BE642105A - - Google Patents

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BE642105A
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C27/00Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  "alliages à base de niobium', La présente invention concerne des alliages à base de nio- bium contenant du tungstène, ainsi que d'autres éléments d'addition et ayant une grande résistance mécanique aux températures élevées. 



   On   connaît   des alliages à base de niobium qui conservent leur dureté et leur résistance mécanique jusque des températures supérieures à   1000*C   et ces alliages apparaissent intéressants pour la construction de turbines, par exeaple, dans lesquelles les pièces dans .les régions chaudes sont soumises longtemps à de fortes contraintes aux températures élevées. Pour résister dans ces conditions, un allia-   ge   doit non seulement être résistant mécaniquement, mais aussi pré-   senter   une résistance élevée au fluage. On a trouvé en pratique que la résistance mécanique et la résistance au fluage sont liées à la dureté 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 aux température élevées et à la variation de la dureté en fonction de la température.

   Un alliage qui a une grande dureté qui varie lente- ment avec la température a en général une résistance élevée au fluage. 



   On sait que la résistance mécanique des alliages de niobium peut être augmentée par des additions de tungstène qui forme une solution solide dans le niobium. On sait également qu'il est possible d'augmenter encore la résistance mécanique par des additions   simul-   tanées de zirconium et de carbone qui forment une dispersion fine de carbure de zirconium ou d'un carbure complexe de niobium et zirconium. 



   D'autres déments d'addition accessoires peuvent être utilisés pour augmenter, par exemple, la résistance mécanique ou la résistance à , l'oxydation. 



   On a découvert que la résistance mécanique a chaud d'allia-   ges à   base de niobium contenant du tungstène peut être encore accrue par une dispersion du carbure formé par addition de hafnium et de carbone à l'alliage. La composition exacte du carbure n'a pas pu être déterminée avec certitude. Il peut s'agir de carbure de hafnium ou d'un carbure   complexe   de hafnium et de niobium. Il peut se former également de l'oxyde de hafnium et du nitrure de hafnium ou des mé- langes de ceux-ci, qui peuvent contribuer à l'accroissement de la résistance mécanique. 



   La présente invention procure un alliage base de niobium contenant 0,1 à 25% en poids de tungstène, 3,0 à 8% en poids de hafnium et un faible pourcentage de carbone, le reste étant du   niobi   outre des impuretés et des   éléments   d'addition accessoires. 



   Au delà de 10% en poids de hafnium, les alliages deviennent denses et onéreux. Il faut qu'il y ait suff samment de carbone pour réagir avec le hafnium de façon à former une dispersion appropriée de carbure. En pratique, une teneur en carbone comprise entre 0,01 et   0,2%   en poids est satisfaisante. Dans des alliages contenant des quantités Importantes de   hafnium,   seule une partie de hafnium réagit avec le carbone et le reste se dissout ou réagit avec des impuretés comme l'oxygène et l'azote. 



   Les alliages les plus résistants sont ceux contenant environ 

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 EMI3.1 
 ;.t:;;:::;4 '4:, w;"1.:";"bl111'1 contenant moins de r.l<hatn1um 'combinent une résistance mécanique élevée et une bonne usiné- "....'. bilit6."On a trouvé que le tungstène peut être remplacé en partie par ; 1  hafniua pour donner un alliage d'une résistance mécanique étale et ,;.;!:

   'd'un. udftlb1lit' beaucoup .ei11eure., :,,' J'" .. ",,' ' >,###>.-'## .. -. 1:. ,."'. '" Par éléments d'addition   accessoires,   on entend les   éléments   qui août   ajoutés   habituellement aux alliages de niobium pour modifier leurs propriétés et qui peuvent être   utilisés     dans les     alliages   sui- 
 EMI3.2 
 vant l'invention sans, affecter dans une mesure importante l'augmenta-;W-Î'tion de la résistance mécanique résultant des additions de hafnium et de carbone. Ces éléments sont, par exemple, le vanadium, le I1roo:..:'. 



  :: ##:# .1' ,'" .,'.. # ## , # -....." ' :; t. niurn et certains éléments des terres rares comme l'yttrium, ainsi que \. #####. # # # . ,"-# # # '# ;;'lle,bore, qui modifient toua la résistance mécanique ou l'.ul1bl11 t, / '  > -i .,.'.# ## #- .>  # -# :# # # . , <#'.   ..'ou   le titane qui améliore la   résistance à     l'oxydation.   Le vanadium 
 EMI3.3 
 h): utilisé, par exemple, à raison de 0 a 10% en poids est un agent très efficace pour augmenter la résistance mécanique a des températures infé' ;',1, Jt aultft.nt.r r'l1tano.

