Procédé de préparation d'alliages de densité inférieure à 5,0, durs, tenaces, aptes à conserver leur dureté et leur ténacité jusqu'à 1200 < # C La mise au point des moteurs à turbine à gaz n'a pu être menée à bien que lorsqu'on. a pu disposer d'alliages suffisamment réfractaires à chaud, c'est-à-dire d'alliages qui, aux températu res élevées, restent tenaces, indéformables, résis tants à l'altération par oxydation.
Actuelle ment encore, tout accroissement des possibilités des moteurs à turbine : puissance, régularité de marche, durée de service, bas prix d'entre- tien, est étroitement lié aux améliorations que les recherches permettent d'apporter dans la possibilité d'élever la température à laquelle des matériaux soumis à certaines contraintes peuvent être utilisés ; aussi, de nombreux mé tallurgistes se sont-ils attachés à ces recherches.
L'étude des différentes compositions d'al liages de cobalt, nickel, chrome, fer, molyb dène, carbone, etc... a fait l'objet d'un grand nombre de travaux ; les lois qui lient les pro priétés à chaud aux compositions et aux pro cédés d'élaboration ont été déterminées et l'on peut considérer que l'on connaît maintenant les meilleurs alliages, réfractaires que l'on puisse réaliser à partir des éléments qui viennent d'être cités. Or, le rendement des moteurs à turbine pourrait être encore accru sensiblement si les turbines étaient capables de travailler .à une température bien supérieure à celles que peuvent supporter les meilleurs de ces derniers alliages et qui est de l'ordre de 800 .
On a pensé à recourir aux carbures métal liques justement réputés pour conserver leur ténacité à température élevée et parmi eux le carbure de titane a, par l'ensemble de ses pro priétés, particulièrement retenu l'attention.
Il est, en effet, remarquable par son faible poids spécifique, sensiblement égal à 5g/cm3, qui per met d'envisager par rapport aux autres allia- ges réfractaires, une réduction importante des efforts d'inertie, auxquels sont soumises les piè ces qui se déplacent à grande vitesse, par son haut module à chaud, par sa résistance à l'oxydation; son prix est en outre modéré, très inférieur à celui des autres carbures ré fractaires qui ont en plus l'inconvénient d'être lourds et oxydables.
Malheureusement, on n'est pas parvenu jusqu'à ce jour à constituer des corps com pacts en carbure de titane non fragiles et exempts de porosité. La fusion s'effectue à température trop élevée pour qu'elle puisse être envisagée. Le procédé de compression et frit tage ne convient pas non plus, car les grains de carbure de titane, dépourvus de toute plas ticité, ne restent en contact que par quelques points, aussi forte que soit la pression de mou lage, et l'alliage finalement obtenu est fragile et poreux.
On a cherché à agglomérer les grains de carbure suivant les techniques classiques par un métal du groupe du fer et à surchauffer le produit dans le vide pour évaporer le métal de liaison, mais outre que l'opération est dif ficile et coûteuse, le départ même des métaux de liaison nuit à la cohésion de l'alliage. Si l'élimination du métal de liaison n'est pas com plète, la plasticité à chaud du ciment intergra- nulaire qui reste en place confère au matériau une capacité de déformation telle que prati quement il n'y a pas intérêt à substituer ces al liages .à ceux qui sont constitués de nickel, chrome, cobalt, fer, etc.... sans carbure de ti tane.
La présente invention permet de préparer des alliages qui possèdent un ensemble remar quable de propriétés mécaniques et physico- chimiques, non encore réunies sur un même produit, et qui en font un matériau de choix pour toute pièce soumise localement on en to talité à une température élevée et qui doit, dans ces conditions, supporter sans déforma tion, ni altération, des efforts importants et de longue durée.
