CA1312483C - Superalliage a matrice a base de nickel notamment elabore en metallurgie des poudres et disque de turbomachine constitue en cet alliage - Google Patents
Superalliage a matrice a base de nickel notamment elabore en metallurgie des poudres et disque de turbomachine constitue en cet alliageInfo
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- CA1312483C CA1312483C CA000529173A CA529173A CA1312483C CA 1312483 C CA1312483 C CA 1312483C CA 000529173 A CA000529173 A CA 000529173A CA 529173 A CA529173 A CA 529173A CA 1312483 C CA1312483 C CA 1312483C
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/056—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
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Abstract
Superalliage à matrice à base de nickel présentant de bonne propriétés mécaniques à chaud de tenue en traction, en fluage, en fatigue oligocyclique et de résistance à la fissuration, dont la composition chimique, en pourcentages pondéraux, appartient au domaine suivant : Cr 11 à 13 ; Co 8 à 17 ; Mo 6 à 8 ; Nb inférieur ou égal à 1,5 Ti 4 à 5 ; Al 4 à 5 ; Hf inférieur ou égal à 1 ; C, B, Zr chacun inférieur ou égal à 500 ppm ; Ni complément à 100. Cet alliage peut être élaboré avantageusement par métallurgie des poudres et appliqué à la fabrication de disques de turbomachine.
Description
La pr~sente invention a pour objet des compositions de superalliages ba~e nickel, plus particulièrement de~t.inées à la fabrication de disques de turbomachines, dont l'utilisation peut-être ~tendue jusqu'~ 750C de manière à
5 répondre ~ volu~ion des cyclec thermodynamique~ des turbomachines à très hauts rendement et puissance spécifique. Ces disques nécessitent l'emploi de matériaux de densité modérée présentant un ensemble particulier de propriétés mécaniques à chaud telles que :
- tenue en traction jusqu'à 750C : limite d'~lasticité et allongement, - tenue en fluage jusqu'à 750C : résistance élevée et absence de sensibilité à l'entaille, - tenue en fatigue oligocyclique, - vitesses de propagation de fissure aussi faible que possible même compte tenu des effets de l'environnement et des temps de maintien prolongés sous charge dont on sait qu'ils deviennent critiques dans la plage de température visée ; l'importance de cette propriété est attestée par l'introduction d'exigences de tolérance au dommage comme, par exemple, dans l'édition de Novembre 1984 de la norme MIL-STD-17-83 de l'USAF.
Les matériaux élaborés par métallurgie des poudres sont aujourd'hui les plu~ aptes à répondre à ces exigences 30 techniques et dans l'état actuel de l'art on utilise :
- soit des matériaux qui présentent une bonne résistance à
la fissuration avec une faible sensibilité à
l'environnement mais dont la limite d'élasticité et la résistance au fluage sont insuffisantes à haute température ; US 3.147.155 fournit des exemple~ de compositions d0 superalliage~ de ce type (voir ~lliage A
au ta~leau 1 ci-apr~
5 - soit de~ matériaux qui pr~sentent une limite d'élasticit~ élevée mais dont la sensibilité ~
l'entaille en fluage, la tenue à la fissuration et la sensibilité à l'environnement ne sont pas Yatisfaisantes;
US 3.061.426 et FR-A 2.244.827 fournissent également des exemples de compositions de superalliages de ce type (voir alliages R et I au tableau 1 qui figure plus loin.) Quelques exemples de ces compositions d'alliages connus sont donnés dans le tableau 1.
L'amélioration de certaines propriétés mécaniques (résistance à la fissuration par exemple) peut être obtenue en réalisant des microstructures particulières (gros grains, structure collier). Ces améliorations se 20 font toutefois au détriment d'autres caractéristiques (limite élastique par exemple) et l'objet de la présen~e invention est de parvenir à un ensemble optimal des propriétés citées ci-dessus par de nouvelles compositions d'alliages.
