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" Alliage à bace de nickel "
La présente invention se rapporte a des alliages destinés a être utilisés à des températures.. élevées,et en particulier à des températures supé- rieures à 815 C, Elle se rapporte plus particuliè- rement à'des alliages contenant des quantités impor- tantes de nickel, cobalt et chrome, et des quantités moindres mais effectives et nécessaires de bore, d'aluminium, de titane et de molybdène. Une carac- téristique importante de la présente invention est l'addition à l'alliage de bore en quantités relati- vement faibles mais en relation contrôlée avec l'alu- minium et le titane.
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Il existe actuellement une demande près-* santé pour des alliages présentant un point de fu- sion élevé, et qui conservent d'une façon satisfai- eanta des caractéristiques mécaniques élevées dans une gamme de températures supérieures à 815 C.
Un exemple d'une telle application est donné par les au- bes des turbines à gaz des moteurs à réaction* On continue à étudier de tels moteurs donnant une pous- ode de plus en plus élevée, et la façon la plue évi- dent* et la plus classique d'obtenir une poussée plus élevée est d'élever la température des gaz frappant les aubes de la turbine.Les températures extrêmement élevées qui sont ainsi mises en oeuvre imposent des exigences éprouvantes à la matière des aubes des turbines du fait que les caractéristiques mécaniques de tous les métaux et alliages se dété- riorent dans les gammes de températures supérieures* -
Pour donner des poussées encore plus élevées,
les mo- teurs attendent la mise au point de nouveaux alliages présentant des caractéristiques mécaniques, en parti- culier la résistance à la traction et la limite élas- tique, suffisantes pour soutenir des efforts appli- qués à des températures de plus en plus élevées.
De même il est avantageux qu'un alliage pour haute température puisse être produit à la fois sous forme coulée et sous forme corroyée, et qu'il puisse être déformé mécaniquement avec une facilité ' raisonnable,
En conséquence la présente invention se pro- pose notamment de fournir - un alliage convenant pour des applications
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à haute température,'présentant aux températures élevées des caractéristiques mécaniques très supérieures
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à celles qu'on a pu obtenir jusqu'à, présent dU le domaine général des alliages* - un alliage constitué essentiellement par
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une base de niokel-.oobalt"ohrome comportant du chromât de 1'aluminium, du titane du molybdène et du bore dans des gammes réduites.
- un alliage du type défini dans les deux
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paragraphes précédente qui présente des oaraot4risti- que favorables à haute température à la foie à l'état coulé et à l'état corroyé.
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- un alliage tel que défini 01-d"1\\8 pouvant être travaillé a! aetwâ.d.xe déforme mécaniquement par laminage, forgeage, etc...) avec une facilite satis- faisante à partir de lingots coules.
Les buta et avantages de la présente inven- tion apparaîtront d'après une étude de la spécification suivante qui décrit la présente invention avec plus
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de détails, et en liaison aven le desuin annexé qui représente les caractéristiques de fatigue h la rupture d'alliages réalisée suivant la présente invention. lies constituants de "base" de l'alliage sont le nickel, le chrome et le cobalt,Le chrome est pré-
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sent en quantités comprises entre 14 et 1 i, 0 6 en poids, et le cobalt en quantités comprises entre l3pO % et 20,0 en poids.
Le titane doit être présentât quantités com- prises entre 3,5 ;$ et ',75 1,4p et l'aluminium en quan- tités comprises entre 4,0 % et 4,5 %. Le molybdène est ajouté en quantités comprises entre 4t5O 16 et 5,50 9.
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et le bore en quantités comprises entre 0,015% et 0,04%.
Une composition préférer proposée dans les gammes indiquées ci-dessus est la suivante! chrome 15,5% cobalt, 19.0% titane 3,5% aluminium 4,25% bore 0,03% et molybdène 5,0 %; le solde étant constitué par du ni- ckel avec présence possible de quantités très faibles (par exemple des traces) d'impuretés ou d'ingrédients qui ne nuisent pas d'une'façon essentielle aux caractéris- tiques mécaniques à haute température de l'alliage.
