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Corps métalliques composites.
La présente invention concerne des corps métalliques composites et en particulier des corps composites en titane.
Comme les métaux purs sont ductiles mais faiblement résistants, on y ajoute couramment d'autres éléments tels que des éléments de renforcement en solution solide,ou de fines particules; telles que des éléments de renforcement en dispersion afin d'obtenir des
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valeurs de résistance satisfaisantes. Cette am';liorDtiorJ rip résistance s'accompagne toutefois d'une certaine perte cusirau.1. lité, de résistance à l'oxydation et de ductilité. En }HL:--'l,;;'C'.::;'.8r plus on améliore la résistance, plus forte est la perte d\ .v.c; --
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On peut également renforcer un métal à faible résistance en y incorporant des fibres très résistantes de manière à produire une matière composite dans laquelle la résistance élevée des fi- bres se combien à la ductilité élevée du métal.
Parmi les matiè- res composites qui ont été produites par ce procédé, on trouve de l'aluminium contenant des fibres de silice.
Quoique le principe du renforcement par des fibres soit maintenant bien connu, il n'a pas encore été appliqua à grande échelle principalement parce qu'il est difficile et coûteux de combiner les fibres robustes avec la matrice ductile.
Ces matières composites ont en général été consolidées par une technique de métallurgie des poudres ou par une technique visant à imprégner les fibres de métla en fusion.
Le renforcement d'un métad au moyen de fibres présente de sérieuseslimitations. Les fibres sont coûteuses et se noient mal dans le métal et leur efficacité comme élément de renforcement est conditionnée par un alignement parallèle au sens dans lequel s'exercent les contraintes.
Des matières composites dans lesquelles la matrice ducti- le est du titane sont particulièrement difficiles à produire en raison de la réactivité élevée du titane qui provoque une oxydation et rend le métal cassant. Des expériences ont montré que des ma- tiêres composites de titane préparées par des procédés de métallur-
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gie des poudres peuvent absorberji=squ'à à à'oxygéne et devien- nent ainsi fortement cassantes.
On a constaté que 1,'on peut obtenir des matières composi- tes de titane présentant une résistance élevée et une ducti- - - lité adéquate et que le procédé utilisé à cet effet peut s'appli- quer à d'autres métaux que le titane.
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Suivant 1'invention, un corps composite comprend un gradn nombre de feuilles minces unies les unes aux autres su la tot @i- té de leurs interfaces, les feuilles minces étant en un métal qui possède ou qui est susceptible de posséder une résistance élevée et une ductilité faible et qui peut être travaillé.à chaud, et alternant avec un métal de bonne ductilité.
Suivnnt l'invention, pour produire un corps composite, on soude sous pression les interfaces d'un empilage de feuilles minces de métal possédant ou susceptible de posséder une résistan- ce élevée et une faible ductilité et pouvant être travaillé à chaude ces feuilles minces alternant avec des feuilles minces d'un métal de bonne ductilité.
On obtiont la combinaison de propriétés désirée par un traitement thermique approprié lorsque le métal à$ haute résistance est sensible à ce traitement thermique. Lorsque la résistance élevée n'est obtenue qu'après traitement thor@ique, la matière composite peut être transformée en objets manufacturés dans un état comparativement malléable et peut âtre ultérieurement traitée à chaud. Ce traitement thermique peut avantageusement consister en un traitement de dissolution et un traitement de vieillissement et certains alliages durcissant par précipitation conviennent donc pour la fraction métallique à haute réaistance de la matière composite.
La fractionmétallique ductile de la matière composite peut consister en un métal industriellement par ou un alliage ayant la ductilité requise mais pas nécessairement sensible au traitement thermique.
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L'empilage de feuilles minces est de pre're;:,} -'"\- stitué d'un grand nombre de feuilles minces des deux mGt,:ru;: l'c., stitutifs, car il est souhaitable de prouuire un coi,p,, <:c,;¯.i..1;.; dans lequel les couches résistantes et les couches ductiles :;O;,!J!1t
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bien réparties. Un grand nombre de couches minces donne une structure qui, sous certains rapports, est analogue à celle des matières renforcées par des fibres,mentionnées plus haut.
Les alliages à haute résistance et à faible ducti- lité ne peuvent pas être utilisés dans l'industrie parce qu'ils deviennent trop cassants. Une fissure qui s'amorce dans un tel alliage se propage dans toute la matière etentraîne uneruptur.Dansles matières composites suivant l'invention, les feuilles minces de métal ductile empêchent les fissures,de se propager dans toute la matière et permettent ainsi d'utiliser un métal très résistant mais cassant.
