Procédé de fabrication d'une pièce métallique ou partie de pièce métallique destinée à être soumise à un effort sous des températures élevées. L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce métallique ou partie de pièce métallique destinée à être soumise à un effort sous des températures élevées, par exemple de l'ordre de 600 C et plus. L'expres sion soumise à un effort se réfère également à l'effort produit. dans la pièce ou la partie de celle-ci par son poids propre.
Le procédé selon l'invention est, caractérisé en ce qu'on forme ladite pièce ou partie de pièce à partir d'un alliage contenant. du nickel, en proportion d'au moins 20 %, 1,5 à 5 % de titane, du chrome en proportion d'au pl.tts <B>30%</B> et du carbone en proportion d'au plus <B>0,25%,</B> en ce qu'on chauffe cette pièce ou partie de pièce à une température d'au moins 900 C, température à laquelle une phase de l'alliage tend à passer en solution solide et qu'on poursuit ce chauffage pendant assez longtemps pour que l'équilibre correspondant à cette température soit sensiblement atteint.,
et en ce qu'on refroidit ensuite ladite pièce ou partie de pièce assez rapidement pour em pêcher toute reprécipitation notable de la phase qui a passé en solution.
L'alliage peut contenir aussi d'autres élé- rnents, tels que du silicium, du manganèse, du niobium, du vanadium et de l'aluminium, dans une proportion globale ne dépassant pas 10 %, du cobalt dans une proportion ne dé passant pas 9 % ou du fer dans une propor tion ne dépassant pas 60 %, ou du molybdène, ou du tungstène, ou les deux simultanément dans une proportion totale ne dépassant pas 20 %, et de petites quantités de terres rares, de métaux alcalino-terreux et d'au moins un élément tel que le phosphore, l'arsenic, l'anti moine et le tantale.
On choisit. l'alliage en conformité des pro priétés mécaniques générales requisses et du genre de corrosion auquel la pièce ou la par tie de cette pièce devras résister pendant la durée de travail qu'on en attend et, de pré férence, tel qu'il possède simultanément une résistance à la corrosion et une haute résis tance en fluage aussi bien que de bonnes propriétés mécaniques générales. Les considé rations dont il s'agit sont bien connues et ne seront pas décrites ici.
Dans les alliages dont la composition vient d'être définie, il existe une phase, probable ment de nature métallique, qui entre en solu tion solide aux températures élevées, et à toute température donnée on peut s'approcher d'un état d'équilibre pour lequel la phase n'entrera pas en plus grande quantité en solu tion;
si après avoir été refroidie, la pièce ou partie de pièce est soumise à un nouveau chauffage à des températures plus basses (mais toujours hautes), la phase dissoute se précipite, ce phénomène étant connu sous le nom de durcissement par précipitation. (hue la résistance au fluage soit ou ne soit pas liée avec le durcissement qui résulte de ladite pré- capitation, il n'en reste pas moins que, pour produire les meilleures propriétés de résis tance au fluage, il est nécessaire de main tenir l'alliage constituant la pièce ou la par tie de pièce à une température élevée (de 900 C au moins) pendant un temps assez long pour que l'équilibre correspondant à la température en question soit sensiblement atteint.
La pièce est alors refroidie à partir de cette température, suffisamment rapide ment pour empêcher toute reprécipitation notable de phase passée en solution, le mode de refroidissement dépendant de la dimension de la pièce ou partie de pièce qu'on est en train de traiter. La vitesse maximum de re froidissement peut ,être déterminée d'après le durcissement de l'alliage, en tenant compte du fait qu'il ne devrait pas y avoir plus de 50 points de différence sur l'échelle de dur cissement de Vickers Diamond entre la pièce ou partie de pièce refroidie et un échantillon du même alliage refroidi dans l'eau après le même chauffage.
Ainsi, quand la pièce ou la partie qu'on traite est de petite dimension, par exemple quand elle a la forme d'une barre ayant au moins jusqu'à environ 38 mm de diamètre, un refroidissement dans l'air est suffisamment rapide et on lui donne la préférence, tandis que pour de grosses pièces forgées, un refroidissement dans l'huile est désirable, afin d'éviter la séparation de la phase qui a passé en solution sous une forme grossière et inégalement distribuée.
La température à laquelle il faut chauffer l'alliage varie dans une certaine mesure avec la composition de celui-ci et les conditions de travail auxquelles la pièce doit être expo sée, mais en général on a reconnu que plus la température employée est élevée et s'appro che de celle où commence la fusion de l'alliage (solidus), mais sans l'atteindre, plus le taux de fluage est faible aux températures de l'ordre de grandeur de 800 C.
