CH636644A5

CH636644A5 - Alliages a faible dilatation resistant aux hautes temperatures.

Info

Publication number: CH636644A5
Application number: CH1273978A
Authority: CH
Inventors: Darrell Franklin Smith; David Gary Tipton; Edward Frederick Clatworthy; Donald Edward Wenschhof
Original assignee: Wiggin & Co Ltd Henry
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1983-06-15
Also published as: IT1202848B; FR2411896B1; NO153862C; FR2411896A1; SE445743B; BE872770A; ATA890378A; GB2010329A; US4200459A; NO784182L; US4200459B1; DE2854002A1; GB2010329B; CA1113283A; IT7852257A0; SE7812780L; DE2854002C2; NO153862B; AT367460B

Description

La présente invention concerne les alliages à base de nickel-fer à durcissement structural par vieillissement, et en particulier une famille d'alliages de ce type à faible dilatation qui ont une bonne résistance aux hautes températures.

Dans un article intitulé «New Ni-Fe-Co Alloys Provide Constant Modulus & High Temperature Strength» paru dans la revue «Materials in Design Engineering» de novembre 1965, Eiselstein et Bell décrivent une famille d'alliages nickel-fer à durcissement structural qui présentent d'intéressantes propriétés de dilatation, notamment un coefficient de dilatation thermique (CD) de 7,2 à 10 x IO-6/ C et une température d'inflexion de la courbe de dilatation (TI) comprise entre 370 et 480°C (700 à 900°F). Ces alliages ont malheureusement une sensibilité excessive à l'entaille au-dessus de 540 à 650 C (1000 à 1200CF). Le brevet des EUA N° 3705827 décrit un traitement thermique permettant d'éviter la recristallisation cause de ce problème, et le brevet des EUA N° 4006011 suggère des modifications de composition dans le même but. Ces alliages doivent de préférence offrir une grande latitude dans le choix des températures de traitement, par exemple pour forger, braser, etc., tout en ayant une faible dilatation et une température d'inflexion élevée. La présente invention a donc pour objet une nouvelle composition d'alliage offrant d'excellentes caractéristiques de dilatation thermique et une bonne tenue aux efforts concentrés dans les structures chauffées, sans imposer de limitations sévères pour les traitements.

L'alliage à durcissement structural de la présente invention contient en poids 34 à 55,3% de nickel, jusqu'à 25,2% de cobalt, 1 à 2% de titane, du niobium et du tantale en quantités telles que la somme du pourcentage de niobium et de la moitié du pourcentage de tantale représente 1,5 à 5,5%, jusqu'à 2% de manganèse, jusqu'à 1% de chrome, jusqu'à 0,03% de bore, moins de 0,20% d'aluminium, le reste étant du fer, des éléments d'addition et des impuretés. Pour un tel alliage, la température d'inflexion de la courbe de dilatation se situe au-dessus de 343°C (650°F) et le coefficient de dilatation ne dépasse pas 10~5/°C (5,5 x 10~6/°F) jusqu'à cette température, la limite élastique, pour un allongement de 0,2%, étant égale ou supérieure à 80 kg/mm2 à la température ambiante.

La teneur en fer de l'alliage est normalement comprise entre 20 et 55%.

La teneur en cobalt est de préférence au moins 10% pour que la somme des quantités de nickel et de cobalt soit comprise entre environ 51 et 53%, ce qui améliore certaines caractéristiques de l'alliage, notamment son point d'inflexion.

Les éléments d'addition, tels que désoxydants, malléabiliseurs, agents d'épuration, etc., ainsi que les impuretés admissibles, sont de préférence limités à 0,01 % de calcium, 0,01 % de magnésium, 0,1 % 50 de zirconium, 0,5% de silicium et jusqu'à 1% chacun de cuivre, de molybdène et de tungstène. Le soufre et le phosphore sont indésirables et ne doivent généralement pas excéder 0,015% chacun.

Dans les formes commerciales de l'alliage de l'invention, la quantité de tantale éventuellement présente ne dépasse pas le dixième de 55 la quantité de niobium et on peut admettre que, dans ces conditions, les différences entre le niobium et le tantale sont négligeables. En conséquence, on peut simplement dire que l'alliage contient 1,5 à 5,5% de niobium ou de niobium et de tantale. Si nécessaire, on peut aller jusqu'à 11% de tantale.

60 Le durcissement structural par précipitation résulte d'un traitement thermique de vieillissement conduit à des températures de l'ordre de 730 à 590°C (1350 à 1100°F) pendant des périodes de 8 h, 16 h ou plus. Il est recommandé de soumettre l'alliage à une opération de revenu avant le vieillissement proprement dit.