Les feuilles minces des deux métaux constitutifs peuvent être respestivement (1-1 saurs différentes ot ceci peut être obtenu par les taux de déformation relatifs des 'métaux à la température de laminace utilisée ou par l'épaisseur relati- ve dos feuilles minces assemblées dans l'empilage. On peut prédé- terminer les propriétés finales en choisissant des épaisseurs de feuilles minces appropriées.
Le laminage d'un empilage de feuilles minces est une opération qui est bien connue mais le but de catte opération traditionnelle est de réduire l'épaisseur des feuilles minces simultanément, ces feuilles minces étant empêchées d'adhérer les unes aux autres. Dans la présente invention, on envisage de laminer en un tout les différentes feuilles minces, de sorte que la microstructure de la matière composite est con- stituée de feuilles minces ductiles alternant avec des feuilles minces très résistantes, comice par exemple dans la perlite des aciers au carbone.
L'invention peut être avantageusement appliquée à du ti- tane. Des feuilles minces de titane industriellement pu r alter-
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nant avec des feuilles minces d'alliage de t:,';.'"'";',, ,': .: l, "G' -- mettre à un traitement thermique pour lui àw¯-:. ..:,...=.v.v¯ ... élevée et une faible ductilité sont régies M l'f" e :-:.H¯ ¯ ;. 4- dées tout autour de leurs bords pour établir '):fi :,')'\:'1: ': ; i #:ù::.:. ="fl-1" afin d'empêcher toute rentrée d'air entre lej fr..',?.'; r,=.4^:.
Il n'est pas nécessaire de faire le vide t:.:mi: . - c.:;;..'. .: ; a. c,::: la faible quantité d'air emprisonnée est r rxp bca,-{t : (,.I,:3;;O,:'G .z;< le carbone sans nuire aux surfaces. Si l'air -t;J<1.<i.=;i?.aL., I. :)('Y1Ó,,:"(:I' dans l'empilage de feuilles minces, une coucha <à."c>:ç.4.e De fO;'i1!e::'.?:\,1 ' et se maintiendrait sur les surfaces du ti 4be. et empêcherait ou entraverait l'union des interfaces.
On chauffe l'empilage de feuilles minces c e.. --,01::;: éTa:t:ú- re de laminage à chaud qui peut être de 11".00"(; :,.f::.:, ;5;; r :JSJ,J '.1:' nu" les feuilles minces puissent être facilement dt'"oraié'3.'- !-,..:.::.:; ''':: le lamine afin de souder toute les interfaces 0.0S feuilles i:..r.ces= L'e laminage peut se poursuivre jusqu'à ce que la '"ef;\IA..::r'2,t"c";'(' 0<:::- cende à environ 60 C, mais dans certains ;i.i, .;1 1.;.:.,..> , ,>i., se poursuivre jusqu'à la température ambian- . ) - ;s...:,: : . . lage est évidemment diminuée.
Suivant les corapositions choisie::; peur a : ;. î t:'.. l,: (( couches, le produit laminé à chaud peut être f'C'Y"ï.Ht .. ;..à.... minces de deux métaux ductiles ou d'un m6t.l Ü; 1 : 1 '0' '..::. ::,', cassant; le premier produit exige un traite::-.-'. ..:r... ,: . acquérir sa résistance mécanique et le second ac ; :4S ,,::.,.',,'c, :JH: dant le laminace à chaud.
Le traitement thermique dépend de ,-,. c.,";. x . -.,: de l'alliage susceptible de durcir par vie':':'} 3.::: (. ,c., être conçu de manière à le durcir cQmp's.c,:;c:.. A.. ';:,. '- de sa ductilité.
Dans un exemple de l'invention ;':PP4:\J{ 2. :,,' .¯', on prépare un empilage de feuilles minces <iE: 11-..:.> :-,¯.
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mentpur alternait avecdes feuillesminces d'alliage de titane contenant 15% de molybdène. On soudo les bords de l'empilage à l'arc et on porte l'empilage de feuilles minces à une tampértaure de 900 C, puis on. le lamine à chaud à partir decette température jusqu' à 800 C, l'épaisseur étant réduite de 90%. On porte alors le prc- duit laminé à 800 C pendant une demi-heure, on le refroidit-, brus- quement à l'eau,
puis on le traite thermiquement à 450 C pendant 2 heures pour produire une dureté de 600 DPN dans les couches de titane - 15% de molybdène. Le corps composite résultant a une résistance à la traction de 165 kg/mm2 et un allongement de 6%.