La présente invention se rapporte à une nouvelle famille de superalliages base nickel présentant les propriétés notées ci-dessus, caractérisés en ce que la composition chimique en pourcentages pondéraux, appartient au domaine 30 suivant :
¦ ¦ Cr ¦ Co ¦ Mo¦ Nb ¦Ti ¦ Al¦ Hf ¦ C ¦ B ¦ Zr ¦
% poids 11-13 8-17 6-8 .~1,5 4~5 4~5 S 1 ~500 ~500 ~500 _ _ _ ppm ppm ppn -le reste ~tant e3sentiellement du nickel.
Avantageusement des teneurs préférentielles ci-après ~ont retenue~ :
s Co : 14 ~ 17 %
C : 0 ~ 200 ppm B : 0 ~ 200 ppm.
10 Deux exemples d'alliages appartenant à la présente invention sont donnés ci-dessous (N 14 et N 16) :
_ _ % poids Cr Co Mo Nb Ti Al Hf C B Zr ppm ppm ppn _ _ N 14 11,9 15,8 6 1,4 4 4,3 0,32 150 150 50 N 16 12 15,7 6,8 0 4,35 4,35 0,48 150 150 30 Avantageusement, ces superalliages selon l'invention sont susceptibles d'être mis en oeuvre par des techniques de métallurgie des poudres et les disques de turbomachine en 25 constituent une application intéressante.
Les superalliages base nickel présentent généralement une structure essentiellement biphasée avec :
30 - une phase ~ de Ni, Co durcie principalement par des éléments en solution solide (W, Cr, Mo) - une phase durcissante ~du type A3 B dans laquelle A
est principalement formée de Ni, Co, Cr et B de Al, Ti Nb, Ta, Hf, Y, Ta.
~ 4 ~ 1 31 2483 L'obtention des propriétés mécaniques vi~ée~ est réalisée en intervenant re~pectivement sur les deux mode~ de durcissement ce qui conduit à ~pécifier d'une part les teneurs en Al, Ti, Nb, Hf, V, Ta et d'autre part en W, Mo, 5 et Cr.
L'invention sera mieux comprise et les avantages précisés à l'aide de la description qui va suivre de la justification des principau~ choix et des exemples de 10 réalisation, en référence à la figure unique qui montre l'influence du rapport Mo/W sur les durées de vie en fluage rupture.
Spécification en Nb, Al, Ti, Hf et V :
Il est connu que l'introduction de Nb et de Ta contribue fortement à l'augmentation de la limite d'élasticité et de la tenue en fluage lisse, mais le tableau 2 ci-après montre que cet effet bénéfique est acquis au détriment de 20 la sensibilité à l'entaille et de la résistance à la fissuration en fatigue-fluage à partir de 650C (voir en particulier les exemples d'alliages R et N 13 pour l'influence de Nb et les exemples d'alliages NA10 et NA9 pour l'influence de Ta).
25 Le tantale a de plus, vis à vis du niobium, l'inconvénient d'augmenter plus fortement la densité. Pour ces raisons, les alliages de la présente invention ne renferment pas de Ta et sont limités à 1,5 % de Nb.
30 Du fait de cette limitation il est nécessaire, pour obtenir des propriétés dans le domaine de température visée, de disposer d'une fraction volumique de ~ d'au moins 50 %, acquise par adjonction d'Al et de Ti qui n'entraine pas les inconvénients précédents. L'invention 35 prévoit de~ teneurs en Al et Ti telles que leur rapport - s -~o~t voisln de l car, 8~il est connu qu8 le Ti est un ~l~ment plu8 favorable que Al pour le aurci~sement de la pha~ ~ au delà de 650-C, il augmen~e ~r~ rapidement la temparature de remise en solution solide de cette phase, 5 rendant la mise en oeuvre dn l'alliage difficile. Pour cette même raison la somme de~ éléments Al + Ti est limit~e ~ lO % en poi~s.
