CH627788A5

CH627788A5 - Nickel alloy with a high boron content

Info

Publication number: CH627788A5
Application number: CH34178A
Authority: CH
Inventors: Stuart Walter Ker Shaw
Original assignee: Inco Europ Ltd
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1982-01-29
Also published as: FR2377456A1; FR2377456B1; JPS5389820A; CA1098736A; IT7847590A0; GB1544720A; SE443158B; JPS6053100B2; DE2801157C2; DE2801157A1; SE7800352L; IT1103112B

Description

La présente invention concerne un alliage à base de nickel ayant une haute teneur en bore. Des alliages de ce genre sont particulièrement utiles pour produire des pièces moulées employées à des températures élevées dans des atmosphères corro-sives, dans les turbines à gaz par exemple.

Pour améliorer leurs propriétés aux températures élevées, les alliages connus du genre précité présentent une teneur en carbone particulièrement basse et une teneur en bore de 0,05 à 0,35 %, de préférence inférieure à 0,25 %, avantageusement de 50,05 à 0,15%, ce qui est sensiblement au-dessus des teneurs en bore couramment utilisées. Ces alliages connus ont cependant l'inconvénient que leurs propriétés, tels la durée sous l'effort aux températures élevées jusqu'à la rupture, l'allongement et la résistance à la corrosion, ne donnent pas toujours satisfaction, îc La présente invention a pour but de fournir un alliage du genre précité qui permet d'éviter les inconvénients des alliages connus de ce genre tout en conservant les avantages.

L'alliage à base de nickel contient, selon l'invention, 14 à 22 % de chrome, 5 à 25 % de cobalt, 1 à 5 % de tungstène, 0,5 à 15 3 % de tantale, 2 à 5 % de titane, 1 à 4,5 % d'aluminium, la somme du titane et de l'aluminium étant de 4,5 à 9%, ainsi que plus de 0,3% et jusqu'à 1,2% de bore.

L'alliage décrit doit contenir au moins 14% de chrome, de manière à assurer une résistance satisfaisante, et il ne doit pas 2oavoir plus que 22% de chrome, de manière à diminuer le risque de formation de phase sigma lors d'un service prolongé à température élevée. La teneur en chrome est, de préférence, de 15 à 21 %, par exemple de 15 à 17% ou de 19 à 21 %. La présence dans l'alliage de 5 à 25 % de cobalt permet d'augmenter sa 25 résistance, mais plus que 25 % de cobalt pourrait favoriser la formation de phase sigma. La teneur en cobalt est, de préférence, de 5 à 22%, par exemple de 7 à 20%.

La présence de tantale, de titane, d'aluminium et de niobium a également pour effet d'augmenter la résistance de l'aise liage décrit. La teneur en tantale doit être de 0,5 % au moins, de préférence de 0,8 à 2,5%, par exemple de 1,0 à 2,0%, mais la présence de plus que 3% de tantale tend à provoquer un accroissement de la fragilité de l'alliage. Du niobium peut être présent de préférence en teneur de 0,2% au moins, par exemple 35 de 0,5 %. Plus de 2% de niobium tend cependant à provoquer un accroissement de la fragilité de l'alliage de sorte que la teneur en niobium ne devrait, de préférence, pas dépasser 1,5%.

La teneur en titane doit être de 2 à 5 % et celle en aluminium de 1 à 4,5 %, la somme du titane et de l'aluminium étant de 4,5 à 4o 9 % et de préférence de pas plus que 8,5 %. Des teneurs dépassant les maxima respectifs de 5 et de 4,5 % individuellement ou en combinaison, tendent à provoquer un accroissement de la fragilité de l'alliage, de sorte qu'une teneur en titane de 2,5 à 4,5%, par exemple de 3 à 4%, et une teneur en aluminium de 451,5 à 4%, par exemple de 1,8 à 3,8%, sont préférables.

Pour optimiser les propriétés désirées de l'alliage décrit, en particulier sa résistance à la rupture sous charge à haute température, les teneurs en titane, aluminium, niobium, tantale et chrome sont, de préférence, telles que 5C %TÏ+ %A1+ %Nb+0,5(%Ta)+0,2(Cr) = 11,2 à 12,4.