D'autres alliages de titane à haute résistance que l'on peut utiliser avec du titane ductile sont des alliages stabi- lisés en bêta qui pouvant êtretraités thermiquement pour produire la phase oméga, des alliages de titane contenant 10 à 20% d'alu- minium traités thermiquement pour produire la structure DO19 pres- crite : ou d'autres alliages stabilises en alpha qui formant ou qui peuvent être traités thermiquement pour former la struc- ture hexagonale prescrite à température ambiante.
L'invention peut être appliquée par exemple à un corps composite formé de feuilles minces d'acier à basse teneur en carbone alternant avec des feuilles Minces d'acier à haute teneur en carbone ou de béryllium et d'aluminium,
Quoiqu'on se soit référé à un procédé de laminage à chaud, comme moyen pour assurer un soudage par pression, on pout utiliser d'autres moyens connus pour appliquer une pression suf-
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fisante pour effectuer la &oudure par exemple le crhe4.,r.: c'v 3)\1- ti7.isatJ.on d'une foret- c :>. .pw.,aA Ces moyens pe:r1J:Ü t".A:J 1', cc pro- duire des corps co G .cr qui, n>ont pas néces5ai:reli;("', 1.;:.
'forme de tôles, co!M dans le cas du lam3 na : W ,",: c
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-'<i.:.:" .,r ., r : ¯ Y ¯ . une io<;.: ! "''"''" - ''." f..luminiuN: . t,¯. wi,. a. l;j.
2 /'.'..-r u empilage de 3. 1' : . !', V: ¯. ¯ .... ':.:-:.-", ;:\(;3SfÔ.{r' unE; J:8S) .::,., > t .t U e¯ T Q j. ¯4. de r-;,?: en ce <" 1,.'¯ï a .:J\" :.J:i: ac'Îv(""" ' :: ... 5::';.. &.<,UR ¯r;,' F; 't:, ; .... ne ses Cf)',3 4 :.',''::i (:r . r . ¯. ¯........:! W<,:.i ( .< ¯ , en f.
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ORIGINAL PATENT INCOMPLETE OR BAD : @
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COUNTRY: DOC NUMBER:######L# KIND;-¯¯¯ --- MISSING FRONTPAGE --- NO DRAWINGS @ MISSING PAGE(S) @ BAD ORIGINAL --- DIVERSE
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soumettre à un traitement thermique pour lui donner une résistance élevée et une faible ductilité, on soude les bords de l'empilage pour établir un joint étanche au vide, on chauffe l'empilage à sa température de laminage à chaud et on le lamine pour souder les feuilles minces en un tou t.
17 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce qu'on empile des feuilles minces de titane industriellement pur alternant avec des feuilles minces d'alliage de titane contenant 15% de molybdène , on soude les bords de l'empilage à l'arc, on porte l'empilage à une température de 900 C et on le lamine à chaud à une température comprise entre 900 et 800 C jusqu'à ce qu'on obtienne une réduction d'épaisseur de 90%.
18 - Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'on chauffe le produit laminé à 800 C pendant une demi- heure, on le refroidit brusquement à l'eau et on le vieillit pendant 2 heures à 450 C.
19 - Corps composite suivant la revendication 1, en substance comme décrit.
20 - Procédé pour produire un corps composite suivant la revendication 11, en substance comme décrit.
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Composite metal bodies.
The present invention relates to composite metal bodies and in particular to titanium composite bodies.
As pure metals are ductile but weakly resistant, other elements such as reinforcing elements in solid solution or fine particles are commonly added to them; such as dispersion reinforcing elements in order to obtain
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satisfactory resistance values. This improved resistance is accompanied, however, by a certain loss of heat. 1. ity, resistance to oxidation and ductility. In} HL: - 'l, ;;' C '. ::;'. 8r the more resistance is improved, the greater the loss of \ .v.c; -
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A low strength metal can also be reinforced by incorporating high strength fibers therein so as to produce a composite material in which the high strength of the fibers equates to the high ductility of the metal.
Among the composite materials which have been produced by this process are aluminum containing silica fibers.
Although the principle of fiber reinforcement is now well known, it has not yet been widely applied mainly because it is difficult and expensive to combine the strong fibers with the ductile matrix.
