Alliage de cobalt La présente invention se rapporte à un :alliage de cobalt contenant :des métaux conférant à l'alliage une haute résistance à la corrosion et une grande résistance mécanique aux températures de 816,) C et supérieures.
L'alliage selon l'invention a pour propriétés im- portantes qu'il est éminemment résistant à l'oxyda tion et à d'autres formes de corrosion jusqu'à<B>1203 OC</B> et qu'il présente une grande résistance mécanique à ces températures. En conséquence, cet alliage peut être utilisé pour la fabrication d'aubes, ailettes et autres pièces de moteurs à turbine à gaz à haute tem pérature.
L'alliage convient particulièrement pour la fabrication :de tôles en raison de sa résistance mé canique, de sa malléabilité et de sa ductilité relative ment grandes, et aussi grâce à sa faculté de pouvoir être forgé sans se fissurer ou s'écailler aux tempéra tures de 1177 C et supérieuress. L'alliage sous forme de tôle ne s'oxyde que peu ou pas aux températures de l'ordre de 11500 C.
Comme utilisations importan tes de l'alliage selon l'invention, on peut citer les soupapes -et collecteurs d'échappement<B>de</B> moteurs à combustion interne, les échangeurs de chaleur et les revêtements internes de cornues et récipients em ployés dans les industries chimique et métallur gique.
Parmi d'autres emplois importants, on peut encore mentionner les enveloppes de brûleurs de postcombustion de moteurs à turbine à gaz pour avions, les supports de flamme :et les revêtements des bords d'attaque d'ailes d'avions et d'engins su personiques.
Les alliages à haute résistance aux températures élevées qui sont connus, .tels que les alliages de nickel et/ou de cobalt, qui ont été utilisés sous forme d'ailettes, .aubes et autres pièces de moteurs à tur bine à gaz à haute température, ont une température de service maximum :d'environ 9000 C.
Par exemple, un alliage nickel-cobalt courant contenant du molyb- dène est pratiquement inutilisable comme métal de construction .dans un moteur à turbine à gaz si la température du métal est d'environ 900 C. La ré- sistance à l'oxydation d'un tel alliage est insuffisante lorsque l'alliage est soumis à une température supé rieure à 900 C.
L'alliage selon l'invention peut être utilisé pour la fabrication d'aubes et ailettes -de moteurs à tur bine à gaz. Ces moteurs peuvent fonctionner à des températures notablement plus élevées qu'il n'était possible jusqu'ici, grâce aux propriétés améliorées de l'alliage. Les performances de ces moteurs à tur bine à gaz opérant à température plus élevée sont améliorées du fait qu'aux températures supérieures la poussée totale est accrue et la quantité de carbu- rant consommée par kilogramme de poussée est di minuée.
L'alliage selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend, en poids, de 23 à 34 a/o de chrome, de 5 à 12,% de tungstène, de 1 à 5 % de tantale, de 0,
03 à 5 % de carbone et de 5 à 20 % de nickel, avec ou sans l'un ou l'autre des constituants facul tatifs mentionnés plus loin, dans les pourcentages pouvant s'élever jusqu'aux limites indiquées. Le reste de l'alliage consiste de préférence uniquement en cobalt, avec éventuellement .des éléments interstitiels et des impuretés.
La résistance à la corrosion aux températures élevées de l'alliage selon l'invention n'est pas affec tée par la présence dans l'alliage .d'une proportion de niobium non supérieure à 50 % de la teneur en tantale, et en tout cas non supérieure à 2 % en poids de l'alliage.
Certaines caractéristiques à haute température peuvent être améliorées dans une certaine mesure par l'addition à l'alliage d'au plus 0,2 % de bore.
Ce constituant améliore la stabilité métallurgique à haute température et la résistance mécanique de l'alliage. Cependant, si la teneur en bore dépasse en- viron 0,2 % du poids de l'alliage, ce dernier ne donne en général plus satisfaction,
notamment dans les applications où il est soumis à des chocs ther miques importants.
En plus des constituants cités ci-dessus, les constituants d'alliage ci-après peuvent également être présents dans les teneurs suivantes, en poids:
au plus 0,2 % de zirconium, au plus 3 % de fer, au plus 3,5 % de molybdène,
la teneur en molybdène dans l'alliage n'étant pas supérieure à 50'% de la teneur en tungstène dans l'alliage, au plus 3,
5 % de titane, au plus 3'% de manganèse et au plus 1 0/0 de silicium.
Il est préférable que la teneur en éléments in terstitiels tels que l'azote, l'hydrogène, Pétain, le plomb, etc., soit maintenue aussi faible que possible. En outre, il est préférable que la teneur totale en désoxydants tels que le calcium ou le magnésium ne dépasse pas 0,5 % au total.
Un premier ensemble de limites préférées des proportions des constituants de l'alliage selon l'inven- tion est le suivant:
de 25 à 31 % de chrome, de 5 à 8 % de tungstène, de 3 à 5 % de tantale, de 0,07 à 0,
30 % de carbone et de 10 à 15 % de nickel, le reste étant essentiellement du cobalt.
