Alliage nickel-chrome-cobalt et utilisation de cet alliage Les alliages utilisés aux hautes températures sous forme de tôles et destinés par exemple à la fabrica tion de bâches et de tuyères pour turbines à gaz d'avions, doivent non seulement conserver une résis tance à la traction et au fluage suffisante aux tempé ratures de service, mais également être ductiles à ces températures. Ils doivent en outre être soudables et pouvoir être façonnés à la température ordinaire.
La résistance au fluage peut être considérée comme suf fisante lorsque l'allongement en 100h à la tempéra ture de service et sous une charge d'environ 12,6 kg/mm2 ne dépasse pas 0,2 m/o, bien qu'il soit pré férable qu'il ne dépasse pas 0,1 1%.
On sait que les alliages nickel-chrome-cobalt dur cis par addition de titane, d'aluminium, de molybdène
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Tableau <SEP> I
<tb> Température <SEP> Effort <SEP> Fluage <SEP> en <SEP> 100 <SEP> h
<tb> ( C) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (%)
<tb> 785 <SEP> 12,3 <SEP> 0,1
<tb> 800 <SEP> 12,6 <SEP> 0,3
<tb> 825 <SEP> 9,45 <SEP> 0,2
<tb> 850 <SEP> 7,87 <SEP> 0,4 Même sous un effort très modéré, l'allongement par fluage devient excessif aux températures supé rieures à 7850 C.
Le perfectionnement continu des turbines à gaz pour avions entraîne une augmentation constante des températures de service, et la présente invention vise un alliage utilisable aux températures supérieures à 800,, C. et de carbone sont doués d'une excellente résistance au fluage à haute température. Cependant, la résis tance au fluage des alliages de ce type décroît pro gressivement avec les températures croissantes.
Les résultats suivants montrent à quel point l'un des meil leurs alliages pour tôle du commerce, dont la compo- sition nominale est 0,04 1% C, 20 % Cr, 20 m/o Co, 6 % Mo, 2,2'% Ti, 0,5 o/oAl,
complément nickel, perd sa résistance au-dessus de 8000 C. Les essais ont été effectués sur des échantillons de tôle de 1,22 mm d'épaisseur, après traitement thermique comprenant un chauffage de dissolution de 10 mn à 11500 C suivi d'un refroidissement à l'air, d'un vieillissement de 16 h à 7800 C et d'un nouveau refroidissement à l'air. En général, la résistance au fluage des alliages nickel-chrome-cobalt du type mentionné ci-dessus, et par conséquent la température à laquelle ils peuvent être utilisés, augmente avec la teneur totale en titane et en aluminium.
Cependant, les alliages deviennent simultanément plus difficiles à façonner, par suite d'une augmentation de leur dureté à la température ordinaire, après chauffage de dissolution et trempe. Cet effet est illustré par la fi-. 1 du dessin annexé dans lequel le nombre de dureté à la pyramide de Vickers (D.P.V.) est porté en ordonnée en fonction de la teneur totale en titane et aluminium pour une série d'alliages contenant, en plus de titane et d'alu- minium, 20 % de chrome,
10-20'% de cobalt, 0-10 % de molybdène, 0,0l-0,2 % de carbone,
le complément à 1001% étant en substance entièrement du nickel. Les alliages ont été essayés sous forme de tôle de 1,22 mm d'épaisseur préalablement chauffée pendant 8 mn à<B><I>11500</I></B> C et trempée à l'eau. La faible disper sion des résultats de part et d'autre de la courbe mon tre que les variations des proportions des éléments autres que le titane et l'aluminium n'ont qu'une très faible influence sur la dureté à la température ordi naire.
Une dureté d'environ 250 D.P.V., qui est le maximum généralement acceptable pour les alliages pour tôle à façonner, est atteinte pour une teneur to- tale en titane et aluminium de 4%. Par conséquent, il apparaît qu'une limite est imposée à l'amélioration de la résistance au fluage à haute température qui peut être obtenue par une augmentation des teneurs en titane et aluminium, dans le cas des alliages pour tôles.
L'accroissement de la teneur totale en titane et aluminium entraîne également une diminution de la ductilité à la traction aux températures élevées, et pour cette raison également un alliage dont la résis tance au fluage est suffisante peut ne pas convenir pour l'emploi sous forme de tôle.
