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PERFECTIONNEMENTS AUX ALLIAGES RESISTANT A LA CHALEUR ET OBJETS FABRIQUES
AU MOYEN DE CES ALLIAGESo
Les alliages dont sont faits les objets et les pièces qui sont sou- mis à un effort prolongé à des températures élevées, c'est-à-dire à des tempé- ratures de l'ordre de 600 C. et davantage,doivent avoir non seulement une ré- sistance à la corrosion à température élevée mais encore une résistance aux bour- souflures. Les alliages le plus souvent utilisés avec succès dans ce but sont les alliages au nickel et au chrome qui contiennent de 10 à 25% de chrome, de 1,8 à 4% de totane, de 0,5 à 4% d'aluminium, de 0 à 25% de cobalt et de 0 à 10% de fer.
L'invention est relative à ces alliages et s'applique en particu- lier aux alliages dans lesquels la teneur en chrome est de 18 à 20%, la teneur en titane,de 2 à 2,4%, la teneur en aluminium, de 1 à 1,4% et la teneur en fer, de 0 à 2%. Dans ces alliages, il y a une phase pouvant précipiter, constituée par le nickel, le titane et l'aluminium, et ayant la composition apparente Ni (TiAl), c'est-à-dire la phase Ni Al avec substitution partielle de titane à l'aluminium. Ce constituant entre en solution solide à une température élevée et, lorsque l'alliage est chauffé à une température inférieure, est précipité dans un moule où s'opère la trempe des alliages et l'amélioration des propriétés de résistance aux boursouflures.
Les alliages en question contiennent toujours une partie de carbone.
La présente invention s'appuie sur la découverte du fait que la résistance amé- liorée aux boursouflures sous un effort important, par exemple de 17 tonnes par pouce carréà 750 c,. ou une plus grande sûreté de développement de meilleures propriétés de résistance aux boursouflures sous des conditions rigoureuses d'ef- fort et de température, telles que celles qui mèneraient à un insuccès en quel- ques centaines d'heures, peuvent être produites par certains traitements éalori- fiques appliqués aux alliages, qui, eux mêmes, sont caractérisés par des teneurs en carbone critiques. Selon l'invention, la teneur en carbone dépend de la teneur en cobalt et augmente avec celle-ci.
La façon dont la teneur en carbone varie avec la teneur en cobalt et est déterminée par cette 'dernière est représentée par le graphique constituant la figure 1 des dessins ci-annëxés. La teneur en carbone doit être comprise dans la gamme définie par l'intersection de l'ordonnée
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correspondant à la teneur en Co avec les lignes A et B.
On verra que dans un
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alliage exempt de cobalt, la teneur en carbone doit être de 002 à D,fl6 et que si la teneur en cobalt est de 25%, la teneur en carbone doit être de Oeo3 à 0,15%
Le traitement calorifique auquel les alliages sont soumis suivant l'invention comporte un premier chauffage de l'alliage à une température de
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1150 - 125000.,, la durée du chauffage étant de 2 à 12 heures à 1150 G. et de 1/2 heure à 4 heures à 1250 G o, avec des périodes intermédiaires à des tem- pératures intermédiaires. Ensuite, la température est ramenée à un maximum
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de 110000. et est maintenue dans la gamme allant de 1100 à 300 C. pendant au moins 2 heures.
A la fin de cette opération, l'alliage est refroidi à la tem- pérature ambiante ou à toute autre basse température convenable et est ensuite maintenu à une température menant à un durcissement important, cette températu-
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re se situant normalement dans la gamme allant de 650 à 85000. mais étant en tout cas inférieure à la température de la seconde opération, et l'allée y étant maintenu pendant 1 à 24 heures .
La température à laquelle la seconde opération du traitement calo- rifique s'effectue dépend de la composition de l'alliage et, en particulier,, de la teneur en carbone. On a trouvé que pour un alliage quelconque donné, le temps précédant la rupture, lorsque l'alliage était soumis à essai dans des conditions rigoureuses d'effort et de température, augmentait pour at- teindre un maximum comme la température à laquelle la seconde opération du traitement calorifique était effectuée augmentait et qu'il diminuait rapide- ment comme cette température était abaissée. L'inventeur a donc trouvé que pour tout alliage donné, il y avait une température critique., se situant bien au-dessus de la température normale de durcissement par vieillissement, à la- quelle la vie la plus longue était produite.
Naturellement, il n'est pas possible, en pratique, de travailler à une température exacte et on a constaté que la durée de vie pouvait être ren- due importante en travaillant dans une gamme de températures.
L'étendue de cette gamme de températures varie selon l'alliage.
Pour obtenir une vie d'une longueur convenable avant la rupture, il est néces- saire de travailler dans une gamme plus étroite que celle allant de 1100 à
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850 C 0' bien que la gamme précise dépende de' la composition exacte.