Un durci~sement complémentaire peut-être obtenu par lQ l'addition de Hf, dan~ la limite de 1% pour des raison~ de mise en oeuvre (diminution du solidus et accrois~ement du solvus ~
De même, s'il est connu qu'un incrément de durcissement 15 peut-être obtenu par addition de vanadium, il est constaté
que les vitesses de fissuration en fatigue-fluage à ~50-C
sont alors excessives. ~our cette raison les alliages de la présente invention ne comportent pas de vanadium.
20 Specifications en Mo, W et Cr Compte tenu des limitations exposées ci-dessus, il est nécessaire de durcir fortement la phase en solution solide ~, Pour ce faire l'on utilise les éléments W et Mo qui sont connus comme durciss~urs efficaces de la matrice. Le 25 durcissement par Mo est, dan~ la présente invention, préféré à celui par W car :
- le rapport de la concentration du Mo dans la phase ~ à
~a concentration dans la phase ~ ~est 2 à 3 fois plu~
élevé que l~ rapport correspondant pour le W, \ - la figure 1 montre que la substitution du Mo au W
diminue la sensibilité ~ l'entaille au fluage ~ 650C
pour une tenue en fluage sur éprouvette lisge légèrement inférieure. Sur la figure l,tR en ordonnées et en échelle logarithmique représente la duré~ de vie en heures, en fluage-rupture, à 650-C 90US charge de lOOOMPa et en ab~cisse~ sont reportées le~ teneurs en Mo et W en pourcentages atomique~; la courb~ en trait plein repr~sente le~ résultata de fluage, effectu~s sur éprouvette avec en~aille et la courbe en trait tiret~, des résultat~ en fluage 3ur eprouvette lisse.
S - la pénalisation en den~ité est moindre avec l'élément Mo qu'avec W.
La présente invention préconise une teneur en Mo comprise entre 6 et 8 % en poids qui, comme le montre le tableau 2 10 (voir en particulier les exemples d'alliages selon l'in-vention N 14 et N 16), aboutit aux hautes valeurs de ré-sistance en traction et fluage, l'alliage conservant néan-moins des vitesses de fissuration en fatigue-fluage parti-culièrement basses.
Il est connu que l'addition de chrome est nécessaire pour la résistance à l'oxydation et participe au durcissement de l'alliage. Cependant, pour des teneurs en Al, Ti et Mo atteignant les niveaux pr~conisés par l'invention, les 20 travaux qui ont abouti à l'invention ont montré qu'une concentration de chrome supérieure à 13 % en poids provo-que une précipitation abondante de carbures intergranu-laires qui entraine une détérioration des propriétés de ductilité, sensibilité à l'entaille et fissuration, comme 25 le montrent les résultats de l'alliage N 17 reportés sur le tableau 2 représenté plus loin.
Pour cette raison l'invention préconise une teneur en chrome comprise entre 11 et 13 % en poids.
30 Autres spécifications Il est reconnu qu'une teneur d'au moins 8% en poids de cobalt est nécessaire pour la résistance au fluage. Cet élément abais~e par ailleurs la température de solvus de la pha~e ~et, en raison des fortes valeurs de Al et de Ti _ 7 _ 13t24~3 dc la présent~ invent~on une teneur en cobalt d'~u moins 14 % en poids est retenue par l'invention de façon ~ faci-liter la mi~e en oeuvre du mat~riau. Cette teneur doit être limitée en oeuvre du matériau. Cette teneur doit être 5 limitée supérieurement à 17% pour maintenir une fraction volumique de ~ ~uffi~ante aux températures d'emploi con~idér~es .
Le bore et le carbone sont des éléments connus pouvant 10 améliorer la résistance au fluage, mais compte tenu des teneurs en chrome et en molybdène de 1'invention, et afin d'éviter la formation excessive de carbures et borures, l'invention limite leur concentration pondérale à 500 ppm.
15 Le zirconium peut-être utile pour fixer d'éventuelles traces fragilisantes de soufre, mais l'invention limite cependant sa teneur à 500 ppm en poids pour éviter la formation de phases à bas point de fusion.
