Alliage de nickel
La présente invention a pour objet des alliages de nickel-chrome particulièrement appropriés pour la production d'articles moulés et de pièces soumis, lors de leur utilisation, à une contrainte aux températures élevées dans des milieux corrosifs, par exemple, les gaz de combustion de combustible contenant du soufre.
Dans notre brevet No. 455298 nous avons décrit et revendiqué des alliages de ce genre qui contiennent de 16 à 20 O/o de chrome, de 0,5 à 2,5 O/o de molybdène, de 0,5 à 2 o/o de niobium, de 1 à 3 o/o de tungstène, de 1 à 3 O/o de tantale, de 5,5 à 7 O/o d'aluminium de 0 à 0,75 o/o de titane, de 0 à 15 o/o de cobalt, de 0,025 à 0,08 O/o de carbone, de 0,01 à 0,05 O/o de bore et 0,01 à 0,2 o/o de zirconium, le solde, impuretés à part, étant du nickel. Dans cette invention antérieure, les alliages préférés sont pratiquement exempts de cobalt.
On a maintenant trouvé que les alliages contenant de 4 à 12 o/o de cobalt et une teneur en carbone plus élevée, des limites différentes de l'aluminium et de titane, et des quantités limitées de chrome et de moybdène présentent une association de résistance à la rupture, de ductilité et de résistance élevée à 980" C, ces alliages ont une résistance à la rupture améliorée à des températures inférieures, par exemple 7320 C et ont une bonne ductilité à la température ordinaire, même lorsqu'on les coule dans des moules inoculés de manière à avoir une structure cristalline fine. De plus, les alliages gardent leur stabilité structurelle de longue durée qui caractérise les alliages exempts de cobalt.
Ces alliages selon la présente invention contiennent, en plus du nickel, de 15 à 18 O/o de chrome, de 4 à 12 /o de cobalt, de 0,75 à 2,2 O/o de molybdène, de 1 à 3 /o de tungstène, de 0,5 à 2 O/o de niobium, de 1 à 3 /o de tantale, de 0,1 à 0,25 /o de carbone, de 3 à 7 O/o d'aluminium, du titane en quantité représentant au moins six fois la teneur en carbone, mais ne dépassant pas 4,5 O/o, la teneur totale en aluminium et en titane étant de 6 à 8 O/o, de 0,01 à 0,05 o/o de bore et de 0,01 à 0,2 o/o de zirconium.
De préférence, les alliages contiennent de 15,5 à 17 O/o de chrome, de 0,75 à 2,2 o/o de molybdène, de 1,8 à 3 O/o de tungstène, de 0,75 à 1,25 o/o de niobium, de 1 à 2 O/o de tantale, de 3 à 4 O/o d'aluminium, de 3 à 4 o/o de titane, de 0,14 à 0,2 O/o de carbone, de 0,01 à 0,05 o/o de bore et de 0,05 à 0,15 O/o de zirconium.
Avec les teneurs en cobalt plus élevées, la résistance à la corrosion par sulfuration est accrue, et ainsi la teneur en cobalt peut avantageusement être de 8 à 110/o. Cependant, le cobalt est coûteux, et on obtient d'excellentes propriétés de résistance à la rupture avec de 4 à 6 o/o de cobalt.
La teneur en aluminium et en titane réunis est un facteur important, de préférence elle est de 6 à 7,5 O/o.
Le niobium, le tantale et le tungstène contribuent tous aux propriétés désirées de l'alliage, et lorsqu'on utilise un quelconque de ces éléments en quantités soit supérieures soit inférieures à celles indiquées, soit la résistance, soit la ductilité ou les deux sont altérés. Le bore et le zirconium améliorent les propriétés de résistance à la rupture, le carbone aussi, et pour obtenir les propriétés améliorées, il doit y avoir au moins 0,1 0/o de carbone et les teneurs en titane et en carbone doivent être en relation telle que la teneur en titane soit au moins six fois la teneur en carbone.
