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La présente invention concerne un alliage ferritique à base de fer, et en particulier un alliage de ce genre qui contient du chrome et du tungstène ainsi que d'autres constituantso
L'alliage à base de fer de la présente invention contient en poids 9 à 15% de chrome; 1 à 4% de tungstène; 1 à 5% de nickel, de cobalt ou d'un mélange de ces deux éléments; 0,5 à 5% de tantale, de columbium, ou d'un mélange de ces deux éléments; 0,15 à 0,40% de carbone ; le restant, essentiellement du fero
Pour obtenir les propriétés optima désirées, il faut de préférence que les impuretés ci-après, contenues dans 1 alliage, soient maintenues dans les limites suivantes, exprimées en poidso La teneur en manganèse dans l'alliage fi- nal ne doit pas dépasser 1,0%;
la teneur en silicium 0,75%; la teneur en alumi- nium 0,5%.
L'alliage ferritique à base de fer de la présente invention a comme particularités importantes (1) qu'il possède des caractéristiques élevées de ré- sistance à la déformation permanente aux hautes températures de l'ordre de
1300 F (704 C), (2) qu'il résiste à la corrosion à ces températures élevées, et (3) qu'il est capable de résister à un choc thermique sévère sous l'action de tensions tri-dimensionnelles à ces températures élevéeso En fait, l'alliage de la présente invention est capable de conserver ses caractéristiques élevées de résistance à la.déformation permanente aux hautes températures, après avoir subi une augmentation de température allant de la température ambiante jusqu'à
1300 F (704 C) en moins d'une seconde.
Grâce à ces propriétés, l'alliage de l'in- vention peut être utilisé en particulier sous forme d'un petit rotor de moteur à turbine à gaz, c'est-à-dire un rotor ayant un diamètre de 7 à 10 pouces (17,8 à 25,4 cm) et une épaisseur d'environ 1 pouce (2,54 cm), qui tourne à une vites- se comprise entre 260000 et 40.000 tours par minute et est soumis à des chocs thermiques sévères et répétés, c'est-à-dire que le rotor est exposé de façon ré- pétée à un changement de température allant de la température ambiante à 1300 F (704 C) en moins d'une seconde.
Les alliages à base de fer connus jusqu'à présent et utilisés pour des rotors de moteurs à turbine à gaz à haute température, tels que celui qui contient 13% de chrome, 3% de tungstène, 2% de nickel et, pour le reste, essen- tiellement du fer sont inutilisables à des fins pratiques lorsqu ils sont soumis à une température de 1100 F (593 C), parce qu'ils ne suportent qu'une charge maximum de 25.000 livres par pouce carré (1.75C Kg par cm ) alors que la capacité de support de charge désirée à cette température est de 50.000 livres par pouce carré (30500 Kg par cmê).
D'autres, types d'alliages à base de fer connus jusqu'à présent, quoi- qu'étant capables de supporter une charge de 500000 livres par pouce carré (30500 Kg par cmê) à 1100 F (593 C), ne peuvent résister au choc thermique sévè- re dû aux tensions tridimensionnelles auxquelles les rotors sont soumiso Aussi, ,. des rotors faits en ces alliages se brisent-ils en marche.
Les alliages connus jusqu'à présent ont donc une résistance à la dé- formation permanente beaucoup trop faible à des températures de l'ordre de 1300 F (704 C) ce qui les rend inutilisables à toutes fins pratiques et/où ne peuvent résister au choc thermique sévère répété dû aux tensions tri-dimensionnelles aux- quelles les rotors de certains moteurs à turbine à gaz sont actuellement soumis.
On donnera ci-après des exemples de la préparation et de résultats d'essai de l'alliage à base de fer de la présente invention : @
EXEMPLE 1.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer conte-
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nant 13% de chrome, 2% de columbium, 3% de cobalt, 3% de tungstène, 0,2% de car- bone et pour le reste, en substance du fer, toutes ces proportions étant exprimées en poids, en faisant fondre du fer sous un vide d'environ 10 microns à environ 2.990 F (1.593 C) et en maintenant le fer en fusion à cette température jusqu'à ce que le dégazage soit achevé. On ajoute ensuite du chrome à raison de 13% du poids total de l'alliage sous forme de granules au bain de fusion et on maintient la température de celui-ci à environ 2.900 F (1.593 C).