L'invention a pour objet un procédé de préparation d'alliages de dènsité inférieure à 5,0, durs, tenaces, aptes à conserver leur du reté et leur ténacité jusqu'à 1.2000 C, caracté risé par le fait que l'on mélange intimement de l'hydrure de titane et du carbure de titane dans lequel le carbone et le titane sont en propor tions sensiblement équiatomiques, le pourcen tage de l'hydrure de titane dans le mélange étant compris entre 10 et 35 %,
on comprime le mélange en corps cohérents, on chauffe ces corps en atmosphère d'hydrogène à une tem pérature suffisante pour que l'hydrogène de l'hydrure soit éliminé complètement et on chauffe le produit débarrassé de l'hydrogène combiné et à l'état d'agglomérés en atmosphère d'hydrogène ou de gaz rares à une température comprise entre 1.800 et 2.3000 C.
Le présent procédé est, par exemple, exécuté comme suit de l'hydrure de titane et du carbure de titane pur, dans lequel le carbone et le titane sont en proportions équiatomiques, sont intimement mélangés en proportion convenable dans un broyeur à boulets ; le mélange ainsi préparé est comprimé dans un moule de forme cylin- drique ou prismatique sous une pression suffi sante pour qu'après démoulage on obtienne un bloc suffisamment cohérent pour être manipulé sans s'effriter.
Les comprimés ainsi obtenus sont chauffés lentement dans une atmosphère d'hydrogène jusqu'à 10000 C environ ; au cours de ce chauffage, l'hydrure de titane se disso cie et libère son hydrogène et de ce fait, les comprimés se disloquent, tout au moins ceux qui sont préparés à partir des plus fortes pro portions d'hydrure de titane. Ceux-ci sont alors sortis du four, la poudre qui les constitue est dispersée par un broyage sommaire et soumise à une nouvelle compression, mais cette fois à la forme définitive, compte tenu des variations de dimensions qui se produiront dans le chauf fage qui suivra.
Les pièces en forme acquièrent leur cohésion par un chauffage en atmosphère d'hydrogène à température supérieure à<B>1.800-</B> <B>C</B> ; une température comprise entre 2.000 et 2.200 C maintenue pendant un temps compris entre 10 minutes et une heure convient.
Quand on utilise l'hydrogène comme atmo sphère des fours de frittage, on évite difficile- ment une variation de composition des régions superficielles des pièces, qu'il se produise soit une décarburation, soit une cémentation (ap port de carbone) par le méthane qui résulte de l'action de l'hydrogène sur les résistances ou creusets de graphite quand ce matériau est em ployé. On peut éviter cet inconvénient en en duisant les pièces soumises au frittage d'une mince couche d'alumine ou mieux en effectuant le frittage dans une atmosphère de gaz rare, argon, par exemple.
Par raison d'économie on peut purger l'air contenu initialement dans le four par un courant d'hydrogène que l'on main tient jusqu'à ce que le four ait atteint une tem pérature de 1.0000 ; on substitue à ce moment l'argon à l'hydrogène qui se trouve purgé progressivement pendant que la température s'élève; le maintien à la plus haute tempéra ture étant fait en atmosphère d'argon sensible ment pur, les petites quantités d'hydrogène qui peuvent subsister n'ont pas d'influence sensible.
La très bonne moulabilité de la poudre est inattendue et parait provenir de l'enrobage des grains de carbure par le titane résultant de la dissociation de l'hydrure et de la bonne filia tion du titane dans les couches superficielles des grains de carbure. On obtient ainsi une excellente compacité par moulage à froid de la poudre et un excellent frittage consécutif.
Pour des alliages à forte teneur en carbone, par exemple ceux qui sont élaborés à partir de 10 % d'hydrure de titane et 90 % de carbure de titane, le dégagement d'hydrogène qui a lieu jusqu'à 1.0000 est suffisamment modéré, si le chauffage est fait lentement, pour que le com primé qui y est soumis conserve sa forme, sans que se produisent des dislocations ou des fis sures.
Il est alors inutile de sortir le comprimé du four et le chauffage peut être poursuivi jus qu'à la température nécessaire à la cohésion définitive. Bien entendu quand on peut se con= tenter d'un seul chauffage, le moulage est fait à la forme définitive compte tenu des retraits.
