Alliage à base de nickel, et utilisation de cet alliage On sait que les alliages avec lesquels on confec tionne des articles et des pièces soumis à des. efforts prolongés aux températures élevées doivent non seu lement résister à la corrosion aux températures éle vées et jouir de propriétés mécaniques satisfaisantes, mais doivent encore résister au fluage. Un type d'al liage utilisé couramment à cet effet a pour consti tuant principal du nickel ou du nickel -I- cobalt, et contient en outre du chrome, de l'aluminium et du ti tane,
ces deux derniers éléments formant une phase précipitable avec une partie du nickel. La composi tion exacte de l'alliage adopté pour un article donné varie avec les conditions d'utilisation et avec les pro priétés mécaniques requises sous ces conditions.
La titulaire décrit et revendique dans le brevet britannique No 733489 des alliages aptes à être uti lisés à des températures de service très élevées, de l'ordre de 850o C ou davantage, et sous des charges importantes. Ces alliages contiennent de 4 à 12 % de chrome, de 10 à 55 % de cobalt, de 0,5 à 8 % de titane, de 0,3 à 8 % d'aluminium, de 0 à 15 % de molybdène, de 0 à 5 % de carbone, de 0,001 à 0,01 % de bore et de 0,01 à 0,2 % de zirconium, le solde étant constitué par du nickel (avec les impure tés et les désoxydants résiduels).
La présente invention a pour objet un alliage à base de nickel doué d'une bonne résistance à la rup ture à 980o C, soit à une température considérable ment supérieure à celles que les alliages courants peuvent supporter durablement.
L'alliage selon l'invention contient de 7,5 à 15 % de chrome, de 5 à 40 % de cobalt; de 7 à 10,5 % de titane plus aluminium, le rapport du titane à l'alu minium étant compris entre 0,6 et 1,4, de 0,005 à 0,1 % de bore et de 0,05 à 0,5 % de carbone. L'alliage selon l'invention contient de préférence de 8 à 9,5 % de titane -I- aluminium.
Lorsque la teneur en bore augmente, il devient de plus en plus difficile de forger l'alliage sans le rompre, mais cet inconvénient ne joue bien entendu aucun rôle lorsque l'alliage est destiné à la produc tion d'articles moulés.
Il est avantageux de désoxyder l'alliage avec du calcium immédiatement avant l'adjonction de bore. Un alliage ainsi traité contient généralement une fai ble teneur de calcium résiduel. La teneur en chrome est de préférence comprise entre 9,5 et 11,5 %. La teneur en cobalt est de pré férence comprise entre 15 et 25 %. L'alhage con tient généralement du molybdène en teneur ne dépas sant pas 15 %, et de préférence comprise entre 4 et 7 %, ou encore mieux entre 4,5 et 6,0 %. La teneur en carbone est de préférence de 0,1 à 0,25 %. L'al liage peut contenir au plus 0,2 % de zirconium.
Le silicium et le manganèse sont habituellement pré sents ; la teneur en silicium ne dépassant pas 0,8 % et la teneur en manganèse ne dépassant pas 1 %. Le fer est habituellement présent en proportion pouvant atteindre 10 %, mais ne dépassant de préférence pas 5%.
Outre les éléments cités ci-dessus, l'alliage peut encore contenir au plus 5 % de tungstène, et du niobium et/ou du tantale en teneur totale ne dépas sant pas. 3 %.
On donne ci-dessous des exemples de l'alliage selon l'invention, en mentionnant le temps. de rupture sous une charge de 11 kg/mm2 à 980o C. Il est très difficile de doser avec précision de faibles propor tions de bore au moyen des méthodes analytiques chimiques habituelles. Lorsqu'on ajoute le bore à l'alliage en fusion, il se produit en général des pertes de bore. Toutefois, si l'alliage est désoxydé à fond avant l'addition, on constate que, dans des conditions d'addition identiques, la perte est assez uniforme.
En particulier, si on complète la désoxydation à l'aide d'un .désoxydant puissant tel que le calcium, la perte de bore est faible, et la proportion ajoutée peut être utilisée comme mesure du bore retenu dans l'alliage moulé. Les proportions de bore mentionnées dans les exemples sont celles du bore ajouté. La méthode standard d'adjonction du bore a été la suivante.