Cette invention est basée sur la découverte que la résistance aux températures élevées et la ductilité à la traction des alliages nickel-chrome-cobalt contenant environ 4'% au total de titane et d'aluminium sont toutes deux nettement influencées par la teneur en molybdène et par la teneur en carbone et, ce qui est étonnant, aussi par le rapport de la teneur en titane à la teneur en aluminium.
Ainsi, en maintenant ces facteurs dans des limites déterminées, nous pouvons obtenir des alliages de résistance et de ductilité suffi santes au-dessus de 800o C sans que la dureté à la température ordinaire devienne excessive, de sorte que ces alliages peuvent être façonnés par les techniques classiques.
L'invention a donc pour objet un alliage nickel chrome-cobalt, caractérisé en ce qu'il est constitué pratiquement, en plus de nickel, de 14 à 20% de chrome, de 10 à 16 % de cobalt,
de 6 à 8 % de mo- lybdène, de 0,02 à 0,07'% de carbone, de 0,001 à 0,005 0% de bore, du titane et de l'aluminium en pro portions telles que la teneur totale en titane et alumi- nium soit de 3,5 à 4,
5 % et que le rapport du titane à l'aluminium soit de 0,75: 1 à<B><I>1,5:</I></B> 1, la teneur en aluminium étant d'au moins 1,7 0/0.
Pour obtenir la meilleure résistance au fluage, il est préférable que la teneur totale en titane et aluminium soit d'au moins 3,9'% et que la teneur en aluminium soit d'au moins 2%. Le plus haut rapport Ti/Al compatible avec ces conditions supplémentaires est de 1,25 : 1. De pré férence, la teneur en carbone est de 0,03 ro/o à 0,06 0/0 et la teneur en bore de 0,002 à 0,004 0/0.
L'alliage peut en outre contenir jusqu'à 0,06,% de zirconium, car la résistance au fluage et la ductibilité à la trac tion sont favorisées par la présence de zirconium. Ce pendant, ce dernier a un effet défavorable sur la sou- dabilité des alliages. Par conséquent, il est préférable que la teneur en zirconium ne dépasse pas 0,02 0/0, et on n'ajoute pas de zirconium pendant la fusion des alliages.
Les impuretés couramment présentes dans les alliages de ce type sont le silicium, le manganèse et le fer. Il est préférable que ces éléments soient aussi peu abondants que possible, et notamment que la teneur de chacun d'eux ne dépasse pas 1% et que la teneur totale des trois éléments ne dépasse pas 1,5%.
Les propriétés de ces alliages, en particulier la ductilité à haute température et la soudabilité, sont affectées défavorablement par des traces d'autres élé ments pouvant provenir de matières premières impu res. Par conséquent, il est désirable de réduire le plus possible la teneur en ces éléments pour que les pro priétés soient les meilleures possibles. A cet effet, on peut partir de matières premières d'une haute pureté, mais à l'échelle industrielle il est préférable de fon dre les alliages sous un grand vide et de les mouler sous vide ou sous une atmosphère inerte. Il peut parfois être avantageux de raffiner les alliages en les maintenant en fusion sous vide, par exemple en les chauffant à 1400-16000 C pendant au moins 5 mn, de préférence au moins 10 mn, sous une pression ne dépassant pas 0,1 mm Hg.
Les alliages se façonnent le plus facilement dans leur état après chauffage de dissolution et trempe. Le chauffage de dissolution s'effectue de préférence à une température de 1050 à 1200 C. La durée du chauffage dépend de l'épaisseur des pièces, et peut être de 2 à 20 mn pour les sections allant jusqu'à 5 mm d'épaisseur et de 2 à 8 h pour les sections plus épaisses. Pour obtenir la dureté minimum, il convient de refroidir les alliages aussi vite que possible, et la trempe à l'eau est préférée. Ensuite, il convient de vieillir les alliages à une température de 700-950 C et de préférence supérieure à 8500 C pendant 2-16 h, pour qu'ils développent leur plus grande résistance à haute température.
Le soudage des alliages se fait de préférence lors que ceux-ci ont subi le chauffage de dissolution. En général, un nouveau traitement de dissolution n'est pas nécessaire après le soudage, mais, lorsque la ré sistance maximum est désirée, le traitement de vieil lissement peut être effectué après le soudage, la tem pérature employée étant de préférence supérieure à 8500 C pour éliminer complètement les tensions.
Pour que les alliages possèdent la combinaison désirée de propriétés, il est essentiel que les teneurs de tous les éléments molybdène, titane, aluminium et carbone soient comprises dans les limites spécifiées plus haut.