   II1'CW.qu. , tlllp'ratur.. prieures à environ 1000*C* Dans les alliages suivant l'invention, l'ad- édition de   ces     éléments   accessoires diminue habituellement la réaiatance   mécanique   aux   températures     élevées   et elle   aéra   par conséquent réduite au minimum ou   évitée à   moins que la   résistance   aux   températures   plus   basses   ne soit recherchées Il   aérait   possible cependant de conserver   certains   avantagea des   alliages   suivant l'invention en ajoutant 
 EMI3.4 
 $& de faibles quantités de ces éléments accessoires* :,:;

   ' faibl.1 quanti 'l'1!\.ntl .OO'8lrel':' Des impuretés typiques des alliages de niobium sont   l'oxygène,   l'azote   et   le tantale. Les   quantités varient   fortement d'un lot à l'autre,   mais   des valeurs   caractéristiques   pour l'oxygène et l'azote sont d'environ 200 ppm et exceptionnellement de plus de 1000 ppm. 



  Dans des   cas     exceptionnels,   le tantale peut tire présent en quantités   atteignant environ 3%   en   poids,   mais il n'affecte pas   appré-   ciablement   le/)1   propriétés et a un léger   effet   de   durcissement,   vu que 
 EMI3.5 
 :-*f'. la majeure pyirtie du tantale forme une gagme continue de solutions toli-   des     dans   le siobium, bien qu'il   puisse   se former une certaine quantité ' 
 EMI3.6 
 ,:;:::.;

  <5t oilrbure t tantale ou d'un carbure mixte de tantale et de hafnium   % et   ce qui   trente     davantage   la résistance   mécanique*   

 <Desc/Clms Page number 4> 

 
 EMI4.1 
 -,Les 'alliages ''hJ1t,l'1nenton,ont u.n, .11r. J'1:-;) : >.#.-..-'?## .. 1.\, .,." -#.-#,- #/#.##-';#: ##;## # ##'.##..## # ####;:,'----.:-' /#.'##'###:###.###::- 'V't tance à chaud comme le montre la dureté à. des températures de 900 a ; 1200 C. En outre, la dureté à chaud ne diminue que.lentement .".0' ;,>, - l'augmentation de la température,   ce qui indique   une résistance   été-'   
 EMI4.2 
 vée au fluage.

   Il va de soi que l'invention n'est pall1m1 t'e par<};"';   cette   explication, mais il   semblé que   cette amélioration des propriétés résulte de la formation d'une dispersion très fine et uniforme de 
 EMI4.3 
 >carbure de hafnium ou d'un carbure mixte de hafnium et 4' n1ob1W1!.,,:';:. 



  -. # # # # # # ## '# '##### - ,"', ##'#"#'/&' H II peut également se former une certaine quantité d'oxyde et de ni- ,\::tNr8 de hafnium. Dans les alliages contenant des quantités 1mpor'; ,r)' ;,::i,: tant,. ': de" hatn1um, une partie de l'augmentation de la résistance in6','' Ù, oàn1Què,':..t due a la formation d'une solution solide du hafnium dans' #.v.--.-. ,.# .# -.-v.: -. # -.,.-!.- #.,-###- ...#### #..'#. 



  ,. -1 l11obi:'::;<:'\':;:"';" '###-#;#. ";:'', :',' .<:, ' :,:>::,:",,'; ':'*?#: #&### ' "-\'s--! i :<,.',::},i'\'1> ';};:;#,'.'##:. ';", Des exemples d'alliages conformes à la présente invention . 



  ,7: sont décrits avec référence au tableau 1 qui indique les duretés aux .températures ordinaires et élevées. -##'#:'# ' ###.:' ;r' '">.-': 'f #'### Des éprouvettes d'alliage sont fabriquées par fusion à l'arc ; en atmosphère d'argon et sont essayées sous vide pour éviter les con- taminations. L'indice de dureté   Vickers   est mesuré à l'aide   4'un . : ?   pénétrateur   en saphir   appliqué pendant 120 secondes avec une charge? 
 EMI4.4 
 ::,', de 10 kg. Les: duretés sont mesurées à 20, 900, 1000, 1100 et 1200'C., Les alliages contiennent 15 à 20% en poids de tungstène et T;f';3 a 3 en poids de hafntuii. Tout les alliages contiennent environ 0005% ;'.n.'Po1d8 de carbone.

   Les conclusions générales suivantes'-peuvent tire ,,'- "tir4.. 4el rtCsul tata' .: '....''.-...-""'../:'.'..' . -.### '#. "# .'.##'# #'#./## iç'i ,'# ;: : ##-"" !## hafnium apparaît avantageux dans une certaine mesure tous   les pourcentages.     Les   alliages conservent une dureté appréciable aux   températures   élevées et la diminution de la dureté avec l'élévation de la température est réduite.

