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Alliage à base de columbium pour températures élevées.
La présente invention concerne des alliages nouveaux à base de columbium et plus particulièrement des alliages nouveaux et perfectionnés à base Deco.umbum, possédant une résistance supérieur à de rupture par fatigue aux températures élevé...
La principale limitation dans la technologie de la turbine à gaz est constitua aujourd'hui par la température maximum d'entrée à la turbine. La température d'entrée à la turbine est limitée à son tour par la tempréatrue à laquelle les aubes et palettes de la turbine sont capables de résister sans risque de défaillance, Antrérieurme,t les alliages pour
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températures élevées que l'en pouvait se procurer le plus facilement étaient les superalliages à base de nickel et de cobalt, mais les parties constituantes de structure qui sont de nature critique,
telles que les aubes et pales de turbine construites à partir de tels alliages sont limitées à des températures maximale* de fonctionnement comprises entre 871 C et 1038 C
Parmi le* qualités physiques techniquement les plue Importantes du columbium en tant qu'alliage de base, il faut citer sa température de ùnion élevée (2363 C) et se faible section droite de capture de nautrons.Le columbium est, en conséquence, potentiellement utile pour les avion. rapides et pour Ion véhicules de vol spatial ainsi que dans les réacteurs nucléaires.
Il y a de nombreuses années, il a été reconnu d'une manière générale quo les propriétés de résistance des métaux à température élevée sont étroitement en rapport avec leurs pointe de fusion.Par conséquent, les métaux ayant un point de fusion élevé tendent à avoir des caractéristiques élevées de résistance aux températures élevées
La nécessité de disposer de Matériaux de construction pour utilisation & des températures supérieures à celles qui peuvent 6tre obtenues avec les Matériaux de construction actuels a stimulé l'intérêt preor aux métaux réfractiaires et en particulier au chrome,au olumbium, au moylbdène et au uhntuZne, Jusqu'à 1957 environ,
% le molybdène a été sens! déré comme (,'tant la réassurée principale pour de tell.. utilisations.Toutefois dans les condition* de fonctinmemtn
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à tmemérature élevée dont on a besoin, le molybdène s;
oxyde à un taux catastrophique principalemen parée que l'oxyde de molybdène est volatil aux températures élevées En raison des problèmes très importante qui se sont posés lers des tentatives faites pour revStir le molybdène et des problèmes qui se psent à la fabrication, lintérêt s'est récemment porté sur le columbium en tant que base ld'alliage pour les fonctionnements à température élevée.
Le columbium est, en propre, un métal mou, ductile, pouvant être fabriqué facilement.Bien que es température de fusion soit de 237300 environ, le columbium devient trop peu réaiatant pour une utilisation sturcrale à des températures supérieures à 649 C Le columbim est en outre un métal très réactif du fait qu'il dissout de grandes quantités d'oxygène et probablement, de l'azote quand il est exposé à des atmosphères contenant des quantités,même petites, de ces éléments à des températures modérées.
Bien que le columbium soit oxydable, son oxyde ne se volatilise pas et il est par conséquent possible de localiser une attaque par l'oxygène sur le oolumbium en revotant le métal. D'autres avantages offerts par les alliacée base de columbium, comparés aux alliages à base de molybdène, résident en ce que les alliages de co.umbium sont relative.
Mont plus ductiles et plus susceptible d'être travaillé* aux basses températures et en ce que le olskumbium a vint densité plus faible que celle du molybdène.
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La résistance mécanique et la résistance 1 1'oxydation. du columbium pur peuvent $tre très amélioras par l'addition d'él6montti d'alliage. On a trouvé quo des alliage, b1nl1re. de columb1um et de tungstène poosôdent la r4siatano. désirée de rupture soue fatigue et de résistance & la traction nddeem situes aux températures supérieures à 109300# En conséquence,l'un des objets principaux de l'invention
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est de fournir dos alliages nouveaux et perfectionnas à base de columbium ayant une résistance à la rupture aous fatigue inhabituellement élevée à des températures allant jusqu'à
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120400 environ, sans effet nuisible cuit sur les possibilités de fabrication, soit sur la ductilité de l'alliage à le tempe-
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rature ambiante.