Les teneurs en impuretés défavorables, par exemple le plomb, le bismuth, le tellure, le soufre, le sélénium, le phosphore, l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, l'arsenic, l'antimoine, l'étain et le thallium doivent être aussi faibles que possible. Le fer diminue le pouvoir de l'alliage de résister aux changements microstructureis après une longue exposition aux températures élevées, et pas plus que 1 0/o de cet élément devrait être présent. Le silicium et le manganèse sont aussi nuisibles et ne devraient pas être présents en quantités dépassant 0,3 0/o ou, plus avantageusement, 0,1 0/o chacun.
Les alliages de préférence sont fondus et coulés sous vide, bien que si un alliage fabriqué par fusion sous vide doit être refondu, la refonte et la coulée peuvent être conduits sous une atmosphère d'argon.
On peut utiliser les pièces coulées telles quelles avec de bons résultats, mais avantageusement on les traite thermiquement. Par exemple, pour améliorer la durée de leur résistance à la rupture, on peut faire subir aux pièces coulées un traitement thermique de dissolution qui consiste à chauffer à des températures comprises entre 10500 C et 11350 C pendant 1 à 10 heures. Ce traitement de vieillissement à 815-9000 C pendant 24 à 16 heures. Avantageusement le traitement thermique de dissolution comprend deux chauffages dans les limites de température 1050 à 11350 C pendant 2 à 6 heures, le premier traitement à une température plus élevée que le second.
Un traitement de ce genre que l'on a utilisé avec de bons résultats comprend le chauffage pendant 4 heures à 11200 C puis pendant 4 heures à 10800 C, suivis d'un traitement de vieillisement.
Les alliages, lorsqu'ils ont subi un traitement thermique approprié, ont généralement une durée de résistance à la rupture d'au moins 30 heures à une température de 9800 C sous un effort de 1545 kg/cm2 et d'au moins 100 heures à 7300 C et 6330 kg/cm2. Les alliages préférés qui contiennent nominalement de 3 à 4 o/o d'aluminium et de 3 O/o à 4 O/o de titane ont des durées de résistance à la rupture d'au moins 50 heures et d'au moins 200 heures dans les conditions respectives d'essai.
De plus, à la temperature ordinaire, les alliages selon l'invention ont généralement une limite d'élasticité (0,2 0/o offset ) d'environ 8440kg/cm2 avec des allongements de 3 à 5 O/o ou plus.
A titre d'exemple, douze alliages selon l'invention sont fondus et coulés sous vide en pièces moulées ayant les compositions indiquées dans le tableau I, dont certaines sont nominales.
Tableau I Alliage /o Cr /o Co O/o Mo OioW O/o Nb /o Ta O/o Al / Ti oxo C
1 16 10 1 2,5 1 1,25 6 1,1 0,18
2 16 10 1 2 1 1 5 2 0,16
3 16 10 2 2 1 2 4 3 0,15
4 16,4 10,1 1 2,35 1,03 1,20 5,25 1,75 0,15
5 16,5 7,5 1,25 2,5 0,75 1,5 5,25 1,75 0,18
6 16 10 1,1 2,4 0,9 1,25 5,2 1,8 0,17
7 16 10 1,1 2,4 0,9 1,25 4 3 0,17
8 16 5 2 2,5 1 2 4 3 0,18
9 16 9 0,99 2,3 0,86 1,20 5,2 1,57 0,18 10 16 10 2 2,5 1 1,25 4 3 0,18 11 16 5 2 2,5 1 1,25 4 3 0,18 12 16 10 2 2,5 1 2 3 4 0,18
En plus des composants indiqués dans le tableau, chacun des alliages contient moins que 0,1 0/o chacun de fer,
manganèse et silicium, environ 1 0/o de zirconium et environ 0,02 0/o de bore, le solde étant du nickel. Les propriétés de résistance à la rupture de barres coulées à grandeur ayant un diamètre de 6,35 mm et une longeueur de jauge de 31,75 mm produit avec les alliages indiqués dans le tableau I et dans les conditions obtenues après les traitements thermiques indiqués dans le tableau II sont déterminées dans diverses conditions d'essai, c'est-à-dire à 98 C sous une charge de 1551 kg/cm2, à 9250 C sous une charge de 2321 kg/cm2 et à 7300 C sous une charge de 6330 kg/cm2. Les résultats sont indiqués dans le tableau II ci-dessous.