   Comme indiqué plus haut, ces faite sont   Indicatifs   d'une bonne   résistance     mécanique   et d'une bonne ré-   @,tance¯   au   fluate.   De façon   générale,   la dureté diminue avec l'élé- 
 EMI4.5 
 (#'-. vation de la température. #-,..' '#'''#   @   La dureté maximum est obtenue en général entre environ 3 et 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 
 EMI5.1 
 >#5> en poida de hafniua et dea additionna plus important ! de hafnium .ont un effet supplémentaire faible ou nul aur la dureté.' Kv:' ' '#'#':

   L'effet du hatnium a 4té étudié sur une agrit d'alliages contenant du   tungstène   pour montrer que   l'effet   de durcissement du hafnium en   présence   de carbone   n'est   pas limita à une   Comme   étroite ; de   compositions   de   l'alliage   de base. On a trouvé que la. dureté augmente de façon générale   aveo   des quantités   croissantes   de tungstène. 



  D'autres essai$ ont   été     exécutés   sur une   série   d'alliages   ;choisis*   Les données de fluage en   compression   ont   été   établies pour de: 
 EMI5.2 
 -Vv alliages contenant 20% en poids.de tungstène, 2%, 4 ou 6% en poids de hafnium, et 0,08% en poids de   carbone. '   Les  résultats   obtenue confirment et étendent les résultats établit   précédemment*   Une   résistance     ) ' élevée au   fluage est   manifestée   par des alliages contenant environ 4% en poids de   hafnium.   



  Les   résultats   sont   présentés   sur la Fig. 1 qui porte les   données   de   fluage   en compression, en % en ordonnées, en fonction du temps en heure, en abscisses, à 1100 C   tous   une charge de 20000   livrer   pouce   carré   (1400 kg/cm2) appliquée sur des   éprouvettes     coulées.   Les compositions des   éprouvettes   pour lea   essais   de fluage sont   indiquées   sur la Fig. 1, la   déformation   étant nulle   après 5     heures.   



  Des   essais   de fluage en traotion sont également   exécutés   sur une sutre série d'alliages choisis présentés dans le tableau II qui montre   1' allongement     après   24   heur....   1200 C   sous   une charge de 
 EMI5.3 
 itr.ct1oft de 13 tonnes/pouce carré (20?0 kg/cm2). On constate que l'alliage S.U. 20   contenant 2%   en poids de hafnium   résiste   au fluage et on a trouvé également que la teneur en tungstène peut être ramenée à 17% en poids sans diminuer la   résistance   au fluage si la teneur en hafnium est portée à 3% en poids.

   Ceci est important étant donné que l'usinabilité des alliages dépend de   façon   critique de leur teneur en   '//! tungstène   et   qu'au-de.lui   de 17% en poids de   tungstène,   lea alliages 
 EMI5.4 
 "hr'àont extrlffleaent difficiles à travailler. On alliage à 155 en poids de   tungstène     et 4%   en poids de   molybdène   se révèle relativement moine résistant à la   déformation.   

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 EMI6.1 
 



  (:':.;tpo'1' de hafniua et, 0,905%,en poids de carbone. On '40notato,.,-, .,;;.,;y.;un iliagë aoateaant 15% .en poids de tungstène peut ttre forge puis laminé de façon satisfaisante$ tandis qu'un alliage à 20% de tungstène 
 EMI6.2 
 ',;:Ise tiseure. fortement au cours du fcrgaage  Les   essais   de   traction*sont   exécutés à la température ordinaire.

   On alliage contenant 17% en poids   de'tungstène,   3% en poids de hafnium et 0,08% en poids de carbone présente un allongement   de 20% '   
 EMI6.3 
 ;:J'7:\" '" ## . ¯ ,"-''#' " ### ##".*: *# "## et, une résistance à la rupture en traction de 55p$ tonnee/pouee car (8780 kg/cm2) tandis qu'un alliage contenant 15% en poids de   tungstène,     4% en poids   de hafnium et 0,1% en poids de carbone   présente   un   allonge-   
 EMI6.4 
 ment de 25% et une io'l1at.nÓ.

   A, la rupture en traction de ",8' tonnes/ pouce carre   (870   kg/cm2), ce qui indique que le   tungstène   peut tire   remplacé   en partie par du hafnium, en conservant une résistance méca- 
 EMI6.5 
 f,.;>:'n1que élevée et en augmentant la ductilité. wu '. ,.'> ' L'effet de durcissement d'additions de hafnium et de carbone est dû, croit-on, à la formation d'un carbure   très   fin uniformément 
 EMI6.6 
 /,:',.::'41Iper.' et thermiquement stable de hafnium seul ou de hafnium et de niobium.

