CH476108A

CH476108A - Alliage à base de niobium à grande résistance mécanique aux températures élevées

Info

Publication number: CH476108A
Application number: CH1644866A
Authority: CH
Inventors: Syre Robert; Cousserans Rene
Original assignee: Pechiney Prod Chimiques Sa
Priority date: 1965-11-16
Filing date: 1966-11-16
Publication date: 1969-07-31
Also published as: LU52361A1; ES333385A1; FR1464036A; BE689651A

Description


      Alliage    à base de niobium à grande résistance mécanique aux     températures    élevées    La présente invention a pour objet un nouvel alliage  à base de niobium, possédant à hautes     températures    une       excellente    résistance à la traction et une     bonne    résistance  à l'oxydation. Ces alliages montrent également de très  bonnes aptitudes à la déformation, une grande ducti  lité à froid et ils sont faciles à souder.  



  Le     développement    et les progrès apportés à la réali  sation des réacteurs nucléaires et des turbines, entre  autres,     nécessitent    des alliages résistant à des conditions  sévères de températures et de fonctionnement. Jusqu'ici,  les aciers réfractaires et les alliages à base de cobalt et  de nickel étaient les seuls matériaux adaptés à ces pro  blèmes, mais les parties constitutives des turbines<B>:</B> aubes  et palettes notamment     réalisées    à partir de tels alliages,  ne peuvent supporter les températures de fonctionnement  supérieures à 1050 C.  



  Les alliages réfractaires à base de tantale et de tung  stène sont beaucoup trop lourds et trop     difficiles    à tra  vailler pour les     applications    envisagées. Les alliages à  base de molybdène sont plus     difficiles    à travailler que les  alliages à base de niobium. Ils résistent moins bien à  l'oxydation et présentent une     température    de transition  fragile-ductile nettement plus basse.  



  L'alliage selon la présente invention contient     comme          éléments        essentiels,        au        moins        60        %        en        poids        de        niobium,          de    1 à     5,5'%        de        tungstène,        de    3 à     10        %        de        titane,

          de    3 à       10        %        de        vanadium,        de    1 à 5     %        de        zirconium,        de    1 à       15        %        de        hafnium        et        de        0,01        1%    à     0,

  5        %        de        carbone.        Ces          alliages        peuvent        en        outre        contenir        jusqu'à        15        1%        d'au     moins un des éléments suivants :

   tantale, molybdène et       jusqu'à    2     %        de        bore,        cuivre        ou        palladium.     



  Les alliages à base de niobium, qui font l'objet de  l'invention, possèdent une résistance à la     rupture    sous  contrainte très élevée jusqu'à 12000 C au moins et cepen  dant ils sont faciles à travailler, suffisamment     ductiles    à  la température ordinaire et se soudent aisément,     ce    qui  est indispensable pour la fabrication de turbines et de    réacteurs. Leur résistance à l'oxydation et à la corrosion  par les acides chauds est satisfaisante, leur température  de recristallisation élevée.

   D'autre part, et il s'agit d'une  particularité de l'invention, leur densité, grâce à une  faible teneur en tungstène     compensée    par l'addition  de hafnium pour obtenir des     caractéristiques    élevées à  hautes températures, est de l'ordre de grandeur de     celle     du niobium non allié, ce qui conduit à des     rapports        con-          trainte/densité    extrêmement avantageux pour les applica  tions     aéronautiques    et spatiales.  



  Outre les six métaux de base et le carbone qui sont  les constituants essentiels des alliages, objet de la pré  sente invention, il est souhaitable d'ajouter d'autres com  posants comme le molybdène, le tantale, le bore, le cui  vre ou le palladium. Le molybdène augmente la tempéra  ture de recristallisation et améliore les caractéristiques de  rupture sous contrainte de longue durée, à haute tempé  rature; le     tentale        accroît    également la température de  recristallisation, augmente la     fabricabilité    et la     résistance     à la corrosion ; le bore, par formation et fine dispersion  de borures, augmente les caractéristiques en traction à  température élevée;

   le cuivre a un effet favorable sur     la     résistance à l'oxydation, alors que le palladium améliore  sensiblement la résistance à la corrosion dans les acides  chauds, oxydants ou non.  



  La préparation de l'alliage se fait généralement par  fusion selon des techniques connues. La fusion peut être  pratiquée soit dans un four à arc à électrode consomma  ble ou non consommable, soit dans un four à induction,  soit, encore, dans un four à bombardement électronique.  Dans tous les cas le creuset de fusion est en cuivre  refroidi à l'eau.  



  Selon le type du four utilisé et la tension de vapeur  des matériaux d'addition, les fusions peuvent être effec  tuées soit sous vide poussé, soit en atmosphère de gaz  inerte, parfaitement purifié.      Les     différents    métaux peuvent être chargés dans le  four sous     n'importe    quelle forme telle que granulés,  éponge, fil, poudre, comprimés; mais il est préférable  d'utiliser des matériaux à faible teneur en impuretés  gazeuses : oxygène et azote, qui affectent la facilité de  travail et la ductilité des alliages élaborés.  



