Alliage résistant à la chaleur, à base de nickel La présente invention concerne des allia ges résistant à la chaleur, à base de nickel, ne contenant pas de bore, et susceptibles d'être transformés en feuilles ou tôles, par exemple par laminage.
Les besoins croissants de l'aéronautique en alliages possédant une forte résistance mécani que à haute température, en particulier pour les moteurs à réaction, sont constamment ralentis par les restrictions imposées aux matières dites stratégiques . Au fur et à mesure que les moteurs à réaction se perfectionnent, ils ten dent à reposer de plus en plus sur des métaux dont l'approvisionnement est insuffisant, tels, par exemple que le columbium, le tantale, le tungstène et le cobalt. On a bien proposé de remplacer ces éléments par de petites quantités de bore, mais le résultat n'est pas toujours sa tisfaisant, car la présence de quantités même très faibles de bore est extrêmement nuisible aux propriétés de travail à chaud de ces al liages.
La présente invention concerne un alliage de nickel qui peut être travaillé à chaud et a la composition suivante : 14 % à 17 % Cr, 8 % à 12 % Fe, 4 % à 7 % Mo, 2,25 % à 5 % Ti, 1,
75 % à 2,50 % Al, 0,08'% à 0,25 % C, le reste étant constitué au moins en majeure par tie par du nickel.
Le cobalt peut également être présent jusqu'à 2,25 %. L'une des com- positions préférées est comprise entre les limi- tes suivantes :
14 % à 16 % Cr, 8 % à 12 % Fe, 5 % à 6 % Mo, 2,25 % à 4 % Ti, 1,75 0/0 à 2,25'()/o Al, 0,12-% à 0,
16% C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles. Au dessin annexé La fig. 1 est un graphique montrant l'in fluence de la teneur en fer sur la durée de ser vice sous charge avant rupture, ou temps de rupture , des alliages conformes à l'invention.
La fig. 2 est un graphique montrant l'in fluence de la teneur en molybdène sur le temps de rupture desdits alliages.
Les propriétés avantageuses de l'alliage selon l'invention résultent d'un équilibrage étroit qui représente un compromis entre des propriétés de résistance mécanique élevée et la possibilité de laminer l'alliage pour produire des tôles. Les proportions relatives dés divers composants de l'alliage (qui sont indiquées plus haut) donnent à l'alliage des propriétés particu lières. Par exemple, les proportions de chrome, de molybdène et de fer présentes dans l'alliage selon l'invention ne sont pas seulement impor tantes individuellement pour obtenir les pro priétés recherchées, mais leurs valeurs relatives sont également importantes pour obtenir ces propriétés.
Les figures jointes montrent claire ment l'importance critique des gammes indi quées pour les divers éléments de l'alliage.
La fig. 1 représente graphiquement le temps de rupture de l'alliage selon l'inven tion à 8700 C sous une charge de 1406 kg/cm2. Pour établir ce graphique, on a fait varier la proportion de fer dans un alliage ayant, par ailleurs, la composition suivante :
15 % à 16 0/0 Cr, environ 5,5 % Mo, 1,80 % à 2,25 % Al, 2,50 % à 2,75'% Ti, 0,12 '% à 0,
15 % C, le reste étant du nickel et des impuretés acciden telles. L'examen du graphique fait ressortir l'importance du choix exact de la proportion de fer dans l'alliage. Le temps de rupture maximum, qui est d'environ 400 heures, cor respond à une gamme étroite de proportion de fer. Une diminution de cette proportion en dessous de cette zone fait diminuer rapidement le temps de rupture.
Par exemple, le temps de rupture est réduit du quart environ de la valeur précédente ou de 100 heures si la proportion de fer est réduite à environ 6 %. L'importance de la précision de l'équilibrage mutuel entre les composants est encore plus nette si la pro portion de fer est accrue au delà de la gamme étroite spécifiée.
Par exemple, le temps de rup ture est .réduit de moitié environ ou d'environ 200 heures si la proportion de fer est accrue d'environ 6 % au delà de cette gamme.
