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PERFECTIONNEMENTS AU TRAITEMENT THERMIQUE DES ALLIAGES NICKEL-CHROME-COBALT,
On sait que les alliages à partir desquels on fabrique des objets et des pièces soumis à des efforts prolongés à température élevée doivent posséder non seulement la résistance à la corrosion aux températures élevées avec de bonnes propriétés mécaniques générales mais aussi la résistance au fluage. Les alliages communément employés à cet effet sont du genre dans lequel le constituant principal est le nickel ou le nickel plus cobalt et qui contiennent aussi du chrome, de l'aluminium et-du titane, ces deux derniers éléments formant une phase précipitable avec une certaine quantité du nickel.
La composition précise de l'alliage varie avec les conditions dans lesquelles il doit être utilisé et avec les propriétés exigées dans ces conditions. En particulier, la température d'utilisation est importante et, si une bonne résistance au fluage est nécessaire à des températures d'utilisation élevées., par exemple entre 750 et 850 C, on utilise les alliages contenant du cobalt malgré le coût élevé de ce métal.
Les limites de composition des alliages employés à l'heure actuelle pour des températures d'utilisation élevées sont: de 18 à 21 % pour le chrome; de 15 à 21 % pour le cobalt; de 1,8 à 2,7 % pour le titane ; de 0, 8 à 1,8% pour l'aluminium; de 0 à 0,10% pour le carbone; de 0 à 1 % pour le manganèse; de 0 à 1,5% pour le silicium et de 0 à 5 % pour le fer, le complément étant du nickel, sauf pour ce qui est des désoxydants résiduels, comme le magnésium et le calcium, et des impuretés.
Pour produire les bonnes propriétés de fluage, on soumet les alliages à un traitement thermique et le traitement appliqué à l'heure actuelle comprend le chauffage de l'alliage pendant un laps de temps de 8 à 12 heures à une température comprise entre 1050 et 1180 C, le refroidissement dans l'air et ensuite le chauffage pendant un laps de temps de 12 à 16 heures à 700 C. environ pour provoquer le durcissement par précipitation ou le vieillissemento @ L'invention est fondée sur cette découverte que., par variation du traitement thermique, il est possible d'améliorer les propriétés des ob-
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jets fabriqués à partir des alliages du genre considéré.
Même avec des alliages ayant la même composition nominale, ces propriétés varient d'une coulée à l'autre et, par suite, les propriétés d'un objet ayant subi le traitement thermique conformément à l'invention peuvent ne pas être aussi bonnes que celles d'un autre objet soumis au traitement thermique habituel, mais celles d'un objet fait en un alliage donné quelconque sont améliorées.
Le traitement thermique appliqué dans la présente invention comprend: un chauffage initial à une température allant de 1150 à 1250 C, la durée du chauffage étant d'une demi-heure à 12 heures à 1150 C et d'un quart d'heure à 4 heures à 1250 C avec des périodes intermédiaires à des températures intermédiaires; un chauffage intermédiaire pendant 4 heures au moins à une température comprise entre 1000 et 1100 C ; enfin, un chauffage de vieillissement ou de durcissement par précipitation qui n'est pas critique, mais qui peut, à la manière habituelle, être appliqué pendant 16 heures à 700 C.
Entre leschauffages initial et intermédiaire et entre les chauffages intermédiaires et de durcissement par précipitation, on peut refroidir les alliages dans l'air ou à toute autre vitesse convenable quelconque; les chauffages peuvent se suivre immédiatement l'un l'autre sans aucun refroidissement inter- médiaire . La durée du chauffage initial ou chauffage de mise en solution varie avec la température, car, lorsque la température s'élève, la quantité d'éeailles (métal altéré en surface du fait du chauffage) formées devient excessive si le chauffage est prolongé.
Dans la fabrication d'objets à partir d'alliages du genre considéré, on recourt habituellement à des opérations de travail à chaud qui comportent le chauffage de l'alliage à une température comprise entre 1150 et 1250 Co Le travail laisse l'alliage en état de contrainte et ce chauffage n'est pas l'équivalent du chauffage initial ou chauffage de mise en solution utilisé dans la présente invention dans la mesure où il est question d'amener l'alliage à l'état physique désiré. Quand le chauffage de mise en solution conformément à l'invention a été exécuté, il faut qu'il n'y ait pas de déformation de l'alliage, bien qu'un usinage simple soit admissible.
