Alliage à base de nickel La présente invention se rapporte à des alliages à base de nickel. Ces alliages sont .destinés à être uti lisés à des températures élevées, et en particulier à des températures supérieures à 8150 C. Les alliages suivant l'invention contiennent des quantités impor tantes de nickel, cobalt et chrome, et des quantités moindres mais effectives et nécessaires de bore,
d'alu minium et de molybdène et d'au moins un membre du groupe constitué par le titane et le zirconium et par des mélanges de ceux-ci. Un caractère important de la présente invention est l'addition à l'alliage de bore ne quantités relativement faibles mais en rela tion contrôlée avec l'aluminium et le titane.
Il existe actuellement une demande pressante pour des alliages présentant un point de fusion élevé, et qui conservent d'une façon satisfaisante des carac téristiques mécaniques élevées dans une gamme de températures supérieures à 8150 C. Un exemple d'une telle application est donné par les aubes des turbines à gaz des moteurs à réaction. On continue à étudier de tels moteurs donnant une poussée de plus en plus élevée, et la façon la plus évidente et la plus classi que d'obtenir une poussée plus élevée est d'élever la température des gaz frappant les aubes de la turbine.
Les températures extrêmement élevées qui sont ainsi mises en oeuvre imposent des exigences éprouvantes à la matière des aubes des turbines du fait que les caractéristiques mécaniques de tous les métaux et alliages se détériorent dans les gammes de tempéra tures supérieures. Pour donner des poussées encore plus élevées, les moteurs attendent la mise au point de nouveaux alliages présentant des caractéristiques mécaniques, en particulier la résistance à la traction et la limite élastique, suffisantes pour soutenir des efforts appliqués à des températures de plus en plus élevées.
De même, il est avantageux qu'un alliage pour haute température puisse être produit à la fois sous forme coulée et sous forme corroyée, et qu'il puisse être déformé mécaniquement avec une facilité raison nable.
L'alliage à base de nickel suivant l'invention est caractérisé par le fait qu'il contient de 14,0 % à 17,0 'a/o de chrome, de 13,0 'a/o à 20,0 '% de cobalt,
de 3,25 'c/o à 3,75 '% d'au moins un membre du groupe constitué par le titane et le zirconium et par des mélanges de ceux-ci, de 4,0 % à 4,
5 '% d'alu- minium, de 0,015 % à 0,04% de bore et de 4,50 0/a à 5,50 '% de molybdène,
le solde étant constitué par du nickel.
L'alliage suivant l'invention convient pour des applications à haute température et présente aux tem pératures élevées des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles qu'on a pu obtenir jusqu'à pré sent dans le domaine général des alliages.. Les alliages du type défini présentent des carac téristiques favorables à ,haute température à la fois à l'état coulé et à l'état corroyé et peuvent être tra vaillés (c'est-à-dire déformés mécaniquement par lami nage, forgeage, etc...) avec une facilité satisfaisante à partir de lingots coulés.
Une composition préférée proposée dans les gam mes indiquées ci-dessus est la suivante : chrome 15,5 0/0, cobalt 19,0 0/0, titane 3,5 'a/o, aluminium 4,25,%, bore 0,03 % et molybdène 5,0% ;
le solde étant constitué par du nickel avec présence possible de quantités très faibles (par exemple des traces) d'impuretés ou d'ingrédients qui ne nuisent pas d'une façon essentielle aux caractéristiques mécaniques à haute température de l'alliage.
Les alliages situés à l'intérieur des gammes indi quées ci-dessus sont particulièrement remarquables à l'intérieur d'une gamme de températures comprises entre 8150 C et 10950 C environ. En ce qui concerne particulièrement le bore, le titane et l'aluminium, si leurs gammes respectives sont supérieures aux limites les plus élevées de ces gammes, les alliages résultants deviennent à peu près impossibles à travailler, et si leurs quantités tombent en dessous des limites infé rieures de ces gammes,
les caractéristiques à tempé rature élevée de l'alliage tombent d'une façon mar quée, en particulier les caractéristiques de charge à la rupture.
