Procédé de fabrication d'une pièce métallique destinée à être soumise à un effort sous des températures élevées, et pièce métallique fabriquée par ce procédé. L'invention comprend un procédé de fa brication d'une pièce métallique destinée à être soumise à un effort sous des tempéra tures élevées, par exemple de l'ordre de 600 C et plus, et une pièce métallique fabriquée par ce procédé.
L'expression soumis à un effort coi- prend l'effort qui est produit dans la pièce par son poids propre.
Le procédé selon l'invention, dans lequel une pièce métallique destinée à être soumise à un effort sous des températures élevées est établie en un alliage constitué en majeure partie par du nickel, avec 5 à<I>30%</I> de chrome, en même temps que 0,05 à 0,5 % de carbone et 0,02 à 1,5 % de titane, est caractérisé en ce qu'on chauffe la pièce jusqu'à au moins 1075 C, température à laquelle une phase de l'alliage, constituée au moins en partie par du carbure de titane passe en solution solide et qu'on poursuit.
le chauffage pendant un temps assez long pour que l'équilibre corres pondant à cette température soit atteint, ce chauffage étant suivi d'un refroidissement suffisamment. rapide pour empêcher toute re- précipit.ation notable de la. phase qui a passé en solution. Ce procédé est caractérisé en outre en ce qu'après le refroidissement on chauffe de nouveau ladite pièce à une tem pérature d'au moins 600 C.
Les alliages utilisés conformément à l'in- vention sont, aptes à fournir des pièces qui, aux températures élevées, résistent à la corro sion, en même tempes qu'elles possèdent une haute résistance au fluage, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques générales.
Les alliages peuvent contenir du cobalt en une proportion n'excédant pas 20 %, ainsi que, dans une proportion totale de 10 % a.u plus, d'autres éléments comprenant du fer, du silicium, du manganèse et de l'aluminium.
Ces alliages peuvent contenir aussi de petites quantités d'au moins un élément tel que le niobium, le molybdène, le glucinium, le tungstène et le vanadium, ainsi que de petites quantités de terres rares, de métaux alcalinos-terreux et d'au moins un élément tel que le phosphore, l'arsenic, l'antimoine et le tantale. On choisit ces éléments et leurs proportions d'après les propriétés mécaniques générales requises et le genre de corrosion auquel la pièce devra résister pour le temps de travail qu'on en attend. Les conditions entrant en ligne de compte sont bien connues et ne seront. pas décrites ici.
L'alliage peut contenir sensiblement<B>80%</B> de nickel et 20 % de chrome, et il est alors bien connu pour sa capacité de résistance à la chaleur et à la corrosion.
Comme exemple on peut citer un alliage contenant sensiblement 80 % de nickel et 20 % de chrome, avec 0,35 % de titane et 0,1 % de carbone. Les alliages dont la eolnposition a été dé finie comportent une phase qui entre en solu tion solide à des températures élevées et, à une température donnée, on peut s'approcher d'un état d'équilibre pour lequel la phase ne peut pas entrer en plus grande quantité en solution. Quand, après avoir été refroidie, la pièce est soumise à un nouveau chauffage à des températures plus faibles (bien que tou jours élevées), la phase dissoute se précipite, ce phénomène étant connu sous le nom de durcissement par précipitation.
Que la ré sistance ait fluage soit ou ne soit pas en liaison avec le durcissement qui résulte de la dite précipitation, il n'en reste pas moins que l'on a reconnu que, pour produire la meilleure résistance au fluage, il est nécessaire de main tenir la pièce à une température élevée (d'au moins 10750 C) pendant un temps assez long pour que l'équilibre correspondant à la tem pérature en question soit atteint. Le mode de refroidissement de la pièce à partir de cette température dépend des dimensions de la pièce en traitement.
Ainsi, quand cette pièce est petite, par exemple quand elle est une barre pouvant avoir jusqu'à 15,9 mm de dia mètre, un refroidissement à l'air peut être suffisamment rapide, mais pour des pièces plus grandes, on' devrait procéder par refroi dissement dans l'eau ou dans l'huile, puisque c'est seulement par lin tel refroidissement rapide, à partir des températures élevées em ployées pour effectuer la solubilisation de la phase susceptible de se précipiter, qu'on pourra obtenir les bonnes propriétés désirées au point de vue de la résistance au fluage.
Les températures, auxquelles la pièce doit être chauffée, varient dans une certaine mesure avec la composition de l'alliage, mais en général on a trouvé qu'elles devraient être inférieures à celle à laquelle commence la fusion, mais aussi proches de cette dernière que le permettent les conditions de fabrica tion.