  Les caractéristiques mécaniques et chimiques des  alliages ont été mesurées de la façon suivante  Les essais de     rupture    sous tension ont été exécutés  sous vide de     1.10-5    mm Hg, à la température ordinaire  d'une part, puis à 12000 C d'autre part, sur une machine  d'essai universelle, à la vitesse permanente de 1 mm par  minute jusqu'à rupture.  



  Les essais de rupture sous contrainte ont été     effectués     à 1000 et 1200 C, sous vide de     1.l0-5    mm Hg. Le résul  tat est indiqué par rapport à la section initiale de l'éprou  vette.  



  Pour les tests d'oxydation une plaquette d'alliage de  1 cm- de     surface    et de 1 mm d'épaisseur fut exposée  pendant 2 heures dans l'air     calme,    sous la pression  atmosphérique, sur une     thermo-balance    enregistrant la  variation de masse en fonction du temps d'exposition.  Les valeurs de     l'augmentation    de poids indiquées dans  les exemples sont exprimées en mg par     cm2    et par heure.  Elles correspondent à la quantité d'oxygène absorbée  par unité de     surface    de l'échantillon exposé.  



  Les tests de résistance à la corrosion ont été effectués  selon la     méthode    de     Watcher    en tubes quartz scellés jus  qu'à des températures de 2320 C. La vitesse de corrosion  est mesurée en mm par an de pénétration.  



  On a indiqué dans les exemples les températures de  recristallisation complète après 1 heure de traitement  thermique sous vide de l.10-5 mm Hg.  



  Les essais de soudage bout à bout, sans métal d'ap  port, ont été effectués à l'arc électrique sur des pla  quettes de 100 X 20 X 1 mm, en utilisant un montage  particulier permettant de protéger par de l'argon les deux  côtés de la soudure. Sont reconnus aptes au soudage les  alliages ne donnant pas de criques à la soudure et dont  le cordon de soudure est capable de supporter à la tem  pérature ordinaire un pliage à angle droit avec un rayon  de pliage égal à six fois l'épaisseur.  



  Les exemples suivants sont destinés à faire compren  dre plus clairement l'invention. Tous les     alliages    à base  de niobium correspondant à la définition générale donnée  plus haut entrent dans le cadre de la présente invention.    <I>Exemple 1</I>    Un mélange comprenant, en poids,     731%    de     nio-          bium,        5,5        %        de        tungstène,        3'%        de        titane,    5     %        de        vana-          dium,

      3     %        de        zirconium,        10'%        de        hafnium        et        0,5        %        de     carbone, a été introduit dans un creuset en cuivre refroidi  à l'eau, dans un four à arc avec électrode non consom  mable en tungstène. Avant la fusion, l'enceinte du four  a été remplie avec de l'argon purifié par passage sur les  copeaux de titane portés au rouge.

   La charge a été fon  due huit fois, le nombre de     fusions    nécessaires pour l'ho  mogénéité de l'alliage étant déterminé par les observa  tions de l'opérateur et par radiographie. Les boutons de  dimensions 40 X 35 X 10 mm, sont usinés sur toutes  les faces et     amenés    aux dimensions de 35 X 35 X 8 mm.  Ils subissent un traitement d'homogénéisation supplé  mentaire à     1400,1    C sous vide de 10-5 à     10-s    mm Hg. Ils  sont placés dans une boite en acier inoxydable recouverte  d'un couvercle, et fermée par soudage dans une cloche  à souder préalablement remplie d'argon. Les boutons  sont auparavant recouverts, soit de feuilles de molyb-    dème, soit d'une couche de bisulfure de molybdène pour  éviter le collage.

   Enfin, l'ensemble est laminé à     12001,    C  jusqu'à une épaisseur de 3 mm. Après le laminage les  bandes     d'alliages    ont été     décapées,    puis soumises à un  traitement de recuit de 1 heure à 1350 C. Ces bandes  ont été ensuite laminées à froid jusqu'à une épaisseur de  1 mm sans criques. Des échantillons de l'alliage ont été  usinés en forme d'éprouvettes, et ont subi un traitement  thermique au point de vue résistance à la traction, à la  température ambiante et à     1200     C. Dans ces essais  la résistance à la rupture de l'alliage a été de 102     kg/mm2     à la température ambiante avec un allongement de 37 0/0.

    La résistance à la rupture sous contrainte à 1200  C a  été de 16     kg/mm-'    pendant 100 heures. La température  de     recristallisation    au bout d'une heure pour cet alliage  a été de 1450 C pour obtenir la recristallisation com  plète.