20 D'autres éléments tels que Mg, Ca, Si, Y etc... souvent utilisés pour l'~laboration de l'alliage, peuvent rester présents au niveau de traces sans nuire aux propriétés des alliages selon l'invention.
25 A titre d'exemple, il a été étudié plu~ particulièrement deux alliages (exemples N14 et Nl~) de la famille conformes à l'invention. Leur composition est donnée dans le tableau 1 ci-après où les teneur~ de chaque élément sont exprimées en concentration pondérale.
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- 9 - t 3 ~ 2~ ~3 Pour chaque nuance d'alliage, de~ e~sai~ mécaniques ont ~té réali~és d'une part sur des ~prouvettes dont l'élaboration conduit à une structure à gros grain~
(supérieur~ ou égaux à 50 ~ )ou à "collier" et d'autre part 5 sur des éprouvettes don~ l'élaboration conduit ~ une structure ~ petit~ grains (inférieur~ ou égaux à 10~ ~), Chaque éprouvette ~laborée est 30umi3e à une séquence de traitements thermiques avant essai de manière à optimiser les propriétés de l'alliages.
Ces essais de caractérisation comporl:ent :
- de~ essais en traction pour lesquels sont notés les limites élastique~ R0,2 en MB à 650 C et à
~ 15 750C et les allongements A % à 750C, - des essais de fluage à 750C à l'air sous charge de 600 MPa pour lesquels sont notés les temps à rupture sur éprouvette lisse tRL en heures et le rapport1~ entre le 20 temps à rupture sur éprouvette entaillée / temps à rupture sur éprouvette lisse.
- des essais de fissuration cycliques à 650C à l'air pour lesquels sont notées les valeurs de vitesse de fissuration 25 da/dN :
avec amplitude de facteur d'intensité de contrainte K = 30 Mpa et ~ K = 60 Mpa temps de maintien ~ous charge de traction maximale tm = 300g Les résultats obtenus sont rassemblés sur le tableau 2 ci-aprè~ qui regroupe également les résultats comparatifs obtenu~ avec de~ alliages connus de l'état de la technique 35 dont les composition~ correspondantes sont également ~ données aang le tableau 1 ci-dessu~.
Ce~ résultats sont obtenus en appliquant ~ur ~prouvettes -10- 1~1248;~
d'e~sai une vitesse de refroidissement de lOO-C par minute après remise en solution de la pha~e ~ ). Cette vitesse correspond à une vitesse de refroidi~ement à coeur de pièces ~usceptible~ d'être réali~ées en un alliage 5 conforme ~ 1'invention.
Ces résultats montrent que les superalliages de l'invention permettent de parvenir à l'ensemble optimal recherché des propriétes mécaniques à challd conciliant de 10 bons résultats en résistance à la fissuration avec de bons résultats également en traction et en fluage jusqu'à
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~ - -- 12 - 1312~83 La mise en oeuvre des superalliages conformes à
l'invention peut faire appel ~ tout procédé comme évitant l'apparition de ségr~gations majeures du genre de celle~
qui apparaissent lorsque de tel~ alliages ~ont mis en 5 oeuvre selon des procédés de fonderie cla3siques. Ainsi l'élaboration des ~uperalliages selon l'invention peut notamment être obtenue par les techniques connues de métallurgie des poudres et des pièces réalisées en ces alliages telles que des disques de rotor de turbomachine 10 peuvent par exemple être fabriquées par des procédés connus de compaction isostatique ~ chaud.