Un essai normal pour déterminer si les alliages conviennent pour des applications à température éle vée est l'essai de charge de rupture qui vient d'être- mentionné. Dans cet essai, un échantillon de l'alliage à essayer est soumis à une charge appliquée d'une façon continue tandis que l'échantillon est maintenu à une température élevée choisie jusqu'à ce que fina lement il se rompe.
La charge appliquée, au moment de la rupture est calculée en kg/me de la façon habituelle, ainsi que le pourcentage d'allongement qui constitue une mesure de la ductilité. L'élément statis tique important est la durée pendant laquelle l'échan tillon a résisté à la charge avant de se rompre.
Un alliage désigné M , a été élaboré dans la nouvelle gamme décrite ici, et a présenté la compo- sition suivante: chrome 15,6!%, cobalt 18,8'%, bore 0,029 0/0, aluminium 4,47 '0/0, titane 3,5 '%, molyb- dÙne 5,
1 '0/0, le solde étant constitué essentiellement par du nickel. A l'état corroyé et à une température de 9820 C, cet alliage a résisté à une charge de 12,6 kg/me pendant 123,1 heures avant de se rom pre, avec un allongement de 11,5 '0/0 et une réduc- tion de 21,
3 % de sa section dans la zone de rup- ture.
Un autre alliage, désigné N , compris dans cette gamme a eu la composition suivante: chrome 15,8 %, cobalt 18,5 '0 %, bore 0,031 '0/e,, aluminium 4,37 '0/0, titane 3,49 '%,
molybdène 5,0 0/0, le solde étant constitué essentiellement par du nickel.
A l'état corroyé, et à une température de 9820 C, cet alliage a résisté à une charge de 12,6 kg/mm? pendant 104,2 heures avant de se rompre, avec un allongement de 17,4 % et une réduction de section de 27,2 % dans la zone de rupture.
Encore un autre alliage, désigné O , dans cette gamme, a eu la composition suivante: chrome 14,5'%, cobalt 19,0 '0/0, bore 0,03 '%, aluminium 4,4 '0%, titane 3,55 '%, molybdène 5,25 '0 /0,
le solde étant constitué essentiellement par du nickel. A l'état corroyé, et à une température de 9820 C, cet alliage a résisté à une charge de 12,6 kg/me pendant 100,3 heures avant de se rompre, avec un allongement de 13,3 '% et une réduction de section de 19,
0% dans la zone de rupture. Un autre alliage se trouvant dans la gamme décrite ici et faisant partie de la présente invention, à l'état coulé à une température de 9270 C et sous une charge appliquée de 14 kg/me, a résisté à la charge pendant 1000 heures sans se rompre, ce qui est supérieur d'une façon surprenante aux alliages d'une composition correspondante mais se trouvant en dehors de la gamme d'alliages décrite ici.
Un tel alliage commercial se trouvant juste en dehors de la gamme de la présente invention a eu une durée avant rupture, à l'état coulé, d'environ 170 heures à 927 C et sous une charge de 14 kg/me. La durée moyenne prévue d'un alliage commercial pour température éle vée de ce caractère général mais ayant une compo sition se trouvant en dehors de la présente gamme, est de 30 heures à 9820 C et sous une charge de 12,6 kg/me,
Le dessin annexé représente les caractéristiques de rupture en charge pouvant être déterminées à par tir de trois paramètres lorsque deux quelconques de ces paramètres sont connus. Ces paramètres sont la température, la durée sous la charge, et la charge en kilogrammes par millimètre carré.
Le dessin porte des légendes appropriées qui parlent d'elles-mêmes. Les données ayant servi à tracer ce dessin ont été obte nues à partir d'essais sur l'alliage préféré décrit plus haut.
L'utilisation du dessin .sera familière aux hom mes de l'art, mais en supposant que lors d'un essai la température est de 8990 C comme indiqué par la ligne a sur le dessin, et que la charge est de 17,5 kg/me, comme indiqué par la ligne b sur le dessin, l'échantillon doit avoir une durée de vie moyenne avant rupture de 550 heures, comme indi qué par le point X . Les caractéristiques données s'appliquent à des échantillons corroyés.