L'alliage A base de oolumbium suivant; l'in- vention a une résistance à la traction très élevée à la tem- pérature ambiante.
Outre une résistance à la fatigue très élevée, à la tem- pérature ambiante et sa résistance très élevée à la traction, cet alliage nouveau a une résistance à l'oxydation améliorée.
La résistance de rupture sous fatigue à des températures
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jusqu'à .201 C au moins est obtenue sans qu'il soit néces- saire d'exécuter un traitement thermique quelconque. L'al- liage & base de columbium,renforcé, en solution solide, nouveau et amélioré selon la présente invention, est amélioré de manière importante par l'addition de quantités minimes d'un autre élément.
L'invention consiste en une composition de matière pour
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l'obtention d'un alliage de columbium ayant une réeietanct
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à la rupture nous fatigue à température élevée qui est très élevée et une résistance à la traction très élevée.
Cette composition est constituée par un alliage à base de columbium et par une addition minime de béryllium. Il faut que la teneur en béryllium soit inférieure' 0,3 pour tent;cette teneur est comprise avantageusement entre 0,05 environ et 0,15 pour cent environ et pour les meil- leurs résultats il faut qu'elle soit d'environ 0,1 pour cent.
En outre, conformément à l'invention, l'addition de quantités minimes la chrome aux compositions précédente est avantageuse du fait qu'elle augmente la résistance
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à ltoxydatîon#A cet effet,la teneur en chrome peut ttm comprime entre 0,3 et 4 pour cent,-elle est avantageusement comprise entre Oe3 et 2 pour cent et elle est de prild. renne d'environ 1 pour oint.
Les alliages suivant 1'invention peuvent être avant$.
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geuoement formés par des additions minime de 'ryl11ua, ou de béryllium et de chrome,dane les proportions indiquées ci-des8ue, , des alliages 1 base de coluabiua constitués par du CQ1bium et par 1 à 40 pour c4nt#tn poids, dfau moins un élément choisi dans le groupe comprenant le tantale, le tungstène et le itolybdène4Dt tels alliages peuvent comprendre aussi, en combinaison avec les 1nsr4- dîente précédents, de 0 à 10 pour cent d'au moins un élément du groupe constitué par le hafnium,le tirconiua et le vanadium.
Ces derniers éléments peuvent cocofuniquer
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aux alliages certaines caractéristique désirées telle qu'une
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résistance mécanique et une résistance à la contamination aug- mentées, les additions da tUl8tèn, et de molybdène fournis- sent principalement un renforcement de solution solide de la base en columbium et l'addition de tantale abaisse la tempéra- ture de transition de l'état cassant à l'état ductile.
Bien que les effets des additions de béryllium ou de chrome et de béryllium, se traduisant par une amélioration
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du comportement de la rupture sous fatigue des alliage à base de columbium, ne soient pas bien compris, on estime que 1 famé-i lioration dans les propriétés de rupture sous fatigue, obtenu avec des additions minimes de béryllium est obtenue par un mécanisme de renforcement de la seconde phase. L'addition de quantité minimes de béryllium, conformément à l'invention,
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nta auounéffit sur la résistance à l'oxydation de la base d 'alliage.