Par exemple, quand on utilise des allia ges de base contenant sensiblement<B>80%</B> de nickel et 20% de chrome avec, par exemple 0,470 de titane et 0,12% de carbone, une tem pérature de l'ordre de grandeur de 12250 C est désirable et doit être nnaintenuë, assé@ longtemps pour garantir une solubilisation à peu près complète de la phase susceptible de se précipiter, c'est-à-dire pendant une heure ou plus.
Si on opère à une température plus basse, par exemple 11500 C, les résultats ob tenus ne seront pas aussi bons, même si l'alliage est maintenu à cette température pendant une période plus longue, c'est-à-dire pendant deux heures ou plus. Pour obtenir les résultats désirés avec les alliages dont la composition a été définie, il est nécessaire d'employer une température de 10750 C ou plus.
On sait déjà qu'on peut ajouter des élé ments formant des carbures à des alliages ayant les compositions de base en question, mais dans celles des propositions antérieures qui se rapportaient à des alliages devant être utilisés à des températures élévées, les traite ments thermiques décrits ne comprenaient pas un chauffage jusqu'à des températures aussi hautes que les 10750 C, qui ont été reconnus nécessaires.
Après le refroidissement, on chauffe de nouveau la pièce jusqu'à une température égale ou supérieure à celle à laquelle elle devra résister pendant son travail, mais, de toute façon, d'au moins 6000 C, afin de sta biliser les propriétés de l'alliage. Par exemple, si la température de travail est à peu près de l'ordre de grandeur de 6500 C, le nouveau chauffage peut être effectué par exemple à 7500 C.
Si la résistance au poinçonnage doit être élevée, la pièce peut avec avantage être traitée d'une manière appropriée pour élimi ner les pellicules de carbure inter-cristallines. De plus, pour certains usages, le fluage total est plus important que le degré de fluage, de sorte que quand un fluage total faible est prescrit, il peut être avantageux de soumettre la pièce après le réchauffage à au moins 60011 C à un traitement ayant pour but de réduire le fluage caractéristique et rapide du début, qui normalement se produit en service.
Par exemple la pièce peut être tenue pendant quelques temps à ou près de la température à laquelle elle sera soumise en service, ou bien elle peut être déformée d'une manière perma nente en la soumettant à un effort soit à la température ordinaire, soit de préférence à une température élevée, par exemple à ou près de la température, à laquelle elle sera soumise en service. Une telle déformation peut consister, par exemple, en un allonge ment de 20 % ou plus.
L'invention est, particulièrement utile dans la fabrication de pièces d'une ma chine à combustion interne (en particulier de pièces de machines aéro-dynamiques), de pièces de turbines à vapeur ou d'autres machines motrices, de parties de foyers et de pièces semblables, soumises à des efforts sous des températures élevées. Cependant, l'inven tion est avantageuse avant tout dans la fa brication de pièces de turbines à gaz.
Dans une application du procédé selon l'invention, on a utilisé par exemple un alliage ayant la composition suivante Ni 77,6 Cr 20,2 Fe 0,5 Ti 0,36 C 0,12 le solde étant sensiblement constitué entière ment par du silicium et du manganèse. II fut utilisé pour former une ailette de gui dage d'une tuyère destinée à travailler à 7500C. L'ailette fut chauffée pendant 2 heures à 1l50 C, puis refroidie à l'air jusqu'à la température ordinaire et afin chauffée de nouveau pendant 6 heures à 7500C.
A method of manufacturing a metal part intended to be subjected to a stress at high temperatures, and a metal part manufactured by this process. The invention comprises a process for manufacturing a metal part intended to be subjected to a stress at high temperatures, for example of the order of 600 ° C. and more, and a metal part manufactured by this process.
The expression subjected to a force covers the force which is produced in the part by its own weight.
The method according to the invention, in which a metal part intended to be subjected to a stress at high temperatures is made of an alloy consisting mainly of nickel, with 5 to <I> 30% </I> of chromium , together with 0.05 to 0.5% carbon and 0.02 to 1.5% titanium, is characterized in that the part is heated to at least 1075 C, temperature at which a phase of the alloy, constituted at least in part by titanium carbide, passes into solid solution and which is continued.
heating for a long enough time for the equilibrium corresponding to this temperature to be reached, this heating being followed by sufficient cooling. rapid to prevent any noticeable regrowth of the. phase which has passed into solution. This method is further characterized in that after cooling said part is heated again to a temperature of at least 600 C.
