<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention est relative à des alliages à haute résistance ayant une résistance élevée à des tempéra- tures allant jusqu'à et dépassant 1200 F et qui peuvent facile- ment être formés en artic les forgés ainsi qu'en matériaux de stock en tôles ayant des propriétés de soudabilité dési- rables.
Le développement de la turbine à gaz et d'appareils similaires a créé une demande en matériaux ayant une résistan- ce plvs élevée et une stabilité plus grande aux températures élevées que les alliages pour températures élevées couramment disponibles. Certaines parties de ces appareils tels que les aubes et ailettes de turbines sont soumises à des tensions très élevées pendant de longues périodes de temps dans des atmosphères fortement corrosives et à des températures conti- nues de l'ordre de 1500 F et plus.
D'autres parties telles que les éléments de roue de turbine qui supportent les élé- ments des aubes, des éléments de tôle métallique constituant le tuyau ou cône d'échappement et autres, sont également sou- mis à des tensions élevées et à des atmosphères corrosives à des températures continues de l'ordre de 1200 F eu davantage.
En général, les articles qui doivent résister aux tensions et aux températures plus élevées telles que citées plus haut, ont été fabriqués soit par de(techniques de coulée de précision ou ont été forgés à partir d'alliages qui sont susceptibles d'être travaillés jusqu'à leur forme finale à partir de poulées ou de lingots Les alliages forgeables de ce type étaient habituellement des matériaux trempables par précipitation et contenaient des quantités substantielles de matières "stratégiques" telles que le cobalt et le colom-
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bium et avaient habituellement comme constituant principal, par exemple, jusqu'à 40 pour cent de nickel et davantage.
Ces éléments sont d'un approvisionnement relativement difficile, sont coûteau et de plus, biau que ces alliages à haute résis- tance contenant ces éléments stratégiques étaient susceptible; d'être travaillés jusqu'à un certain point, ils ne so'nt pas facilement réductibles en un matériau en tôle par les pratique de laminage conventionnelles. De plus, ces matériaux ne peu- vent être soudés qu'avec des difficultés considérables et présentent habituellement une zone affaiblie à l'endroit de la soudure.
Les alliages qui avaient été utilisés dans la se- conde gamme inférieure de températures mentionnées ci-dessus avaient une teneur moindre en éléments stratégiques et étaient beaucoup plus facile à travailler. Ces matériaux étaient habituellement des aciers inoxydables modifiés et n'étaient que modérément soudables.
En général , les matériaux plus facilement soudables et avec le plus de succès avaient des propriétés méaaniques inférieures tel que la force de à la traction rupture sous charge constance et la charge de rupture/et la limite d'élasticité à température élevée tandis que ceux qui avaient des propriétés mécaniques plus élevées, particulière- ment aux températures de l'ordre de 1200 F et davantage étaler plus difficiles à travailler et ne se soudaient pas de maniè- re satisfaisante.
Il est par conséquent Lui objet de la présente in- vention de procurer un alliage ayant une résistance mécanique et une résistance à la corrosion élevées aux températures élevées et qui est facilement fabriqué par forgeage ou lamina- ge et qui est facilement soudable.
- Un autre objet de la présente invention est l'obteh- tion d'un tel alliage qui peut facilement être réduit en une tôle métallique par laminage.
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D'autres objets spécifiquement différents de la présente Invention apparaîtront aux techniciens avertis lors de l'exposé suivant.
En bref, suivant un aspect de la présente invention, on réalise un alliage austénitique consistant essentiellement en environ de 30,0 à 35,5 pour cent en poids de nickel, envi- ron de 12 à environ 15 pour cent de chrome, environ 0,5 à 7,5 pour cent de tungstène, environ 2,5 à environ 5 pour cent de molybdène, environ 1,5 à environ 3,0 pour cent de titane, jusqu'à environ 0,50 pour cent d'aluminium, jusqu'à environ 0,50 pour cent de zirconium, jusqu'à environ 0,10 pour cent de carbone et le complément étant sensiblement tout du fer, lequel alliage a des propriétés mécaniques su- périeures à celles qu'on pouvait obtenir antérieurement avec des matériaux semblables connus et qui se forme plus facile- ment et se soude avec plus de succès que d'autres alliages ayant une résistance mécanique semblable.