5 répondre ~ volu~ion des cyclec thermodynamique~ des turbomachines à très hauts rendement et puissance spécifique. Ces disques nécessitent l'emploi de matériaux de densité modérée présentant un ensemble particulier de propriétés mécaniques à chaud telles que :
- tenue en traction jusqu'à 750C : limite d'~lasticité et allongement, - tenue en fluage jusqu'à 750C : résistance élevée et absence de sensibilité à l'entaille, - tenue en fatigue oligocyclique, - vitesses de propagation de fissure aussi faible que possible même compte tenu des effets de l'environnement et des temps de maintien prolongés sous charge dont on sait qu'ils deviennent critiques dans la plage de température visée ; l'importance de cette propriété est attestée par l'introduction d'exigences de tolérance au dommage comme, par exemple, dans l'édition de Novembre 1984 de la norme MIL-STD-17-83 de l'USAF.
Les matériaux élaborés par métallurgie des poudres sont aujourd'hui les plu~ aptes à répondre à ces exigences 30 techniques et dans l'état actuel de l'art on utilise :
- soit des matériaux qui présentent une bonne résistance à
la fissuration avec une faible sensibilité à
l'environnement mais dont la limite d'élasticité et la résistance au fluage sont insuffisantes à haute température ; US 3.147.155 fournit des exemple~ de compositions d0 superalliage~ de ce type (voir ~lliage A
au ta~leau 1 ci-apr~
5 - soit de~ matériaux qui pr~sentent une limite d'élasticit~ élevée mais dont la sensibilité ~
l'entaille en fluage, la tenue à la fissuration et la sensibilité à l'environnement ne sont pas Yatisfaisantes;
US 3.061.426 et FR-A 2.244.827 fournissent également des exemples de compositions de superalliages de ce type (voir alliages R et I au tableau 1 qui figure plus loin.) Quelques exemples de ces compositions d'alliages connus sont donnés dans le tableau 1.
L'amélioration de certaines propriétés mécaniques (résistance à la fissuration par exemple) peut être obtenue en réalisant des microstructures particulières (gros grains, structure collier). Ces améliorations se 20 font toutefois au détriment d'autres caractéristiques (limite élastique par exemple) et l'objet de la présen~e invention est de parvenir à un ensemble optimal des propriétés citées ci-dessus par de nouvelles compositions d'alliages.
La présente invention se rapporte à une nouvelle famille de superalliages base nickel présentant les propriétés notées ci-dessus, caractérisés en ce que la composition chimique en pourcentages pondéraux, appartient au domaine 30 suivant :
¦ ¦ Cr ¦ Co ¦ Mo¦ Nb ¦Ti ¦ Al¦ Hf ¦ C ¦ B ¦ Zr ¦
% poids 11-13 8-17 6-8 .~1,5 4~5 4~5 S 1 ~500 ~500 ~500 _ _ _ ppm ppm ppn -le reste ~tant e3sentiellement du nickel.
Avantageusement des teneurs préférentielles ci-après ~ont retenue~ :
s Co : 14 ~ 17 %
C : 0 ~ 200 ppm B : 0 ~ 200 ppm.
10 Deux exemples d'alliages appartenant à la présente invention sont donnés ci-dessous (N 14 et N 16) :
_ _ % poids Cr Co Mo Nb Ti Al Hf C B Zr ppm ppm ppn _ _ N 14 11,9 15,8 6 1,4 4 4,3 0,32 150 150 50 N 16 12 15,7 6,8 0 4,35 4,35 0,48 150 150 30 Avantageusement, ces superalliages selon l'invention sont susceptibles d'être mis en oeuvre par des techniques de métallurgie des poudres et les disques de turbomachine en 25 constituent une application intéressante.
Les superalliages base nickel présentent généralement une structure essentiellement biphasée avec :
30 - une phase ~ de Ni, Co durcie principalement par des éléments en solution solide (W, Cr, Mo) - une phase durcissante ~du type A3 B dans laquelle A
est principalement formée de Ni, Co, Cr et B de Al, Ti Nb, Ta, Hf, Y, Ta.
~ 4 ~ 1 31 2483 L'obtention des propriétés mécaniques vi~ée~ est réalisée en intervenant re~pectivement sur les deux mode~ de durcissement ce qui conduit à ~pécifier d'une part les teneurs en Al, Ti, Nb, Hf, V, Ta et d'autre part en W, Mo, 5 et Cr.
