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Il Perfectionnements aux alliages destinés à être utilisés à des températures élevées Il.
Dans l'utilisation de pièces côulées destinées à travailler à des températures élevées, telles en parti- culier que des éléments de turbines à gaz, de moteurs à réaction, de surpresseurs mus par les gaz d'échappement, etc.. les propriétés physiques désirées sont une résis- tance élevée au fluage et à l'oxydation et une charge de rupture élevée associées à une aptitude à un degré élevé de déformation plastique sous des surcharges temporaires, comme le montre l'allongement à la rupture dans les essais de fluage .
Si une matière possède une bonne charge de rupture sous des tensions élevées,
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il ne s'ensuit pas qu'elle possède une bonne résistance au fluage pour des tensions plus faibles se présentant normalement en service, mais, étant donné que les deux propriétés sont nécessaires, l'absence d'une des quali- tés rend immédiatement inutile un alliage.
En général, des pièces coulées utilisées sous tension à des températures élevées ont été faites ha- bituellement à partir de compositions ferreuses normales telles que celles contenant environ 25% de chrome, 12% de nickel et 0,35 % de carbone . Des alliages ayant cette composition ne présentent pas une bonne association des propriétés en question et on a fait dernièrement des organes et des pièces du genre précité à partir d'alliages forgés à haute teneur en nickel tels que ceux décrits dans la demande de brevet belge déposée le 26 juin 1946 sous le n 361.793.
La présente invention est fondée sur cette dé- couverte que l'on peut obtenir de bonnes propriétés inattendues car une combinaison effective d'un certain nombre d'éléments d'alliage présents en quantités petites et peu coûteuses dans une composition de base nickel- chrome-fer en proportionsconvenables et que l'on peut soumettre ces alliages facilement et avec succès à un traitement thermique pour leur conférer des propriétés avec aux températures élevées supérieures à celles obtenues/; l'un quelconque des alliages coulés antérieurs de prix comparable .
Conformément à la présente invention, les alliages contiennent de 45 à 55% de nickel, de 17 à 23% de chrome, de 0,26 à 1 % de niobium, de 0,05 à 0,5 % de ti- tane, de 0,01 à 0,04 % de calcium et de 0,3 à 0,6 de carbone, le complément étant sensiblement en totalité du fer. Il doit être entendu que dans la fabrication d'al-
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liages de ce genre, la présence d'autres éléments en quantités telles qu'elles puissent être considérées comme des impuretés est inévitable et, naturellement, on doit admettre la présence de l'un quelconque desdits élé- ments en quantités telles qu'elles n'affectent pas de maniè- re nuisible les propriétés .
La teneur en chrome est importante parce qu'elle confère la résistance optimum à l'oxydation dans les tem- pérature comprises entre 700 et 815 C; elle est de préférence de 19 à 21 %. La meilleure combinaison de ré- sistance au fluage, de charge de rupture et d'allonge- ment à la rupture est obtenue quand la teneur en nickel est comprise entre 48 et 52 %. La manière dont certaines propriétés varient lorsque la teneur en nickel est,res- pectivement, inférieure aux limites précitées, comprise entre ces limites et supérieure à celes-ci est montrée par le tableau suivant de résultats obtenus avec des al- liages soumis à des traitements thermiques identiques:
EMI3.1
<tb> Alliage <SEP> Composition <SEP> pour <SEP> cent <SEP> Valeurs <SEP> de <SEP> ruptu-
<tb>
<tb> n <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> re <SEP> en <SEP> 100 <SEP> heures
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<tb> #####################. <SEP> à <SEP> 815 C. <SEP>
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<tb> tension <SEP> Allongement
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<tb> kg/mn2
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<tb> Ni <SEP> Cr <SEP> Fe <SEP> Nb <SEP> Ti <SEP> Ca <SEP> C
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<tb> 1 <SEP> 35 <SEP> 20 <SEP> Complé <SEP> 0,55 <SEP> 0,22 <SEP> 0,014 <SEP> 0,53 <SEP> 15,80 <SEP> 1%
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<tb> ment
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<tb>
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<tb> 2 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,85 <SEP> 0,26 <SEP> 0,019 <SEP> 0,53 <SEP> 11,80 <SEP> 9%
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<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 3 <SEP> 75 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,63 <SEP> 0,40 <SEP> 0,018 <SEP> 0,53 <SEP> 8,78 <SEP> 24 <SEP> %
<tb>
L'augmentation de la teneur en nickel au-dessus de 55 %,
outre qu'elle ramène la charge de rupture à une valeur inférieure à celle qui est désirable pour le service à température élevée, abaisse aussi la résistance au fluage . La réduction de la teneur en nickel au-dessous de 45%, tout en maintenant une bonne charge de rupture,
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conduit néanmoins à un allongement faiblelorsque la rupture se produit dans les conditions le fluage.