La teneur en bore, dont l'importance en vue d'obtenir les propriétés désirées de l'alliage décrit est prépondérante, doit être plus élevée que 0,3% mais ne doit pas dépasser 1,2%. Des teneurs en bore non comprises dans ces limites tendent à dimi-55 nuer la durée de la résistance de l'alliage à la rupture sous charge à haute température. La teneur en bore est, de préférence, de 0,4 à 1 %, par exemple de 0,5 à 1 %. Couplée à celle en bore, la teneur en carbone devrait être aussi basse que possible et ne pas dépasser 0,1 %. De préférence elle ne devrait pas 6(>dépasser 0,05 % ou, mieux, 0,03%, du fait que la présence de carbone tend également à diminuer la résistance à la rupture sous charge de l'alliage à haute température.

La présence de tungstène et de molybdène contribue à augmenter la résistance de l'alliage. La teneur en tungstène doit 65 être de 1 à 5 %. Elle est, de préférence, de 1,5 à 4%, par exemple de 1,8 à 3%. La teneur en molybdène, s'il est présent, ne doit pas dépasser 3,5 %. Elle est, de préférence, de 0,2% au moins, mais ne dépasse pas 2%. Une teneur éventuelle en zirco-

3

627 788

nium améliore la résistance et la ductilité de l'alliage. Elle est, de préférence, d'une valeur ne dépassant pas 0,5 %. Une teneur favorable en zirconium se situe entre 0,01 et 0,3 %, de préférence entre 0,02 et 0,2%.

Une éventuelle teneur en yttrium et/ou lanthane ne dépassant pas 0,2% au total, peut améliorer la ductilité, tandis qu'une teneur dépassant cette limite peut conduire à une ductilité insatisfaisante.

La teneur en bore est, de préférence, supérieure à 0,6%, de manière à optimiser les propriétés désirées de l'alliage décrit, un alliage préféré contenant 15 à 17% de chrome avec 7 à 10% de cobalt ou 19 à 21 % de chrome avec 13 à 17% de cobalt, 2,1 à 2,8% de tungstène, 1,4 à 2,0% de tantale, 3,2 à 4,0% de titane, 2,2 à 3,5% d'aluminium, 0,5 à 1,5% de niobium, 0,6 à 1,0% de bore, 0,2 à 2,0% de molybdène, 0,03 à 0,8% de zirconium, 0 à 0,2% d'yttrium et/ou de lanthane ainsi que 0 à 0,03% de carbone, le reste étant du nickel.

Dans les versions les plus préférables de l'alliage décrit, les teneurs en titane, aluminium, niobium, tantale et chrome sont ajustées de manière à satisfaire la relation précitée.

Parmi les impuretés possibles, une teneur en silicium a un effet défavorable sur la résistance à la corrosion et devrait être maintenue au-dessous de 1 %, de préférence au-dessous de 0,5 %. D'autres impuretés peuvent comporter jusqu'à 1 % de manganèse, 3 % de fer ainsi que des éléments additionnels couramment associés à des alliages du type décrit et qui n'ont pas un effet défavorable sur leurs propriétés.

Pour offrir une résistance maximum à la rupture sous charge à haute température, l'alliage décrit devrait être soumis à un traitement thermique en solution ainsi qu'à un vieillissement subséquent. Le traitement en solution comprend, de préférence, les étapes de maintenir l'alliage pendant 1 à 12 heures à une température entre 1100 et 1180 °C et de le vieillir ensuite en le maintenant pendant 8 à 48 heures à une température de 800 à 900 °C. L'étape de vieillissement peut, de préférence, comprendre une première phase de maintien pendant 4 à 24 heures à une température de 900 à 1000 °C, suivie d'une seconde phase de maintien pendant 8 à 48 heures à une température de 700 à

800 °C. Après chaque étape du traitement thermique, l'alliage peut être refroidi à un taux approprié quelconque. Le refroidissement à air est en général satisfaisant.

Après le traitement thermique, les alliages décrits présen-5 tent une durée minimum de résistance à la rupture sous charge à haute température qui diminue d'abord, jusqu'à un certain point, lors de l'accroissement de la teneur en chrome. Ainsi ces alliages présentent une durée de résistance à la rupture sous charge d'au moins 260 heures à un effort de 550 N/mm2 et une io température de 760 °C, lorsque la teneur en chrome ne dépasse pas 15 à 17 %, tandis qu'ils ne présentent, dans des conditions identiques, qu'une durée de résistance à la rupture sous charge de 200 heures au moins, lorsque la teneur en chrome est de 19 à 21 %. Cependant, de façon surprenante, dans le cas des versions 15 les plus préférables de l'alliage décrit, les résultats les meilleurs sont obtenus avec une teneur en chrome plus élevée.

