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Il est bien connu que les aubes de turbine et autres objets soumis à l'usage à des efforts à des températures élevées sont couramment réalisés'en al- @ liages de nickel-chrome résistant au fluage, contenant à la fois de l'aluminium et du titane et parfois du molybdène. Ces alliages ont des propriétés satisfaisan- tes, particulièrement de longues vies à la rupture, à des temporaires de l'ordre de 800 C, mais les alliages utilisés à de telles températures de travail ne sont pas satisfaisants lorsqu'ils sont employés à de très hautes'températures, à sa- voir 925 0 etplus.
Il est bien connu qu'il n'y a pas de méthode pour prédire de manière sûre les propriétés d'une composition particulière d'alliage sous une température et des efforts déterminés mais non vérifiés par test. Un métallurgiste, bien qu' il puisse avoir accès à une somme importante de faits concernant les propriétés et les caractéristiques opératoires intéressantes de divers alliages à diverses températures, par exemple 750 C et 850 C, serait normalement incapable de prédire avec un certain degré d'exactitude les propriétés auxquelles on peut s'attendre à des températures de 925 C et plus.
En outre, le métallurgiste serait incapable de prédire quel.alliage pourrait donner la meilleure performance, ou même une per- formance non satisfaisante, aux températures les plus élevées. L'expérience a montré qu'un alliage ayant des propriétés supérieures à celles d'un deuxième al- liage à une température et des efforts donnés aura des propriétés inférieures sous des conditions de températures et efforts plus élevés.
Le problème de la prévision d'un alliage satisfaisant est même plus difficile lorsqu'un objet coulé avec précission est désiré, puisque même un alli- age ayant des propriétés satisfaisantes ne couvient pas s'il ne peut pas être cou- lé à la forme désirée. Une modification de la composition d'un alliage pour per- mettre sa coulée a souvent mené à une réduction de ses propriétés physiques. Un alliage avec lequel des objets doivent être coulés avec précision doit avoir une bonne aptitude à la coulée en combinaison avec de bonnes propriétés physiques et mécaniques.
Suivant la présente invention, des aubes de turbine ou autres objets soumis à l'usage à des efforts à des températures élevées sont coulés en des al- liages contenant 6 à 10 % de molybdène, 10 à 35 % de chrome, 4 à 8 % d'aluminium, 0,1 à 3 % de titane, 0,1 à 5 % de niobium, 0 à 25 % de fer, 0 à 25 % de cobalt, 0,001 à 0,1 % de bore et 0 à 2 % de zirconium, le restant sauf les impuretés étant essentiellement du nickel* La teneur en molybdène n'excède de préférence pas 9 %, la teneur en chrome n'excède de préférence pas 17 % et la teneur en niobium n' excède de préférence pas 1 à 3 %.
Les meilleures propriétés de coulée sont obtenues' lorsque la teneur en aluminium est de 5 à 7 % et la teneur en titane de 0,3 à 1,5 %, la somme des teneurs en aluminium et en titane étant d'au moins 5,5 %. On a trouvé qu'une te- neur élevée en titane, par exemple 4 % ou plus, contribue à une pauvre aptitude à la coulée parce qu'elle favorise et provoque la formation de nitrures qui sont difficiles à fondre, tandis qu'une teneur en aluminium de 5 à 7 % rend les alli- ages fluides et facilite la coulée.
Le but principal de l'invention est de procurer des objets coulés ayant de bonnes propriétés de rupture à la fatigue à des températures de 925 C et plus, et à cet effet la teneur en fer devrait être faible. En pratique, il y a toujours du fer dans des alliages du type auquel l'invention se rapporte, parce qu'il est introduit par des ferro-alliages utilisés comme sources d'autres éléments d'alliage, bien que normalement la quantité de fer ainsi accidentellement présen- te n'excède pas 1 ou 2 %. Dans les alliages suivant l'invention utilisés à des températures de 925 C et plus, la teneur en fer n'excède pas 5 %.
Le cobalt est un élément très coûteux considère jusqu'à présent comme nécessaire dans les alliages destinés à être utilisés sous des efforts sévères à de très hautes températures. Bien qu'il puisse y avoir une présence de cobalt, comme signalé précédemment, on a trouvé de façon surprenante que de bonnes pro-
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priétés peuvent être obtenues sans ce oobalt. La teneur en cobalt n'excède de pré- férence pas 15 % dans n'importe quel cas et le cobalt peut avantageusement être absent.
Le bore est un élément important car il donne des propriétés spépiale- ment bonnes de rupture à la fatigue et, lorsqu'il est présent en-petites quantités, il relève -la ductilité à des températures de travail de 925 C et plus. Il est spé- cialement important que la teneur en bore n'excède pas 0,1 % car la présence de plus grandes quantités amène une fragilité des objets coulés.
