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Alliages de titane..
La présente invention concerne des alliages à base de titane convenant pour le service en atmosphère contaminée par du fluor qui requiert une valeur élevée du rapport résistance mécanique:poids spécifique.
A la température ambiante, le titane pur présente une structure hexagonale, appelée phase alpha, qui se transforme à tem- pérature élevée en une structure cubique, appelée phase bêta.
Certaines additions stabilisent-la phase alpha, d'autres la phase bêta. La plupart des alliages de titane à haute résistance mécanique contiennent un mélange de stabilisants de la phase alpha et de stabilisants de la phase bêta, un alliage d'une telle espèce conte- nant, par exemple, de l'aluminium et de l'étain, comme stabilisants
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de la phase apha, et du molybdène comme stabilisant de la phase bêta. Un tel alliage peut subir un traitement thermique lui conté- rant une grande résistance mécanique mais est susceptible de cooro- sion en atmosphère contaminée par le fluor.
La Demanderesse a découvert qu'on peut, dans un alliage base de titane contenant de l'aluminium, de l'étain et du molybdène, remplacer une partie du molybdène par du fer et du chrome pour obtenir un alliage ayant une haute résistance mécanique, une bonne ductilité, une résistance élevée à la corrosion en atmosphère contaminée par le fluor et une résistance relativement faible à la déformation au cours du travail à chaud.
L'invention procure un alliage à base de titane contenant
4 à 7% d'aluminium, o à 7% d'étaon, la teneur totale en aluminium ,et en étain n'excédant pas 11%, 1,5 à 3,5% de molybdène, une trace à
1% de fer et une trace à 2% de chrome, le reste étant constitué par le titane, outre des impuretés. Sauf indication contraire, tous les pourcentages sont établis sur base pondérale.
De préférence, l'alliage contient environ 5% d'aluminium,
4% d'étain, 2% de molybdène, 2/3% de fer et 1 1/3% de chrome.
Les impuretés ne peuvent être présentes en quantités supérieures à celles Indiquées ci-après :
Carbone 0,2% Oxygène 0,2%
Azote 0,1%
Hydrogène 0,015%
Sans sortir du cadre de l'invention, certains autres éléments favorisant la formation de la phase alpha ou de la phase ¯- , bêta ou formant des composés définis peuvent être présents, pour autant que les quantités en soient suffisamment faibles pour ne pas -affecter défavorablement les propriétés recherchées.
Par conséquent,) les alliages peuvent contenir, au total, jusqu'à 0,5% au maximum d'un ou plusieurs métaux choisis dans la classe formée par le cuivre, le nickel, le manganèse, le silicium, le cobalt, le zirconium, le tungstène, le vanadium, le niobium, le bore, le hafnium, le tantale,
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le béryllium,, le bismuth, le palladium, le platine et l'argent.
L'aluminium est un stabilisant de la phase alpha et augmente la résistance mécanique etla résistance à la corrosion en atmosphère contaminée par le fluor. Il faut au moins 4% d'aluminium pour compenser l'effet défavorable qu'a sur la résistance à la corrosion le'molybdène qui augmente la résistance mécanique. Une addition de plus de 7% d'aluminium provoque la fragilité.
Sans qu'il y ait fragilisation de l'alliage, on peut , tolérer des concentrations plus élevées en étain qu'en aluminium, mais l'étain est moins efficace comme stabilisant de la phase alpha et pour augmenter la résistance mécanique et a, en outre, un poids . spécifique beaucoup plus élevé que celui d'aluminium. La teneur totale en étain et en aluminium doit être maintenue assez constante et ne peut excéder 11%, si on désire éviter la fragilisation.
Le molybdène est un stabilisant de la'phase bêta et augmente la résistance mécanique, surtout après traitement thermique.
Il en faut au moins 1,5% pour augmenter la résistance mécanique, mais des quantités supérieures à 3,5% atténuent dans une mesure inacceptable la résistance à l'attaque en atmosphère contaminée par le fluor.
Le fer et le chrome sont des stabilisants de la phase bêta et favorisent la formation d'eutectoïdes. A poids égal, le fer est à peu près trois fois aussi efficace que le molybdène et une fois et demie aussi efficace que le chrome comme stabilisant de la phase bêta.
Le fer et le chrome augmentent la résistance mécanique et n'atténuent pas de façon appréciable la résistance à la corrosion, mais des teneurs trop élevées en fer et en chrome provoquent une diminution de la ductilité.