Les alliages de la présente invention présentent les résistances à la traction et à la rupture sous charge les plus élevées, à température élevée, de n'importe lesquels des alliages à base de cobalt ou nickel sous une forme comparable (par exemple, coulés; corroyés, etc...). Leurs caractéristiques sont susceptibles de varier suivant les conditions suivantes recommandées. Ils peuvent être recuits à une température de 11500 C environ pendant deux heures, recuit suivi par un refroidissement à l'air.
Un traitement de mise en solu tion préféré consiste en un chauffage pendant quatre heures à 10800 C, suivi par un refroidissement à l'air. Un bon traitement de revenu intermédiaire consiste en un chauffage pendant vingt-quatre heures à 8430 C suivi par un refroidissement à l'air. Un traitement de revenu final consiste en un chauffage pendant seize heures à 7600 C suivi par un refroidissement à l'air. Ces traitements recommandés sont destinés à une matière première laminée, forgée, ou corroyée autre ment.
Bien que les alliages décrits ici et faisant partie de la présente invention présentent des. caractéristi ques améliorées à température élevée même lorsqu'ils sont coulés dans des conditions classiques, on obtient les meilleurs résultats lorsqu'ils sont fondus et coulés dans un four à vide sous des pressions très basses de l'ordre de 5 à 10 microns. Dans de telles conditions, et en utilisant des éléments d'alliage de pureté élevée, on peut obtenir des caractéristiques à température élevée exceptionnellement favorables.
Dans les alliages décrits ici on peut substituer à tout ou partie du titane une quantité égale de zirco nium tout en conservant encore d'une façon marquée les avantages de la présente invention. Remarque (A) :<I>Effet bénéfique du bore</I> Des alliages qui avaient des compositions sembla bles sauf pour la teneur en bore ont été essayés à la rupture en charge à 982,1 C, sous une charge de 12,6 kg/mm2. Lorsque la teneur en bore s'est trouvée à l'extérieur de la gamme de la présente invention, on a trouvé des durées de vie relativement faibles et des ductilités excessivement faibles (inacceptables pour des applications de mécanique courante),
comme indiqué par les chiffres comparatifs suivants
EMI0003.0007
Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> à <SEP> <B>9820</B> <SEP> C
<tb> 12,6 <SEP> kg/mm2
<tb> (I) <SEP> Alliages <SEP> dont <SEP> la <SEP> composition <SEP> est <SEP> en <SEP> dehors <SEP> de <SEP> la <SEP> gamme <SEP> spécifiée <SEP> Durée <SEP> Allongement <SEP> Réduction
<tb> Coulée <SEP> No <SEP> C <SEP> Al <SEP> Ti <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Co <SEP> B <SEP> Ni <SEP> (heure) <SEP> % <SEP> de <SEP> section
<tb> 3-4106-1 <SEP> 0,05 <SEP> 4,42 <SEP> 3,47 <SEP> l4,8 <SEP> 5,10 <SEP> 18,8 <SEP> 0,0012 <SEP> Solde <SEP> l3,8 <SEP> 3,7 <SEP> 2,2
<tb> 3-4106-2 <SEP> 0,05 <SEP> 4,42 <SEP> 3,49 <SEP> 14,7 <SEP> 5,10 <SEP> l9,0 <SEP> 0,0096 <SEP> Solde <SEP> 38,1 <SEP> 7,4 <SEP> 10,4
<tb> 3-4106-3 <SEP> 0,05 <SEP> 4,45 <SEP> 3,49 <SEP> 14,8 <SEP> 5,10 <SEP> 19,0 <SEP> 0,0148 <SEP> Solde <SEP> 65,