Les alliages situés à l'intérieur des gagnée indiquées ci-dessus sont particulièrement remarquables à l'intérieur d'une gamme de température$ comprises entre 815 C et 1095 C environ. En ce qui concerne particulière- ment le bore, le titane et l'aluminium, si leurs gammes respectives sont supérieures aux limites les plus éle- vées de ces gammes, les alliages résultants deviennent à peu près impossibles à travailler, et si leurs quan- tités tombent en dessous des limites inférieures de ces gammes; les caractéristiques à température élevée de l'alliage tombent d'une façon marquée, en particu- lier les caractéristiques de charge à la rupture.
Un essai normal pour déterminer si les allia- Ses conviennent pour des spalications à température élevde est l'essai de charge de rupture qui vient d'être , mentionné. Dans cet essai, un échantillon de l'alliage à essayer est soumis à une charge appliquée d'une fa- çon continue tandis que l'échantillon est maintenu à une température élevée choisie jusqu'à ce que finalement il se rompe.
La charge appliquée au moment de la ruptu- re est calculée en kg/mm2 de la façon habituelle, ainsi que le pourcentage d'allongement qui constitue une mesure
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de la ductilité, 1 dirent Mtutiatiquc inportant est la durv4J 7=nunt l;quI: 11v l f C\'),J1tl1) on R rdfJ1.lJté h la ohaï'Ë avant du au rOLprft Un alliée d'311!f1ij "W11 a été élaboré d&na la nouvelle r,t.ra décrit*} ici, et Il pr<5o<snté la compo- sition suivante chromo 15,h%, cobalt 18,65*, bore i,t2n, uluniniun 4,47, titane y5; , ruolybdénG 5.H<. le solde ôtnnt constitué D{H:nt1ull(.l:.(;nt pal' du nicole A l'état corroyé et k uno tcmpÓrl1tur de 9C2"C, ont alliage 'slst k une churgo de 12,6 k:!11U1l2 pendant 123,1 1 hru:ra avunt de se rompr" avec un ullangsrsLnt de 11,5.
et une réduction de 21 r3 de ea section dans la zone de rupture.
Un autre alliage, dôcnigné "3V", comprie dans cette gararno a eu la composition suivante! chrome <58%, cobalt 18t5e# bore O,Qi9, aluminium a,3fi. titane 3,49% molybdbne 5.0%, le solde étant constitué essentiellement par du nickel. A l'état corroyé, et à une température
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de 98200# cet alliage a rèsioté à une charge de 12,6 kg/mm2 pendant 104,2 heures avant do se rompre, avec un allongement do 17,4% et une réduction de section de 27,2% dans la zone do rupture.
Encore un autre alliage , désigné "O" dans
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cette gamme, a eu la composition suivante! ohrome 14,5, cobalt l9pO%o bore 0,03%, aluminium 4,46, titane 3p5y molybdène 5,25%/. le solde étant constitue essentiellement par du nickel. A l'état corroyé, et à une température de
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9820cl cet alliage a résista a une charge do 12,6 kg/am2 pendant 100,3 heures avant de se rompre, avec un allon-
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gement de 1'"" et une réduction de section de z dans la zone de rupture.
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Un autre alliage se trouvant dans la gamme
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décrite loi et faisant partie de la présente invont1on, à l'état ooul6 à une température de 92'1 et sous une charge appliquée de 14 ktYÎcnm2r a raisté à la charge plJt11unt 1000 rcura oana ae rompre, ce qui ont supéw riour 4 'une façon surprenante aux alliages d'une compo- aition oorreaponuante mais 88 trouvant ta dehors de la gamme d'alliages déorito ici. Un tel alliée commercial se trouvait juste on dehors de la gamme de la présente
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invontion a ou uno durée avant rupture, à l'état coule, d'environ 170 heures à 927 C, et .sous une charge de
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14 kslmm2.