Pour montrer encore l'importance de la précision des gammes de proportion des élé ments d'alliage, la fig. 2 représente graphique ment le temps de rupture de l'alliage selon l'in vention à une température de 8160 C sous une charge de 2460 kg/cm2. Pour établir ce gra phique, on a fait varier la proportion de mo- lybdène dans un alliage ayant par ailleurs la composition suivante :
15 % à 16 % Cr, envi- ron 8,5 % Fe, 1,75 % à 2,25 % Al, 2,50 % à 2,75 % Ti, 0,11 % à 0,
16 % C, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles. L'exa men du graphique fait ressortir que le dosage exact du molybdène dans l'alliage de l'inven tion est encore plus important que celui du fer. Le temps de rupture maximum, qui est d'en viron 175 heures, correspond à une gamme ex- trêmement étroite de proportion de molybdène. Une diminution de la proportion du molybdène en dessous de cette zone réduit d'une façon remarquablement rapide le temps de rupture.
Par exemple, ce temps de rupture est réduit de plus des deux tiers, c'est-à-dire d'environ 125 heures, si la proportion de molybdène est réduite d'environ 3 0/0. L'importance de l'exactitude du dosage est encore plus nette lorsqu'on augmente la proportion de molybdène au delà de la gamme optimum étroite.
Par exemple, le temps de rupture est réduit d'envi ron moitié ou de 90 heures si la proportion de molybdène est accrue d'environ 3 %. On a constaté cependant qu'une forte proportion de molybdène est nuisible pour le travail à chaud des alliages et, pour ces raisons, la teneur en molybdène ne doit, dans aucun cas, être supé- rieure à 7 %.
En résumé, compte tenu des graphiques joints, on voit que l'importance du réglage pré cis dans une gamme étroite des proportions des éléments dans l'alliage selon l'invention est es sentielle si l'on veut obtenir les propriétés phy siques remarquables de cet alliage.
L'exactitude des proportions d'aluminium et de titane dans l'alliage selon l'invention a une importance qui n'est pas inférieure à celle des autres éléments. Une augmentation de l'alu minium et du titane est avantageuse pour la résistance mécanique de l'alliage, mais nuit à ses possibilités de travail à chaud et de façon nage à froid. De plus, le rapport du titane à l'aluminium a une importance particulière. Les proportions de chacun de ces éléments sont non seulement importantes par elles-mêmes, mais encore par leur rapport. Il est indiqué que la proportion de titane soit toujours supérieure à celle de l'aluminium. Une valeur préférée de ce rapport correspond à envirân 1 à 1,5 partie de titane pour 1 partie d'aluminium.
Parmi les propriétés qui distinguent l'al liage selon l'invention, il faut signaler la cons tance de la limite d'élasticité depuis la tempé rature ordinaire jusqu'aux températures de ser vice prévues. La chute brusque de la limite d'élasticité des autres alliages comparables fait ressortir l'un des avantages distinctifs de l'al liage selon l'invention. D'autres propriétés dis tinctives de cet alliage sont sa possibilité de travail à chaud, sa ductilité à la température ordinaire, et sa résistance mécanique à haute température. Ces propriétés permettent de fa briquer à chaud des tôles, des barres, des pièces de forge, des plaques et objets divers destinés à un service à haute température sous une charge mécanique.
Une autre propriété avantageuse de l'alliage selon l'invention, qui le place en dehors des autres alliages comparables, est qu'il n'exige aucun vieillissement artificiel pour acquérir des propriétés de durée de service sous charge su périeures à celles des alliages habituels compa rables.
Il est préférable que les alliages conformes à l'invention soient fondus et coulés dans le vide, comme on l'indiquera ci-après de façon détaillée, quelles que soient les proportions des métaux d'alliage à l'intérieur des gammes indi quées plus haut. La fusion et coulée sous vide produit régulièrement des lingots sains, qui se laissent laminer sans difficulté. Néanmoins, si la proportion de titane est aux environs de la limite inférieure de la gamme de proportions indiquée, on peut produire l'alliage de la façon habituelle par fusion à l'air, sous réserve de satisfaire à certaines conditions telles que la coulée dans un moule en sable, comme on l'in dique plus loin.
