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"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
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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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;.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-
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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
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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
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$& 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
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:-*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 '
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,:;:::.;
<5t oilrbure t tantale ou d'un carbure mixte de tantale et de hafnium % et ce qui trente davantage la résistance mécanique*
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-,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-'
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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
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>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?
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::,', 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-
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(#'-. vation de la température. #-,..' '#'''# @ La dureté maximum est obtenue en général entre environ 3 et
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>#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:
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-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
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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
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"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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(:':.;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
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',;: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% '
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;: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-
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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-
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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
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/,:',.::'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
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: : ::f #;# :,' ' , , ' . ", . agents de durcissement formant des solutions solides, comme le tungstène, n'entravent pas l'effet du carbure.
Les teneurs en impuretés
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', -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:.-
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<tb> Composition <SEP> Indice <SEP> de <SEP> dureté <SEP> Vickers
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