   Il peut également se former du nitrure ou de l'oxyde du hafnium, qui contribuent a l'amélioration de la résistance   mécanique,1     Les   effets avantageux du hafnium   s'obtiennent   dans une gamme étendue de teneurs en tungstène et il est clair, par conséquent, que des 
 EMI6.7 
 : : ::f #;# :,' ' , , ' . ", .   agents   de durcissement formant des solutions   solides,   comme le tungstène, n'entravent pas   l'effet   du carbure.

   Les teneurs en impuretés 
 EMI6.8 
 ', -l,f:' ' #.-..#'#. # # - .##"#;# de'$ alliages essayés sont d'environ 200 ppm d'oxygène, 140 ppn d'asote f:;jv".'' #-'-.# ###.#####..####'##:!#' ':; et de 0,1 en poids de tantale... ; , ': ]l', >J:.- 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 
 EMI7.1 
 . : 3.' ...i ..... :., 
 EMI7.2 
 
<tb> 
<tb> Dureté
<tb> Composition <SEP> Indice <SEP> de <SEP> dureté <SEP> Vickers
<tb> 
 
 EMI7.3 
 . 1)oidg 20'OC avant ##, '" ' : # " ' '#'-y'' 7"'" 0#C ###- 1¯ e ohaul ''.;;, '"'.": : v ,;:; ;":: ;-' après ; : fâge 90000 1000*0 110000 1200*0 chauf- .. ; ?:-:. ':: .-#"## '' :

   :-'¯ ¯ ..':. .:,;' " #':)'-#;'# aie 
 EMI7.4 
 
<tb> 
<tb> 15 <SEP> 3 <SEP> 295 <SEP> 165 <SEP> 162 <SEP> 171 <SEP> 123 <SEP> 286
<tb> 15 <SEP> 5 <SEP> 293 <SEP> 215 <SEP> 232 <SEP> 228 <SEP> 132 <SEP> 296
<tb> 
 
 EMI7.5 
 17 385 280 175 187 172 113 - 
 EMI7.6 
 
<tb> 
<tb> 20 <SEP> 3 <SEP> 312 <SEP> 200 <SEP> 224 <SEP> 266 <SEP> 150 <SEP> 303
<tb> 20,- <SEP> 3,5 <SEP> 310 <SEP> 190 <SEP> 175 <SEP> , <SEP> 163 <SEP> 132
<tb> 
 
 EMI7.7 
 ,., , ### .'.:#'#'##. # #' ' '#' ' # .. 
 EMI7.8 
 tr,,:;, ' . , . . ,.... Guise en traction C04"''::::' composition % en poids Allongement ? .',"',.''.''......''"-"- l' tonnt./pouot oarr4 " .';..::.;. '(20" k-J 2) ,,.v:., '.'.. , .'? -..';i. à 120040 en 2,4 heures ..0.10, 20-W a-Hf o, o s-c 2$1 
 EMI7.9 
 
<tb> 
<tb> S. <SEP> U.22 <SEP> 17-W <SEP> 3-Hf <SEP> 0,1-C <SEP> 2,0
<tb> 


Claims (1)

  1. EMI8.1
    ;. < ,/ . :#" 'i. #;.';#:-? RB Y 3 3 bl CAT 1 0 N'8, \ '' ,. - # /; ". 1. - Alliage a base de niobium, caractérisé en et qu'il EMI8.2 est constitué par 0*1 à 25% en poids de tungstène,'3,0 à 8% de .; #' /', hafnium et un faible pourcentage de carbone, le reste étant du nio- bium, outre des impuretés et des éléments d'addition accessoires,' 2.- Alliage suivant la revendication 1, caractérisa en EMI8.3 ' eé qu'il contient 0,01 à 0,2% en poids de carbone #., '7/;lu':;
    Alliage suivant la revendication 2, caractérisé en EMI8.4 ¯ ee quil -contient environ 4% en poids de hafnium, ,## Alliage suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il contient environ 20% en poids de tungstène.
    3.- Alliage suivant la revendication 1, 2 ou caractérisé en ce qu'il contient 17% en poids de tungstène ou moins, 6.- Alliage suivant la revendication 2, caractérise en ce qu'il contient environ17% en poids de tungstène et environ 3% EMI8.5 ; ' . en :oidi de hafnium@ ####.,.
    7.- Alliage suivant la revendication 6, caractérisé en .
    ' ce qu'il est constitué par environ 17% en poids de tungstène, envi- ron 3% en poids de hafnium et environ 0,1% en poids de carbone, le reste étant du niobium et des impuretés, 8.- Alliage suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par environ 20% en poids de tungstène, en- viron 4% en poids de hafnium et environ 0,08% en poids de carbone } le reste étant du niobium et des impuretés.
    99.- Alliage comme décrit dans l'un ou l'autre des exemples.
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