Comme les exemples suivants l'illustrent, l'alliage décrit présente des propriétés très satisfaisantes, en particulier une durée de résistance à la rupture sous charge améliorée à haute 20 température combinée avec une meilleure résistance à la corrosion.

Plusieurs alliages, dont le tableau I montre la composition, ont été mis en fusion sous vide et coulés en ébauches coniques sous vide, usinées ensuite en éprouvettes. Avant leur usinage, 25 les ébauches des alliages A et nos 1-4 ont été soumises à un traitement thermique en solution à 1121 °C pendant 2 heurs, refroidies à l'air, vieillies à 843 °C pendant 24 heures et refroidies, tandis que les ébauches des alliages B et nos 5,6 ont été soumises à un traitement thermique en solution à 1160 °C pen-3odant 4 heures, refroidies à l'air, vieillies à 850 °C pendant 16 heures et refroidies à l'air. Les éprouvettes ainsi traitées et usinées ont alors été soumises à plusieurs essais de résistance à la rupture sous charge à haute température, dont le tableau II montre les résultats. Dans les tableaux I et II les alliages nos 1-6 35 sont des modes de réalisation de l'alliage selon l'invention, tandis que les alliages A et B sont des alliages de comparaison hors de portée de la protection revendiquée selon la présente invention.

Tableau I

Composition en % de poids, la balance étant du nickel

Alliage

Cr

C

Co

Mo

W

Nb

Ta

Ti

Al

Zr

B

A

15.8

0.013

8.5

1.74

2.55

0.85

1.75

3.57

3.36

0.055

0.20

1

16.0

0.009

8.4

1.73

2.59

0.85

1.75

3.56

3.34

0.054

0.31

2

16.3

0.017

8.4

1.73

2.73

0.86

1.73

3.53

3.45

0.054

0.48

3

16.5

0.012

8.6

1.76

2.63

0.84

1.77

3.63

3.43

0.050

0.60*

4

16.5

0.013

8.5

1.76

2.72

0.85

1.73

3.63

3.43

0.054

0.71

B

20.4

0.014

14.8

0.49

2.32

0.98

1.50

3.72

2.54

0.05

0.20

5

20.5

0.008

15.0

0.52

2.40

0.96

1.49

3.67

2.54

0.05

0.40

6

20

0.01

15.0

0.5

2.2

1.0

1.5

3.6

2.5

0.05

0.60

*Nominal

Tableau II

Résistance à la rupture sous charge aux températures élevées

Alliage

550 N/mm2/760 °C

330N/mm2/816 °C

228 N /mm2/927

Durée

AUong. (%)

Durée

Allong. (%)

Durée

Allong.

(heures)

A

250

6.3

1001

5.0

62

13.3

1

267

5.9

1007

10.3

71

11.9

2

321

7.1

1067

8.7

62

13.8

3

363

5.8

1735

10.0

58

14.6

4

454

4.8

1173

7.2

80

11.3

B

185

3.3

33

7.4

5

217

4.0

>504

N.A.

39

14.8

6

658

2.6

920

2.5

61

5.1

N.A.: pas disponible

627 788

4

Comme le tableau II le montre, les alliages nos 1-4 d'une teneur en chrome moins élevée présentent, à toutes les conditions d'essai, des propriétés améliorées, de durée de résistance à la rupture sous charge et d'allongement, par rapport à celles de l'alliage A. De façon similaire, les alliages nos 5,6, d'une teneur en chrome plus élevée, présentent, à toutes les conditions d'essai, des propriétés de durée de résistance à la rupture sous charge et d'allongement améliorées par rapport à celles de l'alliage B.

