Alliage et uMation de cet alliage <B>Il</B> est bien connu que les alliages avec les quels on forme des articles ou des parties des tinés<B>à</B> être soumis<B>à</B> des efforts prolongés<B>à</B> de hautes températures, doivent non seulement posséder de la résistance<B>à</B> la corrosion aux hautes températures, et de bonnes propriétés mécaniques générales, mais encore doivent pos séder de par leur nature de la résistance au fluage. Les alliages usuellement employés dans ces cas sont du genre dans lequel le constituant principal est du nickel ou du nickel<B>+</B> cobalt, et qui contient aussi du chrome, de l'aluminium et du titane, ces deux derniers éléments for mant une phase précipitable avec un peu de nickel.
La composition précise de ces alliages varie avec les conditions dans lesquelles ils doi vent être employés, et les propriétés requises dans ces conditions. En particulier, la tempé rature de l'emploi est importante, et lorsqu'il est nécessaire d7avoir une bonne résistance au fluage<B>à</B> hautes températures de service, par exemple<B>750 à 8500 C,</B> on utilise des alliages contenant du cobalt, malgré le prix élevé du cobalt.
La composition préférée des alliages employés jusqu'à présent pour des températu res de service élevées est de<B>18 à</B> 21 % de chrome, de<B>15 à</B> 2l'O/o de cobalt, de<B>1,8 à</B> 2,7 % de titane, de 0,8 <B>à</B> 1,8 % d'aluminium, de <B>0 à</B> 0,10 % de carbone, de <B>0 à</B> 1,
0,0/0 de manganèse, de<B>0 à 1,5</B> ()/o de silicium, de<B>0 à</B> <B>5</B> % de fer, le reste étant du nickel, <B>à</B> l'excep- tion des désoxydants résiduaires, tels que le magnésium et le calcium, et des impuretés.
Lorsque des alliages doivent être employés dans un service<B>à</B> de très hautes températures, telles que<B>8500</B> et plus, et dans des conditions de service sévères, il est nécessaire eavoir des alliages possédant de meilleures propriétés que les alliages actuels, notamment une résistance plus élevée au fluage. C'est une telle améliora tion que vise l'invention présente.
Elle concerne un alliage caractérisé en ce qu'il contient de 4<B>à</B> 12'O/o de chrome,, de<B>10</B> <B><I>à</I></B> 55 % de cobalt, de 0,5 <B>à 8</B> % de titane, de <B>0,3 à 8</B> % d'aluminium, de<B>0,001 à 0,01</B> % de bore, de 0,01 <B>à</B> 0,
2 % de zirconium, du nickel, des impuretés et des désoxydants rési duaires. De préférence, la teneur en titane, et celle en aluminium ne dépassent mi l'une, ni l'autre, <B>5</B> %.
Dans l'alliage selon l'invention, il doit donc <B>y</B> avoir un certain rap port entre les teneurs en titane et en aluminium. Ce rapport varie avec la composition de l'alliage et en particulier avec les teneurs en carbone et molybdène, lorsque ceux-ci sont présents. La relation entre les te neurs en titane et en aluminium est illustrée aux dessins annexés.
Dans ces dessins<B>:</B> la fig. <B>1</B> se rapporte aux alliages de com- position nominale <B>:</B> 10 % de chrome, 20 % de cobalt, 0,005 % de bore, 0J % de zirconium,
<B>le</B> reste étant du nickel, exception faite des te neurs indiquées. de carbone, titane et alumi nium, et des oxydants résiduaires et impuretés. Pour toute teneur donnée de titane, la teneur en aluminium est au moins aussi élevée que celle indiquée par la courbe appropriée, les trois courbes de cette figure se rapportant res pectivement<B>à</B> des teneurs en carbone de<B>0,05,</B> <B>0,1</B> et<B>0,25</B> %<B>;</B> la fig. 2 se rapporte<B>à</B> des alliages qui sont les mêmes que ceux de la fig. <B>1,</B> sauf qu'ils contiennent encore 5'% de molybdène <B>;
</B> la fig. <B>3</B> se rapporte<B>à</B> des alliages qui sont les mêmes que ceux de la fig. <B>1,</B> sauf qu'ils contiennent 40'% de cobalt au lieu de 20'% et ont une teneur nominale en carbone de 0,1 % (courbe en trait plein),
et <B>à</B> des alliages identiques<B>à</B> ces derniers, sauf qu'ils contien nent encore<B>5</B> Vo de molybdène (courbe en trait pointillé).
