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PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES DE.FABRICATION DE PIECES 'EN ALLIAGES RESISTANT A LA CHALEUR.
La présente invention a trait aux procédés de fabrication de piè- ces mécaniques à partir d'alliages résistant à la chaleur, du type communé- mént appelé "alliages au nickel-chrome", capables d'être durcis par un trai- tement thermique de précipitation et contenant un ou plusieurs éléments dits "éléments durcissants"o
Les alliages auxquels cette invention est applicable rentrent dans la définition suivante : - Leur base (qui constitue 50 pour cent au moins de l'alliage) est composée soit de nickel, soit à la fois de nickel et de cobalt (le cobalt ne dépassant pas 40 pour cent de l'alliage);
ils con- tiennent jusqu'à 45 pour cent de chrome et sont capables d'être durcis par un traitement thermique de précipitation étant donné qu'ils contiennent un ou plusieurs des éléments molybdène, tungstène, fer, manganèse, aluminium, vanadium, titane, niobium, silicium et carbone ; carbone ne dépasse pas un pour cent; aucun des deux éléments titane et silicium ne dépasse cinq pour cent ; aucun des autres éléments ne dépasse 25 %; et le total de tous ces élé- ments ne dépasse pas 40 pour cent.
Ces alliages ne contiennent pas d'autres éléments que ceux mentionnés ci-dessus et des impuretés mineures, mais ils peuvent contenir des quantités réduites d'azote, de magnésium, de cuivre, de calcium et d'éléments des terres rares (y compris le misch-métal), aucun de ces éléments n'étant présent à raison de plus d'un pour cent et leur total ne dépassant pas trois pour cento Ces alliages seront appelés ci-après "al- liages de nickel-chrome du type décrit!!.
Il existe un certain nombre d'alliages, bién connus des spécia- listes, qui répondent à la définition générale ci-dessus et pour lesquels il a été adopté un traitement thermique, dit "de mise en solution" réalisé à une température élevée comprise entre 1050 C et 1200 C, ce traitement étant suivi d'un traitement thermique de durcissement par précipitation réalisé à une température inférieure (700-800 C)
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Une limitation a été imposée à la durée du traitement thermique de mise en solution à une température choisie par le fait qu'une prolongation de cette durée provoqué un grossissement du grain, en particulier aux tempé- ratures élevées dans les limites mentionnées.
Le grossissement du grain ne diminue pas nécessairement les propriétés d'écoulement ou de fluage, mais il peut en résulter une réduction des propriétés de résistance aux efforts répétés et aux chocs de la pièce fabriquée. Toutefois, si l'on réalise le traitement thermique de mise en solution aux températures les plus élevées dans les limites spécifiées et en réduisaht sa durée pour éviter le grossis- sement du grain, aucune amélioration n'est apportée aux propriétés d'écoule- ment et, en fait, ces dernières peuvent être inférieures.
Une application particulière des alliages du type mentionné, ré- side dans la fabrication de pièces des turbines à gaz à combustion interne qui sont soumises à des efforts élevés aux hautes températures. Dans une telle application, une propriété à rechercher pour la pièce finie est une résistance de longue durée du fluage ou à l'écoulement et une résistance élevée aux efforts répétés.
La Demanderesse a découvert que des pièces fabriquées avec les alliageµ du type décrit possèdent des propriétés d'écoulement supérieures si le traitement de mise en solution' est en réalité prolongé au delà du temps admis jusqu'à ce jour, bien qu'elle n'ignore pas qu'il puisse en résulter un grossissement du grain.
La présente invention vise à améliorer les propriétés d'écoulement et à éviter que la pièce finie ait une texture à gros grain.
On a soumis des échantillons d'un alliage caractéristique du type décrit dont la composition est :
Chrome 20 %
Cobalt 20 %
Molybdène -6 %
Titane 2,5 %
Aluminium 1 %
Nickel le reste à une traction de 236 kg/cm2, à 815 C, les échantillons étant soumis à un traitement thermique de mise en solution à différentes températures, suivi d'un traitement thermique'similaire de durcissement par précipitation.