Comme le tableau II l'illustre, la durée de la résistance à la rupture sous charge des alliages nos 1—4 d'une teneur nominale en chrome de 16%, augmente, en fonction de l'augmentation de la teneur en bore, à 550 N/mm2/760 °C, atteint un maximum à une teneur en bore de 0,60% environ à 330 N/mm2/816 °C et est généralement très satisfaisante à toutes les teneurs en bore à 228 N/mm2 22/927 °C. La durée de la résistance à la rupture sous charge à haute température des alliages nos 5,6, d'une teneur nominale en chrome de 20%, s'améliore, en fonction de l'accroissement de la teneur en bore, jusqu'à 0,80%. Ainsi, pour obtenir des propriétés optimum de résistance à la rupture sous 5 charge à haute température, l'alliage décrit devrait contenir 0,4 à 1,0%, de préférence 0,5 à 1,0% de bore.

D'autres essais ont été faits pour comparer les propriétés d'un alliage no 7 qui est un mode de réalisation préféré de l'alliage selon l'invention, à celles d'un autre alliage connu C io commercialisé sous la désignation IN-792. Le tableau III montre la composition de ces alliages. Les alliages ont été mis en fusion sous vide et coulés sous vide de manière à former des ébauches coniques qui ont été usinées en éprouvettes. Avant l'usinage, les ébauches ont été soumises à un traitement thermi-15 que en solution pendant 4 heures à 1150 °C, refroidies à l'air, vieillies à 850 °C pendant 16 heures et refroidies à l'air.

Tableau III

Alliage Cr

C Co

Mo

W

Nb

Ta

Ti

Al

Zr

B Ni

7 20.5

0.021 15.0

0.53

2.31

0.98

1.63

3.70

2.64

0.065

0.78 Bal

7 20.0

0.01 15.0

0.50

2.2

1.0

1.5

3.6

2.5

0.05

0.80 Bal

(modifié)

C 12.6

0.125 9.0

1.98

3.91

—

3.95

4.30

3.62

0.08

0.018 Bal

Les éprouvettes ainsi obtenues ont été alors soumises à différents essais standards de résistance à la rupture sous charge à haute température, dont le tableau IV montre les résultats.

Comme le tableau III le montre, deux coulées différentes de l'alliage no 7 ont été utilisées. Le tableau IV indique laquelle de ces deux coulées a été utilisée pour chaque essai particulier.

Comme le tableau IV le montre, la durée de la résistance de l'alliage no 7 à la rupture sous charge aux températures élevées est au moins équivalente et, dans certains cas, par exemple à 760 °C, sensiblement supérieure à celle de l'alliage CIN-792 connu jusqu'à présent comme un alliage extrêmement résistant. De plus, la ductilité de l'alliage no 7 est, selon la comparaison des allongements, en général équivalente à celle de l'alliage C, sauf à la température de 760 °C, où la résistance de l'alliage no 7 est plus élevée.

La comparaison de la résistance de l'alliage no 7 à la rupture sous charge aux caractéristiques publiées d'un autre alliage commercialisé sous la désignation IN-100, prouve également la supériorité de l'alliage no 7 à la température de 760 °C et son équivalence aux températures 816 °C, 927 °C et 980 °C.

Tableau IV Effort Essai

30

(N/mm2) (°C)

Alliage no 7

Alliage C

Durée

Allong.

Durée

Allong.

(heures) (%)

(heures)

(%)

620

760

498

2.7

161

5.2

550

do.

1797

2.5

499

5.2

500

do.

>2089

1668

2.6

545

816

133*

2.5*

414

816

581

3.1

543

6.0

400

do.

873

5.2

917

4.4

345

do.

2461

3.6

2085

3.7

330

do.

3404*

1.7*

—

300

do.

>2785

>1439

269

927

97

8.2

133

8.2

228

do.

. 199

4.7

,200

do.

516

6.2

692

8.2

154

do.

>1336

> 985

152

980

185*

6.8*

35*Alliage no 7 modifié

Des essais au creuset ont démontré que, en plus de sa haute résistance à la rupture sous charge, l'alliage décrit présente, à 40 haute température, une résistance améliorée à la corrosion. Lors de ces essais, des échantillons standards cylindriques de l'alliage no 7 ont été immergés dans une solution de 25 % de chlorure de sodium et de 75 % de sulfate de sodium.

Lors d'un premier essai à 900 °C pendant 300 heures, au 45 cours duquel les sels ont été complétés après 150 heures, la perte de poids de l'échantillon, après décalaminage, n'était que de 2 mg/cm2. Lors d'un essai à la même température dans une solution plus agressive, au cours duquel le sel a été complété toutes les 24 heures, la perte de poids, très peu élevée, était de 5016 mg/cm2.