<B>Il</B> est bien connu que les alliages du genre en question doivent être<B>à</B> l'état<B> </B> traité<B>à</B> chaud<B> </B> pour posséder de bonnes propriétés de résistance au fluage. Les alliages employés jusqu'à présent sont soumis<B>à</B> un chauffage de dissolution<B>à</B> une température de<B>1050<I>à</I></B> <B>11800 C</B> et soumis ensuite<B>à</B> un vieillissement ou durcissement par précipitation<B>à</B> environ <B>7000 C.</B> Les alliages conformes<B>à</B> la présente invention doivent être chauffés pour dissolu tion<B>à</B> une température plus élevée, et de pré férence<B>à</B> une température aussi élevée que celle pouvant être atteinte sans commencement de fusion de l'alliage. Cette température doit être d'au moins 1150o<B>- C.</B> Les propriétés de fluage varient avec ce traitement par la cha- leur.
Pour développer des propriétés suffisan tes, il est nécessaire, pour beaucoup des allia ges conformes<B>à</B> l'invention, d'intercaler un traitement intermédiaire par la chaleur entre le chauffage de dissolution et le chauffage de durcissement par précipitation, ce traitement intermédiaire étant effectué<B>à 750 - 10000 C,</B> et de préférence<B>à</B> environ<B>8500 C.</B> Entre le traitement initial par la chaleur -et le traitement intermédiaire, et entre le traitement intermé diaire et le traitement de durcissement par pré cipitation, les alliages peuvent être refroidis<B>à</B> l'air ou<B>à</B> toute autre vitesse de refroidissement convenable<B>;</B> cependant, ces traitements par la chaleur peuvent se suivre directement l'un l'au tre sans refroidissement intermédiaire quelcon que.
On notera cependant que, lorsque la te neur en carbone dépasse<B>0J</B> %, il faut avoir soin de refroidir rapidement l'alliage d'une température peu au-dessus de<B>9500 C à</B> une température peu au-dessous, disons de<B>975 à</B> 925o<B>C.</B>
Pour donner satisfaction, les alliages trai tés par la chaleur doivent avoir une durée jus qu'à rupture de<B>100</B> heures ou plus lorsqu'on les essaie dans les conditions sévères d'une ten sion de 1420 kg/cnÎ2, appliquée<B>à</B> 870o<B>C ;</B> de telles durées jusquà rupture peuvent être ob tenues en soumettant l'alliage<B>à</B> un traitement par la chaleur comprenant un chauffage<B>à</B> 12000<B>C</B> pendant<B>3</B> heures, un<B>-</B>refroidissement rapide jusqu'à 850,1 <B>C,</B> un maintien<B>à</B> cette tem pérature pendant 24 heures, et un vieillisse ment<B>à</B> 700() <B>C</B> pendant<B>16</B> heures,<B>à</B> condi tion que les teneurs en titane et aluminium se trouvent dans le rapport voulu.
En fait, les courbes des fig. <B>1 à 3</B> montrent la corrélation nécessaire entre les teneurs de titane et d'alu minium lorsque l'alliage, traité par la chaleur comme il vient d'être exposé, doit avoir une durée jusqu'à rupture de<B>100</B> heures ou plus. Ces teneurs peuvent être plus élevées que cela n'est indiqué par ces courbes, mais ne doivent pas être inférieures. Dans le cas d'alliages non montrés aux figures, le rapport entre les te neurs du titane et de l'aluminium est du même genre général.
On peut voir, en comparant les figures, que pour toute teneur donnée<B>de</B> carbone, la pré sence de molybdène permet que la teneur mi nimum de titane<B>+</B> aluminium soit inférieure <B>à</B> celle d#un alliage correspondant exempt de molybdène. On peut encore voir que pour un alliage de toute teneur donnée de chrome, co balt et molybdène, la teneur minimum en titane <B>+</B> aluminium varie de façon marquée avec la teneur en carbone. Une variation dans la te neur en cobalt a aussi un effet sur la teneur minimum en titane<B>+</B> aluminium, mais cet effet est moins prononcé que celui du car bone.