Les effets d'une variation de la teneur en molyb dène sur la résistance à la traction et la ductibilité à haute température ressortent des résultats figurant dans le tableau II, qui ont été obtenus avec des al- liages ayant pour composition nominale 20 % de chrome, 14'% de cobalt,
2 % de titane, 2 d/0 d'alumi- nium, 0,04 % de carbone, 0,003 % de bore,
le coin-
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Tableau <SEP> II
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> molybdène <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> à <SEP> 8400 <SEP> C
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Limite <SEP> d'élasticité'\ <SEP> Allongement <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture
<tb> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0)
<tb> 0 <SEP> 59,8 <SEP> 55,1 <SEP> 9
<tb> 3 <SEP> 67,7 <SEP> 58,3 <SEP> 15
<tb> 5 <SEP> 77,2 <SEP> 63,0 <SEP> 24
<tb> 8 <SEP> 77,2 <SEP> 63,0 <SEP> 28
<tb> 10 <SEP> 78,8 <SEP> 64,6 <SEP> 18 0,
1 % d'allongement permanent La résistance à la traction et la limite d'élasticité augmentent progressivement avec les teneurs crois santes en molybdène, mais l'allongement à la rupture passe par un maximum et diminue à nouveau. La combinaison de la résistance à la traction maximum avec la ductilité à la traction maximum est obtenue avec des teneurs en molybdène de 6 à 8 %.
Un accroissement de la teneur en carbone abaisse les résistances à la traction et au fluage. Les résul tats donnés dans les tableaux III et IV montrent l'effet de la teneur en carbone respectivement sur les
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Tableau <SEP> III
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> carbone <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> à <SEP> 840oC
<tb> (0/0) <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> '\ <SEP> Allongement <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture
<tb> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0)
<tb> 0,04 <SEP> 77,2 <SEP> 63,0 <SEP> 24
<tb> 0,08 <SEP> 72,5 <SEP> 63,0 <SEP> 20
<tb> 0,11 <SEP> 70,9 <SEP> 58,3 <SEP> 25
<tb> * <SEP> 0,
1 <SEP> 0l0 <SEP> d'allongement <SEP> permanent.
<tb> Tableau <SEP> IV
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> carbone <SEP> Température <SEP> Effort <SEP> Fluage <SEP> en <SEP> 100 <SEP> h
<tb> (0/0) <SEP> (0C) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0)
<tb> 0,05 <SEP> 840 <SEP> 13,5 <SEP> 0,095
<tb> 0,07 <SEP> 840 <SEP> 13,5 <SEP> 0,<B>1</B>3
<tb> 0,09 <SEP> 825 <SEP> 12,3 <SEP> 0,105
<tb> 0,1 <SEP> 825 <SEP> 12,3 <SEP> 0,103 plément étant du nickel, ces alliages étant sous forme de tôle de 1,22 mm d'épaisseur préalablement soumise à un chauffage de dissolution de 8 mn à 1150 C, à une trempe à l'eau et à un vieillissement de 16 h à 7800 C.
propriétés à la traction et la résistance au fluage à haute température pour des alliages dont la compo- sition nominale est 20 % de chrome, 14 de co- balt, 2 % de titane, 2'% d'aluminium,
5 de mo- lybdène, 0,003 0/0 de bore, le complément étant du nickel. Tous les alliages ont été essayés sous forme de tôle de 1,22 mm d'épaisseur préalablement soumise à un chauffage de dissolution de 8 mn à 1150 C et à une trempe à l'eau suivie d'un vieillissement. Le traitement de vieillissement a consisté en un chauffage de 16 h à 7800 C, sauf pour le premier alliage du ta bleau III qui a été vieilli pendant 4 h à 9000 C.
Il ressort clairement de ces résultats qu'il est pré férable de maintenir la teneur en carbone en dessous de 0,07 %. Cependant, lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,02 0/0, la ductilité à haute tempéra ture est fortement réduite et les alliages présentent une nette tendance à développer des grains très gros pendant le recuit, ce qui a pour conséquence une qualité médiocre de la pièce formée et peut diminuer la résistance aux hautes températures.
Bien qu'il se soit avéré pratiquement qu'au moins 0,02 % de car- bone est généralement présent dans les alliages, il y a néanmoins lieu de veiller à ce que la teneur en car bone ne descende pas en dessous de cette valeur.