65 Les trois relations ci-après sont utiles pour déterminer les compositions (dans les limites définies ci-dessus) qui donnent le meilleur compromis entre le coefficient de dilatation, la température d'inflexion et la limite élastique.

40

45

3

636 644

A — (%Ni)+0,84(%Co) — 1,7(%Ti + % Al)+0,42(%Mn+ %Cr) <51,5 B — (%Ni)+1 ,l(%Co) -1,0(%Ti) -1,8(%Mn+%Cr) -0,33(%Nb+1 /2Ta) > 44,4 C — (%Nb + l/2Ta) (%Ti)-0,33(%Cr)>2,7.

Pour les compositions d'alliages qui respectent ces trois relations, 5 la teneur en fer peut aller jusqu'à 51,2% et est au moins 21%

lorsque l'alliage contient 11% de tantale, ou au moins 26,5%

lorsque l'alliage contient 5,5% de niobium et pratiquement pas de tantale.

On obtient d'excellents résultats sur le plan des caractéristiques 10 de dilatation et de la résistance mécanique avec une composition d'alliage contenant 35 à 39% de nickel, 12 à 16% de cobalt, 1,2 à 1,8% de titane, des pourcentages de niobium et de tantale tels que la somme de la quantité de niobium et de la moitié de la quantité de tantale est comprise entre 3,7 et 4,8%, jusqu'à 1 % de manganèse, '5 jusqu'à 1% de chrome, jusqu'à 0,012% de bore (de préférence entre 0,003 et 0,12%), jusqu'à 0,1% d'aluminium, le complément étant du fer plus des impuretés et des éléments d'addition.

Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la valeur de la relation A est au maximum 47,5, la valeur de la relation B au minimum 48,8 et la valeur de la relation C au minimum 4,8. Les alliages qui répondent à ces conditions sont caractérisés par un coefficient de dilatation ne dépassant pas 8,1 x 10~6/°C, une température d'inflexion d'au moins 416° C et une limite élastique à la température ambiante d'au moins 90 kg/mm2. Le contrôle de la fusion pour satisfaire aux relations A et B peut être simplifié, et de bons résultats sont obtenus en maintenant la quantité de nickel et de cobalt entre 51 et 53% avec une teneur en titane d'environ 1,5% et une teneur totale en manganèse et en chrome de l'ordre de 0,3%.

Dans la suite de la présente description, lorsque des mesures dila-tométriques n'étaient pas disponibles, les propriétés de dilatation ont été calculées à partir de la composition de l'alliage d'après les formules suivantes:

CD (10-<7°F) = 0,248(%Ni)+0,209(%Co)—0,427(% Al4-%Tï)+0,104(%Mn+Cr) — 7,39

TI (°F) = 26,9(%Ni)+29,6(%Co) - 57,2(% Al) -28,2(%Ti) -47,0(%Mn+%Cr) - 8,90(%Nb+l/2%Ta) - 509

Les résultats ont ensuite été convertis en degrés Celsius. Il va de soi que la valeur CD représente la moyenne des coefficients de dila- 25 tation sur toute la plage de températures qui va de la température ambiante à la température d'inflexion donnée par la relation TI ci-dessus. Ces relations résultent de l'analyse statistique de mesures di-latométriques effectuées sur un grand nombre d'alliages de compositions conformes aux limites fixées par l'invention ou s'en écartant 30 modérément.

On a pu constater que la famille d'alliages de l'invention présentait une bonne résistance à la fissuration sous tension à haute température et pourrait donc convenir pour la fabrication des éléments de turbine à gaz. Pour démontrer cette propriété, des éprouvettes d'al- 35 liage ont été soumises à des efforts pendant des périodes prolongées et à des températures élevées, par exemple sous la forme d'essais de rupture sur barreau entaillé, et d'essais de fissuration à 538° C (1000° F) et 649° C (1200° F). Des indications intéressantes sur la tenue de ces alliages aux tensions prolongées sont données par un «to essai de corrosion intergranulaire accélérée sous tension appelé SAGBO (Strain Accelerated Grain Boundary Oxydation) auquel on se référera par la suite. Cet essai consiste à utiliser un montage maintenant en charge un ruban d'alliage de façon qu'il prenne la configuration d'une poutre cintrée, le tout étant placé dans un four. Un 45 examen à l'œil permet de déceler les amorces et la propagation des criques qui apparaissent préférentiellement aux joints de grains dans les alliages sujets à la corrosion intergranulaire sous tension.

Les alliages de l'invention peuvent être préparés par les techniques classiques de fusion utilisées pour les alliages nickel-fer de 50 haute qualité. Le four à induction donne des résultats satisfaisants pour la fusion à l'air ou sous vide, mais d'autres techniques sont utilisables, comme la fusion sous laitier électroconducteur, la fusion ou la refusion par arc sous vide, etc. L'alliage présente une bonne malléabilité pour le travail à chaud et à froid, mais un travail à tempéra- 55 ture modérée suivi d'un revenu de recristallisation donne des résultats très satisfaisants, notamment une bonne résistance à l'entaille.