Comme il va de soi, on comprendra qu'il n'est pas toujours nécessaire, pour assurer une durée jusqu'à rupture de<B>100</B> heures et plus, d'appliquer le traitement par la chaleur ci-des sus spécifié. Il n'en reste pas moins que les alliages conformes<B>à</B> l'invention, lorsqu'ils ont subi ce traitement particulier par la chaleur, présentent la durée jusqu'à rupture indiquée. Quoique la plupart de ces alliages demandent un traitement par la chaleur intermédiaire, il <B>y</B> en a qui ont une durée de<B>100</B> heures dans les conditions indiquées lorsqu'ils ont été sou mis au traitement conventionnel par la chaleur en deux étapes.
De préférence, la teneur en chrome de l'al- liage est inférieure <B>à</B> 10 % et aussi faible que possible, sans cependant descendre au-dessous de 4 o/o. <B>A</B> cause de son prix,
la teneur en co balt ne dépassera pas ordinairement 45 O/o. Le bore et le zirconium sont de préférence pré sents en quantités allant jusqu'à celles indi quées.<B>-</B> La détermination de faibles quantités de bore et de zirconium par les méthodes norma les de la chimie analytique constituant un pro cédé difficile et inexact, il est désirable d'indi quer la méthode par laquelle les pourcentages donnés ont été constatés. On a employé des méthodes spectrographiques, en utilisant des alliages standard avec des teneurs définies de bore et de zirconium comme base de compa raison.
Ces alliages<B> </B> étalons<B> </B> sont préparés synthétiquement, et comme il se produit une perte indéterminée de bore et de zirconium du rant cette préparation, les alliages résultants ne peuvent être considérés comme des étalons absolus, mais seulement comme étalons rela tifs, et les pourcentages indiqués ici sont déter minés sur la base de ces alliages standard.
La méthode de préparation d'un tel alliage stan dard comprend, premièrement la fusion d'un alliage intermédiaire contenant <B>1</B> % de zirco- muni, 0,12 % de bore,
le reste étant du nickel cette fusion est effectuée par chauffage par in duction<B>à</B> haute fréquence des ingrédients spec- trographiquement purs dans un creuset<B>à</B> revê tement d'alumine, dans une atmosphère<B>d'hy-</B> drogène et sous une pression de<B>1 -</B> 2 cm de mercure.
Des quantités prédéterminées de l'al liage ainsi préparé sont alors ajoutées par le même procédé de fusion<B>à</B> des masses fondues d'alliages complexes nickel-chrome du -type en question, et l'on obtient ainsi des alliages stan dard d'une série de compositions nominales, avec lesquels tout autre alliage peut être com paré spectrographiquement. Outre les éléments mentionnés ci-dessus, les alliages peuvent encore contenir un on plu sieurs des éléments suivants en des quantités non supérieures<B>à</B> celles indiquées, soit<B>:</B> du fer, jusqu'à 10 % <B>;
</B> du tungstène, jusqu'à <B>5</B> % <B>;</B> du manganèse, jusqu'à l'O/o <B>;</B> du silicium, jus- qu'à 1,5 %, et du niobium et du tantale, ou tous les deux,
jusqu'à <B>1</B> % au total.
E est donné ci-après des exemples d'allia ges exempts de molybdène, ainsi que leurs pro priétés après le traitement par la chaleur<B>dé-</B> crit, comprenant le chauffage de dissolution pendant trois heures<B>à</B> 12000<B>C,</B> un chauffage <B>à 8500 C</B> pendant 24 heures, et le chauffage de précipitation pendant<B>16</B> heures<B>à 7000 C ;</B> les teneurs précises en désoxydants résiduaires et impuretés ne sont pas indiquées.