Plus spécifiquement, la demanderesse a découvert qu'un alliage consistant essentiellement en environ 31,0 et 34,0 pour cent en poids et de préférence.environ 33 pour cent de nickel, environ 12,5 à 15,0 pour cent et de préféren- ce 13 pour cent de chrome, environ 6,0 à 7,0 pourcent et de préférence 6 pour cent de tungstène, environ 3,0 à 4,6 pour- cent et de préférence environ 3,5 pourcent de molybdène, en- viron 1,75 à environ 2,5 pourcent et de préférence environ 2,0 pourcent de titane, environ 0,2 à 0,5 pourcent et de pré- férence environ 0,45 pourcent d'aluminium, pas plus d'envi- ron 0,4 pourcent et de préférence environ 0,35 pourcent de zirconium, pas plus de et de préférence moins ,d'environ 0,
08 pourcent de carbone, et le complément étant sensiblement tout , du fer, a une charge de rupture à la traction et une ductibi- lité plus élevées et une résistance à la rupture sous charge
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constance et une ducti lité à température élevées et est facilement travaillé et soudé. Il est bien entendu que l'ex- pression "le complément étant sensiblement tout du fer" tel- le qu'utilisée présentement, comprend des petites quantités d'impuretés qu'on trouve habituellement dans les alliages ferreux de ce type, tel que par exemple du manganèse, du si- licium, du soufre et du phosphore.
On a trouvé que la totali- té de ces impuretés particulières peut consister jusqu'à en- viron 0,2 pourcent en poids de ces alliages, sans affaiblir leurs propriétés mécaniques, mais ne dépasseront pas environ 0,05 pourcent de manganèse, 0,05 pourcent de silicium, 0,04 pourcent de soufre et 0,04 pourcent de phosphore. Bien enten- du, d'autres éléments peuvent également "être présents en de très petites quantités, tel qu'il est habituel dans de tels matériaux.
On a découvert que les alliages de la présente invention se préparent le plus avantageusement par. fusion et co ulée sous vide des divers constituants de ces alliages.
Les lingots coulés peuvent ensuite être réduits soit en des corps forgés tels que des roues de turbines ou des matériaux en barre par exemple, ou peuvent être réduits en matériaux en tôle par les processus habituels de forgeage et de lamina- ge. La matériau fini est ensuite soumis à un traitement de solution et de vieillissement thermique tel qu'il sera discu- té plus en détail ci-après.
A titre d'exemple, des alliages ayant les composi- tions spécifiques suivantes ont été préparés tel qu'exposé entérieurement.
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TABLEAU 1.-
EMI5.1
Coulée Ni Cr W No ri Ail Zr C Fe n 1 32,9 13,0 6,4 3,1 2,2 035 0,20' 0JO4 '42,0 2 32,9 13,1 6,7 3,6 1,6 oe39 0,16 z. complu 3 31,7 14,7 6,8 2,6 , z,i . 0,27 0701 ,04 42, 4 32,2 12,8 6,3 3,5 2,1 0,50 0, 5 0)10 Compta
Des lingots coulés à partir de ces coulées ont été réduits en des matériaux ou barres rondes et en tôle
EMI5.2
paltr les processus de forgeage et de laminage habituels. 1e$ éprouvettes des essais habituels de traction et des essais sous charge constante ont été préparés à partir de ces mate- riaux et traités thermiquement.
Les essais habituels de traction ont été exécutés sur certains de ces spécimens à la température ambiante et à des températures élevées. Les données suivantes sont des exemples des résultats de ces essais réalisés sur des speci- mens préparés à partir de matériaux en barre.
