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La présente invention concerne un alliage métallique à base de tan- tale et de columbium.
Un alliage métallique suivant la présente invention comprend en poids 5 à 20 % de chrome; 10 à 94 % de tantale et, pour le reste essentielle- ment du columbium, au moins 1 % de columbium étant présent.
Un tel alliage possède une excellente résistance à la corrosion ain- si qu'une résistance mécanique élevée aux températures de l'ordre de 2000 F (1093 C) et plus.
L'alliage de la présente invention a comme particularité importantes le fait (1) qu'il peut tre travaillé à chaud, (2) qu'l est très résistant à l'oxydation et à d'autres formes de corrosion à des températures allant jusqu'à 200 F (1093 C) et plus, et (3) qu'il possède une résistance mécanique élevée à ces températures élevées. Cela étant, cet alliage peut être utilisé pour les ailettes, abes 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 dombustion interne, et pour des échangeurs de chaleur, des garnitures de cornues et des récipients utilisés dans les industries chimiques et métallurgiques.
Le tantale et le columbium pratiquement purs possèdent beaucoup de propriétés désirables qui les rendent très précieux comme métaux de construction à des températures élevées. Le tantale a un point de fusion d'environ 5430 F (2999 C), et le columbium d'environ 4440 F (2449 C). Le columbium possède en- viron les mêmes propriétés de résistance aux températures élevées .(de l'ordre de 2370 F (1299 C) et plus) que le molybdène et le tantale possède des proprié- tés de résistance supérieures dans cette gamme de température élevée.
Le tantale et le columbium ne possèdent pas les caractéristiques de fragilité du molybdène. A l'encontre des soudures au molybdène, des soudures au columbium et au tantale sont ductiles et ne se fissurent pas.
Cependant, le columbium ou le tantale pratiquement purs ne sont uti- lisables à aucune fin pratique comme matières pour ailettes de turbine à gaz, aubes et augets de turbine, tuyères de fusées et l'équivalent, parce qu'ils s'oxy- dent rapidement à des températures de l'ordre de 1500 F (81600) 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 tempéra tures tels que des alliages métalliques 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 d'environ 1500 F (816 C).
Par exemple, un alliage commun à base de nickel et de cobalt qui contient du molybdène comme constituant n'est utilisable à aucune fin prati- que pour un organe de construction d'un moteur à turbine à gaz si la tempéra- ture du métal dépasse sensiblement 1500 F environ (816 C) par suite des limita- tions de ténacité et de résistance 4 l'oxydation d'un alliage de ce genre au- dessus de cette températureo
Au contraire, l'alliage de la présente invention, lorsqu'il est uti- lisé 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 possibles jusqu'à présent, et le rendement du moteur à turbin,
e à gaz est amélioré du fait que la poussée totale est accrue et que la quantité de com- bustible consommé par kilogramme de poussée par heure est réduite.
Autrefois, on estimait généralement due le columbium et le tantale s'équivalaient pratiquement. On a découvert que tel n'est pas le cas dans la présente invention. Ainsi, par exemple, même une proportion relativement pe- tite de chrome comme constituant d'alliage avec du columbium rend l'alliage de chrome et de columbium résultant trop cassant pour être d'utilité pratique.
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D'autre part, on a maintenant découvert que lorsqu'on allie du tantale avec du columbium dans les proportions spécifiées plus haut, on peut incorporer des proportions matériellement plus importantes de chrome, ce qui donne un nouvel alliage à base de tantale, de chrome et de columbium de l'invention qui possède des propriétés améliorées et inattendues, comme indiqué plus haut. On n'obtient pas ces propriétés avec un alliage métallique de columbium et de chrome.
Pour obtenir les propriétés ptimum désirés dans un alliage de la présente invention, il faut maintenir les impuretés suivantes de préférence dans les limites approximatives suivantes, exprimées en poids. La teneur 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 %.
Voici maintenant des exemples de la préparation et de résultats d'essai de l'alliage métallique à base de tantale et de columbium de la présente invention-1: EXEMPLE 1 On prépare un lingot d'une composition d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids 90 % de tantale, 5 % de chrome et, pour le reste, essentiellement du columbium, en faisant fondre à l'arc une électrode de tantale à laquelle on ajoute 5 de chrome et 5 % de columbium.
On peut réaliser cela en comprimant un mélange pulvérulent uniforme de tantale, de columbium et de chrome, dans fes proportions énoncées plus haut, sous forme de barres sous une pression d'environ 50 tonnes par pouce carré (7900 kg par cm2) en frittant les barres comprimées sous un vide d'environ 1 micron pendant une période d'environ 3 heures, et en faisant ensuite fondre à l'arc les barres frittées sous un vide d'environ 5 migrons ou moins.
On essaie la résistance à l'oxydation de l'alliage fondu à l'arc de cet exemple dans un courant d'air à environ 2000 F (1093 C) pendant 24 heures et sa résistance à l'oxydation est environ 20 fois supérieure à celle du tantale pratiquement pur.
