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"Perfectionnements aux articles et pièces soumis à des ten- sions aux températures élevées".
La présente invention est relative aux articles et pièces soumis à des tensions aux températures élevées, c'est- à-dire à des températures de l'ordre de 600 C. et davantage.
De tels articles et pièces doivent non seulement posséder la
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résistance à la corrosion' aux températures élevées et de bonnes propriétés mécaniques générales, mais posséder également, de par leur nature, la résistance au fluage. Des exemples de tels arti- cles et pièces sont les aubes de turbines à gaz et les éléments de fours qui doivent posséder de bonnes propriétés de fluage 'eux températures élevées, propriétés qui ne sont pas nécessaires dans les articles ou pièces qui, bien qu'ils soient soumis à des tensions, n'ont à travailler qu'à des températures basses, comme c'est le cas, par exemple, pour les arbres de turbines à vapeur.
La présente invention est fondée sur cette découverte que des propriétés combinées fortement améliorées, y compris une bonne résistance au fluage aux températures élevées, peuvent être obtenues si l'on soumet des alliages appropriés à. un traitement thermique particulier pendent ou après la fabrication, à partir desdits alliages, des articles ou pièces.
Les alliages auxquels se réfère la présente invention sont ceux qui ont une structure réticulaire et plus particulièrement du type réticulaire cubique à faces centrées, alliages ayant une composition de base comprise entre les larges limites :nickel de 5 à 100%, fer de 0 à 85 %, chrome de 0 à 35 %, cobalt de 0 à 70 %, molybdène de 0 à 30 %, deux parties de molybdène pou- vant être remplacées par une partie de tungstène, et de 0 à 10 % de certains autres éléments tels que, par exemple, le sili- cium, le manganèse, le vanadium et le ouivre qui peuvent soit être présents à l'état d'impuretés, soit être introduits pour une raison particulière quelconque.
A partir de ces compositions de base, on forme les alliages en question par addition de l'un au moins des éléments suivants : titane, alumium, niobium, tanta- le et glucinium en quantité totale comprise entre 0,5 et 10 % (à la condition que ni la teneur en titane, ni la teneur en aluminium ne dépasse 5 %). Toutefois, si la composition de base contient plus de 5 % dé molylbdène, elle peut être utilisée seule, si on le désire, sans aucune autre addition, le moly beène agissant alors comme élément éjouté.
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Voici des exemples de compositions de base appropriées :
1 nickel au moins 30 %, aveo de,0 à 70 % de cobalt, de 0 à 30 lieu de molybdène et de 0 à 70 % de fer;
2 nickel de 90 à 65 %, chrome de 10 à 35 %, des pouroenta- ges égaux de nickel pouvant être remplacés par de 0 à 30 % de molybdène et/ou par de 0 à 60 % de oobalt, mais avec une teneur minimum en nickel de 30 %;
3 nickel de 25 à 65 %, chrome de 10 à 35%, le reste étant du fer, des pourcentages égaux de fer pouvant être remplacés par de 0 à 30 % de molylbdène et/ou par 0 à 65 % de cobalt;
4 Acier austénitiques contenant de 10 à 35 % de chrome, de 7 à 25 % de nickel, de 0 à 30 % de molylbdène, de 0 à 60 % de cobalt, le reste (40 % au moins) étant du fer.
En général, on préfère maintenir la teneur en carbone à une valeur inférieure à 0,05 %, en particulier dans les compositions de base du type nickel-chrome 80/20, mais il peut y avoir jusqu'à 1 % de carbone.
Dans cette gamme de compositions, on choisit un alliage ayant une structure réticulaire du type cubique à faces centrées d'après les propriétés mécaniques générales requises et le gen- re de corrosion auquel l'article ou pièce doit avoir à résister pendant sa durée de service. Les considérations dont il s'agit sont bien connues et ne seront pas décrites ici.
