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La présente invention concerne des alliages résistant à la chaleur, à base de nickel, ne contenant pas de bore, et susceptibles d'être transformés en feuilles ou tôles par laminage. Elle concerne plus spécia- lement de tels alliages qui possèdent une résistance mécanique améliorée à haute température, et les pièces fabriquées avec ces alliages.
Les besoins croissants de l'aéronautique en alliages possé- dant une forte résistance mécanique à haute température, en particulier pour les moteurs à réaction, sont constamment ralentis par les restrictions im- posées aux matières dites "stratégiques". Au fur et à mesure que les moteurs à réaction se perfectionnent, ils tendent à reposer de plus en plus sur des métaux dont l'approvisionnement est insuffisant, tels par exemple que le columbium, le tantale, le tungstène, et le cobalt. On a bien proposé de remplacer ces éléments par de petites quantités de bore, mais le résultat n'est pas toujours satisfaisant, car la présence de quantités même très fai- bles de bore est extrêmement nuisible aux propriétés de travail à chaud de ces alliages.
La présente invention procure un alliage de nickel qui peut être travaillé à chaud et a la composition suivante : 14 % à 17 % Cr, 8 % à
12 % Fe, 4 % à 7% Mo, 2,25 % à 5 % Ti, 1,75 % à 2,50 A1, 0,08 % à 0,25 % C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles. Le cobalt peut également être présent jusqu'à 2,25 %. L'une des compositions préférées est comprise entre les limites suivantes: 14 à 16% Cr, 8% à 12% Fe, 5% à
6% Mo, 2,25 à 4% Ti, 1,75% à 2,25 A1, 0,12% à 0,16 C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles.
Au dessin annexé:
La figure 1 est un graphique montrant l'influence de la teneur en fer sur la durée de service sous charge ayant rupture, ou "temps de rup- ture", des alliages de l'invention.
La figure 2 est un graphique montrant l'influence de la te- neur en molybdène sur le "temps de rupture" des alliages de l'invention.
L'alliage de l'invention est étroitement équilibré, et la pré- cision des gammes indiquées est critique. Les propriétés avantageuses de l'alliage de l'invention résultent d'un équilibrage étroit qui représente un compromis entre des propriétés de résistance mécanique élevée et la possi- bilite de laminer l'alliage pour produire des tôles. Les proportions rela- tives des divers composants de l'alliage (qui sont indiquées plus haut) don- nent à l'alliage des propriétés particulières. Par exemple, les proportions de chrome, de molybdène et de fer présentes dans l'alliage de l'invention ne sont pas seulement importantes individuellement pour obtenir les proprié- tés recherchées mais leurs valeurs relatives sont également importantes pour obtenir ces propriétés.
Les figures jointes montrent clairement l'importan- ce critique des gammes indiquées pour les divers éléments de l'alliage.
La figure 1 représente graphiquement le "temps d rupture" de l'alliage de l'invention à 870 C sous une charge de 1406 kg/cm . Pour éta- blir ce graphique, on a fait varier la proportion de fer dans un alliage ayant par ailleurs la composition suivante : 15% à 16% Cr, environ 5,5% Mo, 1,80 à 2,25% A1, 2,50 à 2,75 % Ti, 0,12 % à 0,15 % C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles. L'examen du graphique fait ressortir l'importance du choix exact de la proportion de fer dans l'alliage de l'in- vention. Le "temps de rupture" maximum qui est d'environ 400 heures, cor- respond à une gamme étroite de proportion de fer. Une diminution de cette proportion en dessous de cette zone fait diminuer rapidement le temps de rupture.
Par exemple, le temps de rupture est réduit du quart environ de la valeur précédente ou de 100 heures si la proportion de fer est réduite à environ 6 %. L'importance de la précision de l'équilibrage mutuel entre les composants est encore plus nette si la proportion de fer est accrue au
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delà de la gamme étroite optimum. Par exemple, le temps de rupture est ré- duit de moitié environ ou d'environ 200 heures si la proportion de fer est accrue d'environ 6% au delà de la gamme étroite optimum.