Dans le cadre de l'invention, le travail à température modérée se pratique comme le travail à froid, mais à une température inférieure au point de recristallisation de l'alliage, généralement entre 16 et 60 166"C en dessous de cette température. Les produits de recristallisation de l'alliage sont caractérisés par des structures de grains équiaxiales particulièrement avantageuses pour l'obtention de propriétés isotropes de résistance et autres. Pour une production commerciale, la possibilité de travailler l'alliage à chaud est intéressante 65 sur le plan de la productivité et de l'économie, car le forgeage, le laminage et les autres opérations peuvent être poursuivis pendant que l'alliage se refroidit jusqu'à sa température de recristallisation et en dessous. On évite ainsi les interruptions et les dépenses occasionnées par la nécessité de réchauffages périodiques.

Le travail à chaud des lingots d'alliage peut commencer vers 1150°C et se poursuivre sans interruption jusqu'à la plage des températures modérées définie ci-dessus. L'alliage travaillé à chaud peut subir un revenu de recristallisation entre environ 925 et 1040°C (1700 à 1900° F) pendant une durée de 1 h à % h qui dépend évidemment de l'épaisseur du métal et du taux d'écrouissage acquis en dessous de la température de recristallisation. Ainsi, un revenu de

1 h à 925° C ou de lA h à 1040°C ou d'un temps proportionnel à une température intermédiaire, donne des structures à grains fins dans l'alliage en barre, alors que les grains peuvent grossir plus rapidement dans les feuilles minces. Les structures à grains fins sont avantageuses sur le plan de la résistance à la fissuration (y compris la résistance à l'entaille) et de la solidité à la température ambiante. Cependant, certaines variantes de l'alliage ont également une bonne résistance à la fissuration malgré une structure à gros grains.

On considère ici que la taille des grains d'une structure recristallisée est fine au-dessus du numéro ASTM 5, normalement de 5 à 8, et grosse au-dessous du numéro ASTM 4,5, normalement de 4 à 2.

Le revenu de recristallisation de l'alliage permet d'obtenir une solution solide homogène dans laquelle la plupart ou la totalité des éléments y' est en solution. Après le revenu, l'alliage est de préférence trempé à l'eau pour conserver son état de solution jusqu'au traitement suivant bien que, dans certains cas, un refroidissement plus lent, par exemple à l'air libre, soit satisfaisant (le revenu ne porte pas sur une solution de carbone).

Le durcissement structural de l'alliage consiste en un vieillissement conduit à des températures de l'ordre de 620 à 730°C (1150 à 1350° F) pendant 8 h ou plus. L'alliage travaillé à chaud, puis éventuellement à température modérée et à froid, est de préférence mis en solution solide avant le vieillissement, bien qu'on obtienne parfois de bons résultats sans un traitement de mise en solution complète. Un traitement type de vieillissement consiste à maintenir l'alliage à 718° C ( 1325° F) pendant 8 h, à le refroidir à 621 ° C ( 1150° F) à raison de 55°C/h, à le maintenir à cette température pendant 8 h, puis à le refroidir à la température ambiante dans le four ou à l'air libre. Des traitements intermédiaires à des températures comprises entre 730 et 840°C (1350 à 1550°F) peuvent également améliorer la ductilité à la rupture et/ou la tenue à l'essai SAGBO;

En général, les alliages durcis, que leur structure soit à grains fins ou gros, ont une limite élastique d'au moins 77 kg/mm2 et un allongement d'au moins 10% à la température ambiante.

L'invention va maintenant être illustrée par un exemple.

636 644

4

Un alliage dont la composition nominale est 36%. de nickel, 17% de cobalt, 3% de niobium et 1,5% de titane, le reste étant du fer, est fondu sous vide dans un four à induction, puis coulé sous vide dans une lingotiére. De petites quantités de bore et de calcium sont ajoutées avant la coulée. La composition chimique de cet alliage est 5 donnée sur la ligne 1 du tableau I. Le lingot coulé est laminé à chaud jusqu'à une épaisseur de 0,64 cm, puis laminé à froid en feuilles de 0,15 cm d'épaisseur. Des éprouvettes de 1,90 et 0,95 cm x 10,16 cm découpées dans cette feuille sont soumises au traitement suivant de revenu et de vieillissement: 1038° C pendant lA h, trempe à l'eau, i° 718°C pendant 8 h, refroidissement à 55°C/h jusqu'à 621°C, maintien à cette température pendant 8 h, puis refroidissement à l'air libre. La structure recristallisée obtenue présente des grains relativement gros, entre ASTM 4 et 5. Sur des éprouvettes de traction découpées perpendiculairement à la direction du laminage, on déter- '5 mine à la température ambiante et à 538° C la limite élastique (LE) pour un allongement de 0,2%, la charge de rupture (CR), l'allongement relatif (Ail) et la striction (St). Les résultats de ces essais sont donnés dans le tableau II. On voit que cet alliage présente d'excellentes propriétés mécaniques avec une limite élastique de près de 20 90 kg/mm2 et un allongement de 14% à la température ambiante.

