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" Alliages de nickel et de chrome".
La présente invention est relative de* alliage de ni- ckel et de chrome, contenant du titan* et de l'aluminium. De nom breux alliages de ce type, avec ou sans éléments supplémentaires par exemple du cobalt et du molybdène, ont été décrits dans la lin future' des brevets et sont utilisés Industriellement pour fabri- quer dois objets et des pièces qui sont soumis à des efforts prolon- gés à des températures élevées* L'histoire de leur développement se résume en une modification progressive de leur composition en vue d'essuyer d'améliorer la
résistance de ces alliages au fluage
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et leur durée jusqu'à rupture sous tension, de manière qu'il* aient des durées appropriées à des températures de fonctionnement de plus en plus élevées.
Au fur et à mesure que les températures de fonctionnement se sont élevées, on a trouvé qu'à un degré de plus en plus élevé, même de petits changements de composition ont un effet important sur les propriétés de l'alliage et chaque progrès a été le résultat d'une recherche détaillée, longue et laborieuse.
Dans le brevet britannique N 737.178 de la demanderesse, on a décrit et revendiqué des alliages ayant de bonnes propriétés
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de fluage à 75000. Ces alliages contiennent 4 à z de chrome, 365 zut 8% de titane Oe9 à 5% d'aluminium) les teneurs combinées di alumine et der 1itt#1l1' à uni de 4(5 à 10. avaa nu sana cobalt, sa une titiantité Inférieure & 10/ ( une quant Us* de otfeanut!) a.ptl jusqu'à 3,G, une quantité de bore allant jusque Q,G1#, une quano titi de carbone allant jusqu'à O.2,. une quantité de fer allant juequ' 10%. une quantité do tungstène allant ju.qu" 5.
une yuan- titi de molybdène allant jusqu'à 5, une quantité de manganèse al-
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lant jusqu'à 1, une quantité de silicium allant jusqu'à 1,5#, et une quantité de niobium ou de tantale allant jusqu'à 1% le restant étant constitué par du nickel à part les impuretés et les désoxydants résiduaires*
Dans le brevet belge N 521.334 de la demanderesse, on a décrit et revendiqua des alliages destinés à tire utilisés à des températures très élevées par exemple de 85000 ou plus et sous des conditions rigoureuses de tension* Ces alliages contiennent 4 à
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bzz de chrome, 10 à 55 de cobalt, 0,5 à 8± de titane, 0,3 à 8% d'aluminium, 0 à 15% de molybdène, 0 à 0,5% de carbone, t,U7 à 0,01 de bore et 0,01 à fez de zirconium,
le restant étant cons- titud par du nickel, à part les impuretés et les désoxydants resi- douaires* Dans le brevet belge K4 !61.9$ de la demanderesse, on $ envisage le problème de procurer des alliages ayant des propriété
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intéressantes de rupture sous tension à la température encore plua élevée de 980 c tout en ayant une bonne résistance à la traction et une bonne ductilité à la température ambiante, et dans ce bre vet on a décrit et revendiqua'des alliages contenant 7,5 à 15% de chrome, 5 à 40% de cobalt, 7 à 10,5% de titane plus aluminium, le rapport du titane à l'aluminium étant de 0,6 à 1,4, 0,005 à 0,1% de bore, 0, 05 à 0,
5% de carbone, 0 à 15% de molybdène, 0 à 0,8% de silicium, 0 à 1% de manganèse, 0 à 10% de fer et 0 à 0,2% de sir- conium, le restant de l'alliage étant constitué par du nickel, à part les impuretés.
Le but de la présente invention est de procurer des allia- ges ayant des propriétés intéressantes de rupture sous tension à la température extrêmement élevée de 1.020 C, ce qui conviendrait bien par exemple pour les aubes de rotor et d'autres pièces des mo teurs à turbine à gaz opérant à 1.0000 et plus.
Les résultats d'essai donnés dans les brevets précédente suggèrent tous que les propriétés à haute température des alliages n'améliorent au fur et à mesure que la teneur de cobalt augmente.
C'est ainsi que dans le brevet belge N 521. 334, on a montré qu' un alliage ayant 20% de cobalt a une durée beaucoup plus longue jusqu'à rupture sous tension, sous une tension de 14,2 Kg par mm2 à 87000 qu'un alliage comprenan t seulement 10% de cobalt' et étant à part cola semblabledans le brevet belge N 561.928, on a signalé que, pour des températures de 980 C, la teneur de cobalt est de préférence de 15 à 25%.