Les résul- tats obtenus sont résumés dans le tableau A ci-dessous :
TABLEAU A
EMI2.1
<tb> Traitement <SEP> thermique <SEP> Traitement <SEP> thermique <SEP> Heures <SEP> é- <SEP> Allongement <SEP> Grosseur
<tb> de <SEP> mise <SEP> en <SEP> solution <SEP> de <SEP> durcissement <SEP> par <SEP> coulées <SEP> a- <SEP> % <SEP> du <SEP> grain
<tb> précipitation <SEP> vat <SEP> rupDurée <SEP> Temp. <SEP> Durée <SEP> Temp.
<SEP> ture
<tb> Heures <SEP> C <SEP> Heures <SEP> C
<tb>
<tb> 6 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 78 <SEP> 17 <SEP> Fin
<tb> 6 <SEP> 1100 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 92 <SEP> 16 <SEP> Moyen
<tb> 6 <SEP> 1150 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 136 <SEP> 9 <SEP> Gros
<tb> 6 <SEP> 1200 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 146 <SEP> 8 <SEP> Gros
<tb>
On voit par ce tableau que le traitement thermique de mise en so- lution réalisé à une température élevée pendant une durée qui est satisfai- sante pour une température plus basse pour donner un grain fin, apporte une amélioration considérable dans la résistance à l'écoulement de l'échantillon, mais avec un grossissement indésirable du grain.
Il est de pratique normale, dans la fabrication de pièces à partir de billettes coulées en alliages à haute température du type décrit, de sou- mettre la billette à des opérations de façonnage à chaud, tels que le forgea- ge, le laminage et l'estampage, en vue de l'obtention d'une matière en barre à partir de laquelle¯les pièces peuvent finalement être usinées ; bien, dans certains cas, la matière en barre peut être soumise à une opération
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supplémentaire de façonnage à chaud pour obtenir au moins approximativement la forme désirée, ce qui permet de diminuer l'importance du travail d'usi- nage.
Il était de pratique normale d'effectuer le traitement de mise en solution à l'achèvement du façonnage à chaud et d'effectuer ensuite le traitement thermique de précipitation après l'usinage jusqu'à la forme fina- le
Conformément à la présente invention, la fabrication de pièces à partir d'alliages de nickel-chrome, à haute température du type décrit, comprend un façonnage à chaud et les opérations suivantes, réalisées dans l'ordre indiqué : a) la plus grande partie du façonnage à chaud ; b) trai- tement thermique de mise en solution, d'une durée de cinq à dix heures, à 1050 C-1200 C; c) partie finale du façonnage à chaud ;
traitement ther- mique d'affinage d'une durée de cinq minutes à une heure, à 850 C-1050 C; e) traitement thermique de précipitation d'une durée de 10-20 heures, à 700 -800 C. Dans ce qui suit, on appellera "procédé d'affinage" l'ensemble des deux opérations c) et d) réalisées successivement.
L'invention permet non seulement d'appliquer le traitement ther- mique de mise en solution à une température élevée entre les limites spéci- fiées-, par exemple 1100 -1200 C pendant un temps plus long que celui qui avait jusqu'ici été considéré comme désirable, parce que le procédé d'affina- ge assure la production d'un grain fin, mais elle permet aussi d'obtenir ré- gulièrement un grain fin lorsque le traitement thermique de mise en solution est réalisé dans la partie inférieure de l'étendue comprise entre les limi- tes spécifiées, par exemple à 1050 C-1100 C
Les pièces fabriquées conformément au présent procédé peuvent, être usinées. Cet usinage peut être effectué à l'achèvement du traitement thermique d'affinage et avant le traitement thermique de précipitation; ou bien il peut faire suite au traitement thermique de précipitation.