Si la proportion de titane dé passe environ 2,5 'o/o à 3 0/0, il faut adopter la fusion et coulée sous vide.
Lorsqu'on applique la fusion sous vide, un procédé préféré consiste à charger la totalité des matières dans le four, avec un excès de charbon. On fait un vide partiel dans le four et l'on fait fondre la charge. Quand la charge est fondue, on réduit la puissance de chauffage à une valeur suffisante pour maintenir la charge à l'état fondu, et l'on réduit lentement la pres sion en ayant soin d'éviter une ébullition vio lente ; pendant cette période, le charbon en excès réagit avec les impuretés de la charge. (On peut retarder la réaction en augmentant la pression de la chambre par introduction d'ar gon).
On doit finalement réduire la pression jusqu'à environ 0,3 à 0,5 mm, après quoi la température et la pression sont maintenues constantes jusqu'à ce que toute réaction appa rente cesse. Ensuite, on verse la charge dans une atmosphère partielle d'argon.
Quand on applique ,la fusion à l'air, on fait fondre l'alliage dans l'air suivant le procédé ha bituel, en appliquant les précautions usuelles. Après fusion, l'alliage est coulé dans un moule de sable pourvu d'un couvercle chaud. Il est préférable de placer dans le couvercle chaud un composé exothermique de chauffage qu'on peut trouver dans le commerce. Grâce à ces pré cautions, on peut obtenir un lingot sain, à peu près exempt de toute inclusion nuisible. Par ce procédé, on a réalisé avec succès des lingots propres et sains de 15 X 15 X 102 cm.
Après moulage de l'alliage selon l'invention par l'un des procédés décrits, on travaille cet alliage à chaud à une :température comprise entre 10500 et 1180 C.
Les indications suivantes montrent les ex cellentes propriétés physiques d'échantillons particuliers de l'alliage selon l'invention. La charge A a été préparée par le procédé de fu sion à l'air, et la charge B par le procédé de fusion sous vide. On notera la durée de service sous charge exceptionnelle de la charge B, qui est de 167,7 heures à 9820 C sous une charge de 703 kg/cm2. Ces chiffres montrent bien l'une des caractéristiques distinctives de l'alliage selon l'invention.
EMI0003.0018
<I>Composition <SEP> Charge <SEP> A <SEP> Charge <SEP> B</I>
<tb> ( /o) <SEP> ( /o)
<tb> Cr <SEP> 15,3 <SEP> 15,04
<tb> Fe <SEP> 8,1 <SEP> 8,0
<tb> Mo <SEP> 5,3 <SEP> 5,42
<tb> Ti <SEP> _ <SEP> 2,5 <SEP> 3,21
<tb> Al <SEP> 2,2 <SEP> 2,35
<tb> C <SEP> 0,15 <SEP> 0,24 <I>Essais de</I> tension-allongement Tôle de 2,8 mm d'épaisseur, laminée à chaud, recuite au laminage (*).
(*) Recuit au laminage ; chauffage à 1177 C et refroidissement à l'air.
EMI0004.0001
<I>Charge <SEP> A</I>
<tb> <I>Température <SEP> Limite <SEP> Charge</I>
<tb> <I>o <SEP> C <SEP> d'élasticité <SEP> de <SEP> rupture</I>
<tb> <I>(kg/cm2) <SEP> (*) <SEP> (kg/cm2)</I>
<tb> Temp.
<tb> ordinaire <SEP> 5.729 <SEP> 10.299
<tb> 538 <SEP> 5.343 <SEP> 8.809
<tb> 649 <SEP> 5.870 <SEP> 7.364
<tb> 760 <SEP> 5.870 <SEP> 6.200
<tb> 871 <SEP> 4.780 <SEP> 4.886 (**) Chiffres basés sur une déformation per manente de 0,200/0, c'est-à-dire sur une déviation de 0,
20 % relativement à la partie linéaire d'un graphique des ten- sions-allongements obtenu à l'aide de mesures effectuées sur une longueur utile d'éprouvette de 5,08 cm. <I>Essais de rupture</I> Barre ronde de 6,3 mm, laminée à chaud, recuite au laminage.