La présente invention est basée sur la découverte que, dans des alliages généralement semblables à ceux décrits dans les brevets précédents, des durées accrues jusqu'à rupture nous tension à 1,020 c sont obtenues dans la forme coulée, lorsque la teneur com binée de titane et d'aluminium est proportionne d'une manière cri- tique, non seulement au rapport de la teneur de titane à la teneur d'aluminium, mais également à la teneur de chrome et à la teneur de molybdène, et que de plus, lorsque ces conditions sont satisfaites,
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les meilleurs propriétés de rupture sous tension dépendent de ma- nière critique de la teneur de cobalt.
Contrairement aux indications[ précédentes, on a trouvé les meilleurs propriétés dans des alliages
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ayant des teneurs de cobalt de 5 à .3. Au-dessus de cette limite supérieure, les durées jusqu'à rupture sous tension à 1.O20d tom- bent de façon très nette. Les alliages suivant l'invention contien- nent 0, 03 à 0, 3p de carbone, 8 à 10,9 de chrome, 5 à ,3 do cobalt, 2#5 à 6,2% de molybdène, des quantités telles de titane et d'alu- minium que la somme des teneurs de titane et d'aluminium soit de
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6,6 à 11,5% et que le rapport du titane à l'aluminium soit de 0,2/1 à 1,5/1 en poids, 0,05 à 0,5% de zirconium et 0,005 à 0,05% de bore, le restant étant constitué par du nickel à part les impure- tés.
Les impuretés principales qui peuvent être présentes, sont le fer, le silicium et le manganèse, et la quantité totale de ces élé- ments ne doit pas excéder 3% et devrait être aussi faible que possi-
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ble. La teneur de fer n'excède de préférence pas 0,56, la teneur de silicium z et la teneur de manganèse 0,3%. De plus, une carac- téristique esaentiellscb l'invention est que les teneurs de titane et d'aluminium soient en corrélation avec les teneurs de molybdène et de chrome de la manière expliquée par la suite avec référence aux dessins annexés, chacune des quatre figures étant un graphique.
Au fur et à mesure que la teneur totale de titane et d'a- luminium est accrue au détriment du nickel dans une série d'alliages ayant à part cela une composition similaire, le rapport du titane à l'aluminium étant maintenu constant, la durée jusqu'à rupture sous
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tension à 1,02000 augmente jusqu'à un maximum et ensuite diminue à nouveau. Dans une série similaire d'alliages, ayant une teneur dif- ±dronte de molybdène, on a trouvé que la durée maximum jusqu'à rup- ture sous tension se présente à une teneur totale différente de ti- tane et d'aluminium, dont la valeur décroît au fur et à mesure que
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la teneur de motybdène augmente dans la gamme de 2,5 à 6,2%.
On a trouvé de plus que la valeur maximum de la durée jusqu'à rupture
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tous tension dans la série d'alliée dépend également de la te. neur de molybdène, en passant par un maximum à des teneurs de molyb- dène comprises entre 2,5 et 6,2% pour tomber ensuite nettement lors- que la teneur de molybdène est inférieure à 2,5% ou supérieure 6,2% Dans les alliages de l'invention, les teneurs de titane et d'alumi- nium sont par conséquent mises en rapport avec la teneur de molyb- dène de telle manière que, lorsque le rapport du titane à l'alumi- nium est de 0,7/1 à 1,5/1, les valeurs de la teneur de titane plus l'aluminium et de la teneur de molybdène, exprimées en pourcenta- ges en poids,
, se situent dans la zone ABCDA et de préférence dans la zone EFGHEde la figure 1 dans laquelle les teneurs de (Ti + Al) sont reportées en ordonnée par rapport aux teneurs de Mo qui sont données en abscisse. A ces rapporta du titane à l'aluminium, la teneur minimum de (Ti + Al) est de 8,4% à une teneur de molybene de 6,2% comme montré à la figure 1 A des rapporte plus bas du titane à l'aluminium, compris entre 0,7/1 et 0,2/1, on trouve que la rapport du titane à l'aluminium entre également dans la relation entre la teneur de (Ti + Al) et la teneur de molybdène, et que la teneur totale en pourcentage du titane et de l'aluminium doit alors être d'un minimum de :
(3,7 se Ti/Al) - 0,43 x % Mo) + 8,48 jusqu'à un maximum de (1,6 x Ti/Al) - 0,4 3 x % Mo) + 11,45.