Lors d'un essai similaire pendant 48 heures à 850 °C, l'alliage de comparaison CIN-792 a été fortement corrodé et a subi une perte de poids de 562 mg/cm2.

Les alliages décrits peuvent être utilisés pour mouler ou 55 forger des pièces employées à haute température, telles certaines pièces destinées à des turbines à gaz, p.ex. des aubes de rotors, de stators ou des disques qui comportent des aubes en faisant partie intégrante.

Les traitements thermiques exposés ci-dessus, pour amélio-ôorer les propriétés des alliages décrits, peuvent être complétés par d'autres traitements thermiques connus plus complexes qui conviennent à ces alliages. En plus des techniques courantes pour couler ces alliages, d'autres techniques peuvent, selon besoin, être utilisées, telle celle de la solidification dirigée.

C

Claims

627 788

2

REVENDICATIONS

1. Alliage de nickel contenant, en poids, 14 à 22 % de chrome, 5 à 25 % de cobalt, 1 à 5 % de tungstène, 0,5 à 3 % de tantale, 2 à 5 % de titane, 1 à 4,5 % d'aluminium, la somme du titane et de l'aluminium étant de 4,5 à 9%, ainsi que plus de 0,3% et jusqu'à 1,2% de bore.
2. Alliage selon la revendication 1, contenant en outre un ou plusieurs des éléments suivants: au plus 2% de niobium, au plus 3,5% du molybdène, au plus 0,5% de zirconium, au plus 0,2% au total d'yttrium et/ou de lanthane et au plus 0,1 % de carbone, en poids.
3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la teneur en bore est de 0,4% au moins.
4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la teneur en bore ne dépasse pas 1 %.
5. Alliage selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la teneur en bore est de 0,5 % au moins.
6. Alliage selon la revendication 2, dans lequel la teneur en carbone ne dépasse pas 0,05 %.
7. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en chrome est de 15 à 21 %.
8. Alliage selon la revendication 7, dans lequel la teneur en chrome ne dépasse pas 17%.
9. Alliage selon la revendication 7, dans lequel la teneur en chrome est de 19% au moins.
10. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en cobalt est de 5 à 22%.
11. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en tantale est de 0,8 à 2,5 %.
12. Alliage selon la revendication 2, dans lequel la teneur en niobium est de 0,5% au moins.
13. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en titane est de 2,5 à 4,5 %.
14. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en aluminium est de 1,5 à 4%.
15. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les teneurs en titane, en aluminium, en niobium, en tantale et en chrome sont telles que

%Ti+ %A1+ %Nb+0,5(%Ta)+0,2(%Cr) = 11,2 à 12,4.
16. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la teneur en tungstène est de 1,5 à 4%.
17. Alliage selon la revendication 2, dans lequel la teneur en molybdène est de 0,2 à 2%.
18. Alliage selon la revendication 2, dans lequel la teneur en zirconium est de 0,01 à 0,3 %.
19. Alliage selon la revendication 1, contenant 15 à 17% de chrome, 7 à 10% de cobalt, 2,1 à 2,8% de tungstène, 1,4 à 2,0% de tantale, 3,2 à 4,0% de titane, 2,2 à 3,8% d'aluminium, 0,5 à 1,5% de niobium, 0,6 à 1,0% de bore, 0,2 à 2,0% de molybdène, 0,03 à 0,08 % de zirconium, 0 à 0,2 % d'yttrium et/ou de lanthane ainsi que 0 à 0,03% de carbone.
20. Alliage selon la revendication 1, contenant 19 à 21 % de chrome, 13 à 17% de cobalt, 2,1 à 2,8% de tungstène, 1,4 à 2,0% de tantale, 3,2 à 4,0% de titane, 2,2 à 3,8% d'aluminium, 0,5 à 1,5 % de niobium, 0,6 à 1,0% de bore, 0,2 à 2,0% de molybdène, 0,03 à 0,08% de zirconium, 0 à 0,2% d'yttrium et/ ou de lanthane ainsi que 0 à 0,03 % de carbone.
21. Moulages façonnés en un alliage selon l'une des revendications précédentes.