La nature de la gamme de températures et la façon dont elle modifie avec les teneurs en carbone et en cobalt seront mieux comprises au moyen des
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exemples donnés ci-après avec référence aux figures 2 et 3 des dessins oi-anne- xés, qui représentent des graphiques montrant ordonnée la variation de la vie ( à une échelle logarithmique) avec la température de chauffage (abscisse) pen- dant la seconde opération.
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Ex=21e¯ 1 : L'alliage dont on obtint les résultats indiqués à la figure 2 conte- nait 006% C, 2,33% Tri, û,99 A15 19,10% Cr et 0,1,,2 Fe, le Teste étant prati- quement constitué par du nickel. Cet alliage, après traitement pendant 3 heu-
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res à 1250 G., fut refroidi directement à g5Q Gp, maintenu à cette températu- re pendant 24 heures, plongé dans l'eau et laissé à vieillir de 16 heures à 700 C. Comme on peut le voir à la figure 2, l'alliage eut alors une Trio de 198 heures avant la rupture, sous un effort de 17 tonnes par pouce carré à 750 C. Lorsque la seconde opération du traitement calorifique avait été ef-
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fectuée à 9p0 G.
au lieu de 950 C., la durée de' vie n'était que de 100 heures et lorsque cette opération avait été effectuée à lpfl0 ., la durée de vie n'é- tait que de 120 heures. D'autre part, lorsque la seconde opération avait été
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effectuée à 1090 G., la durée de vie était d'environ 40 heures et lorsqu'elle ' avait été effectuée à 85000.., la durée de vie était de 50 heures. Dans ce cas on remarquera que la gamme de températures donnant une durée de vie importante est d'environ 855 à environ 1060 C., bien que, pour obtenir la meilleure durée de vie, la seconde opération de chauffage devrait .être effectuée dans la gamme plus petite de 925 à 10500C.
On donnera ci-après les résultats obtenus avec un autre alliage
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exempt de cobalt. exemple 2 :
L'alliage contenait, dans ce cas, 0,043% c, 2,36% Ti, 1,13% Al, 19,1%
Cr et 0,27% Fe, le restant étant pratiquement constitué par du nickel. Il diffé- rait donc de l'alliage examiné dans l'exemple 1 principalement en ce qui concer- ne sa teneur en carbone moindre..
Traité et soumis à essai, comme dans le cas de l'exemple 1, à diverses températures pendant la seconde opération du traite- ment calorifique, il montra une durée de vie, avant rupture, de 221 heures, si la température était de 1025 C., de 140 heures à 1050 C. et de 53 heures seule- ment à 1075 C., pour une température de 950 C., la durée de vie était de 185 heures, pour une température de 850 C., elle était de 136 heures, pour une tem- pérature de 825 C., elle était de 90 heures et pour une température de 800 C, elle n'était que de 40 heures.
C'est pour cette raison que, dans le cas de cet alliage, la seconde opération de chauffage doit être effectuée dans la gan- me de températures allant approximativement de 820 à 1060 C.
La température à appliquer au cours de la seconde opération du traitement calorifique dépend également des constituants de l'alliage autre que le carbone. Ainsi, elle est sensiblement affectée par la teneur en cobalt.
Lorsque la teneur en cobalt atteint 20%, la gamme de températures pour cette seconde opération doit être quelque peu inférieure.
Cette réduction de la température utilisée au cours de la seconde opération, pour une teneur élevée en cobalt, apparaîtra dans les exemples sui- vants
Exemple 3 :
L'alliage contenait 0,044% C, 2,33% Ti. 1,25% A1, 20,2% Cr, 19,6% Go, le reste étant pratiquement constitué par du nickel. La teneur en carbone qui est l'élément le plus important en dehors de la teneur en cobalt, était, comme on le verra, pratiquement la même que dans le cas de l'exemple 2. Le même trai- tement calorifique fut appliqué, avec des températures variables pendant la seconde opération, mais cet alliage fut soumis à l'essai dans des conditions plus rigoureuses, c'est-à-dire sous un effort de 19 tonnes par pouce carré à 750 C.
Pour une température de 950 C. pendant la seconde opération, la durée de vie était de 600 heures. Pour une réduction de la température, pendant la seconde opération, à 875 Ce, la durée de vie était de 420 heures. Pour une température de 850 C., la durée de vie était de 280 heures et pour une tempéra- ture de 825 C., elle était de 190 heures. Pour un accroissement de la tempéra- ture, pendant la seconde opération, à 1025 C., la durée de vie était de 300 heures et pour une température de 1050 C., elle n'était que.de 140 heures.
Dans le cas de cet alliage, la gamme de températures dans laquelle la seconde opération de chauffage doit être effectuée est donc comprise entre environ 850 et environ 1025 C. et il est désirable de travailler à une température aussi proche que possible de 950 C.
