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Nouvel alliage de niobium.
@ 'La présente invention concerne un nouvel alliage à base de niobium et plus particulièrement un alliage de niobium, de vanadium et de zirconium amélioré par certaines quantités de carbone.
Les alliages à base de niobium ont été envisagés ces dernières années pour des applications dans des conditions de service sévères, par exemple, l'exposition à des températures élevées, à des milieux hautement corrosifs et/ou à une usure mé- canique inhabituellement importante. Ces conditions sont fré- quentes pour certaines pièces importantes de réacteurs nu- cléaires de puissance et véhicules aérospatiaux..
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Toutefois,on ne dispose dans l'industrie que d'un nombre relativement limité d'alliages à base de niobium bien connus qui ne. conviennent, en général} chacun que pour une application spécifique. Par conséquent, lors d'une nouvelle utilisation ou d'un nouvel ensemble de conditions de service, on cherche à chaque reprise à mettre au point un nouvel alliage à base de niobium présentant l'ensemble le plus favorable de propriétés pour une telle application.
Par exemple, il convient de citer les difficultés aux- quelles a conduit un alliage binaire de 1% de zirconium et de niobium pour le reste, qu' on a utilisé avec succès dans l'in- dustrie nucléaire. Cet alliage.particulier a une bonne aptitude 'l'usinage et de bonnes propriétés pour le soudage, mais certaines de ses autres propriétés mécaniques et physiques,de même que ses propriétés chimiques,sont au mieux médiocres, Les conditions imposées pour certaines pièces dans les installations nucléaires plus efficaces et plus importantes qu'on a établi plus récem- ment, sont devenues plus critiques et l'alliage envisagé en par- ticulier ne satisfait plus à cette exigence plus sévère.
De ma- nière générale, on a pu établir que chaque modification de l'al- liage aux fins d'améliorer une propriété particulière en vue d'une certaine nécessité se'traduit par un effet indésirable sur une autre propriété critique. Par exemple, une modification de l'alliage visant à améliorer la résistance mé- canique se traduit par une diminution de son aptitude à l'usinage et au soudage. De même, une amélioration de la dureté s'accompagne d'une diminution de la ductilité et une améliora- tion de la résistance au choc thermique s'accompagne d'une dimi- nution de la résistance à la corrosion.
L'invention a donc principalement pour but de procurer un alliage à base de niobium qui convienne pour les applications industrielles en général et qui se distingue par la combinaison
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la plus favorable des propriétés physiques, mécaniques et chi- miques,
Elle a en outre pour but de procurer un alliage à base de niobium qui puisse être utilisé pour des pièces et ap- pareils utilisés dans des conditions de service sévères.
Elle a plus spécialement pour but de procurer un al- liage à base de niobium convenant particulièrement en techniques aérospatiale et nucléaire .
Elle a par ailleurs pour but de procurer un nouvel alliage 4 base de niobium qui coït laminable à froid et aussi exceptionnellement ductile.
A cette fin l'invention a pour objet un alliage qui comprend? sur base pondérale, environ 5% de vanadium, environ 1% de zirconium, environ 0,005 à 0,04% de carbone et pour le reste du niobium et des impuretés accidentelles. Une teneur en vanadium supérieure à celle prévue suivant l'invention a un effet défa- vorable sur la résistance mécanique nécessaire aux températures élevées,tandis qu'une teneur excessive en zirconium a un effet nuisible sur la ductilité de l'alliage,
Une impureté inévitable associée habituellement aux alliages à base de niobium est le tantale et cet élément peut être toléré jusqu'à. un maximum d'environ 5$,
bien qu'il soit pré- férable que sa concentration soit maintenue au-dessous de 1% lorsque l'alliage est destiné à des applications nucléaires.
L'oxygène, l'azote et l'hydrogène sont nuisibles pour 2 alliage faisant l'objet de l'invention et leur concentra- tion doit être maintenue aussi faible que possible, bien qu'ils pui: sent être présents en quantité n'excédant pas 0,03, 0,02 et 0,01% respectivement.
L'ensemble des autres impuretés.doit être maintenu à une concentration aussi faible que possible et, en tout cas, ne peut excéder environ 0,1%.
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L'alliage préféré faisant l'objet de l'invention doit contenir plus de 92% de niobium.
La nature des autres impuretés indésirables est précis sée ci-après.