L'effet des variations des proportions du titane et de 1 aluminium est clairement montré à la figure 3 sur laquelle on a en ordonée les teneurs de Ti et en abscisse les teneurs de 41 les points représentant les compositions d'un grand nombre d'allia- ges qui contiennent chacun, à part le titane et l'aluminium, 0,105 de carbone, 8% de chrome, 8% de cobalt, 4% de molybdène, 0,1% de zirconium et 0,01% de bore, le restant étant constitué par du ni- ckel à part les impuretés.
Le nombre situé à côté de chaque point représente la durée jusqu'à rupture sous tension de l'alliage à une tension de 11 Kg par mm2 à 1.02000, cette durée étant détermi-
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née sur des barres d'essai coulées sans traitement thermique'. Les courbes extérieure et intérieure représentent les limites des mo nes dans lesquelles les alliages ont des durées excédant respecti- vement 10 heures et 60 heures sous ces conditions.
Les lignes VQ, UR et TS représentent respectivement le rapport Ti/Al de 1,5/1 de 0,7/1 et de 0,2/1, et la ligne QRSTUVQ englobe les alliages de l'invention à cette composition de base. On verra que tous les alliages se situant dans la zone délimitée par QRSTUVQ ont des du- rées excédent 100 heures, tandis que presque tous ceux qui se si- tuent en dehors de cette zone, c'est-à-dire qui ont des rapports Ti/Al supérieurs à 1,5/1 ou inférieurs à 0,2/1 ou des teneurs de Ti + Al extérieures aux limites de l'invention, ont des durées plus courtes jusqu'à rupture sous tension.
Au fur et à mesure que la teneur de molybdène est accrue, la zone QRSTUVQ correspondant aux durées les plus élevées jusqu'à rupture sous tension est déplacée vers l'origine du graphique et au fur et à mesure que la teneur de molybdène est abaissée, cette sont est déplacée à l'écart de cette origine.
L'effet de la variation de la teneur de molybdène des al- liages sur les propriétés de rupture sous tension d'une série d'al liages ayant la teneur optimum de titane plus aluminium pour cha- que teneur de molybdène est montra par les résultats du Tableau 1 suivant.
TABLEAU i Propriétés de rupture sous tension à 11 Kg par cm2 et à 1.02000 d'alliages contenant du Ti et du Al dans un rapport de 1/1, du Mo, 10% de Cr, 10% de Co, 0,1% de C, 0,1% de Zr 0,01% de B, le restant étant du nickel.
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<tb>
Alliage, <SEP> MO, <SEP> Ti <SEP> + <SEP> Al, <SEP> Durée <SEP> jusqu'à <SEP> rup- <SEP> Allongement,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> % <SEP> % <SEP> ture, <SEP> heures <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 11 <SEP> 42 <SEP> 4,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 4 <SEP> 10 <SEP> 32 <SEP> 6,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 5 <SEP> 9,5 <SEP> 165 <SEP> 3,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 7 <SEP> 8,5 <SEP> 110 <SEP> >2,1
<tb>
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Les alliages N 2 et 3 sont des alliages suivant l'inven- tion, tandis que les alliages 1 et 4 ne le sont pas.
La teneur de chrome des alliages affecte à la fois la com- position à laquelle les durées les plus longues sont obtenues à 1.020 C et le niveau de ces durées. Au fur et à mesure que la teneur de chrome des alliages est accrue, la teneur de molybdène à laquelle les durées les plus longues sont obtenues à 1,020 c diminue, et sui- vant l'invention, les teneurs de chrome et de molybdène sont dans un rapport tel qu'elles se situent dans la zone IJKLI de la figure 2, dans laquelle les teneurs de chrome sont données en ordonnée et les teneurs de molybdène en abscisse.
La teneur de chrome est, de la manière la plus avantageuse, non inférieure à 95 et les alliages ont des teneurs de chrome et de molybdène représentées par le; point) situés dans la zone MNOP de la figure 2.