L'invention sera mieux comprise et les avantages précisés à l'aide de la description qui va suivre de la justification des principau~ choix et des exemples de 10 réalisation, en référence à la figure unique qui montre l'influence du rapport Mo/W sur les durées de vie en fluage rupture.
Spécification en Nb, Al, Ti, Hf et V :
Il est connu que l'introduction de Nb et de Ta contribue fortement à l'augmentation de la limite d'élasticité et de la tenue en fluage lisse, mais le tableau 2 ci-après montre que cet effet bénéfique est acquis au détriment de 20 la sensibilité à l'entaille et de la résistance à la fissuration en fatigue-fluage à partir de 650C (voir en particulier les exemples d'alliages R et N 13 pour l'influence de Nb et les exemples d'alliages NA10 et NA9 pour l'influence de Ta).
25 Le tantale a de plus, vis à vis du niobium, l'inconvénient d'augmenter plus fortement la densité. Pour ces raisons, les alliages de la présente invention ne renferment pas de Ta et sont limités à 1,5 % de Nb.
30 Du fait de cette limitation il est nécessaire, pour obtenir des propriétés dans le domaine de température visée, de disposer d'une fraction volumique de ~ d'au moins 50 %, acquise par adjonction d'Al et de Ti qui n'entraine pas les inconvénients précédents. L'invention 35 prévoit de~ teneurs en Al et Ti telles que leur rapport - s -~o~t voisln de l car, 8~il est connu qu8 le Ti est un ~l~ment plu8 favorable que Al pour le aurci~sement de la pha~ ~ au delà de 650-C, il augmen~e ~r~ rapidement la temparature de remise en solution solide de cette phase, 5 rendant la mise en oeuvre dn l'alliage difficile. Pour cette même raison la somme de~ éléments Al + Ti est limit~e ~ lO % en poi~s.
Un durci~sement complémentaire peut-être obtenu par lQ l'addition de Hf, dan~ la limite de 1% pour des raison~ de mise en oeuvre (diminution du solidus et accrois~ement du solvus ~
De même, s'il est connu qu'un incrément de durcissement 15 peut-être obtenu par addition de vanadium, il est constaté
que les vitesses de fissuration en fatigue-fluage à ~50-C
sont alors excessives. ~our cette raison les alliages de la présente invention ne comportent pas de vanadium.
20 Specifications en Mo, W et Cr Compte tenu des limitations exposées ci-dessus, il est nécessaire de durcir fortement la phase en solution solide ~, Pour ce faire l'on utilise les éléments W et Mo qui sont connus comme durciss~urs efficaces de la matrice. Le 25 durcissement par Mo est, dan~ la présente invention, préféré à celui par W car :
- le rapport de la concentration du Mo dans la phase ~ à
~a concentration dans la phase ~ ~est 2 à 3 fois plu~
élevé que l~ rapport correspondant pour le W, \ - la figure 1 montre que la substitution du Mo au W
diminue la sensibilité ~ l'entaille au fluage ~ 650C
pour une tenue en fluage sur éprouvette lisge légèrement inférieure. Sur la figure l,tR en ordonnées et en échelle logarithmique représente la duré~ de vie en heures, en fluage-rupture, à 650-C 90US charge de lOOOMPa et en ab~cisse~ sont reportées le~ teneurs en Mo et W en pourcentages atomique~; la courb~ en trait plein repr~sente le~ résultata de fluage, effectu~s sur éprouvette avec en~aille et la courbe en trait tiret~, des résultat~ en fluage 3ur eprouvette lisse.
S - la pénalisation en den~ité est moindre avec l'élément Mo qu'avec W.
La présente invention préconise une teneur en Mo comprise entre 6 et 8 % en poids qui, comme le montre le tableau 2 10 (voir en particulier les exemples d'alliages selon l'in-vention N 14 et N 16), aboutit aux hautes valeurs de ré-sistance en traction et fluage, l'alliage conservant néan-moins des vitesses de fissuration en fatigue-fluage parti-culièrement basses.