L'invention consiste d'une manière générale à fabriquer un article ou pièce qui, d'après sa nature, doit posséder la résis- tance au fluage, à partir de l'alliage choisi et, au cours de la fabrication, ou ultérieurement, à soumettre l'alliage à un traitement thermique comprenant le chauffage pour la mise en solution de l'alliage à une température allant de 1000 à 1300 C pendant une période de temps correspondant à 48 heures au moins pour 1000 C à 3 heures au moins pour 1050 C, à 2 heures 1/2 au moins pour 1100 C, à 2 heures au moins pour 1150 C, à une heure
EMI3.1
au moins pour 122500, ou à unedemi-heure au moins pour 127500.
ou pour des températures plus élevées, refroidir l'alliage à par- @
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tir de cette température et à le réchauffer à une température comprise entre 850 C et 600 C. pendant une période de temps allant de 2 à 100 heures pour développer de bonnes propriétés de fluage et d'autres bonnes propriétés mécaniques. Pour les températures intermédiaires, les durées minima de chauffage pour la mise en solution peuvent être déterminées par tracé d'une courbe temps-température à partir des valeurs données plus haut.
En général, on utilise des durées de chauffage plus longues que les périodes minima précisées. Par exemple, on peut obtenir d'excellentes combinaisons de propriétés, en particulier avec les alliages contenant au moins 70 % de nickel et de 12 à 25 % de chrome avec de 2,5 à 3 % de titane en chauffant pendant 8 heures au moins à 1050 C. pendant 4 heures au moins à 1100 C, pendant 2 heures 1/2 au moins à 1150 C. ou pendant 1 heure 1/2 au moins à 1225 C ou à une température plus éLevée.
Il est clair que ce chauffage, dans lequel les périodes de temps données sont celles pendant lesquelles l'alliage est réellement maintenu à la température considérée diffère du traitement de solution à chaud couramment appliqué aux alliages du type défini dans les procédés comportant le durcissement par précipitation, par le fait que l'on doit utiliser soit une température plus élevée, soit une durée de chauffage plus longue, soit les deux à la fois.
Bien que l'on ait déjà proposé divers procédés utilisant des températures élevées dans les traite- ments de solution à chaud, on croit que les combinaisons de temps et de température utilisées dans la fabrication d'arti- cles ou de pièces qui, en raison de leur nature, doivent possé- der la résistance au fluage, sont nouvelles ; sont essen- tielles si l'on veut obtenir les combinaisons améliorées de propriétés.
Le réchauffage subséquent avant la mise en service de l'ar- ticle ou pièce n'est pas indispensable. On préfère y reoourir pour être sûr que la température de réchauffage est supérieure - 4-
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à celle qui est atteinte lorsque l'article ou pièce est mis en service et, par exemple, quand un alliage du type défini doit résister en service à des températures de 650 C., le réchauf- fage peut avantageusement être exéouté à 700 C pendant 16 heu- res par exemple.
Dans les paragraphes suivants, on donnera des exemples de traitements appliqués à un alliage ayant une composition de base du type 80 % de nickel - 20 % de chrome contenant 2,3 % de ti- tane et 0,35 % d'aluminium. Comme exemple de l'effet de la variation de la durée du chauffage, des échantillons de l'allia- ge ont donné les résultats suivants après essai sous forme de barres laminées à chaud sous la traction très élevée de .37,8 kg/ par m2 12 à une température de 650 .
Durée de chauffage Taux minimum de fluage Temps de rupture
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<tb> à <SEP> 1050 C. <SEP> pour <SEP> cent <SEP> par <SEP> heure <SEP> heures.