Dans la mise en oeuvre du présent procédé, il est préférable qu'une proportion du façonnage à chaud comprise entre 75 et 95 % soit réa- lisée avant le traitement de mise en solution à haute température, la pro- portion restante du façonnage à chaud jusqu'à la forme finale résultant du travail à chaud, soit 5 à 25 %, étant effectuée après ce traitement thermi- que et avant le procédé d'affinage thermique.
Les pourcentages ci-dessus et ceux spécifiés par la suite expriment la réduction d'une section transver- sale moyenne qui résulte de l'opération de façonnage à chaude
Le présent procédé est applicable à la fabrication de pièces à partir d'alliages contenant de l'aluminium, du molybdène et du titane en combinaison, à titre d'éléments durcissants, comme décrit dans la demande de brevet belge n 489.322 du 30 mai 1949 au nom de la Demanderesse, et, entre autres, l'alliage suivant : "Alliage à base de nickel-cobalt-chrome obtenu à l'aide des élé- ments suivants dans les proportions indiquées :
Cobalt plus de 10 mais au plus 40 pour cent
Chrome 10 à 30 pour cent
Molybdène 2 à 18 pour cent
Aluminium 0,2 à 8,6 pour cent
Titane 0,2 à 4,4 pour cent
Nickel sensiblement le reste. la composition de cet alliage étant par ailleurs telle que le chiffre qu'on obtient en ajoutant au pourcentage de molybdène deux fois celui de l'alumi- nium et quatre fois celui du titane, soit toujours compris entre 16 et 20".
Les alliages dont la composition est comprise entre ces limites seront appelés ci-après "alliages de nickel-chrome à facteur d'équilibre".
Le tableau B donné ci-dessous fait ressortir l'avantage considé- rable qui découle de l'application de l'invention, les échantillons soumis
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aux essais étant faits d'un alliage de nickel-chrome à facteur d'équilibre, de la composition suivante :
Chrome 20%
Cobalt 20 %
Molybdène 6 %
Titane 2,
5%
Aluminium 1 %
Nickel le reste
TABLEAU B
EMI4.1
<tb> Es- <SEP> Traitement <SEP> -Procédé <SEP> d'af- <SEP> Durcis- <SEP> Heures <SEP> Grosseur
<tb>
<tb>
<tb> sai <SEP> thermique <SEP> finage <SEP> sement <SEP> éou- <SEP> du <SEP> grain
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> mise <SEP> en <SEP> Façonnage <SEP> Traitement <SEP> thermi- <SEP> lées <SEP> a-
<tb>
<tb>
<tb> solution <SEP> à <SEP> chaud <SEP> thermique <SEP> que <SEP> par <SEP> vant <SEP> rup-
<tb>
<tb>
<tb> final <SEP> d'affinage <SEP> précipi- <SEP> ture <SEP> sous
<tb>
<tb>
<tb> Du- <SEP> Tempo <SEP> Temp. <SEP> Durée <SEP> Temp. <SEP> tation <SEP> une <SEP> charge
<tb>
<tb>
<tb> rée <SEP> C <SEP> C <SEP> Hres. <SEP> C <SEP> ### <SEP> 236 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb> Hr <SEP> Durée <SEP> Tempo <SEP> cm2 <SEP> à <SEP> 815 C
<tb>
<tb>
<tb> Hres.
<SEP> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> Néant <SEP> Néant <SEP> Néant <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 130 <SEP> gros
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 5 <SEP> 1150 <SEP> Néant <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 49 <SEP> - <SEP> mixte <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 5 <SEP> 1150 <SEP> 1 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 12 <SEP> fin
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 13 <SEP> 1150 <SEP> Néant <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 12 <SEP> mixte
<tb>
<tb>
<tb> E <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 13 <SEP> 1150 <SEP> 1 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 156 <SEP> fin
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> F <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 22 <SEP> 1150 <SEP> Néant <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 37 <SEP> mixte
<tb>
<tb>
<tb> G <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 22 <SEP> 1150 <SEP> 1 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 122 <SEP> fin
<tb>
Il ressort
des résultats des essais ci-dessus que des échantillons soumis au traitement modifié conforme à l'invention, et qui comprend l'opéra- tion d'affinage (voir les essais C, E et G) ont une durée d'écoulement sensi- blement égale à celle obtenue par un simple traitement thermique de mise en solution à haute température suivi d'un traitement thermique de durcissement par précipitation comme dans l'essai A, avec l'avantage supplémentaire qu'ils ont un grain plus fin. Ainsi qu'il est bien connu, un grain fin présente une importance toute particulière en ce qui concerne la propriété de l'alliage de résister aux efforts répétés et aux chocs et, plus particulièrement, en ce qui concerne les pièces telles que les aubes des turbines.