On fond une charge de 5 kg de l'alliage dans un four à induction à haute fréquence à revêtement ba sique. On règle la température à la valeur de 1560o C et on désoxyde l'alliage en fusion tout d'abord avec du silicium et du manganèse, puis avec du calcium sous forme de siliciure de calcium contenant<B>30%</B> de calcium en poids, la proportion de calcium ajouté étant égale à 0,03 % du poids de l'alliage. Après avoir terminé la désoxydation,
on écume la surface pour la débarrasser des scories et on dépose sur la surface du bain le bore sous forme de boro-manga- nèse contenant 20 % en poids de bore. On laisse l'ad jonction se dissoudre, après quoi on coule rapide ment l'alliage. Dans tous les exemples ci-dessous, la composition de l'alliage figure dans un tableau et les résultats de l'essai dans le tableau suivant. Dans tous les alliages le complément à 100 % est du nickel. <I>Exemple 1</I> Cet exemple montre l'influence de la variation du rapport du titane à l'aluminium, la teneur Ti -I- Al étant maintenue sensiblement constante.
Dans, l'alliage No 1, le rapport est trop bas et dans l'alliage No 4 il est trop élevé. On a ajouté 0,01 % de bore à chaque alliage.
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<I>Exemple 2</I> Cet exemple montre l'influence de la variation de la teneur Ti -f- Al dans des alliages auxquels on a ajouté 0,01 % de bore, tout en maintenant le rapport du titane à l'aluminium sensiblement constant. Dans l'alliage No 7, la teneur Ti -I- Al est trop élevée.
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Tableau <SEP> 3
<tb> <I>Composition <SEP> chimique <SEP> (%)</I>
<tb> AlliageN <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> A1 <SEP> Ti+Al <SEP> <B>Ti/Al</B> <SEP> B
<tb> 5 <SEP> 0,22 <SEP> 0,50 <SEP> 0,42 <SEP> 10,6 <SEP> 21,3 <SEP> 1,41 <SEP> 5,06 <SEP> 3,18 <SEP> 4,30 <SEP> 7,48 <SEP> 0,7 <SEP> 0,01
<tb> 6 <SEP> 0,23 <SEP> 0,45 <SEP> 0,40 <SEP> 10,3 <SEP> 21,1 <SEP> 1,45 <SEP> 4,95 <SEP> 3,60 <SEP> 4,85 <SEP> 8,45 <SEP> 0,7 <SEP> 0,01
<tb> 7 <SEP> 0,21 <SEP> 0,78 <SEP> 0,44 <SEP> 10,2 <SEP> 21,0 <SEP> 1,78 <SEP> 5,06 <SEP> 4,90 <SEP> 6,05 <SEP> 10,95 <SEP> 0,8 <SEP> 0,01
EMI0003.0001
<I>Exemple 3</I> L'effet obtenu par l'accroissement de la teneur en bore,
tout en maintenant sensiblement constants la teneur en Ti -I- Al et le rapport du titane à l'aluminium ressort de la comparaison de l'alliage No 2 avec les alliages Nos 8 et 9 ci-dessous.
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Tableau <SEP> 5
<tb> <I>Composition <SEP> chimique <SEP> (%)</I>
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> <B>Ti+Al <SEP> Ti/Al</B> <SEP> B
<tb> 8 <SEP> 0,19 <SEP> 0,64 <SEP> 0,23 <SEP> <B>1</B>0,1 <SEP> 20,6 <SEP> 1,54 <SEP> 4,95 <SEP> 3,90 <SEP> 5,05 <SEP> 8,95 <SEP> 0,8 <SEP> 0,05
<tb> 9 <SEP> 0,20 <SEP> 0,60 <SEP> 0,41 <SEP> 10,1 <SEP> 20,2 <SEP> 1,59 <SEP> 4,49 <SEP> 3,77 <SEP> 5,10 <SEP> 8,87 <SEP> 0,7 <SEP> 0,
1
EMI0003.0007
Tableau <SEP> 6
<tb> Résultats <SEP> des <SEP> essais <SEP> de <SEP> rupture
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> sous <SEP> charge <SEP> de <SEP> 11 <SEP> kg/mmE <SEP> à <SEP> 980 <SEP> C
<tb> Temps <SEP> de <SEP> Allongement <SEP> à
<tb> <U>rupture <SEP> (heures) <SEP> la <SEP> r</U>up<U>t</U>u<U>re <SEP> <I>( </I></U><I>/o)</I>
<tb> 8 <SEP> 77 <SEP> ; <SEP> 81 <SEP> 5,4 <SEP> ; <SEP> 3,2
<tb> 9 <SEP> 89 <SEP> ; <SEP> 90 <SEP> 5,5 <SEP> ;
<SEP> 5,0 <I>Exemple 4</I> L'effet d'une variation de la teneur Ti -I- Al, le rapport du titane à l'aluminium étant maintenu sensi blement constant, dans des alliages auxquels on a ajouté 0,1 % de bore, ressort de la comparaison de l'alliage NI, 9 avec les alliages <B>Nos</B> 10 et 11 ci-dessous.