La durée moyenne prévue d'un alliage cmaer* oial pour température élevée de ce ouractbrQtdndr4l mai. ayant une composition se trouvant en dehors de la pré-
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sente Bwmme, est de 30 heures à 98200 et saus une charge de 12,6 kg/mm2.
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Lo dessin annexé représente les caraotdriatie qucs de rupture en charge pouvant être déterminées à partir de trois paramètres lorsque deux quelconque$ de .
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oos paramètres sont connus. ces paramètres sont la tem- pérature, la durée sous la charge, et la oharge en ki- logrammes par millimètre carré. Le dessin porte des lé-
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gendres appropriées qui parlent d'elleasmêmee.
Les dont nées ayant servi h tracer oc dessin ont été obtenue! a partir d'essaie sur l'alliage préféré décrit plus haut, '
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L'utilisation du dessin sera familière.aux homme de'- , ,JI' ' f l l'art, mais en supposant que lors d'un essai la tempé-
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rature est de 899 0. comme indiqué par la ligne "a" 4ur' le dessin, et quo la charge est de i y 5 !te/mm2, oomat ' " ,'; indiqué par la ligne "bl' sur le dessin, l' 4ohantillon . doit avoir une durée de vie moyenne avant rupture de
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550 heures, comme indiqué par le point "X", Les carac- téristiques données s'appliquent à des échantillons corroyés.
Les alliages de la posant* invention présen- tent les résistances à la traction et à la rupture soue charge les plus élevé., à température élevée, de n'im- porte lesquels des alliages k base de oobalt ou nickel sous une forme comparable (par exemple ,coulés corroyés, etc..). Leurs caractéristique sont susceptibles de va- rier suivant les conditions suivantes recommandées Ils peuvent être recuite 4 une température de 1150 C envi- ron pendant deux heures, recuit suivi par un refroi- dissement à l'air. Un traitement de mise en solution préféré consiste en un chauffage pendant quatre heures à 1080 0,
suivi par un refroidissement à l'air. Un bon traitement de revenu intermédiaire consiste en un chauf- fage pendant vingt-quatre heures à 843 C suivi par un refroidissement à l'air. Un traitement de revenu final consiste en un chauffage pendant seize heures à 7600 suivi par un refroidssement à l'air. Ces traitements recommandés sont destinée 4 une matière première laminée, forgée, ou corroyée autrement.
Bien que les alliages décrits loi et faisant partie de la présente invention présentent des caractéris- tiques améliorées à température élevée môme lorsqu'ils sont coulés dans des conditions classiques, on obtient les meilleurs résultats lorsqu'ils sont fondus et coulés dans un four à vide sous des pressions très basses de l'ordre de 5 à 10 microns.
Dans de toiles conditions, et en uti- lisant des éléments d'alliage de pureté élevée, on peut obtenir des caractéristiques à température élevée exoop.
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tionnellement favorables
Dans les alliages décrits ici en peut subs- tituer à tout ou partie du titane une quantité égale
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de zirconium tout on conservant encore 4 'un façon mar- qude les avantages de la présente invention< , Remttrque (A) s |tf f e,, bioue du bore
Des alliages qui avaient des compositions sem- blables sauf pour la teneur en bore ont été essayas
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à la rupture en charge & 98200, sous une charge de 12,
6 kg/mm2. lorsque la teneur en bore s'est trouvée à l'extérieur de la gamme de la présente invention, on a trouvé des durées de vie relativement faibles et des ductilités excessivement faibles (inacceptables pour des applications de mécanique- courante.-), comme indi- t que par les chiffres comparatifs suivants ;
'-
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(1) Alliages dont la composition est en dehors Charge de rupture à 9820C de la gamme spécifiée 12,6 k.g/::r::a.2
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<tb> Durée <SEP> Allonge- <SEP> Réduction
<tb>
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Oou1e C ai S Kc ce SU. -<heure>' sent z de section 3-4106-1 0,05 4*42 3,47 4,8 5,,10 8,8 0,0012 Solde 13,8 3t- 2,2 3-4106-2 0,05 4,42 3,49 14,7 5,10 19,0 0,0096 Solde 35el 7,4 10,4 H106-3 OrC5 4p45 3,49 14,8 5,10 19,0 O,OÎ4S Solde 65,0 7,5 8,8 (II) Alliages dont la composition est comprise
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<tb> dans <SEP> la <SEP> gamme <SEP> spécifiée
<tb>
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3-3765 0,07 4,34 3,45 15,6 5,0 18,6 0,0240 Solde 82,1 14,6 20,7 Alliage- V 4,47 3,50 z5,6 5,1 18,8 0,029 % Solde 123,1 11,.5 21,3 l1i;;ge .... 4,37 3,49 15,8 5,0 .18,5 0,031 Solde 10492 17,4 27,2 AUiege ..