TABLEAU II.'-
EMI5.3
<tb> Coulée <SEP> température <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rup- <SEP> -Limite <SEP> d'élasti- <SEP> Allongement
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> ture <SEP> (livres <SEP> cité <SEP> 0,2% <SEP> (li- <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb> (F) <SEP> par <SEP> pouce <SEP> vres <SEP> par <SEP> pouce <SEP> de <SEP> 1")
<tb>
<tb> carré) <SEP> carré)
<tb>
EMI5.4
1 T.
A 178, ooo 119.000 24,0% 1350 117.000 100.000 21,0% Toit 177. 800 115.000 23,0%
EMI5.5
<tb> 1200 <SEP> 135.500 <SEP> 104.200 <SEP> 23,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 107.500 <SEP> 95.400 <SEP> 25,5%
<tb>
EMI5.6
3 T.A 187.700 129.100 ië,5% 1200 143.900 l160 soo 19,0% (
EMI5.7
<tb> .1350 <SEP> 111.400 <SEP> 93.100 <SEP> le, <SEP> 5% <SEP> (x)
<tb>
<tb> 4 <SEP> T. <SEP> A <SEP> 179.500 <SEP> 107.800 <SEP> 23,0% <SEP> . <SEP>
<tb>
EMI5.8
1200 144.100 105.000 21, O 135Q 11l. $00 101.400 20,0,S T.A. = Température ambiante (x) L'éprouvette a cassé dans les mâchoires à l'endroit des marques de longueur
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Les résultats d'essais donnés ci-dessus ont été' ob- tenus à partir de spécimens ayant subi les traitements ther- miques suivants.
Les spécimens de la coulée 1 ont été chauf- fés à 2000 F pendant 4 heures, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air. Les spéci- ments de la coulée 2 ont été chauffés à 1900 F pendant 4, heures, trempés à l'huile et vieillis '5 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air.Les spécimens de la coulée 3 ont été chauffés à 1850 F pendant 1 heure, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air.
Les spécimens de la coulée 4 ont été chauffés à 1950 F µen- dant 1 heure, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F. pendant
24 heures et refroidis à l'air.
Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des spécimens préparés à par- tir de matériaux en tôle.
TABLEAU III . -
EMI6.1
<tb> Coulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rup- <SEP> Limite <SEP> d'élasti- <SEP> Allongement
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> ture <SEP> (livres <SEP> cité <SEP> 0,2% <SEP> (li- <SEP> (éprouvette
<tb> ( F) <SEP> par <SEP> pouce <SEP> vres <SEP> par <SEP> pouce <SEP> de <SEP> 1")
<tb> carré) <SEP> carré)
<tb>
<tb> 2 <SEP> T.A <SEP> 184.500 <SEP> 128.000 <SEP> 18,05
<tb> 1200 <SEP> 126.100 <SEP> 110.000 <SEP> 20,0%
<tb> 1350 <SEP> 91,500 <SEP> 89.400 <SEP> 29,0%
<tb>
<tb> 3 <SEP> T.A <SEP> 176.400 <SEP> 130.
<SEP> 200 <SEP> 16,5%
<tb> 1200 <SEP> 132.300 <SEP> 113.100 <SEP> 16,5%
<tb> 1350 <SEP> 101.600 <SEP> 89.400 <SEP> 17,5%
<tb>
Les éprouvettes d'essai de la coulée 2 ont été découpées hors d'un matériau de tôle de 0,062 pouce d'épais- seur, parallèlement à la direction de laminage, chauffées pendant 20 minutes sous une atmosphère à 1850 F,. refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un. refroidissement à l'air.
Les éprouvettes d'essai de la coulée 3 ont été, découpées d'un matériau en tôle de 0,064 pouce d'é- paisseur transversalement à la direction de laminage, chauf-
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fées pendant 30 minutes sous une atmosphère à 1900 F, refroi- dies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à 1' air. habituels
Les essais de rupture sous charge constante @ont été exécutés surcertaines autres de ces éprouvettes, à températu- re élevée. Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des éprouvettes préparées à partir de matière en barre.
