstand for the expected service life.
The considerations to be taken into account are well known and will not be discussed here.
The invention can be advantageously applied to alloys having as basic composition substantially 80% nickel and 20% chromium, which are well known for their heat and corrosion resistance capacity.
Second, the alloy must contain 0.05 to 0.5% carbon and one or more of the elements capable of
<Desc / Clms Page number 3>
form carbides in the following proportions: from 0.02 to 1.5% of titanium, from 0.05 to 5% of niobium, from 0.05 to 10% of molybdenum, from 0.05 to 5% of tungsten, 0.05 to .5% glucinium or 0.05 to 5% vanadium. Titanium is the preferred element.
Here are examples of alloys produced in accordance with the invention: a) 80/20 nickel-chromium alloy with 0.35% titanium and 0.10% carbon; b) 40% nickel, 20% chromium, 40% iron with 0.14% carbon and 0.2% titanium; c) 80/20 nickel-chromium alloy with 0.16% carbon and 1.2% niobium; d) 80/20 nickel-chromium alloy with 0.17% carbon and 1.2% molybdenum:. e) 80/20 nickel-chromium alloy with 0.08% carbon and 2.2% tungsten; f) 80/20 nickel-chromium alloy with 0.11% carbon and 1.1% vanadium.
It should be noted that in the alloys having the composition defined here, there is a phase which enters solid solution at high temperatures and that, at any given temperature, one can approach an equilibrium state for which no new quantity of the phase does not enter into solution; on subsequent reheating to lower (but still high) temperatures the dissolved phase precipitates, this phenomenon being known as precipitation quenching.
Whether or not the creep resistance is related to the hardening resulting from precipitation quenching, it has been found that to produce the best creep resistance it is necessary to maintain the alloy (or the article
<Desc / Clms Page number 4>
or room) at a high temperature (at least 1075 C) for a time long enough for the temperature equilibrium in question to be effectively reached. The material is then cooled with sufficient rapidity, starting from this temperature, to maintain the solution formed by the heating, the cooling process depending on the dimensions of the article or part subjected to the treatment.
This is the case when the dimensions of the article or part treated are small, for example in the case of bars with a diameter of up to 15.8 mm. cooling in air may be sufficiently rapid, but that for larger sizes quenching with water or oil must be employed as it is only by such rapid cooling from the high temperature used to cause the dissolution of the precipitable phase that subsequently results in the desired properties of good creep resistance.
The temperatures to which the alloy (or the article or part) must be heated vary to a great extent with the composition of the alloy; but it has been observed that in general the alloy (or the article or part) should be heated to a temperature below the solidus and as close to it as is practically possible under the conditions of manufacture. For example, in the case of base alloys formed from 80% nickel and 20% chromium and containing, for example, 0.4% titanium and 0.12 carbon, a temperature of the order of 1225 C. is desirable and the alloy should be maintained at this temperature for a long enough time to ensure substantially complete dissolution of the precipitable phase, that is, for an hour or more.
If a lower temperature is used, for example 11500C. , the results
<Desc / Clms Page number 5>
obtained are not as good, even if the alloy is kept bare at this temperature for a longer period of time, for example for two hours or more. With the alloys to which the invention applies, it is necessary to use a temperature of 1075 ° C. or higher to obtain the desired results.
The addition, to alloys having the base compositions in question, of elements forming catalysts is already known, but in those of the previously proposed processes, which concerned the alloys intended for use at high temperatures, the heat treatments described do not did not involve heating to temperatures up to 10750C which was found necessary.
Other prior processes, disclosed in UK Patents Nos. 495,562 and 504,864, have included precipitation hardening treatments in which quenching can be done from temperatures above. 1075 C., but these treatments concerned the manufacture of articles which must have a constant modulus of elasticity and a high elastic limit, such as, for example, springs intended to be used between the temperature limits determined by climatic conditions, There is no known relationship between the elastic properties of an alloy and its creep properties and, as far as is known, the finding forming the basis of the present invention, namely that by the correlation of the composition of the alloy and its heat treatment,
remarkable creep properties are obtained, is entirely new and the manufacture, from alloys having the above compositions and having undergone the described heat treatment, of articles and parts thereof subjected, in service, to stresses at high temperatures, is new too.
<Desc / Clms Page number 6>
In the practice of the present invention, the last salad in the manufacture of the article, or piece, may be hot work and may be performed at a temperature high enough to ensure effective complete dissolution of the phase. precipitable; when so, the separate heating, as described above, to cause dissolution of this phase can be omitted.
After cooling, the article can be reheated to the temperature which it should withstand in service, or to a higher temperature, to stabilize the properties of the alloy. For example, if the operating temperature is likely to be of the order of 650 C., the alloy can be heated to a temperature such as 750 C. On the other hand, if maximum creep resistance is not initially required, separate reheating can be omitted, since the desired properties can be obtained by putting the article or part into service.
If the impact resistance (on the notched specimen) is to be high, the alloys can advantageously be treated in an appropriate manner to remove the stallin carbide intercross films. In addition, for certain uses the total creep is more important than the rate of creep, so that when a low total creep is specified t, the alloys can advantageously be subjected to a treatment reducing the characteristic initial creep and fast which normally occurs in service.
For example, before they are put into service, the alloys can be maintained for a certain time at the temperature to which they will be subjected to. service, or at a similar temperature; they can also be permanently deformed by subjecting them to tensions either at ordinary temperature or, preferably, at an elevated temperature, for example II /
<Desc / Clms Page number 7>
to that to which they will be subjected in service, or to a similar temperature. Such permanent deformation may consist, for example, of an elongation of 20% or more.
It should be noted, however, that this treatment has nothing in common with the severe cold working which is sometimes combined with precipitation hardening to develop properties in alloys, as is the case with eas, for example, in the British patents cited above, since the beneficial effect of cold working is lost to a large extent when the alloy is maintained at high temperatures for a considerable period of time.
The invention is particularly useful in the manufacture of internal combustion engines (especially parts of aircraft engines), parts of steam turbines or other large engines, parts of furnaces and other parts. subjected to stresses at high temperatures.
But the invention is especially of great value in the manufacture of gas turbine parts.
CLAIMS.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.