L'alliage No 11 présente une teneur Ti -i- A1 trop élevée, en sorte que ses propriétés sont médiocres.
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Tableau <SEP> 7
<tb> <I>Composition <SEP> chimique <SEP> (%)</I>
<tb> AlliageN <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> <B>Ti+Al <SEP> Ti/Al <SEP> B</B>
<tb> 10 <SEP> 0,22 <SEP> 0,62 <SEP> 0,42 <SEP> 10,2 <SEP> 20,0 <SEP> 1,47 <SEP> 5,20 <SEP> 3,22 <SEP> 4,28 <SEP> 7,50 <SEP> 0,8 <SEP> 0,1
<tb> 11 <SEP> 0,20 <SEP> 0,73 <SEP> 0,46 <SEP> 10,3 <SEP> 19,9 <SEP> 1,80 <SEP> 4,41 <SEP> 4,85 <SEP> 5,75 <SEP> 10,60 <SEP> 0,8 <SEP> 0,
1
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Tableau <SEP> 8
<tb> Résultats <SEP> des <SEP> essais <SEP> de <SEP> rupture
<tb> sous <SEP> charge <SEP> de <SEP> 11 <SEP> kg/mm' <SEP> à <SEP> 980 <SEP> C
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> Temps <SEP> de <SEP> Allongement <SEP> à
<tb> rupture <SEP> (heures) <SEP> la <SEP> rupture <SEP> (1/o)
<tb> 10 <SEP> 35 <SEP> ; <SEP> 31 <SEP> 6,6 <SEP> ; <SEP> 3,4
<tb> 11 <SEP> 24; <SEP> 3 <SEP> 3,9 <SEP> ;
<SEP> 2,3 <I>Exemple 5</I> L'effet de la désoxydation au calcium apparait dans les alliages Nos 12 et 13. Dans l'élaboration de l'al- liage No 12, on a modifié la méthode standard d'addition du bore dans ce sens que l'on n'a pas ajouté de calcium, alors que l'alliage No 13 a été préparé par la méthode standard, c'est-à-dire avec désoxydation au calcium.
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La moulabilité de l'alliage selon l'invention est très favorable, tant du point de vue de la fluidité que de l'aptitude à reproduire de manière satisfai sante une configuration de moule donnée. Cela est surprenant pour des alliages comportant des teneurs aussi élevées de titane et d'aluminium, car on admet généralement que, toutes choses égales, un accrois sement des proportions de ces éléments exerce une influence défavorable sur la moulabilité.
Nickel-based alloy, and use of this alloy It is known that the alloys with which articles and parts subjected to. Prolonged forces at high temperatures must not only resist corrosion at high temperatures and have satisfactory mechanical properties, but must also resist creep. One type of alloy commonly used for this purpose has nickel or nickel -I- cobalt as its main constituent, and additionally contains chromium, aluminum and titanium,
these last two elements forming a precipitable phase with part of the nickel. The exact composition of the alloy adopted for a given article varies with the conditions of use and with the mechanical properties required under these conditions.
The patentee describes and claims in British Patent No. 733489 alloys suitable for use at very high operating temperatures, of the order of 850o C or more, and under heavy loads. These alloys contain 4 to 12% chromium, 10 to 55% cobalt, 0.5 to 8% titanium, 0.3 to 8% aluminum, 0 to 15% molybdenum, 0 at 5% carbon, 0.001 to 0.01% boron and 0.01 to 0.2% zirconium, the balance being made up of nickel (with impurities and residual deoxidizers).
The present invention relates to a nickel-based alloy endowed with good resistance to breaking at 980 ° C., ie at a temperature considerably higher than those which common alloys can sustainably withstand.