L'effet de la variation de la teneur de chrome dans une se* rie d'alliages ayant des teneurs optima de titane plus aluminium et de molybdène pour chaque teneur de chrome est montré au Tableau 11
TABLEAU 11
Propriétés de rupture sous tension à 11 Kg par mm2 et à 1,020 c d'alliages contenant du Ti et du Al dans le rapport de 1/1, du Mo, du Cr 10% de Co, 0,1% de 0, 0,1% de Zr, 0,01% de B, le restant étant du nickel.,
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<tb> Alliage, <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> + <SEP> Al <SEP> Duré <SEP> jusqu'à <SEP> Allongement,
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> rupture, <SEP> heure <SEP> %
<tb>
<tb> @
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 9 <SEP> 93 <SEP> 4,9
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 10 <SEP> 232 <SEP> 6,
7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 5 <SEP> 8 <SEP> 9,5 <SEP> 160 <SEP> 2,6
<tb>
Les alliages N 5 et 6 ne sont pas des alliages suivant l'invention, et on verra que la durée jusqu'à rupture .ou. tension pouvant être atteinte tombe très nettement avec une augmentation de a tensur de chrome Bien que les durées jusqu'à rupture sous tension des meilleurs alliages comprenant moins de 8% de chrome
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soient encore très bonnes, la résistance de ces alliages à IlOxY- dation et à la saturation est très mauvaise,
Bien que la substitution du cobalt au nickel n'affecte pas fortement les proportions des autres constituants, auxquelles
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les meilleures propriétés de rupture sous tension à 1.0200C sont obtenues, cette substitution a un effet marqué sur le niveau de ces propriétés .
Ceci-est montré par le graphique de la figure 4, dans laquelle on donne en abscisse les teneurs de cobalt d'une se- b rie d'alliages contenant, outre le cobalt, 10% de chrome, 4% de moly'
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-dène, 5% de titane, 5% d'aluminium, 0,? de carbone, 0,1% de air- conium et 0,01% de bore, le restant étant constitué par du nicol à part les impuretés, tandis qu'on donne en ordonée les durées jusqu'à rupture sous tension, en heures, à 11 Kg par mm2 et à 1.020 C.
La teneur de cobalt des alliages est de préférence de 9
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â .2, par exemple de 9 à 11%.
La teneur de carbone des alliages est de préférence de 0,05 à Q,25%, la teneur de zirconium n'est pas supérieure à 0,205 et la teneur de bore n'est pas supérieure à 0,025%*
Un alliage (alliage A) qui convient particulièrement bien pour l'utilisation sous la forme coulée, a la composition suivante!
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10% de Cr, la/ de Co, 4% de Mo, 5; de Ti, 5% de Al, 0,1% de 0, 0,16 de Zr et 0,01% de B, le restant étant formé par du nickel à part les impuretés.
Des spécimens d'alliages coulés de cette composition mon.. trent des durées jusqu'à rupture sous tension, supérieures à 200 heures sous une tension de 11 Kg par mm2 à 1.020 0, avec des allon-
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gements la rupture de 5 à 10g6, et on a trouvé qu'ils ont une résis- tance aux chocs (pièce d'essai d'un diamètre de 1,14 cm et non encoohée) à 90000 de 4,8 Kg " mètre et une résistance aux chocs (pièce d'essai standard de Charpy, sans encoche) a 900 0 de 1 Kg- n& tra
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Un autre alliage très convenable (alliage B) à la composi- tion suivante :
10% de Or 10% de Co, 4% de Mo, 2,5% de Ti, 6,5 à 7% de Al, 0,1% de 0, 0,15 de Zr et 0,01% de B, le restant étant formé par du ni- ckel à paît les impuretés* On a trouva que des spécimens d'alliage coulé de cette composition montrent des durées jusqu'à rupture tous tension supérieures à 170 heures sous une tension de 11 Kg par mm2 à 1,020 c avec des allongements d'environ 9%, et des durées d'environ 100 heures à 9,4 Kg par mm2 à 1050 c avec des allongement d'environ 10%
Les alliages suivant l'invention peuvent être fondus dans l'air, mais ils sont de préférence fondus nous vide.
Qu'ils soient ou non fondus sous vide, ces alliages sont avantageusement soumis à un traitement d'affinage sous vide, comprenant leur main- tien à l'état fondu sous un vide élevé avant la coulée de la masse fondue.
La demanderesse préfère maintenir la masse fondue à une température de 1400-160000 à une pression non supérieure à 100 mi- crons (de manière plus préférable encore, non supérieure à 5 mi- crons ) pendant une période d'au moins 15 minutes et avantageuse- ment pendant 60 minutes ou plus. La durée du traitement dépend jus- qu'à un certain point de la pureté des ingrédients de la masse fon- due, un temps plus long étant nécessaire lorsqu'on utilise des in grédients moins purs.
Lorsqu'on produit de petites pièces coulées, par exemple des aubes de turbine ou des pièces d'essai de rupture sous tension, les alliages sont de préférence coulés sous vide, mais lorsqu'on produit de grandes pièces coulées à partir d'une masse fondue qui a été produiteou affinée sous vide, il peut n'y avoir que peu de différence dans les propriétés obtenues, si la coulée est réalisée nous vide, sous gaz inerte ou à l'air.