0 <SEP> 7,5 <SEP> 8,8
<tb> (II) <SEP> Alliages <SEP> dont <SEP> la <SEP> composition <SEP> est <SEP> comprise <SEP> dans <SEP> la <SEP> gamme <SEP> spécifiée
<tb> 3-3765 <SEP> 0,07 <SEP> 4,34 <SEP> 3,45 <SEP> 15,6 <SEP> 5,0 <SEP> 18,6 <SEP> 0,0240 <SEP> Solde <SEP> 82,1 <SEP> 14,6 <SEP> 20,7
<tb> Alliage <SEP> M <SEP> 4,47 <SEP> 3,50 <SEP> 15,6 <SEP> 5,1 <SEP> 18,8 <SEP> 0,029 <SEP> Solde <SEP> 123,1 <SEP> 11,5 <SEP> 21,3
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> 4,37 <SEP> 3,49 <SEP> 15,8 <SEP> 5,0 <SEP> 18,5 <SEP> 0,031 <SEP> Solde <SEP> 104,2 <SEP> 17,4 <SEP> 27,2
<tb> Alliage <SEP> <B>0</B> <SEP> 4,40 <SEP> 3,55 <SEP> l4,5 <SEP> 5,25 <SEP> 19,0 <SEP> 0,030 <SEP> Solde <SEP> l00,3 <SEP> 13,3 <SEP> 19,0 Remarque<I>(B) :
Effet nuisible du fer</I> Jusqu'à présent on a conclu que la présence du fer était bénéfique pour la durée de vie avant rup ture sous charge lorsque sa teneur est comprise dans une gamme allant de 1 à 12 '% et lorsqu'il est ajouté à un alliage contenant 15-l6 '% de chrome,
1,80 à 2,25 '% d'aluminium, 2,50-2,75 % de titane, 5,5 'o/o de molybdène, 0,12-0,15 % de carbone, le solde étant constitué essentiellement par du nickel.
Plus particulièrement, la durée avant rupture en charge à<B>8710</B> C sous une charge de 14 kg/mm2 augmente depuis environ 250 heures pour 1 % environ de fer jusqu'à environ 400 ,heures pour 12 % environ de fer.
Cependant, dans le cas de l'invention de la titu laire, on observe que le fer a un effet inverse (c'est- à-dire un effet nuisible) sur la durée de vie avant rupture sous charge, comme on le voit par les chif fres suivants
EMI0003.0065
Durée <SEP> de <SEP> vie <SEP> avant
<tb> Coulée <SEP> No <SEP> Co <SEP> Cr <SEP> AI <SEP> Ti <SEP> Mo <SEP> C <SEP> B <SEP> Fe <SEP> Ni <SEP> rupture <SEP> sous <SEP> charge
<tb> à <SEP> 982o <SEP> C <SEP> de <SEP> 12,6
<tb> kg/mm2 <SEP> (heures)
<tb> Invention <SEP> de <SEP> la
<tb> demanderesse <SEP> 18,8 <SEP> 15,6 <SEP> 4,47 <SEP> 3,50 <SEP> 5,1 <SEP> 0,07 <SEP> 0,029 <SEP> - <SEP> Solde <SEP> 123,l
<tb> X-1570 <SEP> 18,9 <SEP> 15,3 <SEP> 4,40 <SEP> 3,50 <SEP> 5,15 <SEP> 0,06 <SEP> 0,03 <SEP> 2,
l2 <SEP> Solde <SEP> 33,5, <SEP> 35,1
<tb> X-1571 <SEP> 19,1 <SEP> l5,2 <SEP> 4,49 <SEP> 3,48 <SEP> 5,20 <SEP> 0,06 <SEP> 0,03 <SEP> 3,72 <SEP> Solde <SEP> 19,9, <SEP> 20,5
<tb> X-1572 <SEP> 18,8 <SEP> 15,0 <SEP> 4,50 <SEP> 3,50 <SEP> 5,20 <SEP> 0,06 <SEP> 0,03 <SEP> 6,l6 <SEP> Solde <SEP> 7,8, <SEP> 9,6 Remarque (C) :
<I>Effet bénéfique du cobalt</I> L'effet spectaculaire de la teneur en cobalt est illustré ici pour montrer encore mieux l'importance de la spécification des compositions des alliages de la demanderesse. Quatre alliages ont été préparés, ayant tous essentiellement la même composition, sauf pour la teneur en cobalt. Lorsqu'on leur a fait subir un essai de rupture sous charge à<B>8990</B> C sous une charge de 17,
5 kg/mm2 on a trouvé un effet bénéfi que marqué en augmentant le cobalt jusqu'à une teneur de 15 '% mais on n'a obtenu qu'un faible gain supplémentaire en augmentant la concentration de cet élément jusqu'à 20 '%
environ.