The alloy according to the invention contains 7.5 to 15% chromium, 5 to 40% cobalt; from 7 to 10.5% of titanium plus aluminum, the ratio of titanium to aluminum being between 0.6 and 1.4, from 0.005 to 0.1% of boron and from 0.05 to 0.5 % of carbon. The alloy according to the invention preferably contains from 8 to 9.5% of titanium -I- aluminum.
As the boron content increases, it becomes more and more difficult to forge the alloy without breaking it, but this disadvantage of course does not play a role when the alloy is intended for the production of molded articles.
It is advantageous to deoxidize the alloy with calcium immediately before the addition of boron. An alloy thus treated generally contains a low content of residual calcium. The chromium content is preferably between 9.5 and 11.5%. The cobalt content is preferably between 15 and 25%. The alhage generally contains molybdenum in a content not exceeding 15%, and preferably between 4 and 7%, or even better between 4.5 and 6.0%. The carbon content is preferably 0.1 to 0.25%. The alloy may contain at most 0.2% zirconium.
Silicon and manganese are usually present; the silicon content not exceeding 0.8% and the manganese content not exceeding 1%. Iron is usually present in an amount of up to 10%, but preferably not exceeding 5%.
In addition to the elements mentioned above, the alloy can still contain at most 5% of tungsten, and niobium and / or tantalum in total content not exceeding. 3%.
Examples of the alloy according to the invention are given below, mentioning the time. of rupture under a load of 11 kg / mm2 at 980o C. It is very difficult to measure accurately small proportions of boron using the usual chemical analytical methods. When boron is added to the molten alloy, boron losses generally occur. However, if the alloy is thoroughly deoxidized prior to the addition, it is found that, under identical addition conditions, the loss is fairly uniform.
In particular, if the deoxidation is completed with a strong deoxidizer such as calcium, the loss of boron is small, and the proportion added can be used as a measure of the boron retained in the cast alloy. The proportions of boron mentioned in the examples are those of the boron added. The standard method of adding boron was as follows.
A 5 kg charge of the alloy was melted in a basic coated high frequency induction furnace. The temperature is set to the value of 1560o C and the molten alloy is deoxidized first with silicon and manganese, then with calcium in the form of calcium silicide containing <B> 30% </B> of calcium by weight, the proportion of added calcium being equal to 0.03% of the weight of the alloy. After completing the deoxidation,
the surface is skimmed off to get rid of slag and the boron is deposited on the surface of the bath in the form of boro-manganese containing 20% by weight of boron. The addition is allowed to dissolve, after which the alloy is quickly cast. In all the examples below, the composition of the alloy is shown in a table and the results of the test in the following table. In all alloys the remainder to 100% is nickel. <I> Example 1 </I> This example shows the influence of the variation in the ratio of titanium to aluminum, the Ti -I- Al content being kept substantially constant.
In alloy No. 1 the ratio is too low and in alloy No. 4 it is too high. 0.01% boron was added to each alloy.
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<I> Example 2 </I> This example shows the influence of the variation of the Ti -f- Al content in alloys to which 0.01% boron has been added, while maintaining the ratio of titanium to substantially constant aluminum. In Alloy No. 7, the Ti -I- Al content is too high.
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Table <SEP> 3
<tb> <I> Chemical <SEP> composition <SEP> (%) </I>
<tb> AlloyN <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> A1 <SEP> Ti + Al <SEP> < B> Ti / Al </B> <SEP> B
<tb> 5 <SEP> 0.22 <SEP> 0.50 <SEP> 0.42 <SEP> 10.6 <SEP> 21.3 <SEP> 1.41 <SEP> 5.06 <SEP> 3 , 18 <SEP> 4.30 <SEP> 7.48 <SEP> 0.7 <SEP> 0.01
<tb> 6 <SEP> 0.23 <SEP> 0.45 <SEP> 0.40 <SEP> 10.3 <SEP> 21.1 <SEP> 1.45 <SEP> 4.95 <SEP> 3 , 60 <SEP> 4.85 <SEP> 8.45 <SEP> 0.7 <SEP> 0.01
<tb> 7 <SEP> 0.21 <SEP> 0.78 <SEP> 0.44 <SEP> 10.2 <SEP> 21.0 <SEP> 1.78 <SEP> 5.06 <SEP> 4 , 90 <SEP> 6.05 <SEP> 10.95 <SEP> 0.8 <SEP> 0.01
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<I> Example 3 </I> The effect obtained by increasing the boron content,
while maintaining substantially constant the content of Ti -I- Al and the ratio of titanium to aluminum emerges from the comparison of alloy No. 2 with alloys Nos. 8 and 9 below.