Pour acquérir la résistance mécanique maximum à la tempé- rature ambiante, les alliages suivant l'invention doivent subir un traitement thermique de remise en solution à une température voisine de la température de transformation alpha-bêta (déterminée suivant le diagramme d'équilibre ou par étude dela microstructure), être
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refroidis très rapidement ou dans l'air, puis viellis à une tempe- ' rature entraînait la transformation, suivant une loi définie, de la phase bêta instable en la phase alpha.
L'invention procure donc également un procédé pour son.. mettre à un traitement thermique un alliage, comme défini ci-dessus, ! suivant lequel l'alliage est soumis à un traitement de remise en solution à une température voisine de sa température de transforma- tion alpha-bêta, refroidi rapidement, puis vieilli en étant chauffé entre 400 et 600 C pendant des durées atteignant 30 heures. Les con- ditions du traitement thermique dépendent de la dimension et de la section de la pièce et peuvent être modifiées de façon à donner la structure préférée et donc les propriétés mécaniques recherchées pour des sections très diverses.
Les sections épaisses requièrent un traitement de remise en solution et de vieillissement à des tempé- ratures plus basses que les sections minces.
Le traitement thermique nécessaire dépend dans chaque ,cas, pour un alliage déterminé, de la composition de celui-ci mais peut être établi facilement d'après la microstructure et des essais de vieillissement. Par exemple, un alliage contenant 5% d'aluminium,
4% d'étain, 2% de molybdène, 2/3% de fer et l 1/3% de chrome se présente à 930 C sous la forme d'une phase bêta contenant une petite- quantité de phase alpha. Le traitement de remise en solution doit être exécuté pendant un temps suffisamment long pour que l'alliage atteigne l'équilibre. Le temps nécessaire est long aux basses tempé- ratures et court aux températures élevées et dépend de l'épaisseur de la section et de l'allure du chauffage, mais un temps d'environ
0,5 heure suffit à environ 900 C.
Dans une forme de réalisation de l'invention, l'alliage contient environ 5% d'aluminium, 4% d'étain, 2% de molybdène, 2/3% de fer et 1 1/3% de chrome et, en section mince, est soumis au traitement de remise en solution à environ 930 C, puis vieilli à environ 550 C pendant environ 5 heures. En section plus épaisse, une température plus basse pour le traitement de remise en solution, suivi d'une trempe et d'un vieillissement, est .désirable pour réali-
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ser un refroudissement rapide à partir de la température du traite-. ment de remise en solution et par conséquent un bon équilibre de résistance mécanique et de ductilité.
Un exemple d'un tel traite. ment comprend un traitement de remise en solution à 825 C, une trempe à l'eau et un vieillissement pendant 24 heures à 500 C,
Des exemples d'alliages choisis dans le cadre de l'inven- tion et d'autres sont décrits ci-après.
Le tableau I donne la composition et les propriétés d'alliages choisis. Des barreaux de chaque alliage sont formés par fusion à l'arc de boutons de 120 g, puis par forgeage entre 900 et 1000 C en barres rondes de 19 mm, qui sont ensuite laminées à chaud en barres rondes de 12,7 mm. Des éprouvettes pour la mesure de la résistance à la traction sont soumises à un traitement de remise en solution à une température où la phase alpha représente
25% de l'alliage (valeur établie après examen delà microstructure) puis refroidies dans l'air et vieillies pendant 24 heures à 500 C.
Ce traitement thermique est destiné à conférer les propriétés mécaniques représentatives, mais non nécessairement les meilleures, permettant d'estimer les propriétés les'plus favorables que peut présenter un alliage, en considérant la résistance mécanique et la ductilité atteintes. Les éprouvettes cylindriques pour la résistance à la corrosion d'une longueur de 12,7 mm et d'un diamètre de
8,89 mm sont usinées dansles barres et exposées à une atmosphère contaminée par du fluor. Des précautions sont prises pour éviter le* résultats aberrants et les valeurs indiquées sont la moyenne de deux, valeurs raisonnablement voisines.
La résistance à la déformation à 900 C est déterminée par essai au plastomètre avec une vitesse d'environ 30 secondes-le
Les valeurs permettent de comparer les propriétés d'usinabilité d'un alliage à 900 C avec celles d'alliages connus.
