<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne un alliage métallique à base de cobalt qui contient des additifs .de métal d'alliage qui rendent l'alliage résultant résistant à la corrosion ét lui donnent une résistance mécanique élevée à des températures comprises entre environ 1500 et 2200 F (816 et 1205 C)o
L'alliage de la présente invention a comme particularités importantes le fait qu'il peut être coulé, qu'il est très résistant à l'oxydation et à d'au- tres formes de corrosion, et qu'il possède une résistance mécanique élevée à des températures comprises entre 1500 et 2200 F environ (816 et 1205 C)o Cela étant, cet alliage peut être utilisé pour la fabrication d'ailettes, aubes et autres parties de moteurs à turbine à gaz à température élevée.
L'alliage de la présente invention peut également être utilisé pour la fabrication de soupapes d'échappe- ment et de collecteurs dans des moteurs à combustion interne, et pour des échan- geurs de chaleur;, des garnitures de cornue et des récipients utilisés dans les industries chimiques et métallurgiqueso L'alliage peut également être utilisé comme matière de revêtement:
résistant à l'oxydation pour des métaux et des alliages métalliques 'tels que du. columbium, du tantale, des alliages à base de nickel et des allages à base de co- balt qui possèdent des caractéristiques de résistance élevée aux températures élevées mais dont la résistance à l'oxydation aux températures élevées, c'est- à-dire supérieures à environ 1500 F (816 C) est inadéquateo On peut également l'utiliser ppur la fabrication de tubes ou de tôles résistant à la corrosion et très tenaces aux températures élevées, comme matière servant à fabriquer des lames tranchantes propres à découper du verre en fusion et d'autres matières .
corrosives à chaud, ainsi que comme matière utile pour fabriquer des organes de support destinés à être utilisés dans des appareils d'essai métallurgiqueso
Des alliages métalliques à base de nickel et/ou de cobalt connus, qui ont par exemple été utilisés pour des ailettes, des aubes et d'autres parties de moteurs à gaz à température élevée ont une température de travail maximum ,d'environ 1500 F (816 C). Par exemple, un alliage métallique courant à base de nickel et de' cobalt qui contient du molybdène comme constituant n'est utilisable à aucune fin pratique comme organe de construction dans un moteur à turbine à gaz, si la température du métal est supérieure à 1500 F (816 C).
Une raison de cette limite de température réside dans le fait que la résistance à l'oxydation d'un alliage, de ce genre tombe lorsque l'alliage est maintenu à une température supérieure à environ 1550 F (816 C).
L'alliage de la présente invention peut être utilisé pour la fabri- cation d'ailettes ou d'aubes pour des moteurs à turbine à gaz à température élevéeo Ces moteurs peuvent alors fonctionner avec succès à des températures notablement -supérieures à celles qui étaient possibles jusqu'à présent, et ce pendant des périodes de temps prolongéeso Le rendement d'un moteur à turbine à gaz 'à température élevée de ce genre est considérablement amélioré puisqu'aux ; températures plus élevées, la poussée totale d'un moteur à turbine à gaz aug- mente et la quantité de combustible consommée par kilogramme, de poussée diminue.
Suivant la présente invention, un alliage métallique contient en poids : 15 à 30% de chrome; 5 à 15% de tungstène, 0,5 à 2,0% de tantale, 0,1% à 1,3% de carbone; le restant étant essentiellement du cobalto @ .On a constaté que les propriétés de résistance à la corrosion aux températures élevées de l'alliage de la présente invention ne sont pas affectées- si l'alliage contient une quantité de columbium qui n'est pas supérieure à la moitié de s teneur en tantale et qui, en tous cas, n'est pas supérieure à 3% en poids de l'alliage et de préférence pas supérieure à 2% en poidso Autrefois,
on estimait que le tantale et le columbium s'équivalaient à différentes fins.
Cela n'est pas vrai dans le cas de l'alliage de la présente invention. Par exem- ple, si dans cet alliage, on remplace le tantale par du columbium dans la gamme de proportions spécifiée, l'alliage résultant ne possède pas la même caractéris- tique de résistance à la corrosion aux températures élevées que l'alliage de la présente invention.