La variation de la teneur en carbone entre- Les limi- tes spécifiées ici n'a qu'une action très faible sur les propriétés, à la condition que les éléments d'alliare soient présents en pro'oortions convenables.Au-dessus de la limite supérieure de 0,6 @ de carbone, les alliages tendent à devenir cassants, tandis que, pour la limite inférieure de 0,3% de carbone, la charge de rupture est inférieure à celle désirée pour le service à température élevée. Il est préférable de donner à la teneur en carbone une valeur comprise entre 0,4 et 0,55 µ'#la
Pour obtenir le degré le plus grand d'écoulement plas- tique du métal avant rupture,les teneurs en titane, en nio- bium et en calcium sont importantes.
Ceci est démontré par la comparaison de l'allongement élevé de rupture de l'allia- ge n 2 avec l'allongement plus faible d'alliages exempts de l'un de ces éléments, ou de deux, comme on le voit ci- après.
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<tb>
Alliage <SEP> Composition <SEP> pour <SEP> cent <SEP> Valeurs <SEP> de <SEP> rupture <SEP> en
<tb>
EMI4.2
n ############### 100 heures à 815' C.
EMI4.3
<tb> tension <SEP> Allongement
<tb> kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb> ¯Ni <SEP> Cr <SEP> Fe <SEP> Nb <SEP> Ti <SEP> Ca <SEP> C
<tb>
EMI4.4
4 50 20,6 Complé- 0 0 o042 0,53 bzz68 4 , 5
EMI4.5
<tb> ment
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EMI4.6
5 49A'l9,7 Do 0 0,25 0,020 0,54 11,10 g,0 )à 6 50 20 dO 0,35 0 0,o4 0,53 14,06 3,0 jtà
Pour ce qui est de la teneur en calcium, il a été constaté que, pour 0,010% de calcium, il se produit une grande augmentation brusque et inattendue de l'allonge- ment à la rupture des alliages, augmentation qui est particulièrement sensible pour 0,025% de calcium environ
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et qui se produit jusqu'à 0,04 % de calcium.
Les indica- tions données ci-après montrent l'effet du calcium pour des quantités variant de 0 à 0,036 % dans des alliages qui sont tous malléables à chaud.
EMI5.1
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Alliage <SEP> Composition <SEP> pour <SEP> cent <SEP> Valeurs <SEP> de <SEP> rupture <SEP> en
<tb>
<tb> n <SEP> 100 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 815 C.