Pour toutes les tôles destinées aux températures élevées, il est désirable d'avoir le maximum de ducti lité à la traction à haute température compatible avec le degré de résistance voulu. L'importance du rapport du titane à l'aluminium pour que l'alliage selon l'in vention possède cette combinaison de propriétés est illustrée par la fig. 2, dans laquelle l'allongement à la rupture par traction (en pour-cent)
à<B>8000</B> C est por tée en ordonnée et le rapport titane/aluminium est porté en abscisse pour des alliages dont la composi- tion nominale est 20 % de chrome, 14 % de cobalt, 4 % au total de titane et aluminium,
5'% de molyb- Tableau V Alliage Composition en % No C Cr Co Mo Ti A1 B Zr si Mn 1 0,l6 14,9 19,6 5,03 1,3 4,37 0,008 0,1 0,34 0,07 2 0,03 18,4 13,4 7,43 1,l 2,44 0,002 0,01 < 0,3 < 0,05 3 0,05 19,75 13,9 7,23 2,1 2,16 0,0035 < 0,02 < 0,15 < 0,03 4 0,026 l7,7 13,3 7,42 2,04 1,75 0,004 < 0,01 < 0,3 < 0,05 5 0,06 19,55 10,2 9,24 3,12 1,51 0,0015 - 0,l5 < 0,02 6 0,l1 19,4 10,6 9,54 3,16 l,24 < 0,001 0,06 0,5 < 0,05 Dans tous les alliages,
le complément à 100 % consiste en nickel et en impuretés Chaque alliage a été laminé en tôle de 1,22 mm d'épaisseur et des échantillons de chaque alliage ont été recuits (Nos 1 à 4 pendant 10 mn à<B>11800C</B> et Nos 5 et 6 pendant 12 mn à 1177 C) et trempés à l'eau.
Leurs duretés ont été les suivantes
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Tableau <SEP> VI
<tb> Alliage <SEP> No <SEP> Dureté <SEP> (D.P.V.)
<tb> 1 <SEP> 332
<tb> 2 <SEP> 229
<tb> 3 <SEP> 181
<tb> 4 <SEP> 240
<tb> 5 <SEP> 240
<tb> 6 <SEP> 280 D'autres échantillons de tôle de chaque alliage ont été recuits et trempés à l'eau de la même ma nière, puis ont été vieillis par chauffage pendant 4 h dène, 0,07 0/0 de carbone, 0,003 % de bore,
le com- plément étant du nickel. Le maximum de ductilité correspond à un rapport titane/aluminium d'environ 1,0.
La teneur en bore de ces alliages est aussi impor- tante. L'alliage doit contenir au moins 0,001% et de préférence au moins 0,
02'% de bore pour une duc- tibilité à la traction convenable des articles soudés.
D'autre part, il est très désirable que les tôles soient soudables, et pour cette raison la teneur en bore ne doit pas dépasser 0,005 % et est de préférence non supérieure à 0,
004 %. Si la teneur en bore dépasse 0,005 0/0, des fissures se produisent pendant le sou dage. La présence de quantités excessives de calcium ou de magnésium affecte également la soudabilité et, pour une soudabilité optimum, il convient de veil ler à ce que la teneur totale en ces deux éléments soit aussi basse que possible, de préférence non supérieure à 0,005 % ou même 0,003 0/0.
L'importance de la corrélation correcte des varia bles de la composition est encore illustrée par les ré sultats d'essais effectués sur six alliages ayant les com positions indiquées dans le tableau V. Les alliages Nos 3 et 4 sont conformes à l'invention, tandis que les alliages Nos 1, 2, 5 et 6 ne le sont pas. à 900 C et refroidis à l'air jusqu'à la température ordinaire. Les résultats d'essais de fluage à 8400 C sous une charge de<B>13,5</B> kg/mm2 et d'essais à la trac tion dans un intervalle de température allant jusqu'à 9001, C sont rassemblés dans les tableaux VII et VIII respectivement.
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Tableau <SEP> VII
<tb> Alliage <SEP> No <SEP> Allongement <SEP> en <SEP> 100 <SEP> h <SEP> sous <SEP> 13,5 <SEP> kg/mm2
<tb> et <SEP> à <SEP> 840o <SEP> C <SEP> (%)
<tb> 1 <SEP> 0,07
<tb> 2 <SEP> 0,94
<tb> 3 <SEP> 0,096
<tb> 4 <SEP> <B>0,16</B>
<tb> 5 <SEP> 0,05
<tb> 6 <SEP> 0,28"
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Tableau <SEP> VIII
<tb> Temp.