Les éléments à point de fusion relativement peu élevé, comme le titane et l'aluminium éventuellement présents, tendent à affaiblir l'alliage de l'invention à des températures supérieu- res à environ 980 à 1205 C. Le tungstène et le molybdène éventuel- lement présents dans l'alliage de l'invention ont un effet nuisi- ble sur ses propriétés mécaniques et son aptitude au soudage. De plus, les poids spécifiques naturellement élevés du tungstène et du molybdène altèrent le rapport résistance:poids intéressant de l'alliage. D'autres éléments, comme le bore, le chrome, le sili- cium, le fer et le cobalt entre autres, éventuellement présents, forment des phases secondaires aux joints de grains et oit ainsi un effet défavorable sur les propriétés mécaniques et l'aptitude au soudage.
Par ailleurs, certains éléments et plus spécialement le cobalt, le bore, le hafnium et le tungstène ont une section efficace plus élevée que les éléments entrant dans la constitu- tion de l'alliage de l'invention pour la section des neutrons (voir tableau I) et sont donc nuisibles dans l'alliage faisant l'objet de l'invention lorsqu'il est exposé au rayonnement nucléaire,
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TABLEAU l
EMI5.1
, 8e±tÀon effioaoe coulabsorojbion des neutrons
EMI5.2
<tb> Carbone <SEP> 0,0045
<tb>
EMI5.3
Nioblun 1,1
EMI5.4
<tb> Vanadium <SEP> 5,1
<tb>
<tb> Zirconium.
<SEP> 0,18
<tb>
<tb> Cobalt <SEP> 37,0
<tb>
<tb> Tungstène <SEP> 19,0
<tb>
<tb> Bore <SEP> 750,0
<tb>
<tb> Tantale <SEP> 21,0
<tb>
<tb> Hafnium <SEP> 115,0
<tb>
La tendance à la formation des isotopes de tous les , éléments constitutifs de l'alliage faisant l'objet de l'inven- tion est très favorable pour une exposition dans un réacteur nucléaire thermique. De plus, la demi-vie relativement brève des isotopes radio-actifs de ces éléments et d'autres propriétés nucléaires qu'ils accusent sont également intéressantes pour des applications entraînant une exposition à' un rayonnement nucléaire,
Les alliages de niobium, de vanadium, de zirconium et de carbone entrant dans le cadre de l'invention sont des alliages ayant une faible section efficace pour la capture des neutrons thermiques et des demi-vies intéressantes.
Ces propriétés sont du plus haut intérêt pour les pièces importantes dans les appli- cations nucléaires. Les résultats des essais indiquent, en outre, que les alliages faisant l'objet de l'invention ont une bonne
EMI5.5
. résistance à la corrosion par l'eau chaude, la vapeur à'eaué d'autres milieux semblables existant dans les réacteurs nucléaires thermiques.
Il ressort des données du tableau II ci-après que les teneurs en vanadium, zirconium et carbone de l'alliage faisant l'objet de l'invention ont un effet synergique et que les excel- lentes propriétés de l'alliage ne résultent pas de la simple pré- 'sence simultanée du vanadium et du zirconium,
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TABLEAU II - Effet des éléments alliés au niobium. -
EMI6.1
<tb> Allia- <SEP> Composition, <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> Propriétés <SEP> de <SEP> traction <SEP> à <SEP> 1205 C <SEP> Ductilité <SEP> en <SEP> flexion <SEP> .Aptitude <SEP> au <SEP> façonge,n <SEP> Résistan- <SEP> Résistan- <SEP> Allonge-.
<SEP> Dureté <SEP> Facteur <SEP> de <SEP> rayon <SEP> de <SEP> nage <SEP> en <SEP> une <SEP> tôle
<tb> V <SEP> Zr <SEP> C <SEP> ce <SEP> à <SEP> la <SEP> ce <SEP> à <SEP> la <SEP> ment <SEP> Rockwell <SEP> flexion <SEP> IT <SEP> d'une <SEP> épaisseur
<tb> traction <SEP> rupture <SEP> % <SEP> "B" <SEP> Trans- <SEP> Longitu- <SEP> de <SEP> 0,5 <SEP> mm
<tb> à <SEP> la <SEP> li- <SEP> en <SEP> trac- <SEP> versai <SEP> dînai
<tb> mite <SEP> tion
<tb> élastique <SEP> kg/cm2
<tb> kg/cm2
<tb> 1 <SEP> 5- <SEP> - <SEP> 1336 <SEP> 1828 <SEP> 22 <SEP> 96 <SEP> 0 <SEP> 90 <SEP> excellente
<tb> 2- <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 562 <SEP> 1125 <SEP> 14 <SEP> 47 <SEP> 180 <SEP> 180 <SEP> excellente
<tb> 3 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 2109 <SEP> 2179 <SEP> 29 <SEP> 92 <SEP> 98 <SEP> 180 <SEP> excellente
<tb> 4 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 0,1 <SEP> 98 <SEP> médiocre
<tb> 5 <SEP> 5 <SEP> 1,
5 <SEP> 0,1 <SEP> 100 <SEP> médiocre
<tb> 6 <SEP> 5 <SEP> 3 <SEP> - <SEP> - <SEP> médiocre <SEP>
<tb> 5 <SEP> - <SEP> médiocre
<tb> .
