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La présente invention concerne des alliages métalliques à base de tantale,
Un alliage métallique suivant l'invention comprend, en poids, de 5 à 20 % de chrome et, pour le reste, essentiellement du tantale. L'alliage contient de préférence au moins 8% de chrome.
Un tel alliage possède une excellente résistance à la corrosion ainsi qu'une forte résistance mécanique à des températures de l'ordre de 2.000 F (1.093 C et plus.
L'alliage de la présente invention a comme particularités importantes le fait (1) qu'il peut être travaillé à chaud, (2) qu'il est très rééistant à l'oxydation et à d'autres formes de corrosion à des températures allant jusqu'à 2.000 F (1.093 C) et plus, et (3) qu'il possède une résistance mécanique élevée à ces températures élevée&o Cela étant, cet alliage peut être utilisé pour les ailettes, aubes, et autres parties de moteurs à turbine à gaz à température éle- vée.
L'alliage de la présente invention peut également être utilisé pour les soupapes d'échappement et collecteurs dans des moteurs à combustion interne, et pour des échangeurs de chaleur, des garnitures de cornues et de récipients utilisés dans les industries chimiques et métallurgiques. ,
Le tantale pratiquement pur possède beaucoup de propriétés désirables qui le rendent précieux comme métal de construction aux températures élevées.
La tantale a un point de fusion d'environ 5.430 F (2.999 C) et possède des propri- étés de résistance aux températures élévées légèrement supérieures (de l'ordre de
2.370 F) (1.299 C) et plus à celles du molybdène dans les mêmes conditionso
Le tantale ne possède pas les caractéristiques de fragilité du molybdène
Contrairement aux soudures au molybdène, des soudures au tantale sont ductiles et ne se fissurent pas.
Cependant, le tantale pratiquement pur n'est utilisable à aucune fin pratique comme matière pour ailettes de turbine à gaz, aubes et augets de turbines, tuyères de fusées et l'équivalent, parce qu'il s'oxyde rapidement à des températu- res de l'ordre de 1.500 F (816 C) et plus et en présence d'un courant d'air ou de gaz corrosifs pendant un temps prolongé.
Des alliages métalliques à résistance élevée aux hautes températures tels que des alliages à base de nickel et/ou de cobalt qui ont été utilisés pour des ailettes, aubes et autres parties de moteurs à turbine à gaz à température élevée, ont une température de travail maximum de 1.500 F environ ( 81600).
Par exemple, un alliage commun à base de nickel et de cobalt qui contient du molyb- dène comme constituant n'est utilisable à aucune fin pratique pour un organe de construction d'un moteur à turbine à gaz si la température du métal dépasse sensi- blement 1.500 F (816 C) environ par suite des limitations de ténacité et de résis- tance à l'oxydation d'un alliage de ce genre au dessus de cette température.
Puisque l'alliage de la présente invention, lorsqu'il est utilisé pour une ailette ou une aube dans un moteur à turbine à gaz à température élevée, peut travailler à des températures notablement supérieures à celles qui étaient possi- bles jusqu'à présent, le rendement du moteur à turbine à gaz est amélioré du fait que la poussée totale est accrue et que la quantité de combustible consommé par kilogramme de poussée par heure est réduite.
Autrefois on estimait généralement que le colum'ium et le tantale s' équivalaient pratiquement. On a découvert que tel n'est pas le cas dans la présen- te invention. Ainsi, par exemple, même une proportion relativement petite de chrome comme constituant d'alliage avec du columbium rend l'alliage de chrome et de columbium résultant trop cassant pour être d'utilité pratiqueo D'autre part, des quantités matériellement plus importantes de chrome peuvent être alliées au tantale, et donnent un alliage ayant des propriétés améliorées de fagon inattendue comme indiqué {plus haute On n'obtient pas ces propriétés avec un alliage de oolum- bium et de chrome présentant des proportions analogues.
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Pour obtenir les propriétés optimum désirées dans un alliage de la présente invention, il faut maintenir les impuretés contenues dans l'alliage de préférence dans les limites approximatives suivantes, exprimées en poids. La te- neur en carbone dans l'alliage final ne doit pas dépasser 0,5%; la teneur en oxygène 0,8%, comme le détermine une augmentation sur la technique d'allumage; la teneur en azote 0,2%; et la teneur en fer 5,0%.
Les exemples 1 à 4 suivants montrent la préparation et des résultats d'essai de l'alliage métallique à'base de tantale de la présente invention. L'ex- emple 5 est un exemple d'un autre alliage à base de chromé et de tantale donné à des fins de comparaison.- EXEMPLE 1.