Cependant, vu que pour les alliages qui résistent au fluage, un faible taux de fluage peut être accompagné d'une tendance à se rompre après un petit allongement, il est avantageux, dans tous les cas où un allongement relativement grand peut être toléré, d'abaisser dans le traitement de mise en solution la température à laquelle l'alliage est soumis, étant bien entendu que, de toute façon, cette température doit être de 900 C au moins.
On emplôie ordinairement pour réaliser l'invention des alliages contenant seulement la quantité de cobalt qui a été introduite comme impureté avec le nickel, le nickel commercial contenant presque toujours de petites quantités de cobalt; cependant, ces alliages peuvent néanmoins être considérés comme pratiquement exempts de cobalt.
Toutefois, le cobalt n'est pas préjudiciable, bien qu'il faille noter qu'il abaisse la solu bilité du titane dans .L'alliage. On peut donc utiliser des alliages contenant jusqu'à 9 % de cobalt mais, quand on le fait, on s'assure que la teneur en fer ne dépasse pas 20%, parce que, bien que le nickel et le fer puissent être considérés comme des éléments interchan geables, pour autant qu'il s'agit de l'influence du titane sur la résistance au fluage, le fer peut être la cause de fissurations.
Pour cette raison, on préfère n'avoir pas plias de 20 de fer, même dans les alliages pratiquement exempts de cobalt, bien que dans ces alliages, la teneur en fer puisse s'élever jusqu'à 60 %.
D'après ce qui a été dit phis haut, il est clair que la quantité de titane qui doit se trouver dans l'alliage dépend en partie de la nature des autres composants de l'alliage. Le chrome a le même effet que le cobalt et, quand on utilise un -alliage à teneur relativement faible en chrome, il convient que cet alliage contienne également une quantité relative ment faible de titane.
La teneur en carbone des alliages utilisés est celle qui est normalement présente dans des alliages de ce type, avec un maximum de 0,25 % . Si on désire de bonnes propriétés de forgeage, on choisit un alliage à basse teneur en carbone et dont la teneur en titane ne dépasse pas, de préférence, 3,5 %.
Dans l'élaboration des alliages, on utilise parfois comme matière d'alliage le nickel- titane et le ferro-titane, qui contiennent nor malement de l'aluminiiun en quantité qui peut être égale à la. moitié de leur teneur en titane.
La présence d'aluminium dans l'alliage obtenu peut avoir des avantages, du fait qu'elle conduit à une augmentation de la résis tance au fluage aux températures élevées et les alliages utilisés pour réaliser l'invention peuvent contenir des quantités d'aluminium s'élevant jusqu'à 5/0,'. Selon la faon dont ils ont été obtenus, lesdits alliages peuvent éga lement contenir du cuivre ou d'autres éléments encore qui, comme l'aluminium, peuvent avoir une action avantageuse sur la résistance ait fluage.
Comme exemples d'alliages susceptibles d'être utilisés pour la réalisation de l'inven tion, on petit citer ceux contenant: 1o Sensiblement 80 parties de nickel et 20 de chrome, avec 2,2 % de titane, qu'on a reconnu avoir une résistance au fluage très satisfaisante, quand on les expose à des tem pératures de l'ordre de grandeur de 750 C.
2o Sensiblement 40 parties de nickel, 20 de chrome et 40 de fer, avec 2,6 % de titane et 0,5 % d'aluminium, qu'on a reconnu avoir une résistance au fluage très satisfaisante à des températures de l'ordre de grandeur de 800 C.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, la dernière étape de la fabrication de la pièce ou de la partie de pièce peut être un tra vail à chaud destiné à stabiliser les pro priétés de l'alliage; si c'est. le cas, il est dési rable, afin d'obtenir la. meilleure résistance au fluage, qu'ensuite la pièce ou la partie de cette pièce soit chauffée de nouveau jusqu'à la température de mise en solution pendant une heure on deux, afin de mettre en solution toute la phase susceptible de se précipiter qui, aux limites du grain, pourrait avoir été amenée à se précipiter. Naturellement, le refroidissement suivant ce nouveau chauffage devrait être effectué de la. manière décrite plus haut.