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Table <SEP> 5
<tb> <I> Chemical <SEP> composition <SEP> (%) </I>
<tb> Alloy <SEP> N <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> <B> Ti + Al <SEP> Ti / Al </B> <SEP> B
<tb> 8 <SEP> 0.19 <SEP> 0.64 <SEP> 0.23 <SEP> <B> 1 </B> 0.1 <SEP> 20.6 <SEP> 1.54 <SEP > 4.95 <SEP> 3.90 <SEP> 5.05 <SEP> 8.95 <SEP> 0.8 <SEP> 0.05
<tb> 9 <SEP> 0.20 <SEP> 0.60 <SEP> 0.41 <SEP> 10.1 <SEP> 20.2 <SEP> 1.59 <SEP> 4.49 <SEP> 3 , 77 <SEP> 5.10 <SEP> 8.87 <SEP> 0.7 <SEP> 0,
1
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Table <SEP> 6
<tb> Results <SEP> of <SEP> tests <SEP> of <SEP> rupture
<tb> Alloy <SEP> N <SEP> under <SEP> load <SEP> from <SEP> 11 <SEP> kg / mmE <SEP> to <SEP> 980 <SEP> C
<tb> Time <SEP> from <SEP> Elongation <SEP> to
<tb> <U> break <SEP> (hours) <SEP> the <SEP> r </U> up <U> t </U> u <U> re <SEP> <I> (</I> </U> <I> / o) </I>
<tb> 8 <SEP> 77 <SEP>; <SEP> 81 <SEP> 5.4 <SEP>; <SEP> 3.2
<tb> 9 <SEP> 89 <SEP>; <SEP> 90 <SEP> 5.5 <SEP>;
<SEP> 5.0 <I> Example 4 </I> The effect of a variation in the Ti -I- Al content, the ratio of titanium to aluminum being kept substantially constant, in alloys which are added 0.1% boron, as shown by comparing NI alloy 9 with <B> Nos </B> 10 and 11 alloys below.
Alloy No. 11 has too high a Ti-1-Al content, so that its properties are poor.
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Table <SEP> 7
<tb> <I> Chemical <SEP> composition <SEP> (%) </I>
<tb> AlloyN <SEP> C <SEP> si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> <B> Ti + Al < SEP> Ti / Al <SEP> B </B>
<tb> 10 <SEP> 0.22 <SEP> 0.62 <SEP> 0.42 <SEP> 10.2 <SEP> 20.0 <SEP> 1.47 <SEP> 5.20 <SEP> 3 , 22 <SEP> 4.28 <SEP> 7.50 <SEP> 0.8 <SEP> 0.1
<tb> 11 <SEP> 0.20 <SEP> 0.73 <SEP> 0.46 <SEP> 10.3 <SEP> 19.9 <SEP> 1.80 <SEP> 4.41 <SEP> 4 , 85 <SEP> 5.75 <SEP> 10.60 <SEP> 0.8 <SEP> 0,
1
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Table <SEP> 8
<tb> Results <SEP> of <SEP> tests <SEP> of <SEP> rupture
<tb> under <SEP> load <SEP> from <SEP> 11 <SEP> kg / mm '<SEP> to <SEP> 980 <SEP> C
<tb> Alloy <SEP> N <SEP> Time <SEP> from <SEP> Elongation <SEP> to
<tb> break <SEP> (hours) <SEP> the <SEP> break <SEP> (1 / o)
<tb> 10 <SEP> 35 <SEP>; <SEP> 31 <SEP> 6.6 <SEP>; <SEP> 3.4
<tb> 11 <SEP> 24; <SEP> 3 <SEP> 3.9 <SEP>;
<SEP> 2,3 <I> Example 5 </I> The effect of calcium deoxidation appears in alloys Nos. 12 and 13. In the development of alloy No. 12, the method was modified. standard of addition of boron in the sense that no calcium was added, while Alloy No. 13 was prepared by the standard method, i.e. with calcium deoxidation.
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The moldability of the alloy according to the invention is very favorable, both from the point of view of fluidity and of the ability to satisfactorily reproduce a given mold configuration. This is surprising for alloys comprising such high contents of titanium and aluminum, since it is generally accepted that, other things being equal, an increase in the proportions of these elements has an unfavorable influence on the moldability.