TABLEAU IV. -
EMI7.1
<tb> Goulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> (li- <SEP> Durée <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> F <SEP> vres/Douce <SEP> car- <SEP> (heures) <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ré) <SEP> de <SEP> 1")
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1350 <SEP> 50.000 <SEP> 307--
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 50.000 <SEP> 343 <SEP> 7,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 27 <SEP> 30,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 85.000 <SEP> 53 <SEP> 31,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 63.000 <SEP> 4 <SEP> 32,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 47 <SEP> 43,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 229 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 60.000 <SEP> 58 <SEP> 18,
0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 120 <SEP> 22,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 404 <SEP> 28,05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 1200 <SEP> 87.000 <SEP> 200 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 124 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 129 <SEP> 19,0%
<tb>
La Dremière éprouvette citée dans le tableau ci- dessus provenant de la coulée 1 a été chauffée à 2150 F pendant 4 heures, trempée à l'huile et vieillie à 1200 F pendant 24 heures et refroidie à l'air. La denxième éprouvet- te citée provenant de la coulée 1 a été éhauffée à 2150 F pendant 4 heures,
trempée à l'huile et vieillie à 1350 F pendant 24 heures et refroidie à l'air. Les éprouvettes ci- dessus de la coulée 2 ont été chauffées à 1850 F pendant 4 heures, trempées à l'huile et vieillies à 1350 F pendant 24 heures et refroidies à l'air. Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 3 ont été chauffées à 2000 F pendant 1 heure, trempées
<Desc/Clms Page number 8>
à l'huile et vieillies à 1350 F pendant 24 heures et refroi- dies à l'air. Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 4 ont été chauffées à 2050 F pendant 1 heure, trempées à l'huile et vieillies à 1350 F. pendant 24 heures et refroidies à l'air.
Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des éprouvettes préparées à partir d'un matériau en tôle.
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯TABLEAU v.-
EMI8.1
<tb> Coulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> (li- <SEP> Durée <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> F <SEP> vres/pouce <SEP> car- <SEP> (heures) <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ré) <SEP> de <SEP> 1"0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 85.000 <SEP> 305 <SEP> 17,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 29' <SEP> 370%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 72,5 <SEP> 9,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 72.000 <SEP> 211(x) <SEP> --
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 98 <SEP> 17,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 352(x) <SEP> ---
<tb>
(*) essai interrompu, éprouvette non cassée.
Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 2 ont été découpées à partir d'un matériau en tôle de 0,062 pouce d'é- paisseur parallèlement à la direction de laminage et ont été chauffée:; dans une atmosphère protectrice à 2000 F pendant 20 minutes,-refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à l'air. Les éprouvét- tes ci-dessus de la coulée 3 ont été découpées à partir d'un matériau en tôle de 0,064 pouce d'épaisseur transversalement à la direction de laminage et ont été traitées thermiquement dans une atmosphère protectrice à 2000 F pendant 30 minutes, refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à l'air.
A partie des données de ces essais ainsi que d'au- tres, on a déterminé que l'alliage ,...de la présente invention présente, à température ambiante, une charge de rupture à la traction d'environ 180.000 livres par pouce carré ou davantage
<Desc/Clms Page number 9>
ulie limite d'élasticité à 0,2 % d'écart d'environ 118.000 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'en- viron 22% d'allongement.
A 1200 F, il présente une charge de rupture à la traction d'environ 141.000 livres par pouce carré ou davantage, une limite d'élasticité à 0,2% d'écart de 108.000 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'environ 21% d'allongement. A 1350 F, la charge de rup- ture à la traction est d'environ 112.000 livres par pouce carré ou davantage, la limite d'élasticité à 0,25 d'écart est d'environ 97.500 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'environ 21% d'allongement.
Les essais de rupture sous charge constante indi- quent par extrapolation que les alliages de la présente in- vention résisteront à une charge appliquée de monière continue d'environ 76.000 livres par pouce carré pendant 1000 heures à 1200 F et à une charge appliquée de manière continue d'en- viron 41.000 livres par pouce carré pendant 1000 heures à 1350 F avant la rupture.
