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.