<Desc/Clms Page number 2>
Quoique le molybdène ne soit pas un constituant principal de l'alliage de l'in- vention, on a constaté que les propriétés de l'alliage de l'invention ne sont pas affectées si cet alliage contient une quantité de molybdène qui n'est pas supérieure à la moitié de sa teneur en tungstène et qui, en tous cas, n'est pas supérieure à 3,5% en poids de l'alliage.
On a également constaté que l'inclusion dans l'alliage de l'un ou de plusieurs des ingrédients suivants, jusqu'à 1,5% de silicium, et jusqu'à 5% de nickel et/ou de fer, peut dans certains cas améliorer différentes caractéristi- ques métallurgiques de l'alliageo
Pour obtenir les propriétés optimum désirées, il faut de préférence maintenir les impuretés suivantes de l'alliage dans les limites ci-après, expri- mées en poidso La teneur en manganèse dans l'alliage final ne doit pas dépasser 2%. Les éléments interstitiels tels que l'azote, l'hydrogène, l'étain et le plomb doivent être maintenus aussi bas que possible. De plus, la teneur totale en désoxydants tels que du calcium et du manganèse ne doit pas dépasser 0,5% dans l'alliage final.
Une gamme de proportions préférée des constituants de l'alliage de la présente invention qui possède une résistance à l'oxydation spécialement élevée à des températures d'environ 2000 F (1093 C) et plus, est la suivante: 16 à 25% de chrome; 7,5 à 12,5% de tungstène; 7 à 11% de tantale; 0,6 à 1,0 de carbone ; et le restant essentiellement du cobalt.
Une gamme de proportions de constituants plus étroite, et légèrement préférée, est la suivante: 18 à 23% de chrome ; de7,5 à 12,5% de tungstène ; 8 à 10% de tantale ; de0,7 à 0,9% de carbone ; etle restant essentiellement du cobalt. La résistance à la corrosion de l'alliage obtenue à partir de cette gamme étroite de constituants peut être légèrement améliorée en ajoutant les consti- tuants suivants: de 0,1 à 0,3% de silicium; de 1 à 2,5% de fer ; etde 1 à 2,5% de nickel. - @
Voici maintenant des exemples des proportions et des résultats d'es- sai de l'alliage métallique à base de cobalt de la présente invention.
EXEMPLE 1.-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) à partir d'une composition d'alliage métallique à base de cobalt contenant environ 20% de chrome, 11% de tungstène, 0,5% de tantale, 0,7% de carbone, et le restan't essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, en' faisant fondre un mélange de chrome et de cobalt dans un creuset en magnésie sous une couverture d'argon, après quoi on ajoute le tungstène, et le tantale et le carbone sous forme de graphite.
On forme un groupe de 6 éprouvettes à partir de la masse d'alliage de 5 livres (2,27 kg) en'fusion, chauffée suivant la technique de coudée habi- tuelle sous une atmosphère d'argono Ces éprouvettes ont chacune 3 pouces de longueur (7,6 cm) et 1/4 pouce de diamètre (0,64 cm).
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 6,8% à tempé- rature2ambiante sous une traction de 104.000 livres par pouce carré (7350 kg par cm ).
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures s ous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par om2) à une température de 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture'dé- passant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une température de 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 20-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) et
<Desc/Clms Page number 3>
des éprouvettes de mêmes dimensions que sur l'exemple 1 à partir d'une compjosi- tion d'alliage métallique à base de cobalt contenant environ 20% de chrome, 10% de tungstène, 10% de tantale, 1% de carbone, et le restant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 10
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 8% à température ambiante sous une traction de 1050000 livres par pouce carré (7420 kg par cm2)o
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures s ous une charge de 200000 livres par'pouce carré (.1430 kg par cm2)
à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture dépas- sant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une température d'environ 1700 F dans l'air (927 C)o ' EXEMPLE 3.-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une composition d'alliage métallique à base de cobalt contenant environ 20% de chrome, 10% de tungstène, 10% de tantale, 0,8% de carbone et le restant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la'même façon que -dans l'exemple 1.
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 8,4% à témpéra- ture ambiante sous une traction de 1150000 livres par pouce carré (8.130 kg par cm2)o
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant
100 heures sous une charge de 20.000 livres (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge' de 15-000-livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une température d'environ 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 4.- ' On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg,) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celle de l'exemple 1 à partir d'une composi- tion d'alliage métallique à base de cobalt qui contient e n v i r o n 15 % de chrome, 15% de tungstène, 13% de tantale, 0,65% de carbone et le restant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 10
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 12% à tempéra- ture ambiante sous une traction de 1150000 livres par pouce carré,(8.130 kg par cm2).