<tb>
8 <SEP> 5,23 <SEP> 1,13 <SEP> 0,005 <SEP> 1828 <SEP> 1898- <SEP> 89 <SEP> 180 <SEP> 180 <SEP> excellente <SEP> @
<tb>
<tb> Tôle <SEP> d'une <SEP> épaisseur <SEP> de <SEP> 0,76 <SEP> mm.
<tb>
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Comme le montre le tableau -11, l'alliage 1 contenant 5%. de vanadium et l'alliage 2 contenant 1% de zirconium sont tous deux relativement peu résistants à 1205 C. L'addition de
0,1% de carbone, aux alliages tend à les rendre plus fragiles, comme le montrent les propriétés des alliages 4 et 5. Les allia- ges 6 et 7 qui contiennent 5% de vanadium et 3 et ?% de zirconium respectivement et qui n'entrent pas dans le cadre de. l'invention, ne conviennent pas parce qu'ils manquent de ductilité et d'ap- titude au travail mécanique.
L'alliage 8 entrant dans le cadre de l'invention,qui contient une quantité de carbone tombant entre les limites acceptables,montre qu'une telle addition de carbone ne'rend pas les alliages plus fragiles comme le fait une addition de carbone,tombant en dehors des limites acceptables (alliages 4 et 5). Les données du tableau II font ressortir nettement qu'on obtient les meilleurs résultats lorsque l'alliage contient envi- ron 5% de vanadium, environ 1,0% de zirconium, moins de 0,1% de carbone et pour le reste essentiellement du niobium.et des im- ' puretés accidentelles. D'autres données indiquent que la teneur en carbone ne peut excéder 0,04% en poids.
Les études métallographiques des alliages cités dans le tableau II ont indiqué que l'alliage 8 faisant l'objet de l'invention a une microstructure en phase' unique, tandis que les alliages 6 et 7 à teneur plus élevée en zirconium comprennent une phase secondaire aux joints de grains. Par corrélation, on peut en déduire-que la microstructure de l'alliage influence les propriétés pour le travail mécanique,comme le montre le tableau II.
Pour l'établissement des résultats moyens indiqués dans le tableau II,cinq exemples de chaque composition(sauf dans le cas de l'alliage 8)sont soumis aux essais. On utilise du niobium, du vanadium et du zirconium de pureté industrielle pour l'élaboration des alliages. Les opérations décrites sont celles qui sont courantes pour conduire aux meilleurs résultats. Chaque mé-
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lange est fondu 4 la chaleur d'un arc jaillissant d'une électro- de de tungstène en atmosphère d'argon sous une pression de
0,5 atmosphère. Chaque lingot de 100 g est fondu au total quatre fois et retourné entre les fusions successives pour as- surer l'homogénéité, Les lingots bruts de coulée sont laminés à 204 C avec une réduction de 0,25 mm par passe jusqu'à une épaisseur de 3,17 mm.
Les alliages sont ensuite laminés à froid à la température ambiante jusqu'à l'épaisseur finale d'environ
2,54 à 0,25 mm.
La réduction initiale à environ 204 C est, du point de vuo mtallurgio, un laminage à froide parce que cette température est inférieure au point de recristallisation de l'alliage. Les essais ont montré qu'on obtient d'excellents résultats par la- minage à environ 204 C,ce qui évite les effets nuisibles du laminage à chaud et supprime les opérations accessoires que requiert ce laminage à chaud. Les alliages laminés à supérieurs aux alliages laminés à chaud en ce qui concerne l'état de surface et les propriétés mécaniques et physiques.
L'alliage 3 peut être travaillé facilement jusqu'à une épais-' seur inférieure à 0,5 mm,comme indiqué ci-dessus. Toutefois, comme indiqué dans le tableau II, l'alliage 3 n'a pas une ductilité suffisante, comme le montrent les résultats de l'essai de flexion.