Dans la préparation des nouveaux alliages suivant l'invention et dans la préparation des exemples qui vont cui-
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vreson t'est servi de techniques connues de fusion et de meu- lâg**Pour faire comprendre plus clairement l'invention, on a
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donné ci-d*4#ous des exemples spécifiques de réalisation de If'
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invention.Ces exemples sont donner seulement à titre d'illus- tration et ils ne doivent pas être compris comme limitant la portée de l'invention ainsi que les principes sur lesquels est basée l'invention.Pour assurer l'homogénéité des alliages, il est souhaitable de faire usage de fusions multiples *De
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masses fondues séparément peuvent être ensuite fondue4.
et < coulées ensemble et l'on peut laisser la masse fondue se refroidir et se solidifier en prenant une forme déterminée,,
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Le fusion peut être obtenue soit au moyen d'un fétu* du type à Induction soit au moyen d'un four à Arc faisant ussage soit d'électrodes concumables soit d'électgroces Son Cosu- mables. On peut se servir avantageusement d'un tour de fusion utilisant un creuset en cuivre refroidi.
Quel que boit le type de four utilisé fil faut prendre bien soin, dans l'opération de fusion et de coulée, de pro- léger le métal fondu de la contamination atmosphérique par l'oxygène, par l'azote et par les autres gaz qui peuvent être présente et l'opération de fusion est,en conséquence, conduite dans une atmosphère contrôlée.
Dans la préparation des métaux pour la charge on peut se servir presque de n'importe quelle forme appropriée de métaux tels que grenaille,granules,poudre ou fil métal- luqe.ol faut en outre que les métaux aient la pureté la plue élevée pouvant être obtenue dans les métaux du commerce.L'alliage obtenu fournira un métal exploitable qui pourra être utilisé dans les applications à température élevée et qui conservera une résistance mécanique élevée à des températures bien supérieures à celles auxquelles peuvent être soumis aujourd'hui les alliages connus rame résistant à une température élevée.
Les alliages suivant la présente invention ont une bonne résistance à la rupture sous fatigue et une bonne résistance mécanique à des températures atteignant au moine 1204*0 environ*
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Un mélagne de 15 pour cent en poids de tuangstène, 0,1 pour cent en poids de béryllium, le solde étant sions- titué essentiellement par du columbium, A été introduit comme charge dans un creuset en cuivre, refroidi par de l'eau, d'un four de fusion du type à électrode non conau agle, utilisant une électrode en tungstène.
Avant la fusion, la chambre du four a été mise tous vide trois fois, puis remplie avec de l'hélium en vue de l'obtention d'une atmosphère contrôlée exempte d'air, suffisaient inerte.
La charge de cet exemple a été fondue neuf foie, le nombre total de fusions nécessaires pour l'homogénéité étant déterminé par lea observations propres de lopératur et par radiographies Après que la charge a subi sa dernière fusion, le tour - été mis hors circuit et on a laissé la masse fondue se refroidir dans l'atmosphère d'hélium, on l'a déchargée du creuset et on l'a soumise aux essais décrits ci-après.
Un lingot coulé à l'arc, en forme de bouton d'essai de 63,5 x 19, 05 x 11,11 mm a été usine à plat sur ses ex trémitée et sur ses faces aux dimensions de 57,15 x 15,87 x 11,11 mm. Après usinage, le lingot a été enrobé dans des feuil- les minces de molybdène. Les lingots enrobés dans ces feuilles ont été introduits dans des trous d'emboîtement usinés dans une culasse de plaque de chaudière Des plaques de recouvrement!. en acier inoxydable ont été soudées sur la partie supérieure et sur la partis inférieure de la culasse et il a été soudé sussi un tube de msie boue vide.
En aicer à faible teneur en carbone. L'encsemble dd oulesasd rendu étanche aux gaz a alors
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4t6 aie Mue vide jusqu'à environ 100 mierone à 98200 et scellé ptr forgeage. Enfin, '.noamb1, été 1 =1n4 .
902*0 jusqu'. un 'p1oo.ur totale de 39173 ton Apr4b le laminage, lee bundon d'al11iiS' ru1t41. maintenant environ à 203e2 x 13987 x 2,28 mm, ont été r4cu- p6riea* Le. umnd*3 ont été conditionn4se alors par moulage et par décapage et l'on a mesuré leur dureté. Des évMlu.a.t1on8 qualitatives d'aptitude . 1& fabrication ont été taît*4 au moyen d'ob8.rvt1onu visuelles. L'aptitwte à la fabrication de cet alliage a 98200 a été excellente* L'alliage a été tomaix ensuit.. un traituuent de recuit pendit. 1/2 heure' 164960 et Da dureté a été ensuite
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meaur4es Ensuit, on a oxécuté des ...a18 pour tixer la tmpd.