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1 <SEP> heure <SEP> 0,11 <SEP> 40
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<tb> 2 <SEP> heures <SEP> 0,03 <SEP> 70
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<tb> 4 <SEP> heures <SEP> 0,005 <SEP> 120
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<tb>
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<tb>
<tb> 8 <SEP> heures <SEP> 0,004 <SEP> 170
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<tb>
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<tb>
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> 0,003 <SEP> 135
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On remarquera que le chauffage pendant une heure seulement à 1050 C.,temps qui serait normalement adopté pour une telle température dans le durcissement par précipitation ou dans tout autre procédé connu (recuit par exemple) comportant le chauffa- ge pour la modification des propriétés d'un alliage est tout-à- fait impropre pour la production de la résistance élevée au flua- ge mais que, lorsque la darée du chauffage est augmentée, la résistance au fluage est notablement augmentée aussi,
bien que le taux d'augmentation soit faible pour des périodes de chauf- fage dépassant quatre heures*
Comme autre exemple, le même'alliage a été essayé sous une traction de 28, 35 kg/m2 à une température de 650 C.
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après différents traitements de mise en solution avec réchauf- fage pendant 16 heures à 700 C., les résultats obtenus ont été les suivants :
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<tb> Traitement <SEP> thermique <SEP> Taux <SEP> minimum <SEP> de <SEP> fluage
<tb>
<tb> pour <SEP> cent <SEP> par <SEP> heure.
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<tb>
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12 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1000 C. <SEP> 0,004
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<tb> 8 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1050 C. <SEP> 0,00009
<tb>
<tb>
<tb> 48 <SEP> heures <SEP> à <SEP> 1050 C. <SEP> 0,00002
<tb>
Les propriétés de fatigue à température élevée, qui sont contrôlées par les mêmes facteurs que ceux qui déterminent le temps de rupture dans les conditions de fluage sont souvent importantes aussi et peuvent déterminer la limite supérieure de la durée du chauffage qu'il peut être désirable d'adopter.
Le premier tableau donné ci-dessus montre que le limnet où la rupture s'est produite, moment qui donne une indication de la capacité de l'alliage de résister aux tensions de fluage pendant un laps de temps donné et aussi les propriétés de fatigue de l'alliage sons de telles tensions, passe par un ma- ximum et décroît ensuite.
Pour cette raison, si la résistance à la fatigue présente de l'importance, on préfère à un traite- ment comportant le chauffage pendant 16 heures au moins *-- 1050 C. traitement qui, tout en donnant un taux de fluage bas, communi- que à l'alliage des propriétés inférieures de fatigue, un trai- tementtal que le chauffage pendant huit heures à 1050 G., trai- tement qui communique à l'alliage une bonne résistance à la fatigue en même temps que la capacité de résister aux tensions de fluage pendant de longues périodes de temps.
Bien entendu, étant donné que la combinaison de la résistance au fluage et des propriétés de fatigue qui peuvent être obtenues est une
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fonction de la température et de la durée du chauffage de mise en solution, le traitement précis dépend des besoins.
Le taux de fluage admissible et la période de temps pen- dant laquelle l'article ou pièce doit résister aux conditions de service sont importants aussi et jouent un rôle dans la détermination du traitement thermique qui doit être appliqué. Si un taux de fluage bas à une température relativement basse sous une traction élevée est de première importance et si ni les propriétés élevées de fatigue, ni la possibilité d'une longue période de service (par exemple 500 heures ou davantage) ne sont essentielles, on a oonstaté qu'une longuei période de chauffage à bEsse température donne de meilleur propriétés qu'une période de chauffage plus courte à une température plus élevée.
C'est ainsi que, pour conférer à un article ou pièce fabriqué à partir d'un alliage nickel-chrome du type précité une capacité de résistance à une tension d'au moins 31,50 kg/mm2, à 650 C,. pendant 300 heu- res, sans plus de 0, 1 % d'allongement, on préfère chauffer l'alliage à une température de 1050 C. pendant 30 heures.
;SI l'article ou pièce doit résister à des tensions à tempé- rature élevée, par exemple si les conditions telles qu'elles ont été indiquées dans le paragraphe précédent sont modifiées dans une mesure telle que la tension à laquelle il faudra résister soit de 4,72 kg/mm2 à 800 C. (tension qui, à la température, élevée, est comparable en rigueur à la tension plus élevée à la température plus basse), des températures plus élevées peuvent être adoptées pour le chauffage sans nuire à la combinaison de propriétés obtenue; par exemple, l'alliage en question peut être chauffé à 1225 C. pendant deux heures.