L'invention comprend les procédés décrits et illustrés par les essais C, E et G qui ont été résumés ci-dessus, dans leur application aux alliages de nickel-chrome à facteur d'équilibre. Un procédé préféré de'fabri- cation appliqué à de tels alliages consiste à forger ou autrement façonner à chaud l'alliage à raison de 75 à 95 %, à le soumettre alors à un traitement ther- mique de mise en solution pendant six à huit heures, à 1102- 1180 C à appli- quer ensuite le procédé d'affinage en achevant le fagonnage à chaud, à 1050 - 1200 C, et en chauffant, pendant cinq minutes à une heure, à 1000 -1050 C; et à terminer par un traitement thermique de durcissement par précipitation d'une durée de dix à vingt heures, à 700-800 C
Un autre alliage qui a été soumis à des essais ayant donné des résultats avantageux est le suivant :
@
Chrome 18 à 22 %
Titane 2,2 à 2,8 %
Aluminium environ 0,5 %
Nickel sensiblement le reste
L'invention comprend un procédé de fabrication convenant à un tel alliage, qui consiste à soumettre l'alliage d'un premier forgeage de 85 % environ, à effectuer alors un traitement thermique de mise en solution d'une durée de huit heures, à 1080-1150 C;
à effectuer alors l'opération d'affina- ge en achevant le façonnage à chaud à 1050-1200 C, et en chauffant la pièce
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pendant cinq minutes à une heure à 850 C-1000 C, et à soumettre finalement la pièce à un traitement de durcissement par précipitation pendant 10 à 20 heures, à 700-800 C
Dans Inapplication de l'invention à la fabrication de pièces telles que les aubes des turbines à gaz, une des opérations de la fabrica- tion réside dans l'usinage de l'aube à partir d'une barre laminée ou forgée à chaud. On interrompt l'opération de façonnage à chaud lorsque la barre a une section transversale qui n'excède plus que de 5 à 25 % celle finale- ment requise.
On effectue à ce stade un traitement de mise en solution à haute température, suivi de façonnage à chaud aux dimensions désirées, c'est- 8-dire de la proportion de façonnage à chaud nécessaire pour effectuer la réduction restante (5 à 25%) de la section transversale. L'opération d'affi- nage est complétée par le traitement thermique d'affinage et on*effectue le durcissement par précipitation, avant ou après l'usinage final de l'aube jusqu'à la forme désirée.
Par ailleurs, l'opération d'usinage peut être sui- vie d'un traitement thermique, comme décrit dans la demande de brevet fran- çais de même date que la présente et ayant pour titre :"Procédé perfectionné de fabrication de pièces en alliages résistant à la chaleur'!, dans le but de supprimer le durcissement superficiel indésirable qui résulte de l'usi- nage.
A titre de variante, on peut fabriquer les aubes de turbines en les usinant à partir de pièces estampées, l'opération d'estampage étant in- terrompue lorsqu'une ébauche a reçu une section transversale moyenne n'excé- dant pas plus de 5 à 25 % la dimension finale désirée de la pièce estampée.
A ce stade, on soumet la pièce au traitement de mise en solution à haute température. Après ce traitement, on termine l'estampage et on soumet la pièce .au traitement thermique d'affinage de courte durée. Le durcissement .final par précipitation est effectué avant ou après l'usinage des pièces, à volonté.