These composite materials have generally been consolidated by a powder metallurgy technique or by a technique aimed at impregnating the fibers with molten metla.
There are serious limitations to reinforcing a metad with fibers. The fibers are expensive and do not drown well in the metal and their effectiveness as a reinforcing element is conditioned by an alignment parallel to the direction in which the stresses are exerted.
Composite materials in which the ductile matrix is titanium are particularly difficult to produce because of the high reactivity of titanium which causes oxidation and makes the metal brittle. Experiments have shown that titanium composite materials prepared by metallurgical processes
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powders can absorb up to as much as oxygen and thus become very brittle.
It has been found that it is possible to obtain titanium composite materials exhibiting high strength and adequate ductility and that the method used for this purpose can be applied to metals other than carbon. titanium.
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In accordance with the invention, a composite body comprises a number of thin sheets united to each other at all of their interfaces, the thin sheets being of a metal which has or is likely to have high strength and low ductility and which can be hot worked, and alternating with a metal of good ductility.
According to the invention, to produce a composite body, the interfaces of a stack of thin sheets of metal having or likely to have a high strength and low ductility and which can be hot worked these alternating thin sheets are welded under pressure. with thin sheets of a metal of good ductility.
The desired combination of properties is obtained by an appropriate heat treatment when the high strength metal is sensitive to this heat treatment. When the high strength is obtained only after thor @ ic treatment, the composite material can be made into manufactured articles in a comparatively malleable state and can be further heat treated. This heat treatment can advantageously consist of a dissolution treatment and an aging treatment and certain alloys which harden by precipitation are therefore suitable for the high resistance metal fraction of the composite material.
The ductile metal fraction of the composite material may consist of an industrially par metal or an alloy having the required ductility but not necessarily sensitive to heat treatment.
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The stacking of thin sheets is pre're;:,} - '"\ - made up of a large number of thin sheets of both mGt,: ru ;: l'c., Stitutive, because it is desirable to prouuire a coi, p ,, <: c,; ¯.i..1;.; in which the resistant layers and the ductile layers:; O;,! J! 1t
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well distributed. A large number of thin layers give a structure which in some respects is similar to that of the fiber reinforced materials mentioned above.
High strength, low ductility alloys cannot be used in industry because they become too brittle. A crack which initiates in such an alloy propagates throughout the material and results in a rupture. In the composite materials according to the invention, the thin sheets of ductile metal prevent cracks from spreading throughout the material and thus make it possible to use a very resistant but brittle metal.
The thin sheets of the two constituent metals can be respectively (1-1) different surs and this can be obtained by the relative strain rates of the metals at the temperature of the laminate used or by the relative thickness of the thin sheets assembled in the Stacking The final properties can be predetermined by selecting appropriate thin sheet thicknesses.
The rolling of a stack of thin sheets is an operation which is well known, but the aim of this traditional operation is to reduce the thickness of the thin sheets simultaneously, these thin sheets being prevented from adhering to each other. In the present invention, it is envisaged to laminate the various thin sheets as a whole, so that the microstructure of the composite material consists of thin ductile sheets alternating with very strong thin sheets, such as for example in the perlite of steels. carbon.
The invention can be advantageously applied to titanium. Thin sheets of titanium industrially pu r alter-
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nant with thin sheets of alloy of t :, ';.' "'";' ,,, ':.: l, "G' - put to heat treatment for him àw¯- :. ..: , ... =. vv¯ ... high and low ductility are governed M l'f "e: - :. H¯ ¯;. 4- dice all around their edges to establish '): fi:,') '\:' 1: ':; i #: ù ::.:. = "fl-1" in order to prevent any re-entry of air between lej fr .. ',?.'; r, =. 4 ^ :.
It is not necessary to empty t:.: Mi:. - vs.:;;..'. .:; at. c, ::: the small amount of air trapped is r rxp bca, - {t: (, .I,: 3 ;; O,: 'G .z; <carbon without harming the surfaces. If the air -t; J <1. <i. =; i? .aL., I.:) ('Y1Ó ,,: "(: I' in the stack of thin sheets, a coucha <to." c>: ç.4.e De fO; 'i1! e ::'.?: \, 1 'and would remain on the surfaces of ti 4be. and prevent or hinder the union of interfaces.