Il est préférable que le .constituants .additionnels ci-après soient présents -dans un tel alliage dans les concentrations indiquées :
de 0,05 à 0,1'% de zir- conium, de 0,8 à 1,2 % de titane, au plus 0,5 0/0 de manganèse, de 0,
2 à 1 '% de silicium et de 0,005 à 0,01% de bore.
De plus, il est préférable que si la teneur en nickel de l'alliage est ,augmentée dans les limites mentionnées, la teneur en tantale soit proportionel- lement diminuée et réciproquement. Par exemple, si la teneur en nickel est d'environ 15 0/0, la teneur en tantale peut "être d'environ 3 %.
On donne ci,dessous une composition préférée de l'alliage, comprise dans les limites préférées de pro portions des constituants indiquées ei,dessus :
en- viron 28 '% de chrome, environ 8 % de tungstène, environ 3 % de tantale, environ 0,12 % de carbone,
environ 15 % de nickel, le complément étant essen- tiellement du cobalt. Cette composition peut com- prendre en outre, par exemple, environ 0,
10 % de zirconium, environ 0,80 % de titane, environ 0,30 % de manganèse et environ 0,20 % de silicium.
Un second ensemble de limites préférées des proportions des constituants de l'alliage selon l'in- vention est le suivant:
de 26 à 28 % de chrome, de 8 à 10 % de tungstène, de 2,5 à 3,5 % de tantale, de 0,15 à 0,
25 % de carbone, de RTI ID="0002.0274" WI="4" HE="4" LX="840" LY="2489"> 10 à 15 % de nickel, de 0,2 à 0,4 % de manganèse, de 0,2 à 0,4% de silicium,
de 0,5 à 1,0 % de titane, de 0,004 à 0,008 % de bore et au plus 1,5 % de fer,
le reste étant essentiellement du cobalt. Une composition préférée de l'alliage, comprise dans le second ensemble de limites préférées des pro portions des constituants est la suivante :
environ 27 % de chrome, environ 9 % de tungstène, environ 3 % de tantale, environ 0,2 % de carbone, environ 12,5 % de nickel,
environ 0,3 % de manganèse, en- viron 0,3 % de silicium, environ 0,75 % de titane, en- viron 0,006 % de bore,
une faible concentration de fer inférieure à 0,5%, et le reste étant essentielle- ment du cobalt.
On donne ci-après des exemples de préparation de formes d'exécution de l'alliage au cobalt selon l'invention, et des résultats d'essais effectués sur ces .alliages. Dans ces exemples, l'expression essentiel lement du cobalt signifie que des éléments intersti tiels et des impuretés non précisés peuvent être pré sents.
<I>Exemple 1</I> On a préparé 2,25 kg d'un alliage contenant les constituants suivants dans les pourcentages en poids de la composition finale indiqués :
environ 23 % de chrome, environ 12 % de tungstène, en- viron 3 % de tantale, :
environ 0,1 % de zirconium, environ 0,2 % de carbone, environ 10 % de nickel, le reste étant essentiellement du cobalt. L'alliage a été préparé en fondant le chrome :
et le cobalt dans un creuset de magnésie sous grand vide, après quoi le tungstène, le tantale, le zirconium, le nickel et le carbone sous forme @de graphite ont été ajoutés. On a coulé un lingot sous vide et on l'a forgé à une température d'environ 11770 C sous forme d'une barre ronde de 1,6 cm. On a usiné sur cette barre des barres -d'essai de 7,6 cm de longueur et 0,6 cm de diamètre.
Les barres d'essai ont présenté un allongement de 10'% à température ordinaire sous une traction de 113 kg/mm2.
Les barres d'essai de cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture d'environ 100 heures sous un effort de 1198 kg/ce à une température de 8711, C dans l'air et une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort de 352 kg/cm2 à unie température de 10930 C dans l'air. <I>Exemple 2</I> On a préparé, comme décrit à l'exemple 1, une quantité de 2,
25 kg d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que celles indiquées à l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante en poids : en- viron 28 % de chrome, environ 8 % de tungstène, environ 3'% :
de tantale, environ 0,12 % de carbone, environ 15 % de nickel, environ 0,3 % de manga- nèse, environ 0,2 % de silicium,
le reste étant essen- tiellement du cobalt.
Les barres d'essai de cet exemple ont présenté un allongement de 25 % à température ordinaire sous une traction de 120,2 kg/mm2.
Les barres d'essai de cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort @de 1198 kg/cm2 à une température d'envi ron 8710 dans l'air et une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort @de 352 kg/cm2 à une température de 10930 C :
dans l'air. Une barre ide l'alliage d'un diamètre .de 6,3 cm a pu être réduite à un diamètre de 2,5 cm sans se fissurer et l'alliage a pu être facilement laminé à chaud en bandes .de 1,65 mm -d'épaisseur, également sans fissurage. Essayé à 1177 C, l',alliage ne s'est pratiquement pas corrodé ni écaillé pendant une longue durée.