Tous les résultats d'essai de rupture sous tension, dont il est question dans la présente dea-
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oription et dans les dessine, ont été obtenue sur des pièces d'essai usinées à partir de spécimens coulis qui ont été coulée sous vide en partant d'une matière fondue sous vide, qui a été affinée nous vi- de pendant au moins 15 minutes à 1500 c nous une pression inférieure à 1 micron.
Des objets et des pièces coules à partir des alliages peu- vent être employés à l'état tel que coulé pour un service à hautes températures, par exemple comme aubes de rotor dans les moteurs à /turbine à gaz, et on a pas trouvé d'amélioration marquée des pro- priétés si on prévoyait un traitement thermique ultérieur.
Les alliages montrent également des propriétés intéres- santes de rupture sous tension à l'état ouvre, après chauffage juaqu' à solution et vieillissement ( ageing). D'une manière générale, le chauffage jusqu'à solution peut être réalisé à des températures de la gamme de 1150 à 1250 c pendant des périodes de 1 à 3 heures.
Un chauffage à ces températures pendant une période plus longue que
3 heures mène à une croissance excessive des grains. Dans cette gam- me de températures, une limite supérieurs est fixée par le point de fusion naissante de l'alliage, et pour des alliages ayant une te- neur de (Ti + Al) de 10% la température préférée de chauffage jus- qu'à solution est de 1225 c Au fur et à mesure que la teneur de (Ti + Al) de l'alliage est accrue, la température nécessaire pour amener la totalité de la phase gamma primaire en solution augmente également, et à des teneurs de (Ti + Al) supérieures à 11,5% il est impossible dobtenir une solution complète de cette phase en dessous du point de fusion naissante,
de sorte queles propriétés de rupture sous tension de l'alliage tombent après vieillissement.
Les propriétés de rupture sous tension, après un durcissement par vieillissement, tombent également au fur et à mesure que la teneur de Ti + Al) est diminuée en dessous de 10% d'une manière semblable aux propriétés des alliages couler Le vieillissement (ageing) est de préférence réalisé par chauffage dans la gamme de 900 à 1100 c pendant une période de 1 à 24 heuros, le temps requis diminuant au
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fur et à mesure que la température est augmentée;
. et augmentant au fur et à mesure que les dimensions de section augmentent* Les températures durant le vieillissement peuvent étre modifiées dans la gamme mentionnée ci-dessus ou, si on le désire, le vieille
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sement peut 8tr.alil. par refroidissement d.,'alliage de manière lente à partir de la température de chauffage à solution pour des-
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cendre jusqu'à 1150 ou 11000C ou môme jusqu'à des températures in- fdrieures, par exemple en laissant refroidir l'alliage dans le fourni Une allure convenable de refroidissement, si ce processus est em- ployé, est de 2 à 3 c par minute.
A titre d'exemple, un spécimen d'un alliage ouvré, ayant la composition suivante :
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0,10% de C, 10% de Cr, 10C de Co, ',5% de Mo, 5% de Ti, 5% de Al, 0,1% de Zr et 0,01% de B, le restant étant du nickel à part le im- puretés, avait une durée jusqu'à rupture de 58 heures sous une tn-
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sion de 11 kg par mm2 à 1.020pC après un traitement thermique com- prenant un chauffage jusqu'à solution pendant une heure et demie à 1250 C, suivi par un vieillissement à 1.000 C pendant 6 heures.
On obtient des propriétés similaires si la phase de vieillissement comprend un refroidissement dans le four, à partir de la tempéra.
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ture de chauffage à solution, pour descendre jusqu'à 11500e ou 1100.
En dépit de leur faible teneur de chrome, les alliages de l'invention ont une résistance remarquablement bonne à l'oxyda tion aux hautes températures. Otent ainsi qu'un spécimen de l'allia-
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ge A ne souffre d'une perte de poids que de 2,004 mg seulement par ibn de surface lors d'un chauffage pendant 100 heures à 1*00000
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,dans l'air.
Néanmoins, pour une utilisation/des températures taupé- rieur 9 à 1.0000, sous des conditions telles que colles que l'on rencontre dans les moteurs à turbine à gaz, supposant à la fois une oxydation et une attaque par le soufre, des objets et des piè ces réalises avec les alliages sont de préférence pourvus d'un re-
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vêtement protecteur, par exemple l'aluminium.