EMI0004.0001
<I>TABLE <SEP> <B>1</B></I>
<tb> Propriétés <SEP> de <SEP> fluage,
<tb> sous <SEP> <U>1420 <SEP> kg/em2, <SEP> <B>à</B> <SEP> 870o</U> <SEP> <B>C</B>
<tb> <B><I>- <SEP> q,</I> <SEP> 0</B>
<tb> <B>S</B>
<tb> Composition <SEP> en <SEP> <B>1/o</B>
<tb> B <SEP> Zr <SEP> Ti <SEP> <B>AI</B> <SEP> Cr <SEP> <B>Co <SEP> C <SEP> u <SEP> -</B>
<tb> <B>0,0033</B> <SEP> 0,034 <SEP> <B>3,01 <SEP> 2,83 <SEP> 10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,097 <SEP> 0,0011</B> <SEP> 120 <SEP> 242
<tb> OM020 <SEP> <B>0,013</B> <SEP> 4,15 <SEP> <B>1,58 <SEP> 10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,099 <SEP> 0,0039 <SEP> 168</B> <SEP> 243
<tb> 0,0041 <SEP> 0,024 <SEP> <B>1,98</B> <SEP> 4,17 <SEP> <B>10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,103 <SEP> 0,0023 <SEP> 161 <SEP> 266</B>
<tb> <B>0,0031 <SEP> 0,030 <SEP> 1,29</B> <SEP> 4,76 <SEP> <B>10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,096</B> <SEP> 0,
0043 <SEP> <B>130 <SEP> 183</B>
<tb> <B>0,0060 <SEP> <I>0,015</I></B> <SEP> 4,65 <SEP> <B>1,58 <SEP> 10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,099 <SEP> 0,0032 <SEP> 103</B> <SEP> 149
<tb> <B>0,0033 <SEP> 0,057 <SEP> 2,59 <SEP> 3,50 <SEP> 10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,103</B> <SEP> 0,0041 <SEP> <B>95 <SEP> 168</B>
<tb> <B><I>0,0055</I> <SEP> 0,036 <SEP> 2,26 <SEP> 3,69 <SEP> 10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,103 <SEP> 0,0017 <SEP> 171 <SEP> 252</B> Les alliages préférés contiennent de<B>5<I>à</I></B> 10 % de molybdène. Le molybdène augmente l'élongation qui peut se produire avant la rup ture,
probablement parce qu'il permet qu'il<B>y</B> ait un durcissement additionnel par solution solide sans provoquer simultanément une perte correspondante de durcissement par so lution solide effectué par le titane. Par exem ple, en sacrifiant<B>1</B> % de titane en solution solide, on peut introduire considérablement plus de <B>1</B> % de molybdène en solution solide. L'effet de la variation de la teneur en mo- lybdène dans des alliages contenant<B>10</B> % de chrome,
20 % de cobalt, 4 % de titane, 2 1% d'aluminium et 0,1 % de carbone, traités par la chaleur,<U>comme</U> décrit ci-dessus, et essayés <B>,à</B> 1420 kg/cm2 et<B>8700 C,</B> est montré par la table suivante,
dans laquelle les teneurs en désoxydants et impuretéµ ne sont pas indiquées.
EMI0004.0038
<I>TABLE <SEP> 2</I>
<tb> Temps <SEP> jusqieau
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> Vitesse <SEP> minimu- <SEP> commencement <SEP> Temps
<tb> de <SEP> fluage <SEP> <B>.</B> <SEP> de <SEP> fluage <SEP> jusqWà <SEP> rupture
<tb> B <SEP> Zr <SEP> <B>Mo</B> <SEP> % <SEP> par <SEP> heure) <SEP> tertiaire <SEP> (heures) <SEP> (heures)
<tb> <B>OM27</B> <SEP> 0,020 <SEP> <B>0 <SEP> 0,0023 <SEP> 96 <SEP> 237</B>
<tb> <B>0>0035 <SEP> 0,010</B> <SEP> 2 <SEP> <B>0,0017 <SEP> 150</B> <SEP> 249
<tb> <B><I>0,0051</I> <SEP> 0,017 <SEP> <I>5</I> <SEP> 0,0013 <SEP> 238 <SEP> 321</B>
<tb> 0,0045 <SEP> <B>0,025 <SEP> 10 <SEP> 0,0013 <SEP> 126</B> <SEP> 340 Lorsqu'on décide<B>de</B> la composition d'un alliage,
il est nécessaire de prendre en consi dération si celui-ci doit être forgé. La quantité totale de titane et d'aluminium pouvant être tolérée est limitée lorsque l'alliage doit être forgeable, et, de fait, certains alliages confor mes<B>à</B> Finvention sont quelque peu difficiles<B>à</B> forger ou, en général,<B>à</B> "amener<B>à</B> chaud<B>à</B> partir du lingot sous des formes<B>à</B> partir des quelles des aubes de turbines et autres peuvent être faites<B>;</B> ils peuvent cependant être 'ainsi tra- vaillés <B>à</B> chaud, en<B>y</B> mettant du soin.