EMI0003.0088
Durée <SEP> de <SEP> vie <SEP> avant <SEP> rupture <SEP> sous
<tb> charge <SEP> à <SEP> 899o <SEP> C <SEP> - <SEP> 17 <SEP> kg/mm2
<tb> Coulée <SEP> No <SEP> Cr <SEP> A1 <SEP> Ti <SEP> Mo <SEP> C <SEP> B <SEP> Co <SEP> Ni <SEP> (heures)
<tb> 2-793- <SEP> l4,57 <SEP> 4,54 <SEP> 3,55 <SEP> 4,91 <SEP> 0,07 <SEP> 0,027 <SEP> 4,6 <SEP> Solde <SEP> 4,5
<tb> 2-793-4 <SEP> 14,57 <SEP> 4,54 <SEP> 3,55 <SEP> 4,9l <SEP> 0,06 <SEP> 0,027 <SEP> 9,4 <SEP> Solde <SEP> 60,0
<tb> 2-794-3 <SEP> 14,68 <SEP> 4,49 <SEP> 3,53 <SEP> 5,07 <SEP> 0,07 <SEP> 0,031 <SEP> 14,8 <SEP> Solde <SEP> 350,0
<tb> 2-794-4 <SEP> 14,68 <SEP> 4,49 <SEP> 3,53 <SEP> 5,07 <SEP> 0,06 <SEP> 0,031 <SEP> l9,0 <SEP> Solde <SEP> 440,
0 L'importance de l'effet du cobalt ne pouvait pas être prédite par la connaissance du brevet canadien N 548778 du 12 novembre 1957 qui traite à la fois des alliages à faible teneur en cobalt (jusqu'à 10 0/0) et des alliages à haute teneur en cobalt (20 à 40 %)
. De cette référence on tire la comparaison suivante
EMI0004.0024
Durée <SEP> de <SEP> vie <SEP> avant <SEP> rupture
<tb> à <SEP> 982o <SEP> C <SEP> 5,6 <SEP> kg/mm2
<tb> Alliage <SEP> Cr <SEP> A1 <SEP> Ti <SEP> Mo <SEP> C <SEP> Zr <SEP> Co <SEP> Ni <SEP> (heures)
<tb> No <SEP> 18 <SEP> 16,02 <SEP> 2,91 <SEP> 2,22 <SEP> 2,93 <SEP> 0,12 <SEP> 0,046 <SEP> 29,35 <SEP> Solde <SEP> 33 <SEP> (d'après <SEP> tableau <SEP> IV)
<tb> No <SEP> 55 <SEP> 14,73 <SEP> 2,83 <SEP> 1,77 <SEP> 3,02 <SEP> 0,08 <SEP> 0,052 <SEP> 4,78 <SEP> Solde <SEP> 44 <SEP> (d'après <SEP> tableau <SEP> XV)
Des alliages réalisés suivant la présente invention ont subi des essais de résistance à température très élevée au moyen d'un procédé appelé d'une façon générale Essai de traction de courte durée sous des conditions de chauffage rapide . Ce procédé simule des conditions de service telles qu'il peut s'en pro duire pour certains moteurs de fusées, suivant les- quelles la matière est soudainement chauffée à une température proche de son point de fusion et ensuite rapidement chargée et mise sous tension.
Les résul tats sont comparés dans le tableau suivant avec des chiffres donnés pour d'autres superalliages de pre- mière importance à base de nickel chrome.