Le zirconium est, de préférence, présent en une quantité d'au moins 0,01 %.
Les impuretés qui peuvent être présentes sont des éléments désoxydants et désulfurants résiduaires, tels que du calcium et de petites quanttés de sili- cium (jusqu'à 1 %, par exemple), de manganèse (jusqu'à 2,5 %, par exemple), de cuivre (jusqu'à 2 %, par exemple), et de carbone (jusqu'à 0,25 %, par exemple).
La phrase "le restant sauf les impuretés étant essentiellement du nickel" doit être interprétée en conséquence.
Si on doit obtenir une longue vie à la rupture, il est important que la teneur en molybdène ne soit pas inférieure à 6 % ni supérieure à 10 %. Ceci est montré par les résultats obtenus avec trois alliages ayant des teneurs dif- férentes de molybdène mais ayant à part cela la même composition nominale sui- vante :12 % de Cr, 2 % de Nb, 5,5 % de A1, 0,5 % de Ti, 1% de Fe, 0,25% de Si, 0,1% de Mn, 0,12% de C, 0,05% de Zr, 0,03% de Ca et 0,02% de B, le restant étant du nickel.
Les alliages étaient soumis à des tests sous un effort de 13,4 tonnes par pouce carré à 925 C; les vies à la rupture étaient les suivantes
EMI2.1
<tb> Alllage, <SEP> n <SEP> % <SEP> de <SEP> Mo <SEP> vie <SEP> en <SEP> heures
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 4 <SEP> 24
<tb>
<tb> 2 <SEP> 8 <SEP> 48
<tb>
<tb> 3 <SEP> 12 <SEP> 17
<tb>
Les alliages utilisés suivant la présente invention ont une résis- tance élevée à la traction aux températures élevées et montrent des propriétés très satisfaisantes à l'allongement. C'est ainsi qu'un alliage- ayant une composition similaire à celle de l'alliage n 2 mais contenant 6% d'aluminium avait une résis- tance à la traction de plus de 30 tonnes par pouce carré et un allongement de 20% lorsqu'il était soumis aux tests à une température de 95000. Un
autre alliage vérifié à 950 C et ayant une composition similaire à celle de l'alliage n 2 mais contenant 1% de titane avait une résistance à la traction de plus de 28 tonnes par pouce carré.
REVENDICATIONS.
1. Une aube de turbine ou autre objet soumis à l'usage à des efforts à température élevée, caractérisés en ce qu'ils sont coulés en un alliage conte- nant 6 à 10% de molybdène, 10 à 35% dé chrome, 4 à 8% d'aluminium, 0,1 à 3% de titane, 0,1 à 5% de niobium, 0 à 25% de fer, 0 à 25% de cobalt, 0,001 à 0,1% de bore et 0 à 2% de zirconium, le restant sauf les impuretés étant essentiellement du nickel.
2. Une aube de turbine ou autre objet soumis à l'usage à des efforts. à une température de 925 C et plus, caractérisés en ce qu'ils sont coulés en un alliage contenant 6 à 10% de molybdène, 10 à 35% de chrome, 4 à 8% d'aluminium, 0,1 à 3% de titane, 0,1 à 5% de niobium, 0,001 à 0,1% de bore, 0 à 5% de fer et 0 à 2% de zirconium, le restant sauf les impuretés étant essentiellement du nic- kel.
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It is well known that turbine blades and other articles subjected to use to stress at elevated temperatures are commonly made of creep resistant nickel-chromium alloys containing both aluminum and. titanium and sometimes molybdenum. These alloys have satisfactory properties, particularly long fracture lives, at times of the order of 800 ° C., but the alloys used at such working temperatures are not satisfactory when used at very high temperatures. high temperatures, namely 925 0 and more.
It is well known that there is no method for reliably predicting the properties of a particular alloy composition under a temperature and forces determined but not verified by test. A metallurgist, although he could have access to a large body of facts regarding the properties and interesting operating characteristics of various alloys at various temperatures, for example 750 C and 850 C, would normally be unable to predict with some degree of accuracy the properties that can be expected at temperatures of 925 C and above.
Further, the metallurgist would be unable to predict which alloy might give the best performance, or even unsatisfactory performance, at the highest temperatures. Experience has shown that an alloy having properties superior to those of a second alloy at a given temperature and stresses will have inferior properties under conditions of higher temperatures and stresses.
The problem of providing a satisfactory alloy is even more difficult when a precision cast object is desired, since even an alloy having satisfactory properties will not smolder if it cannot be die cast. desired. Changing the composition of an alloy to permit its casting has often led to a reduction in its physical properties. An alloy with which objects are to be precisely cast must have good castability in combination with good physical and mechanical properties.