   Cet alliage a une bonne aptitude au soudage ; sa  densité est de 8,6     g/cm3.       <I>Exemple 2</I>         Cet        alliage        comprenant        en        poids        70,7        %        de        niobium,     5     0/0        de        tungstène,    5     0/0        de        titane,    5     %        de        vanadium,

      3     0/0          de        zirconium,    5     %        de        hafnium,        5'%        de        molybdène,        1%     de bore et 0,3 0/0 de carbone a été préparé et essayé  comme décrit à l'exemple 1. La résistance à la rupture  sous contrainte à 1200  C a été de 17     kg/mm2    pendant  100 heures. Le gain de poids en     mg/cm-    par heure a été  de 9 à 10000 C et de 28 à 12000 C. La température de  recristallisation au bout d'une heure a été de     1450o    C  pour cet alliage.

   Cet alliage donne des soudures présen  tant un bon     comportement    au pliage, sa densité est de  8,5     g/cm3.       <I>Exemple 3</I>    Un alliage comprenant en poids 75,9 0/0 de niobium,       5%        de        tungstène,    3     %        de        titane,    3     %        de        vanadium,    3     %          de        zirconium,        0,1'%        de        carbone,

          5'%        de        hafnium        et    5     0/0     de molybdène a été préparé et essayé comme décrit à  l'exemple 1. La charge de rupture à la température am  biante a été de 87     kg/mm2    et 27,5     kg/mm2    à     1200o    C,

         avec        des        allongements        respectifs        de        12        et        44        %.        La        résis-          tance    à la rupture sous contrainte à 1200 C a été de  13,5     kg/mm2    pour une durée de vie de 100 heures. Les  résultats de l'essai d'oxydation ont été les suivants : le  gain de poids en     mg/cm2/heure    a été de 10 à 1000  C et  de 29 à 1200 C.

   La température de     recristallisation    com  plète de cet alliage au bout d'une heure a été de     1375o    C.  D'autre part, cet alliage a une bonne aptitude au sou  dage.    <I>Exemple 4</I>         Un        alliage        contenant        en        poids        66,85        %        de        niobium,          5'%        de        tungstène,        3'%        de        titane,

      5     %        de        vanadium,    5     0/0          de        zirconium,        0,15'%        de        carbone,    2     0/0        de        hafnium,

      5     0/0          de        molybdène        et    8     %        de        tantale    a     été        préparé        et        essayé     comme décrit à l'exemple 1. La résistance à la rupture  sous contrainte à 1200 C a été de 16     kg/mm2    pendant  100 heures. La charge de rupture à la température am  biante a été de 110     kg/mm2    et 43     kg/mm2    à 1200  C. Cet  alliage est soudable.  



  <I>Exemple 5</I>       Un        alliage        comprenant        en        poids        64,5        %        de        niobium,          5'%        de        tungstène,        10        %        de        titane,    3     %        de        vanadium,

       5     %        de        zirconium,        0,5        '%        de        carbone,    5     %   RTI ID="0002.0192" WI="4" HE="4" LX="1809" LY="2628">  de        hafnium,          5'%        de        tantale        et    2     %        de        palladium    a     été        préparé        et     essayé comme décrit à l'exemple 1.

   La     résistance    à la      rupture sous contrainte à 12000 C a été de 15     kg/mm2     pendant 100 heures.  



  La charge de rupture à la température ambiante a été  de 98     kg/mm2    et 35     kg/mm2    à 12000 C. La vitesse de       corrosion        dans        une        solution    à     55'%        de        H2S04    à     232o        C          est        de        2,3        mm        par        an        et,

          dans        une        solution    à     85        %        de          H3P04    à 205  C, de 11,5 mm par an (la vitesse de corro  sion du niobium non allié dans ce cas est de 32 mm par  an).  



  En plus de la fabrication de réactions nucléaires, les  alliages selon l'invention peuvent être utilisés pour la  fabrication de turbines et d'appareils pour l'industrie  chimique.

Claims

REVENDICATIONS 1. Alliage à base de niobium possédant des propri étés mécaniques élevées jusqu'à des températures d'au moins 12000 C, caractérisé en ce qu'il contient au moins 60 % de poids de niobium, 1 à 5,5'% de tungstène, 3 à 10 % de titane, 3 à 10 % de vanadium,

1 à 5 % de zir- conium, 1 à 15'% de hafnium et 0,01 à 0,5 % de car- bone. II. Utilisation de l'alliage selon la revendication I, pour la fabrication de réacteurs nucléaires. SOUS-REVENDICATIONS 1.

Alliage selon la revendication 1, contenant, en plus de niobium, 1 à 5,5 % de tungstène, 3 à 10 % de titane, 3 à 10 % de vanadium, 1 à 5 % de zirconium,

1 à 15 % de hafnium, 0,01 à 0,5 % de carbone, 0 à 15 % d'au moins un des métaux tantale et molybdène. 2.

Alliage selon la sous-revendication 1, contenant en outre de 0 à 2 % d'au moins un des éléments bore, cuivre, palladium.