Après le refroidissement, la pièce peut être chauffée de nouveau jusqu'à une tempéra ture égale ou supérieure à celle à laquelle elle sera appelée à résister pendant son tra- vail, ce nouveau chauffage ayant pour but de stabiliser les propriétés de l'alliage. Si, par exemple, la température de travail doit être probablement de l'ordre de grandeur de 750 C, on peut réchauffer l'alliage jusqu'à une tem pérature de 800 C avant de le mettre en service. D'autre part, si la résistance maxi mum au fluage n'est pas nécessaire dès le début, on peut éviter un réchauffage séparé, parce que les propriétés désirées peuvent être obtenues en mettant en service la pièce ou la partie de pièce.
On a, par exemple, utilisé un alliage ayant la composition suivante:
EMI0003.0014
Ni <SEP> 72,8
<tb> Cr <SEP> 20,5 <SEP> %
<tb> Fe <SEP> 2,8
<tb> Ti <SEP> 2,4
<tb> <B>AI</B> <SEP> 0,57o
<tb> C <SEP> 0,005 le solde étant constitué à peu près complète ment par du silicium et du manganèse. On fabriqua avec cet alliage une aube de rotor destinée à travailler à 700 C. L'aube fut chauffée pendant 8 heures à 1080 C, puis refroidie à l'air jusqu'à la température ordi naire et chauffée ensuite de nouveau pendant 16 heures à 700 C.
L'invention est particulièrement utile dans la fabrication de pièces de machines à combustion interne (surtout de pièces de ma chines aérodynamiques), de pièces de turbines à vapeur ou d'autres machines motrices, de pièces de fours et autres pièces semblables, soumises à des efforts sous des températures élevées; par dessus tout, l'invention est utile dans la fabrication de pièces de turbines à zaz.
A method of manufacturing a metal part or part of a metal part intended to be subjected to a force at high temperatures. The subject of the invention is a method of manufacturing a metal part or part of a metal part intended to be subjected to a force at high temperatures, for example of the order of 600 ° C. and more. The expression subjected to stress also refers to the stress produced. in the room or part of it by its own weight.
The method according to the invention is characterized in that said part or part of a part is formed from a containing alloy. nickel in a proportion of at least 20%, 1.5 to 5% of titanium, chromium in a proportion of up to <B> 30% </B> and carbon in a proportion of not more than < B> 0.25%, </B> in that this part or part of a part is heated to a temperature of at least 900 C, temperature at which a phase of the alloy tends to pass into solid solution and that 'this heating is continued for long enough for the equilibrium corresponding to this temperature to be substantially reached.,
and in that said part or part of a part is then cooled quickly enough to prevent any appreciable reprecipitation of the phase which has gone into solution.
The alloy may also contain other elements, such as silicon, manganese, niobium, vanadium and aluminum, in an overall proportion not exceeding 10%, cobalt in a proportion not exceeding not 9% or iron in a proportion not exceeding 60%, or molybdenum, or tungsten, or both simultaneously in a total proportion not exceeding 20%, and small amounts of rare earths, alkaline metals earthy and at least one element such as phosphorus, arsenic, anti-monk and tantalum.
We choose. the alloy in accordance with the general mechanical properties required and the type of corrosion which the part or part of this part must withstand during the working time expected of it and, preferably, as it simultaneously possesses corrosion resistance and high creep strength as well as good general mechanical properties. The considerations in question are well known and will not be described here.
In the alloys whose composition has just been defined, there is a phase, probably of a metallic nature, which enters into solid solution at high temperatures, and at any given temperature one can approach a state of equilibrium for which the phase will not enter in greater quantity in solution;
If after being cooled, the workpiece or part of a workpiece is reheated to lower (but still high) temperatures, the dissolved phase precipitates out, this phenomenon being known as precipitation hardening. (Although the creep resistance is or is not linked with the hardening which results from said pre-capitation, the fact remains that, in order to produce the best creep resistance properties, it is necessary to maintain the The alloy constituting the part or the part of a part at a high temperature (of at least 900 ° C.) for a time long enough for the equilibrium corresponding to the temperature in question to be substantially reached.
The part is then cooled from this temperature, sufficiently rapidly to prevent any appreciable reprecipitation of phase passed into solution, the cooling mode depending on the size of the part or part of a part that is being treated. The maximum cooling rate can be determined from the hardening of the alloy, taking into account that there should not be more than 50 points of difference on the Vickers Diamond hardening scale between the cooled part or part of a part and a sample of the same alloy cooled in water after the same heating.
Thus, when the workpiece or the part being treated is of small size, for example when it is in the form of a bar having at least up to about 38 mm in diameter, cooling in air is sufficiently rapid and this is preferred, while for large forgings cooling in oil is desirable, in order to avoid separation of the phase which has gone into solution in a coarse and unevenly distributed form.