Par suite, il faut que l'alliage ait été transformé en objet avant application du chauffage pour la mise en solution. L'expression "objet" comprend ici, cependant, non seulement un produit ou pièce fini (par exemple une aube de turbine), mais aussi une barre, une bande, unepLèce de forge ou une pièce matricée à partir desquelles un objet peut être usiné.
Les alliages auxquels s'applique le traitement thermique caractérisant l'invention sont ceux qui contiennent de 15 à 25 % de chrome, de
5 à 40 % de cobalt, de 0 à 0,2 % de carbone, de 1,5 à 2,5% (l'aluminium, de 2,8 à 4,0 % de titane, de 0 à 10 % de fer, de 0 à 1% de manganèse, de 0 à 1,5 % de silicium, de 0 à 5 % de molybdène, de 0 à 5% de tungstène, de 0 à 1% au total de niobium ou de tantale,,ou de l'ensemble de ces deux éléments, de 0 à 0,2 % de zirconium et de 0 à 0,01 % de bore, le complément étant du nickel, sauf pour ce qui est des désoxydants résiduels ou des impuretés.
On remarquera que les teneurs en aluminium et en titane sont plus élevées qu'elles ne le sont habituellement. La raison est que, aux températures de service élevées, c'est-à-dire pour celles dépassant 815 C, la quantité du complexe de nickel, d'aluminium et de titane pour le durcissement par pré- cipitation qui est précipitable n'est pas suffisante si les teneurs en alu- minium et en titane sont les teneurs habituelles indiquées ci-dessus, étant donné qu'à ces températures élevées l'alliage retient une plus grande quan- tité du complexe en solution. Il est par suite désirable d'augmenter les deux teneurs.
De préférence, la teneur en titane est comprise entre 2,8 et 3,2 % et la teneur en aluminium entre 1,5 et 2,0 %. Les articles fabriqués au moyen d'alliages ayant ces teneurs peuvent être utilisés avec des tempé- ratures de service de l'ordre de 870 C.
De préférence, les alliages ne diffèrent de ceux employés actuel- lement (comme on l'a indiqué ci-dessus) que par l'augmentation des teneurs
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en aluminium et en titane et par la présence de très petites quantités simultanément de zirconium et de bore.
L'amélioration résultante, par comparaison avec les propriétés obtenues avec le traitement habituel de chauffage en deux opérations auquel il a été fait allusion plus haut, est illustrée par les résultats d'essais faits sur des alliages de composition nominales 20 % de Cr, 17 % de Co, 2,92% de Ti, 1,93% de Al et 0,08% de C, le complément étant du nickel.
Ces alliages ont été essayés sous un effort de 14 kg/mm2 à 870 C.
On a chauffé initialement quelques échantillons de chaque alliage pendant 8 heures à 1080 C, on les a refroidis dans l'air, puis on les a chauffés pendant 16 heures à 700 C; en d'autres termes, on leur a fait subir le traitement habituel adopté jusqu'ici; d'autres échantillons de chaque alliage ont été chauffés pendant 1 heure 1/2 à 1200 C, transféré,. dans un autre four et maintenus dans celui-ci pendant 8 heures à 1080 C, refroidis dans l'air et chauffés pendant 16 heures à 700 C; autrement dit, ces échantillons ont été traités conformément à l'inventiono Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 1 ci-après, la composition réelle desdits alliages telle qu'elle a été déterminée par analyse étant donnée.