Exemple4:
Cet exemple, qui est illustré par la figure 3, est relatif à un al- liage contenant 20,34% Cr, 19,85% Co, 2,44% Ti, 1,13% Al, 0,03% C, le restant étant pratiquement constitué par du nickel, alliage qui fut éprouvé à 19 ton- nes par pouce carré, à 750 C. Pour une température de 750 C. pendant la se- conde opération, la durée de vie de cet alliage jusqu'à la rupture était de 7 heures; cette durée atteignait un maximum de 232 heures à 910 C.
Dans ce cas, la gamme de températures donnant une vie importante est d'environ 775 à 1030 C et, de préférence, de 810 à 1010 C
Les gammes de températures préférées avec des teneurs en cobalt différentes et des teneurs en carbone correspondantes dans les alliages préfé- rés sont montrées par les figures 4 à 6 des dessins ci-annexés, dont chacune représente un graphique portant la température en ordonnée et la teneur en co- balt en abscisse, la figure 4 étant relative à des alliages contenant de 0,03 à 0,05% de carbone, la figuré 5, à des alliages contenant de 0,06 à 0,09% de carbone et la figure 6, à des alliages contenant de 0,10 à 0,15% de carbone.
A la figure 4, la température doit être comprise dans la gamme définie par
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l'intersection de l'ordonnée correspondant à la teneur en cobalt avec les lignes
C et D. Par exemple, avec 0,04 % de carbone et 10% de cobalt, la figure 4 montre que la gamme de températures va de 800 à 1040 C. De même, à la figure 5, la par- tie de l'ordonnée intersectée par les lignes E- et F et, à la figure 6, la par- tie intersectée par les lignes G et H indiquent les gammes de températures.
L'inventeur préfère transférer les alliages provenant du four dans lequel le chauffage de la solution s'effectue, dans un autre, dans lequel se fait la seconde opération de chauffage, et rendre cette seconde opération de chauffage essentiellement isothermique. Toutefois, un lent refroidissement dans la gamme de températures admise de la seconde opération de chauffage peut également produire des résultats satisfaisants.
Après la seconde opération du traitement calorifique, il est habi- tuellement très avantageux de laisser l'alliage se refroidir à la température ambiante et ensuite de le réchauffer à la température de vieillissement mais, si on le désire, l'alliage peut de nouveau être transféré directement dans un four dans lequel le vieillissement s'effectue, ou être gardé dans le four dans lequel la seconde opération s'est produite, la température de ce four étant réduite à la température de vieillissement,
La composition des alliages ne se limite pas aux éléments cités plus haut.
Comme d'habitude, elle peut comporter d'autres éléments, par exemple du silicium à concurrence de 1% et du cuivre à concurrence de 2%. En outre, les alliages peuvent être modifiés par l'addition de molybdène et de tung- stène, à concurrence de 10% chacun, de niobium., de tantale ou de vanadium ou encore de toute combinaison de ces constituants, à concurrence d'une quantité totale de 5%, de zirconium à concurrence de 0,3% et de bore à concurrence de , Q,05%. Dans chaque cas, le reste de l'alliage est constitué par du nickel, En dehors des impuretés et des agents désoxydants résiduels, par exemple le man- ganèse, le calcium et le magnésium.
Bien que tout ce qui précède ait été rapporté au traitement des alliages, il est bien entendu qu'en général , ils sont traités par la chaleur après avoir été transformés en objets ou pièces (par exemple aubes de tur- bine) ,ou en barres, bandes, produits forgés ou estampés, à partir desquels lesdits objets ou pièces peuvent être usinés.
REVENDICATIONS.
1. Procédé d'amélioration de la résistance aux boursouflures d'un alliage contenant de 10 à 25% de chrome, de 1,8 à 4% de titane, de 0,5à 4% d'aluminium, de 0 à 25% de cobalt, de 0 à 10% de fer, du carbone en une quan- tité comprise dans la gamme définie par l'intersection de l'ordonnée corres- pondant à la teheur en cobalt avec les lignes A et B dessinées à la figure 1 des dessins ci-annexés,et, pour le reste, du nickel, en dehors des impuretés et des agents désoxydants résiduels, caractérisé par le fait qu'il comprend tout d'abord le chauffage de l'alliage à la température de 1150 à 1250 C., la durée du chauffage étant de 2 à 12 heures à 1150 C. et de 1/2 heure à 4 heures à 1250 C., avec des périodes intermédiaires à des températures inter- médiaires , l'abaissement de la température à un maximum de 1100 C.
et son maintien dans la gamme allant de 1100 à 800 C pendant au moins 2 heures, et enfin le maintien de l'alliage pendant 1 à 24 heures à une température com- prise dans la gamme allant de 650 à 850 C. mais en tout cas inférieure à la température de la seconde opération.