Il est connu que l'addition de chrome est nécessaire pour la résistance à l'oxydation et participe au durcissement de l'alliage. Cependant, pour des teneurs en Al, Ti et Mo atteignant les niveaux pr~conisés par l'invention, les 20 travaux qui ont abouti à l'invention ont montré qu'une concentration de chrome supérieure à 13 % en poids provo-que une précipitation abondante de carbures intergranu-laires qui entraine une détérioration des propriétés de ductilité, sensibilité à l'entaille et fissuration, comme 25 le montrent les résultats de l'alliage N 17 reportés sur le tableau 2 représenté plus loin.
Pour cette raison l'invention préconise une teneur en chrome comprise entre 11 et 13 % en poids.
30 Autres spécifications Il est reconnu qu'une teneur d'au moins 8% en poids de cobalt est nécessaire pour la résistance au fluage. Cet élément abais~e par ailleurs la température de solvus de la pha~e ~et, en raison des fortes valeurs de Al et de Ti _ 7 _ 13t24~3 dc la présent~ invent~on une teneur en cobalt d'~u moins 14 % en poids est retenue par l'invention de façon ~ faci-liter la mi~e en oeuvre du mat~riau. Cette teneur doit être limitée en oeuvre du matériau. Cette teneur doit être 5 limitée supérieurement à 17% pour maintenir une fraction volumique de ~ ~uffi~ante aux températures d'emploi con~idér~es .
Le bore et le carbone sont des éléments connus pouvant 10 améliorer la résistance au fluage, mais compte tenu des teneurs en chrome et en molybdène de 1'invention, et afin d'éviter la formation excessive de carbures et borures, l'invention limite leur concentration pondérale à 500 ppm.
15 Le zirconium peut-être utile pour fixer d'éventuelles traces fragilisantes de soufre, mais l'invention limite cependant sa teneur à 500 ppm en poids pour éviter la formation de phases à bas point de fusion.
20 D'autres éléments tels que Mg, Ca, Si, Y etc... souvent utilisés pour l'~laboration de l'alliage, peuvent rester présents au niveau de traces sans nuire aux propriétés des alliages selon l'invention.
25 A titre d'exemple, il a été étudié plu~ particulièrement deux alliages (exemples N14 et Nl~) de la famille conformes à l'invention. Leur composition est donnée dans le tableau 1 ci-après où les teneur~ de chaque élément sont exprimées en concentration pondérale.
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- 9 - t 3 ~ 2~ ~3 Pour chaque nuance d'alliage, de~ e~sai~ mécaniques ont ~té réali~és d'une part sur des ~prouvettes dont l'élaboration conduit à une structure à gros grain~
(supérieur~ ou égaux à 50 ~ )ou à "collier" et d'autre part 5 sur des éprouvettes don~ l'élaboration conduit ~ une structure ~ petit~ grains (inférieur~ ou égaux à 10~ ~), Chaque éprouvette ~laborée est 30umi3e à une séquence de traitements thermiques avant essai de manière à optimiser les propriétés de l'alliages.
Ces essais de caractérisation comporl:ent :
- de~ essais en traction pour lesquels sont notés les limites élastique~ R0,2 en MB à 650 C et à
~ 15 750C et les allongements A % à 750C, - des essais de fluage à 750C à l'air sous charge de 600 MPa pour lesquels sont notés les temps à rupture sur éprouvette lisse tRL en heures et le rapport1~ entre le 20 temps à rupture sur éprouvette entaillée / temps à rupture sur éprouvette lisse.
- des essais de fissuration cycliques à 650C à l'air pour lesquels sont notées les valeurs de vitesse de fissuration 25 da/dN :
avec amplitude de facteur d'intensité de contrainte K = 30 Mpa et ~ K = 60 Mpa temps de maintien ~ous charge de traction maximale tm = 300g Les résultats obtenus sont rassemblés sur le tableau 2 ci-aprè~ qui regroupe également les résultats comparatifs obtenu~ avec de~ alliages connus de l'état de la technique 35 dont les composition~ correspondantes sont également ~ données aang le tableau 1 ci-dessu~.
