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ROLLS-ROYCE LIMITED, résidant à DERBY (Grande-Bretagne) .
ALLIAGE A BASE DE NICKEL-CHROME.
La présente invention concerne un alliage à base de nickel-chro- me convenant pour les pièces de mécanique exposées à des efforts sous de hautes températures de l'ordre, par exemple de 750 à 1050 C, telles quon en rencontre dans les moteurs à turbine à combustion interne.
Il est courant;, dans de tels alliages utilisés à l'heure actuel- le, d'incorporer un pourcentage appréciable de cobalt.Le cobalt est cepen.- dant un métal cher et son utilisation pourrait être soumise à des restric- tions pour des raisons stratégiqueso
La présente invention est basée sur la découverte d'après la- quelle, par un choix convenable des autres éléments,on peut produire un alliage au nickel-chrome qui,bien que pouvant être légèrement inférieur à certains alliages nickel=chrome=cobalt actuellement utilisés, convienne en service pour certaines pièces de tels moteurs, plus particulièrement des pièces fixes telles que les aubages fixes de turbines ou les aubes de gui- dage de tuyères
Suivant l'invention, on réalise un alliage des éléments suivants dans les proportions suivantes :
EMI1.1
<tb> Chrome <SEP> 15,0 <SEP> à <SEP> 30,0 <SEP> %
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 7,5 <SEP> à <SEP> 12,0 <SEP> %
<tb>
<tb> Titane <SEP> 1,0 <SEP> à <SEP> 3,0 <SEP> %
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,1 <SEP> à <SEP> 2,0 <SEP> %
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 0,3 <SEP> %
<tb>
<tb> Fer <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 2,0 <SEP> %
<tb>
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EMI2.1
<tb> Manganèse <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 195 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,5 <SEP> % <SEP>
<tb> Nickel <SEP> complément <SEP> sauf <SEP> impuretés
<tb>
Le cobalt peut être présent comme impureté, en particulier dans le nickelo On préfère en maintenir la teneur à un maximum de 1 %, mais on a atteint jusque. 10 % sans effet nuisible sur l'alliage.
Des proportions convenables sont :
EMI2.2
<tb> Chrome <SEP> 18,0 <SEP> à <SEP> 22,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 8,0 <SEP> à <SEP> 10,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 1,5 <SEP> à <SEP> 3,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 1,2 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Fer <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,5 <SEP> %
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,5 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Cobalt <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complément
<tb>
La composition préférée est
EMI2.3
<tb> Chrome <SEP> 20,0 <SEP> à <SEP> 22,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 8,5 <SEP> à <SEP> 10,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 2,0 <SEP> à <SEP> 2,
8 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium. <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 0,9 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,04 <SEP> à <SEP> 0,1 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cobalt <SEP> 0,0 <SEP> à <SEP> 1,0 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complément
<tb>
L'alliage est avant tout destiné à être utilisé en fonderie, mais il peut être forgé et il pourrait être utilisé dans les cas où il con- vient comme alliage de remplacement de l'alliage nickel-chrome-cobalt forgé, actuellement utilisé d'une façon générale dans les turbines à combustion interne.
Une propriété particulièrement intéressante de cet alliage rési- de dans sa résistance aux variations brusques de température, dites choc thermique, qui est d'une importance primordiale dans le cas des aubes di- rectrices de tuyères. On sait qu'au démarrage et à l'arrêt d'un moteur à turbine à gaz, les aubes directrices de tuyères subissent des variations de température brusques et importantes et peuvent subir des avaries de ce fait. Cet alliage résiste particulièrement bien à un tel choc thermique.
Afin d'éprouver les propriétés de résistance au choc thermique des alliages, on a mis au point un essai dans lequel on chauffe une éprou- vette de section en losange de l'alliage moulé à la cote avec précision, rapidement de la température ambiante à une température maximum réglée de 930 C en un temps d'environ 55 secondes, cette température étant maintenue pendant 5 secondes; on fait ensuite refroidir l'éprouvette de 930 C à 50 C en 20 secondes environ par une pulvérisation d'un mélange d'eau et d'air comprimé et l'on continue le refroidissement par pulvérisation pendant en-
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viron 40 secondesoOn dirige d'abord le chauffage et le refroidissement sur une arête à angle aigu de la section en losange qui a une épaisseur d'en- viron 1,75 mm;
et l' "indice de choc thermique" est le nombre de cycles de variations de température de 15 C à 930 C à 50 C à 15 C qui produit une fis- sure complètement en travers de l'arête à angle aigu. On voit que cette a- rête est comparable au bord d'attaque d'une aube fixe de turbine recevant les produits de la combustion de la chambre de combustion d'un moteur de turbine à gaztandis que le cycle de température est comparable à celui que l'on rencontre au démarrage et à l'arrêt du moteur.
On a soumis à un tel essai des alliages conformes à l'invention et les résultats en sont ré- sumés dans le tablèau suivant :
EMI3.1
<tb> Composition <SEP> d'alliage <SEP> No <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,06 <SEP> 0,05 <SEP> 0,04 <SEP> 0,06
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 20,00 <SEP> 20,00 <SEP> 20,00 <SEP> 20,00
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 9905 <SEP> 9,31 <SEP> 9,24 <SEP> 8,44
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 2,06 <SEP> 2,30 <SEP> 2,99 <SEP> 2,10
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,21 <SEP> 0,46 <SEP> 0,75 <SEP> 1,
83
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complé- <SEP> complé- <SEP> complé- <SEP> complé-
<tb>
<tb>
<tb> ment <SEP> ment <SEP> ment <SEP> ment
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Indice <SEP> de <SEP> choc <SEP> thermique <SEP> 58 <SEP> 48 <SEP> 52 <SEP> 50
<tb>
Les résultats ci-dessus montrent une amélioration considérable dans les propriétés de choc thermique par comparaison à celles obtenues a- vec les alliages connus utilisés couramment pour les aubes directrices de tuyères de turbine.