Un exemple précis du procédé selon l'in vention est donné ci-dessous.
800 g de carbure de titane pur CTi et 200 g d'hydrure de titane sont introduits dans une jarre de broyage garnie de billes de car bure de tungstène, en même temps que le vo lume d'essence de pétrole juste nécessaire pour que la masse pulvérulente prenne une consis tance de crème ; l'essence maintient la disper sion de la poudre au cours du broyage et fa vorise notablement l'homogénéité du mélange, La durée du broyage est de 10 heures après lesquelles la suspension liquide des poudres est sortie du broyeur ; l'essence est séparée par une évaporation faite vers 1000, de préférence en atmosphère d'hydrogène.
Avec la poudre sèche, on forme, sous une pression de 10 kg/me, un comprimé qui, dans l'opération suivante, est chauffé progressive ment depuis l'ambiante jusqu'à 1.0000 dans un four parcouru par un courant d'hydrogène. La masse, devenue à nouveau pulvérulente, est sortie du four et les agglomérats qui subsistent sont dispersés par quelques chocs ou par un broyage sommaire. La poudre obtenue est mise dans un moule à la forme de la pièce désirée les dimensions du moule sont supérieures de 13,5 % à celles qui doivent être finalement ob- tenues. Pour une pièce de forme prismatique régulière, on obtient, sous une pression de 12 kg/mm2, des comprimés homogènes très bien formés dont les limites sont nettes.
Ces comprimés sont chauffés sous courant d'hydro gène dans un four à résistance de graphite, de telle sorte qu'ils soient maintenus 20 minutes à 2.050 C. Les pièces finalement obtenues ont une densité de 4,85, leur dureté est de<B>1.500</B> kg/ min-' Vickers. Leur résistance à l'oxydation est telle qu'elles peuvent être plusieurs jours en contact avec l'air à une température de 9000 sans que leur dureté et leur ténacité soient al térées et sans avoir subi d'autre changement qu'une légère variation de teinte de la surface qui devient un peu moins claire.
L'examen mi croscopique au grossissement de 1.500 diamè tres, après polissage à la poudre de diamant et attaque par une solution de ferricyanure de potassium, montre que l'alliage est constitué de grains fins homogènes à contours sinueux et très déliés.
Le titane agglomérant a donc dif fusé dans les grains de carbure au cours du frit tage à haute température conduisant ainsi à une substance polycristalline sans liant inter- granulaire. L'impossibilité des glissements in- tergranulaires qui résulte de ce fait et de la forme sinueuse des contours, explique qu'au cune plasticité n'apparait dans l'alliage jusqu'à très haute température, par exemple 1.4000 C. Il faut atteindre au moins 1.800 pour que se manifeste une certaine plasticité qui résulte du relâchement des liaisons interatomiques à l'in térieur des grains.
Quand la fabrication s'applique à des piè ces non démoulables ou de dimensions trop importantes pour qu'une compacité homogène soit obtenue par moulage, on peut, après disso ciation de l'hydrure, mouler la poudre en forme de barreau prismatique, soumettre celui-ci à un frittage à température juste suffisante pour permettre l'usinage à la forme définitive (1.300 C environ) et celui-ci étant effectué, procéder au frittage final à haute température. Les alliages ainsi préparés ayant plus de 14 % de carbone environ sont parfaitement stables structuralement à toutes températures.
Par leur densité très basse, leur dureté et leur haut module d'élasticité à haute température, par leur résistance à l'altération par oxydation, les alliages préparés conformément à l'invention constituent des matériaux de choix pour pièces telles qu'aubes de turbine, soupapes d'échap pement de moteur à explosion travaillant à haute température et que leur déplacement ra pide fait soumettre à des efforts importants. Ces produits s'appliquent à l'établissement de toutes pièces devant être tenaces à haute tem pérature.
Ces alliages beaucoup moins coûteux que les alliages usuels à base de carbure de tungs tène, peuvent leur âtre substitués pour certains outils de coupe ou de frottement.