Les alliages 4, 5, 6 et 7 sont difficiles à laminer à froid;, mais peuvent être laminés à des températures supérieures à en- viron 1095 C. Il convient de noter que seul l'alliage 8 a si- multanément l'aptitude au laminage à froid et une ductilité convenable,
On prépare l'alliage 8 en une masse de 13,6 kg suivant la technique classique de fusion à l'arc avec électrode consomma- ble dans une atmosphère d'argon et d'hélium. On lamine l'alliage à froid jusqu'à une épaisseur de 0,76 mm en vue de le soumettre à ' d'autres essais,et d'apprécier son aptitude à l'usinage.
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A cette fin on exécute les essais de ductilité Olsen et les essais de flexion sur les tôles qui ont été soumises à un recuit sous vide pendant 1 heure à 1150 C pour établir la ductilité de l'alliage. L'essai de ductilité Olsen indique que l'alliage est très ductile et façonnable puisqu'il permet d'ob- tenir une cuvette d'une profondeur de 9,90 mm sous une charge de.2325 kg. Les alliages passant l'essai Olsen sont ductiles, c'est-à-dire que les cuvettes sont profondes et en forme de demi-lune.
On exécute les essais de flexion sur un rayon IT de 180 tant à la température ambiante qu'à la température de l'azote liquide (-196 C), la tôle recuite étant fléchie tant longitudinalement que transversalement par rapport .à la direc- tion du dernier laminage.
En outre, on confectionne deux éprouvettes soudées pour essai de flexion par soudage par fusion Heliarc en ligne droite de petits morceaux de tôle recuite dans une enceinte anhydre évacuée. On exécute les essais de flexion en orientant la soudure perpendiculairement à l'axe de flexion, le creux de la soudure se trouvant en compression. On atteint des angles de , flexion de 180 et de 92 sur un rayon IT à la température am- biante et à la température de l'azote liquide respectivement.
Finalement; on exécute des essais de traction de la température ambiante à 1315 C, ce qui donne les résultats repris dans le tableau III.
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TABLEAU III Propriétés de traction d'une tôle de 0,76 mm d'alliage n 8 recuite
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-.. uu¯- -- vendant 1 heure à ¯1159 C¯.¯ --
EMI10.2
<tb> Orientation <SEP> de <SEP> Tempe- <SEP> Résistance <SEP> Résistance <SEP> Allon-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> l'éprouvette <SEP> rature <SEP> à <SEP> la <SEP> trac- <SEP> à <SEP> la <SEP> rup- <SEP> 2 <SEP> gement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> do <SEP> l'es- <SEP> tion <SEP> à <SEP> la <SEP> ture, <SEP> kg/cm <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sai, C <SEP> limite
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> élastique
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> allongements
<tb>
EMI10.3
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯, 042,
kR/cm¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯ "o
EMI10.4
<tb> Longitudinale <SEP> 24' <SEP> 4570 <SEP> 5912 <SEP> 22
<tb>
<tb> Longitudinale <SEP> 24 <SEP> 4682 <SEP> 6025 <SEP> 20
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 24 <SEP> 5005 <SEP> 6341 <SEP> 27
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 24 <SEP> 5139 <SEP> .6341 <SEP> 24
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 371 <SEP> 3852 <SEP> 6067 <SEP> 20
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 371 <SEP> 4295 <SEP> 6116 <SEP> 19
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 593 <SEP> 3480 <SEP> 6158 <SEP> 14
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 593 <SEP> 4014 <SEP> 7121 <SEP> 15
<tb>
<tb> Longitudinale <SEP> 1095 <SEP> 2664 <SEP> 3051 <SEP> 72
<tb>
<tb> Longitudinale <SEP> 1095 <SEP> '2292 <SEP> 2784 <SEP> 80
<tb>
<tb> Longitudinale <SEP> 1205 <SEP> 1722 <SEP> 1870 <SEP> 74
<tb>
<tb> Longitudinale <SEP> 1205 <SEP> 1800 <SEP> 1926 <SEP> 79
<tb>
<tb> Transversale <SEP> 1315 <SEP> 1258 <SEP> 1315 <SEP> 72
<tb>
<tb>
Transversale <SEP> 1315 <SEP> 1160 <SEP> 1301 <SEP> 73
<tb>
Il ressort des données ci-dessus que l'alliage de l'invention, par exemple l'alliage 8 cité dans le tableau II, permet de résoudre les difficultés associées à la résistance mécanique dans le cas des alliages binaires du niobium et du zirconium envisagés ci-dessus, sans nuire aux propriétés utiles pour la fabricatjon,