La combinaison de propriétés recherchées suivant l'in- vention comprend une résistance mécanique élevée et une bonne ducti- lité résultant d'un traitement thermique approprié associées à la . facilité du ravail à chaud et à la résistance à la corrosion en
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atmosphère contaminée par du fluor. Les alliages de titane sont difficiles à travailler à chaud et la force nécessaire rend souvent la fabrication d'un alliage anti-économique. Les effets des addi- , tions sur les propriétés mécaniques du titane sont assez bien connus). mais on sait peu de chose de la résistance à la corrosion en atmos- j phére contaminée par du fluor.
Un exemple d'alliage à phases alpha et bêta d'une haute résistance mécanique est l'alliage n 1 du tableau I. L'aluminium et l'étain stabilisent la phase alpha, le molybdène stabilise la phase bêta et le silicium forme des composés définis. Les essais montrent que l'aluminium augmente la résistance à la corrosion et que diminuent le molybdène et le silicium.
L'accroissement de la teneur en étain aux dépens de celle en aluminium diminue la ductilité mais non la vitesse de cor- rosion. L'accroissement de la teneur en aluminium donne des propriétés mécaniques satisfaisantes pour une faible vitesse de cor- rosion, mais conduit à un effort plus important pour la déformation à chaud (alliage 3).
Une autre série d'essais ont été exécutés en omettant le silicium et en remplaçant tout ou partie du molybdène par le fer et le chrome, qui stabilisent la phase bêta et forment des eutectoldes. A poids égal, le fer est à peu près trois fois aussi efficace que le molybdène et une fois et demie aussi efficace que le chrome comme stabilisant de la phase bêta.
Ajoutés séparément, surtout en grandes quantités, le fer et le chrome réduisent la ductilité, mais diminuent un peu la cor- rosion (alliages 4-7). Ajoutés ensemble, le fer et le chrome con- duisent à une ductilité satisfaisante, mais la vitesse de corrosion reste exagérément élevée (alliages 8 et 9).
La Demanderesse a découvert avec surprise que le molyb- dène, le fer et le chrome ajoutés ensemble produisent une excellente combinaison de propriétés (alliages 10 et 11). En outre, la ré- sistance à.la déformation à 900 C est raisonnablement faible.
L'alliage 10 contenant 1% de molybdène, 1/3% de fer,
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2/3% de chrome n'a pas une résistance mécanique suffisamment élevée, mais l'alliage n 11 contenant 2%, 2/3% et 1 1/3% de ces mêmes éléments, respectivement, a une résistance à la rupture en traction d'environ 12.600 kg/cm2.
Le tableau I n'indique que quelques uns des alliages examinés. D'autres additions ajoutées au titane en diverses quantités, seules ou en combinaison avec les éléments indiqués dans le tableau I, comprennent le zirconium, le cobalt, le nickel, le cuivre, le vanadium, le tungstène, le niobium, le germanium et le cérium.
Certains alliages ont été sélectionnés comme dignes d'un examen plus détaillé, surtout en ce qui concerne l'effet du traite- ment thermique sur les propriétés mécaniques. La Demanderesse a découvert que la résistance mécanique de ces alliages peut être améliorée par des traitements thermiques sans qu'ils subissent une diminution importante de leur ductilité. Le tableau II donne des exemples de traitements thermiques pour l'alliage n 11, ainsi que les propriétés en traction de l'alliage après le traitement thermi- que, les éprouvettes 11A à 11E ayant une section d'une épaisseur de . 6 cm et l'éprouvette 11F ayant une section d'une épaisseur de
12,7 mm.
Certaines applications requièrent la combinaison d'une résistance mécanique élevée et d'un faible poids spécifique et les valeurs données dans le tableau III pour le rapport = effort provo- quant un allongement de 0,1$:poids spécifique, montrent que l'allia- ge n 11 est comparable à certains des meilleurs des autres alliages examinés.
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TABLEAU
EMI8.1
Alliage Composition., % en poids Temp.y OC Résistance la rup-, Allon- Striction Résistance à
EMI8.2
<tb> Composition, <SEP> du <SEP> traitement <SEP> ture <SEP> en <SEP> tractioneaprès <SEP> gement <SEP> la <SEP> déforma- <SEP>
<tb> de <SEP> remise <SEP> en <SEP> refroidissement <SEP> dans <SEP> % <SEP> tion <SEP> à <SEP> 900 C
<tb> solution <SEP> l'air <SEP> et <SEP> 24 <SEP> heures <SEP> de <SEP> et <SEP> 10% <SEP> décrévieillissement <SEP> à <SEP> 500 C, <SEP> ment
<tb>
EMI8.3
kr/cm2 cmz 4-Sn 5¯Al. 3,?5 Mo O,zS-âi 9s5 12.100 12 28 1730 2 11-Sn z,z5-. 3e75-Mo 0,25-Si 925 13.400 2 5 3 0-Én 7.5-A1 3e75-Mo 0,25-Si.