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rature de laminage final en faisant usage de petits échan- tillons. Des essais ont été faite à la température ambiante
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à la température de 26060# î la température de 538*0 et à la température de 99200.
Finalement, les bandes ont été laminées jusqu'à une épaisseur de Oo73 mm 4 la température la plus oalSS8 pouvant être admise et la dureté a été moou- rit à nouveau. Pour cet alliage particulier, une bonne tem- pérature de fabrication a été de 9±t.0.
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Des échantillons de l'alliage ont été usinée et ont
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été soumis à un revenu pendant 1/2 heure à 1204*C dans une atmosphère d'argon. Ces échantillons ont été ensuite
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essayés &u pqint de vue des défauts de résistance à la traction à la température ambiante et à la température de 12040ce
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Lea essaie A la température ambiante ont été exé- cutés sur une m6coint universelle 4'.8.i. de touthwtrk à des vitesses do croate de 0,127 a pur minute jusqu'à leellongement élastique et à un taux de 1,27 N<a pur minute juoquek rupture* Les essais z 1204*0 ont été Ix4cut'. dune un vide d'un micron duna un chtiaîe pour "8' de fluagea Lot échantillons ont ité enveloppée avec un* fouille de tantmlo pour l'exploitation.
tu durée approximative d'ex- position à des t.pArturwa supérieure* 4 98240 a été d'une demi-heures Dans oe4 essais# la résistance à la rupture do cet mllïuge a été de Ô400 (g/Ql2 et ta r4eia*- tance à la rupture à 120400 a été de 3.360 kg/e 2, La ductilité de cet alliage à la température ambiante a été représentée par un allongement de 24 pour cent.
Des essais de rupture sous fatigue ont été exé-
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outés aur des échantillons de l'alliage à 120440 dans un vide d'environ un micron. Pour ces essaie, les échantillons
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ont été de nouveau enveloppés dans une feuille de tuntale.
La résistance 4 la rupture sous fatigue de cet alliage à 1204*C a été de 1330 Kg/cxa2 pour 7,4 heures*
Pour les essais d'oxydation, un échantillon a été; exposé à une atmosphère d'air statique à 1204*0 pendant
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1/2 heure. eon échantillons ont été préparés parareoiuge jusqu'à un fini uniforme avec un abrasif en grès au tamis ;
de 240. Après avoir pesé et mesuré soigneusement tous les ' composants importants, le échantillons ont été exposés
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dans été épousas n pcreelaiae pWehfeultét d<un< manient à obtenir le maximum de 8tQO' dxpotition* Après exposition on évalué chaque échantillon e mesurant le gain de poids ( métal plus oîeydi}* la. petto de poids ( métal plus oxyde adhèrent), on & procédé à la détermination métallographique de la perte de métal et de la micro-dureté transversale pour déterminer la. profondeur de contamination.
Dans ces essais, on a considéré qu'il y avait contamination quand la dureté a été supérieure de 50 VHN à la dureté de base. Pour cet alliage, le gain de poids
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( oxyde plus métal) en mg/cm" z été de 20 et la perte de poids ( après brossage pour enlèvement de l'oxyde non
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adhérent) & été de 37* La profondeur de contamination a vté de lbo9 ion et s'est étendue jusqu'au centre de l1 échantil- Ion*
La dureté de cet alliage à l'état moulé a été de
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257 VHN.