Pour montrer encore l'importance de la précision des gammes de proportion des éléments d'alliage, la figure 2 représente graphiquement le temps de rupture de l'alliage de l'invention à une température de 816 C sous une charge de 2460 kg/cm . Pour établir ce graphique, on a fait varier la proportion de molybdène dans un alliage ayant par ailleurs la composition suivante:15% à 16% Cr, environ 8,5% Fé, 1,75 % à 2,25 % .SI, 2,50 à 2,75% Ti, 0,11% à 0,16% C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentel- les. L'examen du graphique fait ressortir que le dosage exact du molybdène dans l'alliage de l'invention est encore plus important que celui du fer.
Le temps de rupture maximum, qui est d'environ 175 heures, correspond à une gamme extrêmement étroite de proportion de molybdène. Une diminution de la proportion du molybdène en dessous de cette zone réduit d'une façon remarquablement rapide le temps de rupture. Par exemple, ce temps de rup- ture est réduit de plus des deux-tiers, c'est-à-dire d'environ 125 heures, si la proportion de molybdène est réduite d'environ 3 %. L'importance de l'exactitude du dosage est encore plus nette lorsqu'on augmente la propor- tion de molybdène au delà de la gamme optimum étroite. Par exemple, le temps de rupture est réduite d'environ moitié ou de 90 heures si la proportion de molybdène est accrue d'environ 3%.
En résumé, compte tenu des graphiques joints, on voit que l'im- portance du réglage précis dans une gamme étroite des proportions des élé- ments dans l'alliage de l'invention est essentielle si l'on veut obtenir les propriétés physiques remarquables de cet alliage.
L'exactitude des proportions d'aluminium et de titane dans l'alliage de l'invention a une importance qui n'est pas inférieure à celle des autres éléments. Une augmentation de l'aluminium et du titane est avan- tageuse pour la résistance mécanique de l'alliage de l'invention, mais nuit à ses possibilités de travail à chaud et de façonnage à froid. De plus, le rapport du titane à l'aluminium a une importance particulière. Les propor- tions de chacun de ces éléments sont non seulement importantes par elles- mêmes, mais encore par leur rapport. Dans une composition donnée quelcon- que, la proportion de titane est toujours supérieure à celle de l'aluminium.
Une valeur préférée de ce rapport correspond à environ 1 à 1,5 partie de ti- tane pour 1 partie d'aluminium.
Parmi les propriétés qui distinguent l'alliage de l'invention, il faut signaler la constance de la limite d'élasticité depuis la tempéra- ture ordinaire jusqu'aux températures de service prévues. La chute brusque de la limite d'élasticité des autres alliages comparables fait ressortir l'un des avantages distinctifs de l'alliage de l'invention. D'autres pro- priétés distinctives de cet alliage sont sa possibilité de travail à chaud, sa ductilité à la température ordinaire, et sa résistance mécanique à hau- te température. Ces propriétés permettent de fabriquer à chaud des tôles, des barres, des pièces de forge, des plaques et objets divers destinés à un service à haute température sous une charge mécanique.
Une autre propriété avantageuse de l'alliage de l'invention, qui la place en dehors des autres alliages comparables, consiste en ce qu'il n'exige aucun vieillissement ar- tificiel pour acquérir des propriétés de durée de service sous charge supé- rieures à celles des alliages habituels comparables.
Il est préférable que les alliages de l'invention soient fon- dus et coulés dans le vide,comme on l'indiquera ci-après de façon détail- lée, quelles que soient les proportions des métaux d'alliage à l'intérieur des gammes indiquées plus haut. La fusion et coulée sous vide produit ré- gulièrement des lingots sains, qui se laissent laminer sans difficulté.
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Néanmoins, si la proportion de titane est aux environs de la limite inférieure de la gamme de proportions indiquée, on peut produire l'alliage de la fagon habituelle par fusion à l'air, sous réserve de satisfaire à certaines conditions telles que la coulée dans un moule en sable, comme on l'indique plus loin. Si la proportion de titane dépasse environ 2,5 à 3 %, il faut adopter la fusion et coulée sous vide.
Lorsqu'on applique la fusion sous vide, un procédé préféré consiste à charger la totalité des matières dans le four, avec un- excès de charbon. On fait un vide partiel dans le four et l'on fait fondre la charge. Quand la charge est fondue, on réduit la puissance de chauffage à une valeur suffisante pour maintenir la charge à l'état fondu, et l'on réduit lentement la pression en ayant soin d'éviter une ébullition violente ; pendant cette période, le charbon en excès réagit avec les impuretés de la charge. (On peut retarder la réaction en augmentant la pression de la chambre par introduction d'argon). On doit finalement réduire la pression jusqu'à environ 0,3 à 0,5 mm, après quoi la température et la pression sont maintenues constantes jusqu'à ce que toute réaction apparente cesse.