According to the present invention, turbine blades or other objects subjected to use to stresses at high temperatures are cast in alloys containing 6 to 10% molybdenum, 10 to 35% chromium, 4 to 8%. aluminum, 0.1 to 3% titanium, 0.1 to 5% niobium, 0 to 25% iron, 0 to 25% cobalt, 0.001 to 0.1% boron and 0 to 2% zirconium, the remainder except the impurities being essentially nickel * The molybdenum content preferably does not exceed 9%, the chromium content preferably does not exceed 17% and the niobium content preferably does not exceed 1 to 3%.
The best casting properties are obtained when the aluminum content is 5 to 7% and the titanium content 0.3 to 1.5%, the sum of the aluminum and titanium contents being at least 5, 5%. It has been found that a high titanium content, for example 4% or more, contributes to poor castability because it promotes and causes the formation of nitrides which are difficult to melt, while a high content of titanium. Aluminum from 5 to 7% makes the alloys fluid and facilitates the casting.
The main object of the invention is to provide cast articles having good fatigue failure properties at temperatures of 925 ° C and above, and for this purpose the iron content should be low. In practice, there is always iron in alloys of the type to which the invention relates, because it is introduced by ferroalloys used as sources of other alloying elements, although normally the amount of iron thus accidentally present does not exceed 1 or 2%. In the alloys according to the invention used at temperatures of 925 ° C. and above, the iron content does not exceed 5%.
Cobalt is a very expensive element heretofore considered to be necessary in alloys intended for use under severe stress at very high temperatures. Although there may be a presence of cobalt, as previously reported, it has surprisingly been found that good pro-
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priities can be obtained without this oobalt. The cobalt content preferably does not exceed 15% in any case and the cobalt may advantageously be absent.
Boron is an important element because it gives especially good fatigue failure properties and, when present in small amounts, enhances ductility at working temperatures of 925 ° C and above. It is especially important that the boron content does not exceed 0.1% since the presence of larger amounts leads to brittleness of the cast articles.
Zirconium is preferably present in an amount of at least 0.01%.
Impurities which may be present are residual deoxidizing and desulfurizing elements, such as calcium and small amounts of silicon (up to 1%, for example), manganese (up to 2.5%, for example. ), copper (up to 2%, for example), and carbon (up to 0.25%, for example).
The phrase "the remainder except impurities being predominantly nickel" should be interpreted accordingly.
If a long breaking life is to be obtained, it is important that the molybdenum content is not less than 6% and not greater than 10%. This is shown by the results obtained with three alloys having different molybdenum contents but having apart from that the following nominal composition: 12% Cr, 2% Nb, 5.5% Al, 0, 5% Ti, 1% Fe, 0.25% Si, 0.1% Mn, 0.12% C, 0.05% Zr, 0.03% Ca and 0.02% B, the remainder being nickel.
The alloys were tested under a stress of 13.4 tons per square inch at 925 C; the lives at break were as follows
EMI2.1
<tb> Alllage, <SEP> n <SEP>% <SEP> of <SEP> Mo <SEP> life <SEP> in <SEP> hours
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 4 <SEP> 24
<tb>
<tb> 2 <SEP> 8 <SEP> 48
<tb>
<tb> 3 <SEP> 12 <SEP> 17
<tb>
The alloys used in accordance with the present invention have a high tensile strength at elevated temperatures and exhibit very satisfactory elongation properties. Thus, an alloy having a composition similar to that of Alloy No. 2 but containing 6% aluminum had a tensile strength of more than 30 tons per square inch and an elongation of 20%. when tested at a temperature of 95000. A
Another alloy tested at 950 C and having a composition similar to Alloy # 2 but containing 1% titanium had a tensile strength of over 28 tons per square inch.
CLAIMS.
1. A turbine blade or other object subjected to use to high temperature stresses, characterized in that they are cast in an alloy containing 6 to 10% molybdenum, 10 to 35% chromium, 4 at 8% aluminum, 0.1 to 3% titanium, 0.1 to 5% niobium, 0 to 25% iron, 0 to 25% cobalt, 0.001 to 0.1% boron and 0 to 2% zirconium, the remainder except the impurities being essentially nickel.
2. A turbine blade or other object subjected to use to stress. at a temperature of 925 C and above, characterized in that they are cast in an alloy containing 6 to 10% molybdenum, 10 to 35% chromium, 4 to 8% aluminum, 0.1 to 3% titanium, 0.1 to 5% niobium, 0.001 to 0.1% boron, 0 to 5% iron and 0 to 2% zirconium, the remainder except for impurities being essentially nickel.
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