WC* 4,40 3,55 14,5 5,25 19,0 0,030 Solde 100,3 ll3x3 19,0
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Remarque (b)t Effet nuisible du fer
Jusqu'à présent on a conclu que la présence du fer était bénéfique pour la durée de vie avant rup- ture sous charge lorsque sa teneur cet comprise dane une gamme allant de à 12% et lorsqu'il est soutéà un alliage contenant 15-16% de chrome, 1,80 à 2,25 d'aluminium, 2,50-2,75% do titane, 5,5% de molybdène, 0,12-0,15% de carbone, le solde étant constitue esson- tiellement par du nickel.
Plus particulièrement, la durée ayant rupture on charge à 871 C sous une charge de 14 kg/mm2 augmente depuis environ 250 heures pour 1% environ de fer jusque environ 400-heures pour 12% environ de fore Cependant, dans le cas de l'invention de la demanderesse , on observe que le fer a un effet inverse (c'est-à-dire un effet nuisible) sur la durée de vie avant rupture sous charge, comme on le voit par- les chiffres suivante
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<tb> Durée <SEP> de <SEP> vie <SEP> avant
<tb> rupture <SEP> sous <SEP> charge
<tb> à <SEP> 982 C <SEP> de <SEP> 12,6
<tb>
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Cou1ée N !22. S AI fi M2. S B !!.
Ni.' k/F./mm2 (heure8)Intention de la 0,029 Scade 123,Fl demanderesse 18,8 15,6 .r.'7 's5 511 0,01 0.029 - Solde 123.1 3591 X-1 570 't8,9 15,' 4,40 3,50 '.,)5 t 0.0' 2,12 Solde. ,3'Srr 35,1 1571 19.1 t,2 4ruz 3.4a 5,20 0,06 0 '.,s'T So1d 7,8 .5 X-1572 18,8 15po 4r5O 3r5O 5,20 0,06 0,,03 6,16 Sadde y
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Remarque (c) Effet bénéfque du cobalt
L'effet spectaculaire de la teneur en cobalt est illustré ici pour montrer encore mieux l'impor- tance de la spécification des compositions des allia- ges de la demanderesse, Quatre alliages ont été pré- parés, ayant tous essentiellement la môme composi- tion, oeuf pour la teneur en cobalt.
lorsqu'on leur a fait subir un essai de rupture sous charge 899 C. sous une charge de 17,5 kg.mm2 on a trouvé un effet bénéfique marqué en augmentant le cobalt jusqu'à. une teneur de 15% mais on n'a obtenu qu'un faible gain supplémentaire on augmentant la concentration de- cet élément jusqu'à 20% environ.
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Itacr&e 4e ¯vi ma* rapfatre)90!a.s<&ar- à. 89T kÚt:Dil Coulée Sa Q± A1 n !2. g, ! 91 Il ###*#### 2-793- t4,57 4,54 '.55 'h91 0,QT <&,02T 4*6 Solft 4 S 2-793-4 14,57 4,54 3,55 4..9t 0.06 0,02? 9,4 So1h '0 2-.794-5 14.68 ...49 3,53 5,07 0.01 0,,0)1 <4,8 SQ1.tè 3, 2-794-4 'i4.,68 bzz9 3,53 5.G? -0.0& O Ô3l 9,0 S014. (-40.,0 k
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&"8<MMt lt*tnit 4% qo"llt *96 poq- .?0 u. :t1All' l Mraa..........., Q;fUU1.d.W.a}t !f.4: '1"t ft m 1 11'' ,Ü tRi,.