TABLEAU
EMI3.1
<tb>
<tb> Analyse
<tb> Nos. <SEP> Co <SEP> Cr <SEP> Ti <SEP> Al
<tb> 1 <SEP> 16,8 <SEP> 19,8 <SEP> 2,83 <SEP> 1,51 <SEP> 0,05
<tb> 2 <SEP> 18,2 <SEP> 19,9 <SEP> 2,78 <SEP> 1,51 <SEP> 0,05
<tb> 3 <SEP> 17,7 <SEP> 19,7 <SEP> 3, <SEP> 04 <SEP> 1,90 <SEP> 0,06
<tb> 4 <SEP> 17,0 <SEP> 19,5 <SEP> 3,06 <SEP> 2,14 <SEP> 0,05
<tb> 5 <SEP> 17,2 <SEP> 20,2 <SEP> 2,74 <SEP> 1,71 <SEP> 0,07
<tb>
TABLEAU 1 (Suite)
EMI3.2
<tb>
<tb> 8 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1080 <SEP> C, <SEP> refroi- <SEP> 1 <SEP> heure <SEP> 1/2 <SEP> à <SEP> 1200 <SEP> C, <SEP> transdissement <SEP> dans <SEP> 1'air, <SEP> fert <SEP> pendant <SEP> 8 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1080 <SEP> C,
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 7000 <SEP> C <SEP> refroidissement <SEP> dans <SEP> l'air,
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 700 <SEP> C
<tb> Taux <SEP> de <SEP> flua- <SEP> Durée <SEP> jusque <SEP> Taux <SEP> de <SEP> fluage <SEP> Durée <SEP> jusqu'à
<tb> Nos. <SEP> ge <SEP> minimum <SEP> rupture <SEP> minimum <SEP> rupture
<tb> @ <SEP> (% <SEP> Par <SEP> heure) <SEP> (heures), <SEP> ### <SEP> (% <SEP> par <SEP> heure) <SEP> (heures)
<tb> 1 <SEP> 0,0068 <SEP> 68 <SEP> 0,0017 <SEP> 114
<tb> 2 <SEP> 0,0056 <SEP> 76 <SEP> 0,0022 <SEP> 167
<tb> 3 <SEP> 0,0074 <SEP> 89 <SEP> 0,0040 <SEP> 114
<tb> 4 <SEP> 00067 <SEP> 110 <SEP> 0,0066 <SEP> 159
<tb> 5 <SEP> 0,0054 <SEP> 69 <SEP> 0,0026 <SEP> 135
<tb>
L'utilisation d'une opération de chauffage intermédiaire dans le traitement thermique des alliages nickel-chrome est connue en soi,
bien qu'elle n'ait pas été utilisée dans la pratique pour le traitement des alliages employés pour les aubes de turbines à gaz et pour d'autres objets soumis à des températures de service élevées. Dans la présente invention, les limites de températures élevées de 1000 à 11000 C pour le chauffage intermédiaire sont essentielles, comme le montre le tableau suivant des résultats obtenus dans les mêmes conditions d'essais, sous une charge de 14.kg/ mm2 à 870 C avec un alliage ayant la même composition nominale:
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TABLEAU 2.
EMI4.1
<tb>
<tb> Traitement <SEP> intermédiaire <SEP> Taux <SEP> de <SEP> fluage <SEP> minimum <SEP> Durée <SEP> jusqu'à
<tb> (% <SEP> par <SEP> heure) <SEP> rupture
<tb>
EMI4.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ (heures)
EMI4.3
<tb>
<tb> 8 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1080 <SEP> C <SEP> 0,0020 <SEP> 181
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 00034 <SEP> 134
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 950 <SEP> C <SEP> 0,0105 <SEP> 81
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 900 <SEP> C <SEP> 0,0100 <SEP> 44
<tb>
L'importance des limites de température élevée pour le chauffage initial est démontrée par le tableau suivant donnant les résultats obtenus aussi avec un alliage de même composition nominale, dans les mêmes conditions dressai.
TABLEAU 3
EMI4.4
<tb>
<tb> Traitement <SEP> initial <SEP> Taux <SEP> de <SEP> fluage <SEP> mi- <SEP> Durée <SEP> jusqu'à
<tb> nimum <SEP> (% <SEP> par <SEP> heure) <SEP> rupture
<tb>
EMI4.5
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ######## (heures)
EMI4.6
<tb>
<tb> 1/2 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 1080 <SEP> C <SEP> 0,0068 <SEP> 72
<tb> 1/2 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 1150 <SEP> C <SEP> 0,0031 <SEP> 151
<tb> 1/2 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 1200 <SEP> C <SEP> 0,0020 <SEP> 181
<tb> 1/2 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 1250 <SEP> C <SEP> 0,0007 <SEP> 234
<tb> 1/2 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 1300 <SEP> C <SEP> 0,0035 <SEP> 31
<tb>
On remarquera que si la teneur en carbone dépasse 0,1 %, l'alliage doit soit être transféré directement du four de chauffage initial au four de chauffage intermédiaire,
soit être refroidi très rapidement dans l'intervalle de température allant d'une valeur immédiatement supérieure à une valeur immédiatement inférieure à 950 C, par exemple de 975 à 925 C.
Les alliages ayant subi le traitement thermique conformément à l'invention sont particulièrement précieux pour l'utilisation comme aubes de turbines à gaz pour les moteurs d'aviation.