The temperature to which the alloy must be heated varies to some extent with the composition of the alloy and the working conditions to which the part is to be exposed, but in general it has been recognized that the higher the temperature employed, the higher the temperature. 'Approach to that where the melting of the alloy (solidus) begins, but without reaching it, the lower the creep rate is at temperatures of the order of magnitude of 800 C.
However, since for alloys which resist creep, a low rate of creep may be accompanied by a tendency to break after small elongation, it is advantageous, in all cases where relatively large elongation can be tolerated, d 'lowering the temperature to which the alloy is subjected in the solution treatment, it being understood that, in any case, this temperature must be at least 900 ° C.
Alloys containing only the amount of cobalt which has been introduced as an impurity with the nickel, commercial nickel almost always containing small amounts of cobalt are usually employed for carrying out the invention; however, these alloys can nonetheless be considered to be practically free of cobalt.
However, cobalt is not detrimental, although it should be noted that it lowers the solu bility of titanium in the alloy. We can therefore use alloys containing up to 9% cobalt but, when doing so, we make sure that the iron content does not exceed 20%, because, although nickel and iron can be considered as interchangeable parts, as far as the influence of titanium on creep resistance is concerned, iron may be the cause of cracking.
For this reason, it is preferred not to have iron plies, even in the alloys substantially free of cobalt, although in these alloys the iron content can be up to 60%.
From what has been said above, it is clear that the amount of titanium which must be in the alloy depends in part on the nature of the other components of the alloy. Chromium has the same effect as cobalt, and when a relatively low chromium alloy is used, this alloy should also contain a relatively small amount of titanium.
The carbon content of the alloys used is that which is normally present in alloys of this type, with a maximum of 0.25%. If good forging properties are desired, an alloy having a low carbon content and the titanium content of which preferably does not exceed 3.5% is chosen.
In the production of alloys, nickel-titanium and ferro-titanium are sometimes used as alloying materials, which normally contain aluminum in an amount which may be equal to. half of their titanium content.
The presence of aluminum in the alloy obtained can have advantages, since it leads to an increase in the creep resistance at high temperatures and the alloys used to carry out the invention can contain quantities of aluminum s 'rising to 5/0,'. Depending on the manner in which they have been obtained, said alloys may also contain copper or other elements which, such as aluminum, may have an advantageous effect on the resistance to creep.
As examples of alloys which may be used for carrying out the invention, mention may be made of those containing: 1o Substantially 80 parts of nickel and 20 of chromium, with 2.2% of titanium, which has been recognized to have very satisfactory creep resistance when exposed to temperatures of the order of magnitude of 750 C.
2o Substantially 40 parts of nickel, 20 of chromium and 40 of iron, with 2.6% titanium and 0.5% aluminum, which has been found to have a very satisfactory creep resistance at temperatures of the order of of size of 800 C.
In the implementation of the invention, the last step in the manufacture of the part or part of the part may be hot work intended to stabilize the properties of the alloy; if it's. the case, it is desirable in order to obtain the. better resistance to creep, that the part or part of this part is then heated again to the solution temperature for one or two hours, in order to dissolve all the phase liable to precipitate which, at grain boundaries, could have been caused to rush. Of course, the cooling following this new heating should be carried out from the. manner described above.
After cooling, the part can be heated again to a temperature equal to or greater than that to which it will be called upon to withstand during its work, this new heating having the aim of stabilizing the properties of the alloy. If, for example, the working temperature is likely to be of the order of magnitude of 750 C, the alloy can be heated to a temperature of 800 C before putting it into service. On the other hand, if the maximum creep resistance is not necessary from the start, separate reheating can be avoided, because the desired properties can be obtained by commissioning the part or part of a part.
For example, an alloy having the following composition was used:
EMI0003.0014
Ni <SEP> 72.8
<tb> Cr <SEP> 20.5 <SEP>%
<tb> Fe <SEP> 2.8
<tb> Ti <SEP> 2.4
<tb> <B> AI </B> <SEP> 0.57o
<tb> C <SEP> 0.005 the balance being made up almost completely by silicon and manganese. A rotor blade was made from this alloy intended to work at 700 C. The blade was heated for 8 hours at 1080 C, then cooled in air to the ordinary temperature and then reheated for 16 hours at 700 C.
The invention is particularly useful in the manufacture of parts of internal combustion machines (especially parts of aerodynamic machines), parts of steam turbines or other prime movers, parts of furnaces and the like, subjected to efforts under high temperatures; Above all, the invention is useful in the manufacture of parts for gas turbines.