On prépare un lingot à partir d'un alliage à base de tantale qui contient en poids 5% de chrome et pour le reste, essentiellement du tantale, en faisant fondre à l'arc une électrode de tantale à laquelle on ajoute 5% ,de chrome.
On peut réaliser cela en comprimant un mélange pulvérulent uniforme de tantale et de chrome dans les proportions énoncées plus haut sous forme de barres sous une pression d'environ 50 tonnes par pouce carré (7. 900 kg par cm2) en frittant les barres comprimées sous un vide d'environ 1 micron pendant environ 3 heures, et en faisant ensuite fondre,à l'arc les barres frittées sous un vide d'environ
5 microns ou moins. @
On essaie là résistance à l'oxydation de l'alliage fondu à l'arc de cet exemple dans un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) pendant 24 heures et sa résistance à l'oxydation comparée à celle dû tantale pratiquement pur est environ vingt fois supérieure.
Le procédé utilisé pour déterminer le degré de résistance à l'oxydation consiste à préparer des échantillons d'essai de l'alliage de cet exemple et à dé- terminer les dimensions de chaque échantillon avant de le soumettre aux conditions de l'essai d'oxydation. On "'enlève la pellicule d'oxyde formée sur la surface des échantillons pendant l'essai, et on mesure ensuite l'épaisseur des échantillons et on la compare à leur épaisseur avant l'essai. On suit le même processus avec du tantale pratiquement pur, et on fait une comparaison.
On travaille le lingot fbndu à l'arc de cet exemple à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce (0,64 cm) de diamètre et de 3 pouces de longueur (7,6 cm). La résistance à la rupture de 100 heures de ces éprouvettes .dans un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) dépasse 20.000 livres par pouce carré (1.430 kg par cm2).
EXEMPLE 2.
On prépare un alliage métallique à base de tantale sous forme d'un lingot comprenant 87 de tantale et 13% de chrome suivant le processus décrit dans l'exemple 1.
On essaie la résistance à l'oxydation du lingot d'alliage fondu à l'arc de cet exemple dans un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) pendant 24 heures suivant le processus-'décrit dans l'exemple 1. Des échantillons d'essai de cet alliage ont une résistance à l'oxydation qui est environ 110 fois supérieure à celle du tantale pratiquement pur essayé sous les mêmes conditions.
On travaille ce lingot, fondu à l'arc à chaud pour en obtenir des éprou- vettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm).
La'résistance à la rupture de 100 heures de ces éprouvettes lorsqu'on les soumet à un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) dépasse 20. 000 livres par pouce carré (1.430 kg par cm2).
EXEMPLE 3.
On prépare un alliage métallique à base de tantale comprenant 18% de chrome et, pour le reste, essentiellement du tantale, suivant le processus décrit
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dans l'exemple 1.
On essaie la résistance à l'oxydation de l'alliage fondu à l'arc de cet exemple dans un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) pendant 24 heures suivant le processus décrit dans l'exemple 1. Des échantillons d'essai de cet alliage ont une résistance à l'oxydation qui est environ 500 fois supérieure à celle du tantale pratiquement pur essayé sous les mêmes conditions.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64cm) et-de 3 pouces de longueur (7,6 cm). La résis- tance à la rupture de 100 heures de ces éprouvettes, lorsqu'on les soumet à un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 C) dépasse 20. 000 livres par pouce carré (1.430 kg par cm2).
EXEMPLE 4.
On prépare un alliage métallique à base de tantale comprenant 20% de chrome et, pour le reste, essentiellement du tantale suivant le processus décrit dans l'exemple 1.
On essaie la résistance à l'oxydation du lingot d'alliage fondu à l'arc de cet exemple dans un courant d'air à environ 2.000 F (1.093 0) pendant 24 heures suivant le processus décrit dans l'exemple 1. Des échantillons d'essai de cet alliage ont une résistance à l'oxydation qui est environ 1.000 fois supérieure à celle du tantale.pratiquement pur essayé sous les mêmes conditions.
On travaille le lingot fondu à l'arc de cet exemple à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm). La résistance à la rupture de 100 heures de ces éprouvettes lorsqu'on les soumet à un courant d'air à 2.000 F (1.093 C) dépasse 200000 li- vres par pouce carré (10430 kg par cm2) EXEMPLE 5.
On prépare un alliage métallique à base de tantale comprenant 25% de chrome et, pour le reste, essentiellement du tantale suivant le processus décrit dans l'exemple 1.
Cet alliage est trop cassant pour être utilisé à aucune fin pratiqueo Il ne peut pas être travaillé à chaud par des processus classiques.
REVENDICATIONS.
1. Alliage métallique à base de tantale, caractérisé en ce qu'il com- prend en poids, 5% à 20% ( de préférence 8 à 20%) de chrome et, pour le rester essentiellement du tantale.