:tJ.I. t dlQf$' tiÜ .. "'tlùbtl. tavlll ... \û, ;:.;,: 1! 8:1; aMAA "'M'\. taavar* M 1t f ,, h <!!tt<t f4tM <Mt '\1.rt 1.
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L
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<tb> Durée <SEP> de <SEP> Trie <SEP> avant <SEP>
<tb> rupture <SEP> à <SEP> 982 C
<tb>
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llli.agc...........Q!. AI TI Mo e Zr Co Ni 5,6 kp;!mID2.
(heures) No 18 16,02 2,91 2,22 2,93 0,12 0,046 29,35 SoMe 33 (d'après tableau VI) il* 55 14,73 2,83 1,77 :5.02 0,08 0,052 4,78 Solde 44 (d*apre3
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<tb> tableau <SEP> xV)
<tb>
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Des alliages realiaéa suivant la prdsonto in- vention ont subi des essais de résistance à température très élevée au moyen d'un procédé appelé d'une façon gé-
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nérale "Essai du traotion de courte durée sous des con- ditions do chauffage rapide". Ce procédé simule des con- ditions de service telles qu'il peut s'en produire pour certains moteurs de fusées suivant lesquelles la ma- tiëro est soudainement chauffée à une température proche de son point de fuoion et ensuite rapidement chargée et
mise sous tension. Les résultats sont comparés, dans le tableau suivant avec des chiffres donnée pour d'autres imper-alliages de première importance à base de nickol chrome,
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8it!Mae.¯,a.,traçii¯9n.& températuffgg,. uivtea (n¯K/?) pliage ,ip38.QQ 1 9.' 0,-,..- 1149 P Bétéronoe.f ) "Waspaloy" 14 21 11,2 13,3 . - p.. 68, 69, 70 "Hastelloy W 25,2 27,3 21,0 22,4 16pi p. 71, 72
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<tb> "Udimet <SEP> 500" <SEP> 13,3 <SEP> 9,1 <SEP> - <SEP> p. <SEP> 73
<tb>
<tb> "Nimonio <SEP> 90" <SEP> 10,5 <SEP> 7,0 <SEP> - <SEP> p.
<SEP> 74
<tb>
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> la <SEP> 37,8 <SEP> 29,5 <SEP> 20,2 <SEP> Chaude <SEP> 5-2367
<tb>
<tb>
<tb> demanderesse' <SEP> )40,16 <SEP> 31,2 <SEP> 22,3
<tb>
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* D'aprèa le rapport-du "Défence Motale Information Center" NO'130 du 17 Juin 1960,,
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<tb> Compositions <SEP> chimiques <SEP> des <SEP> alliais <SEP> indiquas <SEP> plus <SEP> haut
<tb>
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Q!: Q2. !! Ti li2. !! Autres Refrène.
Ifaspaloj. 19.5 1315 2 max. 1. 3 4{-**} Solde 8Has'telloy r 5 2,,5 D:aX. 5,5 24,5 Solde 0.6 max. V Rét'érnce '"Udîmet 500" 19 19 - 3 3 4 .1qilde donnée "Himonic 90" 19 20 - 1,7 2,7 Solde plus haut .Alliage de la #1 bolae ) 1 pao 57 demanderesse 14,8 19,0 0,15 4,41 3,50 5,15 Solde 0,05 C Chaude
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<tb> 0,028 <SEP> B <SEP> N <SEP> 5-2367
<tb>
(**) La référence citée donnait par erreur 4 % W an lieu de 4% MO.
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Pour avoir la composition correcte se reporter à d'autres références telles que "Steel Kagazine Ketal Selector" du 16 Octobre 1961 - page S-7