1020 12.700 13 29 4340 4 4-son 5-Al 1,25-fie 1010 9.950 6 7 -'
EMI8.4
<tb> 5 <SEP> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 2,50-Fe <SEP> 985 <SEP> 10,700 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> 6 <SEP> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 1075-Cr <SEP> 980 <SEP> 10.400 <SEP> 6 <SEP> 9 <SEP> -
<tb> 7 <SEP> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 3,50-Cr <SEP> 950 <SEP> 12.300 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 8 <SEP> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 0,5-Fe <SEP> 1,0-Cr <SEP> 990 <SEP> 9.820 <SEP> 14 <SEP> 27
<tb>
EMI8.5
9 4-son 5-p.l 1,0 Fe 2,0-Cr 955 11.500 13 24 - 10 4-Sn 5-A1 1.0-Mo 0,33-Fe 0,67-Cr 980 10.300 20 21 - .. Il 4-Sn 5 sil. 2.,O-Mo O..67-Fè 1.,33-Cr 9950 12.500 11 28 .2600 Ci'! .# . '- co 00
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TABLEAU II..
EMI9.1
<tb>
Traitement <SEP> de <SEP> Vieillissement <SEP> Limite <SEP> de <SEP> Effort <SEP> d'allongement, <SEP> Résïstnnce <SEP> Module <SEP> Allongemenl
<tb>
EMI9.2
Eprouvette remise en solutior. proportion- k cm2 à la trr.:-yP remp. c. Refro1d1s- Tempe Temps nalité 0.5% tion 1.0.....: sement (heures) kg/cm2 0,05 01 0,2 Okg/c.2 kg/cm2 ::;
-:,...08 11A 50 Eau 1.600 2670 3620 4490 5460 il.800 096 11 il
EMI9.3
<tb> 11B <SEP> 950 <SEP> Air <SEP> 500 <SEP> 5 <SEP> 8. <SEP> 050 <SEP> 10200 <SEP> 11200 <SEP> 12200 <SEP> 12600 <SEP> 13.600 <SEP> 1,21 <SEP> 9 <SEP> 6
<tb>
EMI9.4
11C 50 Air 550 5 9.100 L2000 12650 13200 13400 14200 1,25 8 5 11D 930 Air 4.50 16 10.400 1900 12900 13500 - 14.000 1..15 3 2 liE 30 Eau 550 24 10.600 L3400 1390014300 - 14.600 1,13 6 3
EMI9.5
<tb> 11F <SEP> 825 <SEP> Eau <SEP> 500 <SEP> 24 <SEP> - <SEP> - <SEP> 11100 <SEP> 11300 <SEP> - <SEP> 13x
<tb>
* Allongement sur éprouvette cylindrique -4/A--
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taBLEAéIII, ,¯ ' TABLEAU III.
EMI10.1
<tb>
Composition, <SEP> $ <SEP> en <SEP> poids <SEP> Poids <SEP> spécifique <SEP> (A), <SEP> Effort <SEP> pour <SEP> 0,1% <SEP> d'allon- <SEP> B
<tb> g/cm3 <SEP> gement <SEP> (B) <SEP> A
<tb> kg/cm2
<tb> 4-Sn <SEP> 6-Al <SEP> 3,75-Mo <SEP> 0,25-Si <SEP> 4,56 <SEP> 12.900 <SEP> 2820
<tb>
EMI10.2
11-Sn 2125-l 3,75-Mo 0,25-Si 5-Zr 4,92 14.600 2960
EMI10.3
<tb> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 12-W <SEP> 4,90 <SEP> , <SEP> 12. <SEP> 640 <SEP> 2580
<tb> 4-Sn <SEP> 5-Al <SEP> 2,0-Ho <SEP> 0,67-Fe <SEP> 1,33-Cr <SEP> 4,62 <SEP> 13.900 <SEP> 3010
<tb>