On ajoute ensuite du co- balt à raison de 3% du poids total de l'alliage, puis du tungstène à raison de 3% du poids total de l'alliage, ensuite du columbium à raison de 2% du poids total de l'alliage et finalement du carbone à raison de 0,2% du poids'total de l'allia- ge, sous forme de graphite. On coule l'alliage en fusion résultant sous un vide d'environ 10 microns dans une lingotière et on le laisse durcir sous vide.
Il est à remarquer qu'on peut ajouter le carbone au mélange en fusion sous forme de carbure de columbium et/ou de tantale au lieu de graphite. Dans ce cas, il faut ajouter le tantale et/ou le columbium au mélange en fusion en même temps que le carbone.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que l'on trai- te ensuite à chaud de la façon habituelle. Ce traitement à chaud consiste à chauffer les éprouvettes à une température d'environ 1.750 F (953 C) et à mainte- nir les éprouvettes à cette température pendant environ 1 heure, à refroidir les éprouvettes à l'air à la température du local, puis à les réchauffer à environ 1.250 F (677 C), à les maintenir à cette température pendant environ 2 heures et à les laisser ensuite refroidir à l'air à la température du local.
Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme d'environ 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre environ 1750000 livres par pouce carré (12. 300 kg/cmê) et environ 225. 000 livres par pouce carré (150800 kg/cmê et leur résistance à la déformation permanente est exceptionnellement élevée. Sous une charge de -50.000 livres par pouce carré (3.500 kg/cmê) à une température d'environ 1.100 F (593 C), la déformation perma- nente ne dépasse pas au total 1% en 500 heures.
Lors d'un essai dans les conditions de marche, on a soumis un rotor fait au moyen du lingot de cet exemple (18 cm de diamètre et 2,5 mm d'épaisseur) à des conditions de choc thermique répété et très sévère sous des''tensions tri- dimensionnelles, en le soumettant de façon répétée à une augmentation de tempé- rature allant de la température ambiante à environ 1.300 F (704 C) en moins d'une seconde pendant qu'il tournait à une vitesse d'environ 30.000 tours par minute.
Sous ces conditions, le rotor ne s'est pas fêlé et a donné entièrement satisfac- tion.
EXEMPLE 2.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer conte- nant 13% de chrome, 2% de tantale, 3% de cobalt, 3% de tungstène, 0,2% de carbone, pour le reste, en substance du fer, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1, excepté qu'on utilise 2% de tantale au lieu de 2% de columbium.
On travaille ce lingotà chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre de 3 pouces de longueur (0,64 cm et 7,6 cm) que l'on traite en- suite à chaud de la même façon que dans l'exemple 1.
Ces éprouvettes ont une '-dureté située dans la gamme allant de 35 à 45 Rockwell C. La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre
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environ 175.000 livres par pouce carré (120300 kg/cmê et 2250000 livres par pou- ce carré (150800 kg/cmê).
Leur résistance à la déformation permanente est excep- tionnellement élevéeo Sous une charge de 50.000 livres par pouce carré (30500 kg/cm2) à une température d'environ 1.100 F (593 C), la déformation perma- nente des éprouvettés ne dépasse pas au total 1% en 500 heureso
Lors d'un essai dans les conditions de marche, on a soumis de façon répétée un rotor obtenu à partir de ce lingot (de 7 pouces (17,8 cm) de diamètre et de 1 pouce (2,54 cm) d'épaisseur) à une augmentation de température allant de la température ambiante à 1.300 F (704 C) en moins d'une seconde pendant qu'il tourne à une vitesse d'environ 300000 tours par minuteo Sous ces conditions, le rotor ne présente aucune fêlure et donne entièrement satisfaction.
EXEMPLE 3.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer conte- nant 13% de chrome, 2% de columbium, 3% de nickel, 3% de tungstène, 0,2% de car- bone et pour le reste, en substance du fer, toutes les proportions étant expri- mées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm), que l'on traite ensuite à chaud de la façon décrite dans l'exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme allant de 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre en- viron 1750000 livres par pouoe carré (120300 kg/cmê) et 2250000 livres par pouce carré (15.800 kg/cmê). Sous une charge de 500000 livres par pouce carré (3.500 kg/cmê) à une température d'environ 1.100 F (593 C), la déformation perma- nente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heureso
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple (18 cm de diamètre et 2,5 mm d'épaisseur) aux mêmes conditions que celles décrites dans 1 exemple 1, sans qu'il se produise de fêlures, le rotor donnant satisfaction.