The stack of thin sheets is heated c e .. -, 01 ::;: éTa: t: ú- hot rolling which can be 11 ".00" (;:,. F ::.: ,; 5 ;; r: JSJ, J '.1:' naked "the thin leaves can be easily dt '" oraié'3 .'-! -, ..:. ::.:;' '' :: the rolled in order to weld all interfaces 0.0S sheets i: .. r.ces = The th rolling can continue until the '"ef; \ IA .. :: r'2, t" c "; '(' 0 <::: - cende at about 60 C, but in some; ii,.; 1 1.;.:., ..>,,> i., Continue until room temperature-. ) -; s ...:,::.. the age is obviously reduced.
According to the chosen corapositions ::; fear a:;. î t: '.. l ,: (((layers, hot rolled product can be f'C'Y "ï.Ht ..; .. to .... thin of two ductile metals or one m6t. l Ü; 1: 1 '0' '.. ::. ::,', brittle; the first product requires a treatment :: -.- '. ..: r ...,:. to acquire its mechanical resistance and the second ac;: 4S ,, ::.,. ',,' c,: JH: in the hot laminate.
The heat treatment depends on, - ,. c., ";. x. -.,: life hardening alloy ':': '} 3. ::: (., c., be designed so as to harden cQmp's.c ,: ; c: .. A .. ';:,.' - its ductility.
In an example of the invention; ': PP4: \ J {2.: ,,' .¯ ', a stack of thin sheets <iE: 11 - ..:.>: -, ¯ is prepared.
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mentpur alternated with thin sheets of titanium alloy containing 15% molybdenum. The edges of the stack are arc welded and the stack of thin sheets is brought to a padding of 900 ° C., then one. hot-rolled from this temperature up to 800 C, the thickness being reduced by 90%. The rolled product is then brought to 800 C for half an hour, it is suddenly cooled with water,
then it is heat treated at 450 ° C for 2 hours to produce a hardness of 600 DPN in the titanium layers - 15% molybdenum. The resulting composite body has a tensile strength of 165 kg / mm2 and an elongation of 6%.
Other high strength titanium alloys that can be used with ductile titanium are beta stabilized alloys which can be heat treated to produce the omega phase, titanium alloys containing 10 to 20% aluminum. Minium heat treated to produce the prescribed DO19 structure: or other alpha stabilized alloys which form or can be heat treated to form the prescribed hexagonal structure at room temperature.
The invention can be applied, for example, to a composite body formed from thin sheets of low carbon steel alternating with thin sheets of high carbon steel or beryllium and aluminum,
Although reference has been made to a hot rolling process as a means of providing pressure welding, other known means can be used to apply sufficient pressure.
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fisante to perform the & oudure for example crhe4., r .: c'v 3) \ 1- ti7.isatJ.on of a forest- c:>. .pw., aA These means pe: r1J: Ü t ".A: J 1 ', cc to produce bodies co G .cr which, do not need: reli; ("', 1.;:.
'form of sheets, co! M in the case of lam3 na: W, ",: c
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2 /'.'..-r u stacking of 3. 1 ':. ! ', V: ¯. ¯ .... ':.: -: .- ",;: \ (; 3SfÔ. {R' unE; J: 8S). ::,.,> T .t U ē TQ j. ¯4. of r -;,?: in this <"1,. '¯ï a.: J \": .J: i: ac'Îv ("" "' :: ... 5 :: '; .. & . <, UR ¯r ;, 'F;' t :,; .... ne ses Cf) ', 3 4:.', '' :: i (: r. R. ¯. ¯ .... ....:! W <,:. I (. <¯, in f.
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COUNTRY: DOC NUMBER: ###### L # KIND; -¯¯¯ --- MISSING FRONTPAGE --- NO DRAWINGS @ MISSING PAGE (S) @ BAD ORIGINAL --- DIVERSE
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heat treated to give it high strength and low ductility, weld the edges of the stack to establish a vacuum seal, heat the stack to its hot rolling temperature and roll it to weld thin leaves in one tu t.
17 - A method according to any one of claims 11 to 16, characterized in that stacked thin sheets of industrially pure titanium alternating with thin sheets of titanium alloy containing 15% molybdenum, the edges of the l are welded. 'Arc stacking, the stack is brought to a temperature of 900 ° C. and hot-rolled at a temperature of between 900 and 800 ° C. until a thickness reduction of 90% is obtained.
18 - Process according to claim 17, characterized in that the rolled product is heated to 800 C for half an hour, it is abruptly cooled with water and it is aged for 2 hours at 450 C.
19. A composite body according to claim 1, substantially as described.
20. A method for producing a composite body according to claim 11, substantially as described.