Lorsque la résistancemaximum au fluage n'est pas exigée, mais si la résistance élevée à la fatigue et la suppression de la possibilité de rupture brusque en service sont désirables, on préfère des traitements quelque peu différents de ceux décrits dans le paragraphe précédent. Par'exemple, les conditions peuvent
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être modifiées en demandant une capacité de résistance de seule- ment 18, 90 kg/mm2 à 650 C.
pendant 300 heures sans plus de 0,1 % d'allongement et en ajoutant la condition supplémentaire que l'alliage doit être capable de s'allonger de 0,5 % sans amor- ce de fissure dans le cas où la tension monterait en service au- dessus de 18,90 kg/mm2 à 650 C. ou dans le cas où il serait sou- mis pendant plus de 300 heures à une telle tension ou encore dans le cas où la température monterait à 700 C. Pour obtenir les propriétés permettant de donner satisfaction à ces exigen- ces, on recourt à un traitement intermédiaire qui comporte essentiellement le chauffage pendant une période de temps plus courte que celle indiquée plus haut lorsqu'un faible taux de fluage est la considération primordiale.
Un tel traitement peut, par exemple, être de 4 heures à 1050 C. dans le cas de l'alliage 80 % de nickel - 20% de chrome précédemment décrit.
Si un forgeage à chaud ou tout autre traitement de travail à chaud est appliqué à l'alliage au cours de la fabrica- tion, il est désirable de réchauffer-ensuite l'alliage à la température de formation de solution pendant un temps relative- ment court, une heure par exemple, pour éliminer tous effets contraires aux propriétés de fluage qui auraient pu prendre naissance par l'effet du travail à chaud.
Bien que les exemples donnés plus haut se rapportent tous à des alliages ayant une composition de base du type bien connu 80% de nickel - 20 % de chrome, ils peuvent être appliqués aux autres alliages auxquels l'invention se réfère; toutefois, une certaine modification des températures exactes et des durées de chauffage peut, bien entendu, être nécessaire pour l'obten- tion d'une combinaison particulière quelconque de propriétés.
Les alliages qui donnent des combinaisons de propriétés particu- lièrement bonnes sont ceux ayant comme composition de base :
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<tb> nickel <SEP> + <SEP> cobalt <SEP> 70 <SEP> % <SEP> au <SEP> mpins
<tb>
<tb> chrome <SEP> de <SEP> 8 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> %.
<tb>
De plus, ,on obtient les meilleurs résultats lorsque les éléments ajoutés à la composition de base sont le titane et l'aluminium ou un de ceux-ci.
Des exemples de résultats obtenus avec certains de ces autres alliages en les chauffant pendant 3 heures à 1150 C. et en les réchauffant pendant 16 heures à 700 C. sont les suivants :
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<tb> Alliage <SEP> tension <SEP> Taux <SEP> de <SEP> fluage <SEP> mi- <SEP> Temps <SEP> de <SEP> rupture
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kg/mm2 <SEP> minimum <SEP> % <SEP> par <SEP> heure <SEP> en <SEP> heures.
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<tb> 0,4% <SEP> Al <SEP> 28,35 <SEP> 0,0002 <SEP> 1600
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Dans tous ces alliages, le reste est formé de diverses impuretés, en particulier de manganèse,
de silicium et de fer.-
Les artioles ou p&èoes pouvant être fabriqués avec des avantages particuliers conformément à l'invention et qui consti- tuent des produits industriels nouveaux comprennent des pièces de moteurs à combustion interne, de turbines à vapeur ou d'au- tres moteurs, des éléments de tours et, par dessus tout, des pièces de turbines à gaz. '