Encomparaison avec les alliages antérieurement connus ayant des compositions similaires, on a trouvé qu'un de ces alliages commercialement disponible ayant une composi- tion d'environ 44% de nickel, 34,5% de fer, 12,8%de chrome, 5,7% de molybdène, 2,4% de titane, 0,45% de manganèse, 0,23% de silicium, 0,03% de cuivre, 0,01% de soufre et 0,045 de carbone, a les propriétés mécaniques suivantes :
TABLEAU VI.-
EMI9.1
<tb> Températures <SEP> d'essai <SEP> ( F)
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ambiante
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 174.000 <SEP> li- <SEP> 135.000 <SEP> 102.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> vres/pouce
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> carré
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> d'élastici-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> té <SEP> à <SEP> 0,
2% <SEP> 102.000 <SEP> 18.000 <SEP> 82.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> allongement <SEP> 19 <SEP> 20 <SEP> 11
<tb>
<Desc/Clms Page number 10>
Des éprouvettes de matériau en barre en cet alliage ont été trouvées avoir une charge de rupture sous charge con- stante pendant 1000 heures d'environ 55.000 livres par pouce carré à 120U F et une charge de rupture sous charge constante pendant 1000 heures, d'environ 30.000 livres par pouce carré à 1350 F.
Un autre alliage similaire commercialement disponi- ble consistant essentiellement en 26% de nickel, 15% de chrome, 1,5% de molybdène, 1,6 de titane, 0,17% d'aluminium,
0,2% de vanadium, 0,05% de carbone, et le complément étant sensiblement tout du fer, a été trouvé avoir les propriétés mécaniques suivantes.
' ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯TABLEAU VII.-
EMI10.1
<tb>
<tb>
<tb> Températures <SEP> d'essai <SEP> (Or)
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F..
<tb>
<tb>
<tb> a <SEP> mbiante
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> à <SEP> la <SEP> 157.000 <SEP> livres/ <SEP> 110.000 <SEP> 74.000
<tb>
<tb> traction <SEP> pouce <SEP> carré
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> 98. <SEP> 000 <SEP> 93. <SEP> 000 <SEP> 68.
<SEP> 000
<tb>
<tb> à <SEP> 0,2% <SEP> 98.000 <SEP> 93.000 <SEP> 68.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> allongement <SEP> 25 <SEP> 10 <SEP> 10'
<tb>
On a trouvé que des éprouvettes à partir du matéria u en barre de cet alliage a une charge de rupturesous charge constante pendant 1000 heures d'environ 50.000 livres par pouce carré à 1200 F et une charge de rupture 'sous charge constante pendant 1000 heures d'environ 23.000 livres par pouce carré à 1350 F.
De ce qui précède, il apparaît que l'alliage de la présente invention a des propriétés mécaniques supérieures à des alliages comparables antérieurement connus. En outre, le présent alliage concerve sa résistance aux températures élevées, ce à un degré plus élevé que de telles matières an-
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térieurement connues. L'alliage de la présente invention pe.ut être facilement formé en un matériau en tôle et est facilement soudé, les cordons de soudure conservant leur résistance et leur ductilité. De plus, du fait qu'il est austénitique, l'ai- liage de la présente invention esf fortement résistant à la corrosion aux températures élevées.
Bien que certains schémas de'traitement thermique spécifiques ont été exposés dans la spécification précédente pour les besoins de rendre l'exposé plus complet, il n'entre pas dans l'intention de la demanderesse que la présente in- vention soit limitée à aucun traitement ou composition parti- culière, excepté ce qui est défini dans les revendications ci-jointes.
REVENDICATIONS.-
1.- Alliage austénitique résistant à température élevée et hautement résistant à la corrosion, caractérisé en ce qu'il consiste en environ 30-35%, de préférence 31,-34% en poids de nickel, environ 12-15%,de préférence 12,5-15% de chrome, environ 5,5-7,5% de préférence 6-7% de tungstène, environ 2,5-5%, de préférence 3,4,6% de molybdène, environ 1,5-3%, de préférence 1,75-2,5% de titane, jusqu'à 0,50%, de préférence 0,2-0,5% d'aluminium, jusqu'à 0,50%. de préférence jusqu'à 0,40% de zirc@nium jusqu'à 0,10%, de préférence jusqu'à 0,08% de carbone, le complément étant du fer et, de préférence, pas plus d'en- viron 0,2% en poids au total de manganèse, de silicium, de soufre et de phosphore.