La dureté après rupture ou fabrication initial a été de 252 VHN et la dur té aprèt le traitement de rocuitli
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à 169'O pendant bzz heurt & été de Z53 VHN. tels pro priâtes de 1"4.t.ta.nol z la tpttcticn 1 t de r.81Itnc. à la rupture sous fatigue, de cet u11iaCI. contenant 0,1 pour cent dt b$ryl11um ont 4té nott4osnt supérlsuras à celles d'un a11iS' de contrait établi sur la mime base. 0 test-4-dire 13 pour cent da tVJtI.t.'n6 po1da et le solde étant constitué "8.nt11.m.nt par du oQJu..mb1\lUh La r',,1atano. à la Npturl par tZ'4#.ot1on dt 1 'alliage de contrôle Ob - 1$ W à la amrz;
atzr . 1 ..
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ambiant* été de 6790 Kg/cm2 et elle a été de 2170 Kh/cm à 1204 C tandie que, avec l'alliatge ob- f13 W- 0,1 Be selon l'invention, la r sistance à la rupture par traction à la tempéfacr ambinate a été de $400 Kb/cm2 et a été de 3360 Kb/cm2 à 1204*0, La résistance à la rupture soue fatigue de la taxeo Cb - 15 W a été après 1 heure environ de 1260 Kb/cm2 tandis que la résistance à la rupture sous fatigue de l'al- liage Ob - 15 W - 0,1 Be suivant l'invention a été après 7,4 heures,
de 1330 Kb/cm2 La ductilité à la température ambiante de la base ob - 15 W a correspondu à un allonge- ment de 22 pour cent tandis que lu ductilité à la tempéra * ture ambiante do l'alliage cb - 15 W- 0,1 Be a correspondu à un allongement de 24 pour cent. Par conséquent, en dépit des caractéristiques marquées d'amélioration de la résis- tance de 1' alliage attribuable à l'addition de béryllium suivant l'invention, cette addition ne produit aucune di- minution dans la ductilité, 4 la température ambiante, de l'alliage
EXEMPLE II
Un lingot d'un alliage de columagium, de tungtène de chrême et de béryllium comprenant en poids 15 pour dont de tungstène, 1 pour cent de chrome, 0,
1 pour cent de béryllium, le solde étant constitué par du columbium, a été préparé suivant la description donnée dans l'exemoler
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Les essai* de cet allia. ont été exécutée de la même manière que le ennui$ indiquée dans l'exemple I, Cet alliage a été fondu onze foie*
Bien que cet alliage n'atit paa été essayé pour la résisatancd à la rupture soit à la températen ambiae soit à la température de 1204 C.
la résisacne à al rupture sous fatigeu à 1204*0 a 't'au bout de 9 beur.. ci* 1330 Kg./cm2 La possibilité de fabrication initiait Ce cet allia* ge a été estimée satisfaisante après une fatricaiton à 982 C maie ca possibilité de fabrication final, u été estimés comme étant très bonne après une fabrication final..
982 C avec un recuit de 1/2 heure à 1649 c.exécuté entre la fabrication initiale et la fabrication final..
Le dureté ce cet alliage à l'état moulé a été de 332 VHN ma dureté sprès fabrication initiait ou ruprtur a été de 278 VHN et sa dureté après traitement de recuit a été de 237 VHN.
Les résultats de l'essai d'oxydation exécute sur cet alliage ont été les ausivat; le gain de poids en mg/cm2 (oxyde plus métal) a été de 15; la perte de poids ( matière brossée pour enlever l'oxyde non adhérent) a été de 23; la profondeur de contamination a été de 0,78 mm; et le centre de l'échantillon n'a pas été contaminé. ll y a eu par consé. quent une amélioration caractérisée dans la résieance à l'oxydation dans le cas de l'exemple 11 apr rapport' l'exemple 1.
Conformément à l'invention, il est par conséquent possible d'obtenir des alliages à base de columbium qui présentent des qualités de résistance nettement supérieur.., à la fois pour ce qui concerne la résistance à la traction et la résistance a la rupture sous fatigue,par rapport à celles des allia., de base, grâce à des additions minimes
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de béryllium, et de béryllium et de chrome.