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<tb> tension <SEP> Allongement
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<tb> kg/mm2
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<tb> Ni <SEP> Cr <SEP> Fe <SEP> Nb <SEP> Ti <SEP> Ca <SEP> C
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<tb> 7 <SEP> 49,6 <SEP> 19,7 <SEP> Complé- <SEP> 0,57 <SEP> 0,21 <SEP> 0 <SEP> 0,52 <SEP> 14,27 <SEP> 0,5 <SEP> %
<tb>
<tb> ment
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,58 <SEP> 0,21 <SEP> 0,008 <SEP> 0,53 <SEP> 13,50 <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP>
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<tb>
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<tb> 9 <SEP> 49,6 <SEP> 20,3 <SEP> d <SEP> 0,47 <SEP> 0,27 <SEP> 0,012 <SEP> 0,53 <SEP> 12,10 <SEP> 6,5 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 49,6 <SEP> 20,1 <SEP> d <SEP> 0,58 <SEP> 0,23 <SEP> 0,017 <SEP> 0,52 <SEP> 11,60 <SEP> 7,
0 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,55 <SEP> 0,26 <SEP> 0,019 <SEP> 0,53 <SEP> 11,80 <SEP> 9,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 49,9 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,42 <SEP> 0,25 <SEP> 0,026 <SEP> 0,53 <SEP> 12,30 <SEP> 14,5 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb> 12 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,56 <SEP> 0,21 <SEP> 0,026 <SEP> 0,52 <SEP> 11,95 <SEP> 16,5 <SEP> %
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<tb> 13 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> d <SEP> 0,54 <SEP> 0,23 <SEP> 0,036 <SEP> 0,51 <SEP> 11,03 <SEP> 14,0%
<tb>
La teneur préférée en calcium est comprise entre 0,02 et 0,03 %.
Un grand avantage que procure l'invention consiste dans le fait que des objets et des pièces coulées à partir des alliages possèdent la bonne combinaison de proprié- tés, bien que le niveau élevé de résistance au fluage des alliages préparés conformément à l'invention ne soit obtenu que lorsque ces alliages ont subi un traitement thermique approprié . Dtune manière générale, le traite- ment thermique comprend le chauffage de la pièce coulée pour la mise en solution à une température d'au moins
1200 C, son refroidissement rapide jusqu'à une température inférieure à 815 C. et un traitement de durcissement par vieillissement entre 700 et 870 C.
On soumet de pré- férence la pièce coulée à deux traitements de durcisse- ment par vieillissement, le second étant exécuta à une @ /
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température supérieure celle du premier . Avec la plu- part des alliages, un second traite:.tent de vieillisse- ment à une températere supérieure à celle du premier supprime les effets obtenus précédenment par le premier vieillissement et le résultat final est le mène que si l'on n'utilisait que la température supérieure.
Par con- tre, avec les alliages préparés conformément à l'inven- tion, on a constate que le vieillissement à une tempéra- ture inférieure suivi d'un vieillissement à une tempéra- ture supérieure a pour résultat l'obtention d'une plus grande dureté permanente qui ne pourrait pas être obtenue par un vieillissement à la température supérieure seule.
On a constaté qu'un traitement comprenant un chauffage pour la mise en solution à environ 1260 C et une trempe à l'eau, puis le vieillissement à environ 700 C. pendant douze heures environ et, finalement, le vieillissement à 815 C. environ pendant dix-huit heures environ , est particulièrement efficace pour la diminution de la valeur du premier stade de fluage . Toutefois, des pièces cou- lées ayant subi un unique traitement de vieillissement ont des propriétés désirables et sont presque compara- bles pour la plupart des autres propriétés celles ayant subi le double traitement de vieillissement .
On n'obtient tous les avantages des propriétés de ces al- liages que par un traitement thermique conduit de manière à produire une phase précipitée fortement dispersée que la demanderesse croit être formée en grande partie par des carbures complexes. L'un des avantages primor- diaux de ces alliages coulés est leur capacité de sup- porter un traite;:lent de mise en solution à température élevée dans des pièces de grandes dimensions et de forme compliquée sans inconvénient. Si l'on soumettait à un tel traitement une pièce coulée ordinaire résistant à la
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chaleur, il en résulterait une fragilité qui rendrait la pièce impropre à l'usage .
En s'assurant que les éléments d'alliage et de base sont compris dans les limites in- diquées plus haut, on peut soumettre des pièces coulées de toutes formes et de toutes dimensions à des traitements rigoureux de mise en solution à haute température.
Cette capacité de supporter le traitement de mise en solution est importante car, sans un traitement thermi- que approprié, le taux de fluage serait approximativement cent fois celui de la matière subissant le traitement thermique sous la tension qui produirait 1 % de fluage en cent mille heures dans la matière ayant subi le traite- ment thermique.