The alloys used in accordance with the invention are able to provide parts which, at high temperatures, resist corrosion, at the same time that they possess a high resistance to creep, as well as good general mechanical properties.
The alloys may contain cobalt in an amount not exceeding 20%, as well as, in a total proportion of 10% or more, other elements including iron, silicon, manganese and aluminum.
These alloys can also contain small amounts of at least one element such as niobium, molybdenum, glucinium, tungsten and vanadium, as well as small amounts of rare earths, alkaline earth metals and at least an element such as phosphorus, arsenic, antimony and tantalum. These elements and their proportions are chosen according to the general mechanical properties required and the type of corrosion that the part will have to withstand for the expected working time. The relevant conditions are well known and will not be. not described here.
The alloy can contain substantially <B> 80% </B> nickel and 20% chromium, and is therefore well known for its ability to resist heat and corrosion.
As an example, there may be mentioned an alloy containing substantially 80% nickel and 20% chromium, with 0.35% titanium and 0.1% carbon. Alloys whose position has been defined have a phase which enters into solid solution at high temperatures and, at a given temperature, one can approach an equilibrium state for which the phase cannot enter into solid state. larger amount in solution. When, after being cooled, the part is reheated to lower temperatures (although still high), the dissolved phase precipitates out, this phenomenon being known as precipitation hardening.
Whether or not the resistance has creep is related to the hardening which results from said precipitation, the fact remains that it has been recognized that, in order to produce the best resistance to creep, it is necessary to keep the workpiece at a high temperature (at least 10750 C) for a long enough time to reach the equilibrium corresponding to the temperature in question. The method of cooling the part from this temperature depends on the dimensions of the part being treated.
So when that part is small, for example when it is a bar up to 15.9mm in diameter, air cooling may be fast enough, but for larger parts one should proceed. by cooling in water or in oil, since it is only by flax such as rapid cooling, from the high temperatures employed to effect the solubilization of the phase liable to precipitate, that the correct properties desired from the standpoint of creep resistance.
The temperatures, at which the workpiece is to be heated, vary to some extent with the composition of the alloy, but in general it has been found that they should be lower than that at which melting begins, but as close to the latter as the manufacturing conditions allow it.
For example, when base alloys containing substantially <B> 80% </B> nickel and 20% chromium with, for example 0.470 titanium and 0.12% carbon, a temperature of of the order of magnitude of 12250 C is desirable and must be maintained, dried for a long time to ensure almost complete solubilization of the phase liable to precipitate, i.e. for an hour or more.
If one operates at a lower temperature, for example 11500 C, the results obtained will not be as good, even if the alloy is kept at this temperature for a longer period, that is to say for two hours. or more. To obtain the desired results with the alloys whose composition has been defined, it is necessary to use a temperature of 10750 C or more.
It is already known that carbide-forming elements can be added to alloys having the basic compositions in question, but in those of the previous proposals which related to alloys to be used at elevated temperatures, the heat treatments described did not include heating to temperatures as high as 10750 C, which was recognized as necessary.
After cooling, the part is heated again to a temperature equal to or higher than that to which it will have to withstand during its work, but, in any case, at least 6000 C, in order to stabilize the properties of the water. 'alloy. For example, if the working temperature is approximately on the order of magnitude of 6500 C, the new heating can be carried out for example at 7500 C.
If the puncture resistance is to be high, the part can advantageously be treated in a suitable manner to remove the intercrystalline carbide films. In addition, for some uses, the total creep is more important than the degree of creep, so that when a low total creep is prescribed, it may be advantageous to subject the part after reheating to at least 60011 C to a treatment having intended to reduce the characteristic and rapid creep at the start, which normally occurs in service.
For example the part may be held for some time at or near the temperature to which it will be subjected in service, or it may be permanently deformed by subjecting it to a stress either at room temperature or at preferably at an elevated temperature, for example at or near the temperature to which it will be subjected in service. Such deformation may consist, for example, of an elongation of 20% or more.
The invention is particularly useful in the manufacture of parts of an internal combustion machine (in particular parts of aero-dynamic machines), parts of steam turbines or other prime movers, parts of hearths and similar parts, subjected to stresses at high temperatures. However, the invention is advantageous above all in the manufacture of parts for gas turbines.
In one application of the process according to the invention, an alloy having the following composition, Ni 77.6 Cr 20.2 Fe 0.5 Ti 0.36 C 0.12, for example, was used, the balance being substantially entirely constituted by silicon and manganese. It was used to form a guiding fin of a nozzle intended to work at 7500C. The fin was heated for 2 hours at 150 ° C, then air-cooled to room temperature and then reheated for 6 hours at 7500C.