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 déterminer les dimensions des échantillons avant de les soumettre aux conditions de l'essai d'oxydation. On enlève la pellicule d'oxyde qui s'est formée sur les surfaces des échantillons d'essai pendant l'essai et on mesure ensuite l'épaisseur de chaque échantillon pour la comparer à l'épaisseur de ce même échantillon avant l'essai. On suit également le même processus avec du tantale pratiquement pur et on fait une comparaison entre la résistance à la corrosion du tantale pratiquement pur et celle de l'alliage de cet exemple sous les mêmes conditions d'essai.
On travaille le lingot fondu à l'arc de cet exemple à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce (0,64 cm) de diamètre et de 3 pouces (7,6 cm) de longue=. Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la (7,6 cm) de longueur. Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la tupture de 100 heures dans un courant d'air à environ 2000 F (1093 C) qui dépasse 20.000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2).
EXEMPLE 2.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids 94 % de tantale, 5 % de chrome, et pour le reste, essentiellement du columbium, suivant le procédé décrit 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 2000 F (1093 C) pendant 24 heures de la même façon que pour l'essai de résistance à l'oxydation décrit dans l'exemple 1
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La résistance à l'oxydation de l'alliage de cet exemple est environ 30 fois su- périeure à celle du tantale pratiquement pur.
On travaille le lingot fondu à l'arc à chaud pour en obtenir des éprou- vettes de 1/4 de pouce (0,64 cm) de diamètre et de 3 pouces de longueur (7,6 cm).
Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la rupture de 100 heures dans un courant d'air à environ 2000F (1093 C) qui dépasse 20.000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2).
EXEMPLE' 3:
On prépare un lingot d'une composition, d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids 60 % de tantale, 15 % de chrome et, pour le reste, essentiellement du columbium suivant le procédé.,décrit dans l'exemple 1.
., On essaie la résistance à l'oxydation de l'alliage de cet exemple dans un courant d'air à environ 2000 F (1093 C) pendant 24 heures de la même fa- çon que pour l'essai de résistance à l'oxydation décrit dans l'exemple 1. La résistance à l'oxydation de l'alliage de cet exemple est environ 90 fois supé- rieure à celle du tantale pratiquement pur.
On travaille le lingot fondu à l'arc chand pour en obtenir des éprou- vettes de 1/4 de pouce (0,64 cm) de diamètre et de 3 pouces de longueur (7,6 cm)o Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la rupture de 100 heures dans un courant d'air à environ 2000 F (1093 C) qui dépasse 20. 000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2).
EXEMPLE-'4
On prépare un lingot d'une composition d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids, 85 % de columbium, 5 % de chro- me et, pour le reste, essentiellement du tantale suivant le procédé décrit 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 2000 F (1093 C) pendant 24 heures de la même façon que pour l'essai de résistance à l'oxydation décrit dans l'exem- ple 1. La résistance à l'oxydation de l'alliage de cet exemple est environ 20 fois.supérieure à celle du tantale pratiquement pur.
On travaille le lingot fondu à l'arc à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm). Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la rupture de 100 heures dans un courant d'air à environ 2000 F (1093 C) qui dépasse 200000 li- vres par pouce carré (1430 kg par cm2).
EXEMPLE 5
On prépare un lingot d'une composition d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids 78 % de columbium, 7 % de chro- me et, pour le reste, essentiellement du tantale, suivant le procédé décrit 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 2000 F (10930C) pendant 24 heures de la même façon que sur l'exemple 1. La résistance à l'oxydation de l'alliage de cet exemple est environ 40 fois supérieure à celle du tantale pratiquement pur.
On travaille le lingot fondu à l'arc à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm). Les prouvettes de cet exemple ont une résistance à la rupture de 100 heures dans un courant d'air à environ 20000F (1093 C) qui dépasse 200000 livres par pouce carré (1.430 kg par cm2).
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EXEMPLE 6.
On prépare ùn lingot d'une composition d'alliage métallique à base de tantale et de columbium qui contient en poids environ 30 % de tantale, 13 % de chrome et, pour le reste, essentiellement du columbium, suivant le procédé décrit 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 2000 F (1093 C) pendant 24 heures suivant le procédé décrit dans l'exemple 1. La résistance à l'oxydation de l'al- liage de cet exemple est environ 100 fois..supérieure à celle du tantale prati- quement pur.
On travaille le lingot fondu à l'arc à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 de pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm). Les éprouvettes de cet exemple ont une résistance à la rupture de 100 heures dans un cousant d'air à environ 2000 F (1093 C) qui dépasse 20.000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2).
REVENDICATIONS.
1. Alliage métallique à base de tantale et de columbium, caractérisé en ce qu'il comprend, en poids 5 à 20 % de chrome, 10 à 94% de tantale et, pour le reste, essentiellement du columbium, au moins 1 % de columbium étant présent.