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant
100 heures sous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C); une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une.température, d'environ 1700 F dans l'air (927 C)o EXEMPLE 50
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2927 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une composition d'alliage métallique à base de cobalt qui contient environ 20% de chrome, 10% de tungstène, 20% de tantale, 0,85% de carbone et le restant essen- tiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids,
de la même façon que dans l'exemple 1.
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 7,5% à tempé- rature ambiante sous une traction de 1050000 livres par pouce carré (7420 kg par cm2).
<Desc/Clms Page number 4>
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une température d'environ 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 6.-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2927 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une composi- tion d'alliage métallique à base de cobalt qui contient environ 28% de chrome, 5% de tungstène8% de tantale, 0,7% de carbone et le restant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 1.
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 11,5% à tèmpé- rature ambiante sous-'une traction de 110.000 livres par pouce carré (7780 kg par cm2).
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une température d'environ 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 7.-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) à partir d'une, composition d'alliage métallique à base de cobalt qui contient en- viron 30% de chrome, 5% de tungstène, 5% de tantale, 0,1% de carbone et le res- tant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, en faisant fondre un mélange de chrome et de cobalt dans un creuset en magnésie sous vide élevé, après quoi on ajoute le tungstène, le tantale et le carbone sous forme de graphiteo On forme un groupe de 6 éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir de la masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) chauffée par la technique de coulée habituelle sous vide élevéo
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 1,
5% à tempéra- ture ambiante sous une traction de 800000 livres par pouce carré (5625 kg par cm2).
Les éprouvettes de cet exemple ont une vue jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température de 1600 F dans l'air (871 C); et une vie jusqu'à rupture dé- passant 100 heures sous une charge de 10.000 livres par pouce carré (707 kg par cm2) a une température de 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 80-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une composition d'alliage métallique à base de cobalt qui contient environ 18% de chrome, 8,6% de tungstène, 2,5% de tantale, 0,5% de columbium, 0,6% de carbone, 1,5% de silicium, 2% de nickel, 2% de fer et le restant essentiellement du co- balt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 70
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement de 2% à tempéra- ture ambiante'sous une traction de 1050000 livres par pouce carré (7420 kg par cm2).
Les éprouvettes de cet exemple ont une vie jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 C) et une vie jusqu'à rupture
<Desc/Clms Page number 5>
dépassant 100 heures sous une charge de 150000 livres par pouce carré (1060 kg par cm2) à une'température d'environ 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 90=
On prépare une'masse d'alliage en fusion de 5 livres (2927 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une compo- sition d'alliage métallique à base de cobalt qui contient environ 20% de chrome, 7,5% de tungstène;, 9% de tantale;, 0,8% de carbone, 0,1% de silicium, 2,5% de nic- kel, 2,5% de fer et le restant essentiellement du cobalt;, toutes les proportions étant exprimées en poids;, de la même façon que dans l'exemple 7.
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement d'environ 4% à température ambiante sous une traction de 1400000 livres par pouce carré (9900 kg par cm2)o
Les éprouvettes de cet exemple ont une vue jusqu'à rupture dépassant
100 heures sous une charge de 25a000 livres par pouce carré (1750 kg par cm2) à une température d'environ 1600 F dans l'air (871 0) et une vue jusqu'à rupture dépassant 100 heures sous une charge de 200000 livres par pouce carré (1430 kg par cm2) à une température d'environ 1700 F dans l'air (927 C).
EXEMPLE 10.-
On prépare une masse d'alliage en fusion de 5 livres (2,27 kg) et des éprouvettes de mêmes dimensions que celles de l'exemple 1 à partir d'une composition d'alliage métallique à base de cobalt qui contient environ 25% de chrome, 5% de tungstèneg 5% de tantale, 2,5% de columbium, 2,5% de molybdène,
0,3% de carb-one et le restant essentiellement du cobalt, toutes les proportions étant exprimées en poids, de la même façon que dans l'exemple 70
Les éprouvettes de cet exemple ont un allongement d'environ 4% à température ambiante sous une traction de 1180000 livres par pouce carré (8340 kg par cm2).