Le for geage des alliages exempts'de molybdène de vient particulièrement difficile si la teneur en titane et aluminium, ensemble, est supérieure <B>à 8</B> 1%. Le molybdène augmente cette difficulté, et avec <B>5</B> % de molybdène,
la teneur en titane et aluminium ensemble d'un alliage qui doit être forgé, ne doit pas dépasser <B>7</B> %.
Ueffet de la variation de la teneur en cobalt est illustré ci-dessous par une comparaison entre les propriétés de deux alliages<B>:</B>
EMI0005.0001
<I>TABLE <SEP> <B>3</B></I>
<tb> Propriétés <SEP> de <SEP> fluage
<tb> <B><U>à</U></B><U> <SEP> 1420 <SEP> kg/cm',</U> <SEP> <B>à <SEP> 8701 <SEP> C</B>
<tb> Composition <SEP> nominale <SEP> en <SEP> <B><I>'Jo</I></B>
<tb> (les <SEP> teneurs <SEP> en <SEP> désoxydants <SEP> et <SEP> impuretés
<tb> ne <SEP> sont <SEP> pas <SEP> indiquées)
<tb> <B>El</B>
<tb> Ti <SEP> <B>AI</B> <SEP> Cr <SEP> <B>Co <SEP> C <SEP> Mo <SEP> > <SEP> -</B>
<tb> 4 <SEP> 2 <SEP> <B>10 <SEP> 10 <SEP> 0,1 <SEP> <I>5</I> <SEP> 0,0013</B> <SEP> 122 <SEP> <B>226</B>
<tb> 4 <SEP> 2 <SEP> <B>10</B> <SEP> 20 <SEP> <B>0,1 <SEP> <I>5</I> <SEP> 0,
0013 <SEP> 238 <SEP> 321</B> Quoique l'on ait appliqué le traitement<B>à</B> chaud spécifique pour les essais, et que les fi gures et tables se rapportent aux résultats ob tenus de cette façon, on peut, dans beaucoup de cas, réaliser de meilleurs résultats en effec tuant le chauffage de dissolution<B>à 12500 C.</B>
L'effet de l'augmentation de la température du chauffage de dissolution est clairement montré<B>à</B> la table 4, laqhelle se rapporte<B>à</B> des exemples d'un alliage chauffés pour dissolu tion<B>à</B> des températures différentes, puis chauf- fés tous pendant 24 heures<B>à</B> 900() et vieillis ensuite<B>à 7000 C.</B>
Cet alliage contenait 10 % de chrome, 20 % de cobalt et <B>5</B> % de molybdène (ces pourcentages étant nominaux), 3,
69 % de ti- tane, 1,92 % d'aluminium, 0,086 % de car- bone, 0,001 % de bore et 0,
039'% de zirco- nium (ces pourcentages étant déterminés par analyse), le reste étant du nickel, des désoxy dants résiduaires et des impuretés.
EMI0005.0046
<I>TABLE <SEP> 4</I>
<tb> <I>Propriétés <SEP> de <SEP> fluage, <SEP> <B>à</B> <SEP> 1420 <SEP> kglcm', <SEP> <B>à <SEP> 870'C</B></I>
<tb> Temps <SEP> jusqu'au <SEP> Temps
<tb> Température <SEP> Vitesse <SEP> rninirau- <SEP> commencement <SEP> jusqu'à
<tb> du <SEP> traitement <SEP> de <SEP> fluage <SEP> de <SEP> fluage <SEP> rupture
<tb> pour <SEP> dissolution <SEP> Clo <SEP> par <SEP> heure) <SEP> tertiaire <SEP> (heures) <SEP> (heures)
<tb> <B><I>1050</I> <SEP> 0,1</B> <SEP> 22
<tb> <B>1100 <SEP> -</B> <SEP> 24
<tb> <B><I>1150</I> <SEP> 0,
027 <SEP> - <SEP> 26</B>
<tb> 1200 <SEP> <B>0,0025 <SEP> 73 <SEP> 197</B>
<tb> <B>1250</B> <SEP> 0,0014 <SEP> 148 <SEP> <B>276</B>
<tb> <B>1300 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,1</B>