<SEP> Résistance <SEP> Limite <SEP> Allongement <SEP> Résistance <SEP> Limite <SEP> Allongement
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> d'élasticité <SEP> * <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> d'élasticité <SEP> \ <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture
<tb> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0)
<tb> Alliage <SEP> No <SEP> 1 <SEP> Alliage <SEP> Nn <SEP> 2
<tb> 20 <SEP> 74 <SEP> 52 <SEP> 16 <SEP> 75 <SEP> 50 <SEP> 25
<tb> 700 <SEP> 60 <SEP> 44 <SEP> 5 <SEP> 59 <SEP> 43 <SEP> 10
<tb> 750 <SEP> 49 <SEP> 45 <SEP> 2 <SEP> 61 <SEP> 44 <SEP> 18
<tb> 800 <SEP> 40 <SEP> 30 <SEP> 0,
6 <SEP> 52 <SEP> 42 <SEP> 24
<tb> 840 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 44 <SEP> 40 <SEP> 23
<tb> 900 <SEP> 31 <SEP> 28 <SEP> 2 <SEP> 30 <SEP> 29 <SEP> 29
<tb> Alliage <SEP> No <SEP> 3 <SEP> Alliage <SEP> No <SEP> 4
<tb> 20 <SEP> 62 <SEP> 32 <SEP> 40 <SEP> 74 <SEP> 48 <SEP> 26
<tb> 700 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 67 <SEP> 41 <SEP> 32
<tb> 750 <SEP> 48 <SEP> 29 <SEP> 30 <SEP> 55 <SEP> 35 <SEP> 33
<tb> 800 <SEP> 50 <SEP> 33 <SEP> 26 <SEP> 50 <SEP> 39 <SEP> 28
<tb> 840 <SEP> 43 <SEP> 31 <SEP> 19 <SEP> 44 <SEP> 42 <SEP> 32
<tb> 900 <SEP> 32 <SEP> 27 <SEP> 19 <SEP> 34 <SEP> 33 <SEP> 29
<tb> Alliage <SEP> No <SEP> 5 <SEP> Alliage <SEP> No <SEP> 6
<tb> 20 <SEP> 72 <SEP> 49 <SEP> 18 <SEP> 84 <SEP> 57 <SEP> 16
<tb> 700 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 66 <SEP> 49 <SEP> 8
<tb> 750 <SEP> 58 <SEP> 42 <SEP> 19 <SEP> - <SEP> - <SEP> 800 <SEP> 46 <SEP> 39 <SEP> 15 <SEP> 50 <SEP> 42
<SEP> 5
<tb> 850 <SEP> 39 <SEP> 37 <SEP> 15 <SEP> - <SEP> - <SEP> 900 <SEP> 26 <SEP> 23 <SEP> 17 <SEP> 25 <SEP> 20 <SEP> 11 ^ 0,1 % d'allongement permanent. Ces résultats montrent que l'alliage N0 1, dans le quel la teneur en molybdène est basse, la teneur en carbone élevée, la teneur totale en titane et alumi nium élevée et le rapport titane/aluminium bas, pré sente une résistance au fluage acceptable mais est très dur à l'état recuit et présente une ductilité à la traction très médiocre aux hautes températures.
L'alliage N0 2, qui ne diffère des alliages confor mes à l'invention que par sa teneur en titane et par son rapport titane/aluminium, qui sont tous deux trop bas, s'adoucit facilement par recuit et a une très bonne ductibilité à la traction, mais la résistance au fluage de cette matière est médiocre.
Dans l'alliage No 5, les teneurs en molybdène et en titane sont plus élevées et la teneur en aluminium est plus basse que celles des alliages conformes à l'in vention, et le rapport titane/aluminium ainsi que la teneur totale en titane et aluminium sont tous deux trop hauts. Bien que la dureté et la résistance au fluage de cet alliage soit acceptable, sa ductibilité à la traction est notablement inférieure à celle des alliages conformes à l'invention.
L'alliage No 6 a une composition très semblable à celle de l'alliage No 5, et diffère des alliages confor mes à l'invention aussi par le fait que sa teneur en carbone est trop forte et que sa teneur en bore est trop faible. Ces écarts par rapport à l'invention, bien que numériquement petits, entraînent une résistance au fluage insuffisante, une forte dureté et une faible ductilité à la traction.
L'invention s'étend à l'utilisation de cet alliage pour la fabrication d'articles et de pièces par façon nage à froid et par soudage.