Ce~ résultats sont obtenus en appliquant ~ur ~prouvettes -10- 1~1248;~
d'e~sai une vitesse de refroidissement de lOO-C par minute après remise en solution de la pha~e ~ ). Cette vitesse correspond à une vitesse de refroidi~ement à coeur de pièces ~usceptible~ d'être réali~ées en un alliage 5 conforme ~ 1'invention.
Ces résultats montrent que les superalliages de l'invention permettent de parvenir à l'ensemble optimal recherché des propriétes mécaniques à challd conciliant de 10 bons résultats en résistance à la fissuration avec de bons résultats également en traction et en fluage jusqu'à
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~ - -- 12 - 1312~83 La mise en oeuvre des superalliages conformes à
l'invention peut faire appel ~ tout procédé comme évitant l'apparition de ségr~gations majeures du genre de celle~
qui apparaissent lorsque de tel~ alliages ~ont mis en 5 oeuvre selon des procédés de fonderie cla3siques. Ainsi l'élaboration des ~uperalliages selon l'invention peut notamment être obtenue par les techniques connues de métallurgie des poudres et des pièces réalisées en ces alliages telles que des disques de rotor de turbomachine 10 peuvent par exemple être fabriquées par des procédés connus de compaction isostatique ~ chaud.
Claims (5)
1 - Superalliage à matrice à base de nickel présentant de bonnes propriétés mécaniques à chaud de tenue en traction, en fluage, en fatigue oligocyclique et de résistance à la fissuration, caractérisé en ce que la composition chimique en pourcentages pondéraux appartient au domaine suivant :
Cr 11 à 13 Co 8 à 17 Mo 6 à 8 Nb inférieur ou égal à 1,5 Ti 4 à 5 Al 4 à 5 Hf inférieur ou égal à 1 C,B,Zr chacun inférieur ou égal à
500 ppm Ni complément à 100
Cr 11 à 13 Co 8 à 17 Mo 6 à 8 Nb inférieur ou égal à 1,5 Ti 4 à 5 Al 4 à 5 Hf inférieur ou égal à 1 C,B,Zr chacun inférieur ou égal à
500 ppm Ni complément à 100
2 - Superalliage à matrice à base de nickel selon la revendication 1 caractérisé par les teneurs particulières ci-après, en pourcentages pondéraux :
Co 14 à 17 C 0 à 200 ppm B 0 à 200 ppm
Co 14 à 17 C 0 à 200 ppm B 0 à 200 ppm
3 - Superalliage à matrice à base de nickel selon la revendication 2 caractérisé par la composition chimique suivante, en pourcentages pondéraux :
Cr 11,9 Co 15,8 Mo 6 Nb 1,4 Ti 4 Al 4,3 Hf 0,32 C 150 ppm B 150 ppm Zr 500 ppm Ni complément à 100
Cr 11,9 Co 15,8 Mo 6 Nb 1,4 Ti 4 Al 4,3 Hf 0,32 C 150 ppm B 150 ppm Zr 500 ppm Ni complément à 100
4 - Superalliage à matrice à base de nickel selon la revendication 2 caractérisé par la composition chimique suivante, en pourcentages pondéraux :
Cr 12 Co 15,7 Mo 6,8 Nb 0 Ti 4,35 Al 4,35 Hf 0,48 C 150 ppm H 150 ppm Zr 300 ppm Ni Complément à 100
Cr 12 Co 15,7 Mo 6,8 Nb 0 Ti 4,35 Al 4,35 Hf 0,48 C 150 ppm H 150 ppm Zr 300 ppm Ni Complément à 100
5 - Disque de rotor de turbomachine caractérisé en ce qu'il est constitué en superalliage à matrice à base de nickel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
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