EMI0004.0015
<I>Charge <SEP> B</I>
<tb> <I>Tempé- <SEP> Effort <SEP> Temps <SEP> Allange-</I>
<tb> <I>rature <SEP> (kg/cm2) <SEP> de <SEP> rupture <SEP> ment</I> <SEP> 0/0
<tb> <I>0 <SEP> C <SEP> (heures)</I>
<tb> 816 <SEP> 3.5<B>1</B>5 <SEP> 61,8 <SEP> 10,2
<tb> 816 <SEP> 2.812 <SEP> 226,8 <SEP> 7,4
<tb> 871 <SEP> 1.758 <SEP> 285,1 <SEP> 14,3
<tb> 927 <SEP> 1.055 <SEP> 338,0 <SEP> 14,9
<tb> 982 <SEP> 703 <SEP> 167,7 <SEP> 35,8 Les propriétés remarquables de l'alliage selon l'invention le recommandent pour fabri quer des tôles par laminage à chaud ou pour fabriquer, par des procédés sévères de travail à chaud des pièces telles que les ailettes de tur bines, les cônes arrière des avions à réaction,
les soupapes ou parties de soupapes, et autres pièces analogues, ou, en résumé, les pièces mé- talliques destinées à travailler mécaniquement à haute température.
Heat-resistant alloy, based on nickel The present invention relates to heat-resistant alloys, based on nickel, not containing boron, and capable of being transformed into sheets or sheets, for example by rolling.
The growing needs of aeronautics for alloys having a strong mechanical resistance at high temperature, in particular for jet engines, are constantly slowed down by the restrictions imposed on so-called strategic materials. As jet engines improve, they tend to rely more and more on metals that are in short supply, such as columbium, tantalum, tungsten, and cobalt. It has been proposed to replace these elements with small amounts of boron, but the result is not always satisfactory, since the presence of even very small amounts of boron is extremely detrimental to the hot working properties of these alloys.
The present invention relates to a nickel alloy which can be hot worked and has the following composition: 14% to 17% Cr, 8% to 12% Fe, 4% to 7% Mo, 2.25% to 5% Ti, 1,
75% to 2.50% Al, 0.08% to 0.25% C, the remainder being constituted at least in major part by nickel.
Cobalt can also be present up to 2.25%. One of the preferred compositions is between the following limits:
14% to 16% Cr, 8% to 12% Fe, 5% to 6% Mo, 2.25% to 4% Ti, 1.75 0/0 to 2.25 '() / o Al, 0.12 -% to 0,
16% C, the remainder being nickel and accidental impurities. In the accompanying drawing, FIG. 1 is a graph showing the influence of the iron content on the service life under load before fracture, or breaking time, of the alloys according to the invention.
Fig. 2 is a graph showing the influence of the molybdenum content on the breaking time of said alloys.
The advantageous properties of the alloy according to the invention result from a close balance which represents a compromise between properties of high mechanical strength and the possibility of rolling the alloy to produce sheets. The relative proportions of the various components of the alloy (which are indicated above) give the alloy special properties. For example, the proportions of chromium, molybdenum and iron present in the alloy according to the invention are not only individually important for obtaining the desired properties, but their relative values are also important for obtaining these properties.
The accompanying figures clearly show the critical importance of the ranges indicated for the various elements of the alloy.
Fig. 1 graphically represents the rupture time of the alloy according to the invention at 8700 C under a load of 1406 kg / cm 2. To establish this graph, we varied the proportion of iron in an alloy having, moreover, the following composition:
15% to 16 0/0 Cr, about 5.5% Mo, 1.80% to 2.25% Al, 2.50% to 2.75% Ti, 0.12% to 0,
15% C, the remainder being nickel and accidental impurities. Examination of the graph highlights the importance of choosing the correct proportion of iron in the alloy. The maximum break-up time, which is about 400 hours, corresponds to a narrow range of iron proportion. A decrease in this proportion below this zone rapidly decreases the breaking time.