<I>Exemple 3:</I> On a préparé, comme décrit à l'exemple 1, une quantité de 2,25 kg d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que. celles indiquées à l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante, en poids:
en- viron 30 0% de chrome, .environ <I>5</I> % de tungstène, environ 5 % de tantale, environ 0,03 @% de carbone et environ 12 0/0 -de nickel,
le reste étant essentielle ment du cobalt.
Les barres d'essai de cet -exemple ont présenté un allongement d'environ 10,% à température or- dinaire sous une traction<B>de 113</B> kg/mm2.
Les barres d'essai de cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture d'environ 100 heures sous un effort de 1198 kg/cm2 à une température de 87P C dans l'air et une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort de 352 kg/cm2 à une température de 10930 C dans l'air.
<I>Exemple 4:</I> On a préparé, comme décrit à l'exemple 1, unie quantité de 2,25 kg d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que celles indiquées à l'exemple 1, (alliage ayant la composition suivante, en poids environ 28 % de chrome, environ 8 % de tungstène,
environ 41)/o de tantale, environ 2% de niobium, environ 0,2 % de zirconium, environ 0,01% de bore, environ 0,
2 % de carbone, environ 3 % de manganèse, environ 1% de silicium, environ 15 % de nickel et environ 3 0/0 .de fer, le reste étant essen tiellement du cobalt.
Les barres d'essai de cet exemple ont présenté un allongement de 16 % à température ordinaire sous une traction de 106 kg/mm2.
Les barres d'essai de, cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort de 1198 kg/cm2 à une température d'en viron 870 C dans l'air et une durée jusqu'à la rup ture dépassant environ 100 heures sous un effort de 282 kg'cm2 à une température d'environ 10900 C dans l'air.
<I>Exemple 5:</I> On a préparé, comme .décrit à l'exemple 1, une quantité de 2,25 kg d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que celles indiquées à l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante, en poids environ 28 % de chrome, environ 8,% de tungstène,
environ 3 % de tantale, environ 0,2 % de carbone, environ 0,4 % de silicium, environ 15 % de nickel, environ 0,
5 % de fer et environ 3,5 % .de molyb- dène, le reste étant essentiellement du cobalt.
Les barres d'essai de cet exemple ont présenté un allongement de 13 % à température ordinaire sous une traction de 113 kg/mm2.
Les barres d'es:sai de cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture ,dépassant 100 heures sous un .effort @de 1198 kg/cm2 à une température d7en- viron 871 C -dans l'air et une durée jusqu'à la rup ture dépassant 100 heures sous un effort de 352 kg/ cm2 à une température de 10930 C dans <RTI
ID="0003.0201"> l'air. <I>Exemple 6:</I> On a préparé, comme décrit à l'exemple 1, une quantité de 2,25 kg .d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que celles indiquées à l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante, en poids.:
environ 26 % de chrome, environ 8% ide tungstène, environ 3,5% de tantale, environ 0,5% de titane, en- viron 0,
15 % de carbone, ,environ 0,2% de man- ganèse, environ 10 % de nickel, environ 0,2 % de silicium et environ 0,
004 % de bore, le reste étant essentiellement du cobalt.
Les barres d'essai de cet exemple ont présenté un allongement de 20 % sous une traction de 113 kg/mm2.
Les barres d'essai ,de cet exemple ont offert une durée jusqu'à la rupture dépassant 100 heures sous un effort de 282 kg/cm2 à une .température d'en viron 1090 C et une résistance à l'oxydation dépas- sant 100 heures à une température -de 12040 C dans l'air.
On a constaté que cet alliage ne devient pas fragile par vieillissement, quelle que soit 1a tem pérature à laquelle il a été vieilli, et qu'il est facile ment forgeable et soudable. Il a pu être forgé et/ou laminé et/ou filé à 1093o C.
Il est cependant préfé rable de recuire l'alliage à 1150 C pendant 1 heure lorsqu'il doit être utilisé aux très hautes tempéra- tunes. L'alliage se prête très bien au façonnage en tô:es et s'est montré approprié pour l'emploi aux températures élevées, qu'il soit sous forme de tôle, barre, etc., forgées.
<I>Exemple 7:</I> On a préparé, comme décrit à l'exemple 1, une quantité de 2,25 kg d'alliage et des barres d'essai de mêmes dimensions que celles indiquées à l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante, en poids environ 27 % de chrome, environ 9 % de tungstène,
environ 3 0/0 .de tantale, .environ 0,2 % de carbone, environ 12,5,% -de nickel, environ 0,3 % de man- ganèse, environ 0,
3 % de silicium, environ 0,75 0/0 de titane, environ 0,006-% de bore et un faible pourcentage de fer ne dépassant pas 0,5 0/0, le reste étant essentiellement du cobalt.
Les barres d'essai .de cet exemple ont présenté un .allongement ide 25 % sous une traction de 120 kg/mm2. La durée à la rupture aux températures élevées,
la résistance à l'oxydation et .les autres propriétés de l'alliage aux températures élevées ont été en substance les mêmes que celles indiquées pour l'al liage de l'exemple 6.