EXEMPLE 4.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer conte- nant 13% de chrome, 2% de tantale, 3% de nickel, 3% de tungstène, 0,3% de carbone et pour le reste en substance du fer, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple la
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que 1 on trai- te ensuite à chaud de la même façon que dans 1 exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située, dans la gamme allant de 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de oes épruvettes est comprise entre environ 175.000 livres par pouce carré (120300 kg/cm ) et environ 2250000 livres par pouce carré (15.800 kg/cmê). Sous une charge de 500000 livres par pouce car- ré (30500 kg/cm2) à une température d'environ 1.100 F (593 C), la déformation per- manente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heureso
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple aux mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1, et aucune fêlure ne se produit, le rotor donnant entière satisfactions EXEMPLE 5.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer qui contient 9% de chrome, 4% de tungstène, 5% de cobalt, 5% de tantale, 0,4% de car-
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bone et pour le reste, essentiellement du fer, toutes les proportions étant ex- primées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que l'on trai- te ensuite à chaud de la même façon que dans l'exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme allant d'environ 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre environ 175. 000 livres par pouce carré (120300 kg/cmê) et environ 2250000 livres par pouce carré (15.800 kg/cmê). La déformation permanente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heures sous une charge de 50. 000 livres par pouce carré (3.500 kg/cmê) à une température d'environ 1.100 F (593 C).
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple aux mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 et après ces essais le rotor continue à don- ner satisfaction.
EXEMPLE 6.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer qui contient 15% de chrome, 0,5% de columbium, 1% de cobalt, 1% de tungstène, 0,15% de carbone et pour le reste, essentiellement du fer, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que l'on traite ensuite à chaud de la même façon que dans l'exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme allant de 35 à 45 Rookwell C.
La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre en- viron 1750000 livres par pouce carré (12.300 kg/cmê) et 225. 000 livres par pouce carré (15.800 kg/cmê). La déformation permanente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heures sous une charge de 50.000 livres par pouce carré (3.500 kg/cmê) à une température d'environ 1.100 F (593 C).
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple aux mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 et le rotor de cet exemple continue à donner satisfaction après ces essais.
EXEMPLE 7.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer qui contient 13% de chrome, 4% de tungstène, 0,5% de tantale, 1% de nickel, 0,2% de carbone et le restant essentiellement du fer toutes les proportions étant expri- mées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que l'on trai- te ensuite à chaud de la même façon que dans l'exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme allant d'environ 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de ces épruvettes est comprise entre environ 175. 000 livres par pouce carré (12.300 kg/cm ) et 225.000 livres par pouce carré (15. 800 kg/cmê). La déformation permanente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heures sous une charge de 50.000 livres par pouce carré (3.500 kg/cmê) à une température d'environ 1.100 F (593 C).
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple aux mêmes conditions
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que celles décrites dans l'exemple 1 et le rotor de cet exemple continue à donner entière satisfaction après ces essais EXEMPLE 8.
On prépare un lingot d'une composition d'alliage à base de fer qui contient 9% de chrome, 4% de tungstène, 5% de nickel, 5% de columbium, 0,2% de carbone et le restant essentiellement du fer, toutes les proportions étant expri- mées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
On travaille ce lingot à chaud pour en obtenir des éprouvettes de 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm) et de 3 pouces de longueur (7,6 cm) que l'on trai- te ensuite à chaud de la même façon que dans l'exemple 1. Ces éprouvettes ont une dureté située dans la gamme allant d'environ 35 à 45 Rockwell C.
La résistance à la traction de ces éprouvettes est comprise entre en- viron 175.000 livres et 225.000 livres par pouce carré (12.300 et 15.800 kg/cmê).
La déformation permanente des éprouvettes ne dépasse pas au total 1% en 500 heu- res sous une charge de 50.000 livres par pouce carré (3.500 kg/cm2) à une .tempéra- ture d'environ 1.100 F (593 C).
On soumet un rotor fait du lingot de cet exemple aux mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 et le rotor de cet exemple continue à donner entière satisfaction après ces essais.
REVENDICATIONS.
1. Alliage à base de fer, caractérisé en ce qu'il contient en poids: 9 à 15% de chrome ; à 4% de tungstène; 1 à 5% de nickel, de cobalt, ou d'un mé- lange de ces deux éléments; 0,5 à 5% de tantale, de columbium, ou d'un mélange de ces deux éléments ; 0,15 à 0,4% de carbone; et pour le reste essentiellement du fer.