Ensuite, on verse la charge dans une atmosphère partielle d'argono
Quand on applique la fusion à l'air, on fait fondre l'alliage dans l'air suivant le procédé habituel, en appliquant les précautions usuelles. Après fusion, l'alliage est coulé dans un moule de sable pourvu d'un couvercle chaud. Il est préférable de placer dans le couvercle chaud un composé exothermique de chauffage qu'on peut trouver dans le commerce. Grâce à ces précautions, on peut obtenir un lingot sain, à peu près exempt de toute inclusion nuisible. Par ce procédé, on a réalisé avec succès des lingots propres et sains de 15 x 15 x 102 cm
Après moulage de l'alliage de l'invention par l'un des procédés décrits, on travaille cet alliage à chaud à une température comprise entre 1050 et 1180 C.
Les indications suivantes montrent les excellentes propriétés physiques d'échantillons particuliers de l'alliage de l'invention. La charge A a été préparée par le procédé de fusion à l'air, et la charge B par le procédé de fusion sous vide. On notera la durée de service sous charge exceptionnelle de la charge B, qui est de 167,7 heures à 982 C sous une charge de 703 kg/cm2.
Ces chiffres montrent bien l'une des caractéristi- ques distinctivesde l'alliage de l'inventiono
EMI3.1
Composition Charge A (%) Charge B (56)
EMI3.2
<tb>
<tb> Cr <SEP> 15,3 <SEP> 15,04
<tb> Fe <SEP> 8,1 <SEP> 8,0
<tb> Mo <SEP> 5,3 <SEP> 5,42
<tb> Ti <SEP> 2,5 <SEP> 3,21
<tb> Al <SEP> 2,2 <SEP> 2,35
<tb> C <SEP> 0,15 <SEP> 0,24
<tb>
Essais de tension-allongemento
Tôle de 2,8 mm d'épaisseur, laminée à chaud, recuite au lami- nage (@).
Charge A.
EMI3.3
<tb>
<tb>
Température <SEP> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rupture
<tb>
EMI3.4
C¯¯¯¯ (ks/cm ) (NE) (kg/cm)
EMI3.5
<tb>
<tb> Tempo <SEP> ordinaire <SEP> 5.729 <SEP> la.299
<tb> 538 <SEP> 5.343 <SEP> 8.809
<tb> 649 <SEP> 5.870 <SEP> 7.364
<tb> 760 <SEP> 5.870 <SEP> 6.200
<tb> 871 <SEP> 4.780 <SEP> 4. <SEP> 886
<tb>
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Essais de rupture.
Barre ronde de 6,3 mm, laminée à chaud, recuite au laminage.
Charge B.
EMI4.1
<tb>
<tb>
<tb>
Température <SEP> Effort <SEP> (kg/cm2) <SEP> Temps <SEP> de <SEP> rupture <SEP> Allongement
<tb>
EMI4.2
C ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ (heures)
EMI4.3
<tb>
<tb> 816 <SEP> 3?515 <SEP> 61,8 <SEP> 10,2
<tb> 816 <SEP> 2.812 <SEP> 226,8 <SEP> 7,4
<tb> 871 <SEP> 1.758 <SEP> 285,1 <SEP> 14,3
<tb> 927 <SEP> 1.055 <SEP> 338,0 <SEP> 14,9
<tb> 982 <SEP> 703 <SEP> 167,7 <SEP> 35,8
<tb>
(@) Recuit au laminage ; chauffageà 1177 C et refroidissement à l'air.
(@@) Chiffres basés sur une déformation permanente de 0,20%, c'est-à- dire sur une déviation de 0,20% relativement à la partie linéaire d'un graphique des tensions-allongements obtenu à l'aide de mesu- res effectuées sur une longueur utile d'éprouvette de 5,08 cm.
Les propriétés remarquables de l'alliage de l'invention le recommandent pour fabriquer des tôles par laminage à chaud ou pour fabriquer par des procédés sévères de travail à chaud des pièces telles que les ailettes de turbines, les cônes arrière des avions à réaction, les soupapes ou parties de soupapes, et autres pièces analogues, ou en résumé, les pièces métalliques destinées à travailler mécaniquement à haute température.