EMI0004.0036
<I>Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> aux <SEP> températures <SEP> suivantes <SEP> (en <SEP> lcg/mm2)</I>
<tb> Alliage <SEP> 1038o <SEP> C <SEP> 1093o <SEP> C <SEP> 1149o <SEP> C <SEP> Référence
<tb> <SEP> Waspaloy <SEP> <SEP> 14 <SEP> 21 <SEP> 11,2 <SEP> 13,3 <SEP> - <SEP> p. <SEP> 68, <SEP> 69, <SEP> 70
<tb> <SEP> Hastelloy <SEP> W <SEP> <SEP> 25,2 <SEP> 27,3 <SEP> 21,0 <SEP> 22,4 <SEP> <B>1</B>6,1 <SEP> p. <SEP> 71, <SEP> 72
<tb> <SEP> Udimet <SEP> 500 <SEP> <SEP> 13,3 <SEP> 9,1 <SEP> - <SEP> p.
<SEP> 73
<tb> <SEP> Nimonic <SEP> 90 <SEP> <SEP> 10,5 <SEP> 7,0 <SEP> - <SEP> p. <SEP> 74
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> la <SEP> demanderesse <SEP> 37'8 <SEP> 29,5 <SEP> 20,2 <SEP> Chaude <SEP> 5-2367
<tb> i <SEP> 40,16 <SEP> 31,2 <SEP> 22,3
<tb> D'après <SEP> le <SEP> rapport <SEP> du <SEP> a <SEP> Defense <SEP> Metals <SEP> Information <SEP> Center <SEP> <SEP> No <SEP> 130 <SEP> du <SEP> 17 <SEP> Juin <SEP> 1960.
EMI0004.0037
<I>Compositions <SEP> chimiques <SEP> des <SEP> alliages <SEP> indiqués <SEP> plus <SEP> haut</I>
<tb> Alliages <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> A1 <SEP> Ti <SEP> Mo <SEP> Ni <SEP> Autres <SEP> Référence
<tb> <SEP> Waspaloy <SEP> <SEP> 19,5 <SEP> 13,5 <SEP> 2 <SEP> max. <SEP> 1,25 <SEP> 3 <SEP> 4(-*;e::
) <SEP> Solde <SEP> - <SEP> Référence
<tb> <SEP> Hastelloy <SEP> W <SEP> <SEP> - <SEP> 5 <SEP> 2,5 <SEP> max. <SEP> 5,5 <SEP> - <SEP> - <SEP> 24,5 <SEP> Solde <SEP> 0,6 <SEP> max. <SEP> V <SEP> donnée
<tb> <SEP> Udimet <SEP> 500 <SEP> <SEP> 19 <SEP> 19 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> Solde <SEP> - <SEP> plus <SEP> haut
<tb> <SEP> Nimonic <SEP> 90 <SEP> <SEP> 19 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 1,7 <SEP> 2,7 <SEP> - <SEP> Solde <SEP> - <SEP> page <SEP> 57
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> la
<tb> demanderesse <SEP> 14,8 <SEP> 19,0 <SEP> 0,15 <SEP> 4,41 <SEP> 3,50 <SEP> 5,15 <SEP> Solde <SEP> 0,05 <SEP> C <SEP> Chaude
<tb> 0,028 <SEP> B <SEP> No <SEP> 5-2367
<tb> ( <SEP> @ @ <SEP> ) <SEP> La <SEP> référence <SEP> citée <SEP> donnait <SEP> par <SEP> erreur <SEP> 4 <SEP> % <SEP> W <SEP> au <SEP> lieu <SEP> de <SEP> 4 <SEP> % <SEP> Mo.
<SEP> Pour <SEP> avoir <SEP> la <SEP> composition <SEP> correcte <SEP> se <SEP> reporter <SEP> à
<tb> d'autres <SEP> références <SEP> telles <SEP> que <SEP> a <SEP> Steel <SEP> Magazine <SEP> Metal <SEP> Selector <SEP> <SEP> du <SEP> 16 <SEP> octobre <SEP> 1961 <SEP> - <SEP> page <SEP> S-7.