For example, the break-up time is reduced by about a quarter of the previous value or by 100 hours if the iron content is reduced to about 6%. The importance of the precision of the mutual balancing between the components is even clearer if the proportion of iron is increased beyond the specified narrow range.
For example, the break-up time is reduced by about half or by about 200 hours if the iron content is increased by about 6% beyond this range.
To further show the importance of the precision of the proportion ranges of the alloying elements, FIG. 2 graphically represents the rupture time of the alloy according to the invention at a temperature of 8160 C under a load of 2460 kg / cm2. To establish this graph, the proportion of molybdenum was varied in an alloy having, moreover, the following composition:
15% to 16% Cr, approx. 8.5% Fe, 1.75% to 2.25% Al, 2.50% to 2.75% Ti, 0.11% to 0,
16% C, the remainder being nickel and accidental impurities. Examination of the graph shows that the exact dosage of molybdenum in the alloy of the invention is even more important than that of iron. The maximum breaking time, which is about 175 hours, corresponds to an extremely narrow range of molybdenum proportion. A decrease in the proportion of molybdenum below this zone remarkably rapidly reduces the breaking time.
For example, this rupture time is reduced by more than two-thirds, that is to say about 125 hours, if the proportion of molybdenum is reduced by about 30%. The importance of assay accuracy is even greater when increasing the proportion of molybdenum beyond the narrow optimum range.
For example, the breaking time is reduced by about half or 90 hours if the proportion of molybdenum is increased by about 3%. It has been found, however, that a high proportion of molybdenum is detrimental for the hot working of alloys and, for these reasons, the molybdenum content should in no case be greater than 7%.
In summary, taking into account the accompanying graphs, it can be seen that the importance of the precise adjustment in a narrow range of the proportions of the elements in the alloy according to the invention is essential if one wishes to obtain the remarkable physical properties of this alloy.
The accuracy of the proportions of aluminum and titanium in the alloy according to the invention is of no less importance than that of the other elements. An increase in aluminum and titanium is advantageous for the mechanical strength of the alloy, but adversely affects its possibilities of hot working and cold swimming. In addition, the ratio of titanium to aluminum is of particular importance. The proportions of each of these elements are important not only in themselves, but also in their relation. It is stated that the proportion of titanium is always greater than that of aluminum. A preferred value of this ratio corresponds to about 1 to 1.5 parts of titanium to 1 part of aluminum.
Among the properties which distinguish the alloy according to the invention, it is necessary to point out the constancy of the elastic limit from the ordinary temperature to the expected operating temperatures. The sudden drop in the yield strength of other comparable alloys brings out one of the distinctive advantages of the alloy according to the invention. Other distinguishing properties of this alloy are its hot workability, its ductility at ordinary temperature, and its mechanical strength at high temperature. These properties make it possible to hot manufacture sheets, bars, forging parts, plates and various objects intended for service at high temperature under mechanical load.
Another advantageous property of the alloy according to the invention, which sets it apart from other comparable alloys, is that it does not require any artificial aging in order to acquire properties of service life under load superior to those of the usual alloys. comparable.
It is preferable that the alloys according to the invention are melted and cast in a vacuum, as will be indicated in detail below, regardless of the proportions of the alloying metals within the ranges indicated above. high. Melting and vacuum casting regularly produces sound ingots which can be rolled without difficulty. However, if the proportion of titanium is around the lower limit of the stated proportion range, the alloy can be produced in the usual way by air melting, provided certain conditions such as casting in the air are met. a sand mold, as we say later.
If the proportion of titanium exceeds about 2.5% to 3%, it is necessary to adopt vacuum melting and casting.
When applying vacuum melting, a preferred method is to charge all of the material to the furnace, with excess carbon. A partial vacuum is made in the furnace and the charge is melted. When the charge is molten, the heating power is reduced to a value sufficient to maintain the charge in the molten state, and the pressure is slowly reduced, taking care to avoid a violent boiling; during this period, the excess carbon reacts with the impurities in the charge. (The reaction can be delayed by increasing the pressure in the chamber by introducing ar gon).