Par exemple, un alliage que l'on désignera plus loin sous le nom d' "Alliage X" de la composition suivante
EMI3.2
<tb> Carbone <SEP> 0,17 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 13,88 <SEP> %
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 17,82 <SEP> %
<tb>
<tb> Tungstène <SEP> 4,07 <SEP> % <SEP>
<tb> Fer <SEP> 4,72 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complément
<tb>
a donné un indice de choc thermique de 30.
Un autre alliage appelé plus loin "Alliage Y" de la composition suivante
EMI3.3
<tb> Carbone <SEP> 0,24 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 23,22 <SEP> %
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 1175 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Tungstène <SEP> 2,52 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Fer <SEP> complément
<tb>
a donné un indice de choc thermique de 28.
Une autre propriété importante des alliages utilisés pour les aubes directrices de tuyère est celle d'une faible contrainte de fluage.
Un essai à cet effet consiste à appliquer un effort de 315 kg/cm2 pendant
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100 heures sur une pièce d'essai usinée dans une pièce coulée,la pièce d'es- sai n'étant soumise à aucun traitement thermiqueLa contrainte de fluage est mesurée sous forme d'un pourcentage d'allongement à la température à laquelle est effectué l'essai Le tableau ci-dessous montre la comparaison entre les alliages de composition 1, 2, 3, et 4 suivant l'invention et les compositions des alliages X et Y.
EMI4.1
<tb>
Alliage <SEP> Contrainte <SEP> de <SEP> fluage <SEP> Température
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sous <SEP> 315 <SEP> kg/cm2 <SEP> en <SEP> 100 <SEP> heures <SEP> d'essai
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 0,31 <SEP> % <SEP> 900 G
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1,00 <SEP> % <SEP> 950 C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1,00 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 0,31 <SEP> % <SEP> #
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> X <SEP> 1,10 <SEP> % <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Y <SEP> 5,50 <SEP> % <SEP> "
<tb>
On remarquera que les propriétés de déformation de fluage des alliages suivant l'invention (compositions No 1 à 4) sont meilleures que celles de l'alliage X et montrent une amélioration considérable sur celles de l'alliage Y.
Une autre propriété importante est celle de la résistance maxi- mum à l'extension à haute température. On a soumis des pièces d'essai, u- sinées dans des alliages moulés,à des essais d'extension à 950 C et l'on a enregistré l'effort maximum et le pourcentage d'allongement au moment de la rupture. Les résultats sont résumés dans le tableau ci-dessous.
Pour ces essais, on a utilisé un autre alliage suivant l'invention, de la composi- tion No 5 suivante :
EMI4.2
<tb> Carbone <SEP> 0,04 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 20,00 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 8,30 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 2,50 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,
20 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complément
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Essai <SEP> à <SEP> 950 C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alliage <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> l'exten- <SEP> Allongement <SEP> % <SEP> à
<tb>
<tb>
<tb> sion <SEP> kg/cm2 <SEP> la <SEP> rupture
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition <SEP> No <SEP> 5 <SEP> 3145 <SEP> 31
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alliage <SEP> X <SEP> 2362 <SEP> 9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alliage <SEP> Y <SEP> 1575 <SEP> 25
<tb>
On voit que la propriété de résistance de l'alliage suivant l'in- vention est meilleure que celle des alliages connus et que sa ductilité est élevée.Gette dernière propriété est importante pour empêcher les ruptures dues au choc thermique.
On a également essayé l'alliage de la composition No 5 à 1000 C et l'on a trouvé 2526 kg/cm environ de résistance à l'extension et 35 % d'allongement, et à 10500C de 1737 kg/cm environ de résistance à l'exten- sion et 35 % d'allongement.
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Bien que l'alliage soit prévu surtout pour être utilisé à l'état moulé, on peut l'utiliser comme alliage de forgeage complètement traité ther- miquement. Ce traitement thermique est celui qui est connu pour les alliages nickel-chrome de ce type, par exemple un traitement de solution à 1120 G pen- dant six heures, suivi d'un traitement thermique de vieillissement à 750 C pendant seize heures. On a effectué des essais de contrainte de fluage sur des alliages traités thermiquement de cette façon et ayant les compositions indiquées.
Les chiffres de contrainte de fluage consignés dans le tableau ci-dessous se réfèrent aux heures jusque la rupture sous une charge de 1420 kg/cm2 à 870 C et aux pourcentages des efforts à la ruptureo
EMI5.1
<tb> Composition <SEP> No <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8 <SEP> 9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 20,00 <SEP> 20,00 <SEP> 20,00 <SEP> 20,00
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 9,20 <SEP> 8,55 <SEP> 7,92 <SEP> 8,38
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 2,93 <SEP> 2,88 <SEP> 2,68 <SEP> 2,90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,94 <SEP> 0,78 <SEP> 0,85 <SEP> 0,
84
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> complément <SEP> complément <SEP> complément <SEP> complément
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Heures <SEP> jusque <SEP> la
<tb>
<tb>
<tb> rupture <SEP> 182 <SEP> 151 <SEP> 1/2 <SEP> 142 <SEP> 120
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> des <SEP> efforts <SEP> à <SEP> la
<tb>
<tb>
<tb> rupture <SEP> 9,69 <SEP> 16,78 <SEP> 12,03 <SEP> 12,00
<tb>
La gamme de fatigue de la composition No 9 à 870 C est de ¯ 2670 kg/cm2 et à 900 C ¯ 2242 kg/cm2.
Ces chiffres se rapportent à un effort en kg/cm2 provoquant la rupture après 107 inversions.