Tableau Il
Conditions Traitement
A tel que moulé
B chauffé à 10800 C pendant 6heures,
puis à 845" C pendant 24 heures
C chauffé à 11200 C pendant 2 heures,
puis à 8450 C pendant 24 heures
D chauffé à 1120 C pendant 2heures,
puis à 10800 C pendant 6 heures
puis à 900" C pendant 16 heures
E puis à 9000 C pendant 16 heures
chauffé à 1080 C pendant 6 heures,
Tableau 111
Alliage Conditions Durée jusqu'à la rupture Allonge N0 heures ment 0/o
9800 C et 1551 kg/cm2
1 B 54,6 13
C 37 11
D 31,2 13
2 E 43,4 11
3 A 43 10
4 C 35,2 22
5 C 51,7 9,7
6 C 49 12
7 C 62 17
8 C 56,5 13,5
9 C 58,9 15 10 C 78,7 18 11 C 73,6 17 12 C 110,6 14
9250 C et 2321 kg/cm2
9 C 60,2 14 10 C 73,9 13,3 11 C 76,7 8 12 C 133,5 11,6
7300 C et
6330 kg/cm2
1 B 162 4,8
C 163 3
D 278 4,4
2 E 109,6 2,7
4 C 263,4 2,7
5 C 231,3 3,6
6 C 235,6 4,4
7 C 135,6 4,4
8 C 213,3 5,3
9 C 373,4 4,4
10 C 303,6 5,6 11 C 345,4 5,3
12 C 530+ *
échantillon non brisé
Les résultats dans le tableau III montrent que les
alliages de la présente invention ont de meilleures pro
priétés de résistance à la rupture que ceux de l'inven
tion précédente. Ils ont aussi une meilleure résistance à
la corrosion, ce qui est montré par les résultats d'un nombre d'essais de corrosion dans lesquels un échantillon de l'alliage à essayer est chauffé dans l'air, en contact avec un mélange de sels fondus sulfurant contenant 90 O/o de sulfate de sodium et 10 O/o de chlorure de sodium jusqu'à une température de 925" C.
En général les alliages résistent à ces conditions sévères pendant au moins 8 heures. L'alliage No. 10 n'est pas attaqué après 50 heures, mais commence à présenter de légers indices de corrosion après 200 heures, et l'alliage No. 12 ne montre toujours pas d'indices de corrosion après 200 heures. Cet alliage est résistant dans toutes les conditions d'essai, comme le montre le tableau III, et il est stable au point de vue microstructurel après une exposition prolongée à haute température, c'est-à-dire que l'alliage n'acquiert pas une phase cassante telle que la phase sigma.
Les moulages obtenus avec ces alliages sont particulièrement appropriés pour des pièces de moteurs de turbines à gas mis en opération avec des carburants impurs contenant du soufre, particulièrement dans un milieu marin dans lesquels les moteurs peuvent injecter du chlorure de sodium et d'autres sels. On les utilise avantageusement non seulement dans des pales de turbines à gaz automobiles, marines, industrielles ou d'aviation moulés, mais aussi pour des pièces moulées pour des turbines à gaz fixes, par exemple des palettes de guidage, des cloisons de buse et autres pièces moulées de turbines à gaz qui sont soumises aux milieux corrosifs à des températures élevées.