The pressure should finally be reduced to about 0.3-0.5 mm, after which the temperature and pressure are held constant until any apparent reaction ceases. Then, the charge is poured into a partial atmosphere of argon.
When the air fusion is applied, the alloy is melted in air according to the usual process, applying the usual precautions. After melting, the alloy is poured into a sand mold with a hot cover. It is best to place a commercially available exothermic heating compound in the hot lid. By virtue of these precautions, a sound ingot can be obtained, practically free from any harmful inclusion. By this process, clean and sound ingots of 15 X 15 X 102 cm were successfully produced.
After molding the alloy according to the invention by one of the methods described, this alloy is hot worked at a: temperature between 10,500 and 1180 C.
The following indications show the excellent physical properties of particular samples of the alloy according to the invention. Charge A was prepared by the air melting process, and charge B by the vacuum melting process. Note the service life under exceptional load of load B, which is 167.7 hours at 9820 C under a load of 703 kg / cm2. These figures clearly show one of the distinctive characteristics of the alloy according to the invention.
EMI0003.0018
<I> Composition <SEP> Load <SEP> A <SEP> Load <SEP> B </I>
<tb> (/ o) <SEP> (/ o)
<tb> Cr <SEP> 15.3 <SEP> 15.04
<tb> Fe <SEP> 8,1 <SEP> 8,0
<tb> Mo <SEP> 5.3 <SEP> 5.42
<tb> Ti <SEP> _ <SEP> 2.5 <SEP> 3.21
<tb> Al <SEP> 2.2 <SEP> 2.35
<tb> C <SEP> 0.15 <SEP> 0.24 <I> Tension-elongation </I> tests 2.8 mm thick sheet, hot rolled, annealed during rolling (*).
(*) Annealing during rolling; heating to 1177 C and cooling in air.
EMI0004.0001
<I> Load <SEP> A </I>
<tb> <I> Temperature <SEP> Limit <SEP> Load </I>
<tb> <I> o <SEP> C <SEP> of elasticity <SEP> of <SEP> rupture </I>
<tb> <I> (kg / cm2) <SEP> (*) <SEP> (kg / cm2) </I>
<tb> Temp.
<tb> ordinary <SEP> 5.729 <SEP> 10.299
<tb> 538 <SEP> 5.343 <SEP> 8.809
<tb> 649 <SEP> 5.870 <SEP> 7.364
<tb> 760 <SEP> 5.870 <SEP> 6.200
<tb> 871 <SEP> 4.780 <SEP> 4.886 (**) Figures based on a permanent deformation of 0.200 / 0, i.e. on a deviation of 0,
20% relative to the linear part of a tension-elongation graph obtained from measurements made on a working length of test specimen of 5.08 cm. <I> Breaking tests </I> 6.3 mm round bar, hot rolled, roll annealed.
EMI0004.0015
<I> Load <SEP> B </I>
<tb> <I> Temp- <SEP> Effort <SEP> Time <SEP> Allange- </I>
<tb> <I> erasure <SEP> (kg / cm2) <SEP> of <SEP> rupture <SEP> ment </I> <SEP> 0/0
<tb> <I> 0 <SEP> C <SEP> (hours) </I>
<tb> 816 <SEP> 3.5 <B> 1 </B> 5 <SEP> 61.8 <SEP> 10.2
<tb> 816 <SEP> 2.812 <SEP> 226.8 <SEP> 7.4
<tb> 871 <SEP> 1.758 <SEP> 285.1 <SEP> 14.3
<tb> 927 <SEP> 1.055 <SEP> 338.0 <SEP> 14.9
<tb> 982 <SEP> 703 <SEP> 167.7 <SEP> 35.8 The remarkable properties of the alloy according to the invention recommend it for manufacturing sheets by hot rolling or for manufacturing, by severe processes hot working parts such as turbine fins, jet aircraft tail cones,
valves or parts of valves, and other similar parts, or, in short, metal parts intended to work mechanically at high temperature.