Pour déterminer la résistance à la corrosion sous tension à haute température de l'alliage vieilli, on prépare des éprouvettes découpées transversalement de 0,95 cm de large par un décapage de leur surface avec un abrasif N° 320. L'épaisseur est mesurée avec préci- 25 sion et la longueur nécessaire est calculée d'après la norme ASTM G39-72 intitulée «Pratiques recommandées pour la préparation et l'emploi des éprouvettes de corrosion sous tension maintenues en flexion». Cette méthode permet d'obtenir la flexion désirée de l'éprouvette avec compensation de la dilatation du montage d'essai. Les extrémités des éprouvettes sont meulées en biseau pour réaliser un contact linéaire avec le montage. Une éprouvette ainsi préparée de l'alliage N° 1 est placée dans le montage dont les boulons sont serrés de façon à produire une contrainte de 150,5 kg/mm2. L'ensemble est porté à 538° C dans un four muni d'une fenêtre d'observation qui permet d'examiner régulièrement l'état de l'éprouvette sous tension, par exemple à intervalles de 4 à 24 h. Dans ces conditions, la rupture se produit par fissuration au bout de 294 h.

Ce résultat montre que l'alliage présente une excellente résistance à la fissuration sous tension, étant donné que l'éprouvette a été découpée transversalement dans une tôle laminée à froid. Bien qu'un revenu de A h à 1038°C soit favorable à l'isotropie, on considère que l'essai est plus sévère quand l'éprouvette est découpée transversalement que lorsqu'elle est découpée parallèlement au sens du laminage.

Le tableau I donne les compositions de plusieurs alliages de l'invention (numérotés 1 à 11) et de quelques alliages sortant du cadre de l'invention (numérotés A à I).

Le talbeau IA donne les valeurs des relations A, B et C, ainsi que les caractéristiques de dilatation (CD et TI) calculées par les formules précédentes.

Le tableau II résume les résultats des essais de différents alliages. Sous le titre SAGBO de ce tableau, la colonne DV (durée de vie) indique le temps écoulé jusqu'à la dernière observation de l'éprouvette intacte et la colonne RO donne le temps écoulé jusqu'à la première observation de la rupture. La durée de vie SAGBO est donc intermédiaire entre DV et RO.

Tableau I

Composition chimique en poids des alliages; le complément est du fer

Alliage N"

%Ni

%Co

%A1

%Cr

%Nb+Ta

%Ti

%C

%B

%Ca

%Mn

1

36,08

17,31

0,094

0,019

3,12

1,45

0,03

0,007

0,015

0,14

2

35,83

17,06

0,055

0,31

4,15

1,38

0,02

0,006

0,029

0,16

3

37,48

14,50

0,083

0,006

3,91

1,30

0,02

0,007

0,003

0,14

4

37,92

14,65

0,08

NA

3,26

1,23

0,03

0,0035

0,001

0,12

5

37,64

14,68

0,17

NA

3,20

1,52

0,02

0,0035

0,002

0,16

6

38,88

15,18

0,18

NA

2,97

1,21

0,006

0,023

0,002

0,06

7

37,66

14,35

0,05

0,55

4,14

1,35

0,005

0,006

<0,001

0,13

8

36,82

14,59

0,07

0,26

4,25

1,39

0,006

0,007

0,031

0,14

9

37,25

14,53

0,10

0,66

4,36

1,35

0,02

0,007

0,023

0,13

10

37,36

14,61

0,014

0,005

4,10

1,47

0,01

0,008

<0,01

11

37,56

14,39

0,008

0,007

3,89

1,46

0,01

<0,001

0,006

<0,01

A

37,55

14,79

0,25

0,19

2,87

1,37

0,02

0,003

0,006

0,16

B

38,38

15,30

0,84

0,37

3,12

1,39

0,02

0,005

0,006

0,13

C

37,62

14,64

0,34

NA

3,13

1,57

0,02

0,0036

0,002

0,17

D

37,54

14,50

0,67

NA

3,28

1,59

0,005

0,0033

0,002

0,15

E

38,53

15,17

0,30

0,032

3,38

1,26

0,006

0,022

0,002

0,05

F

38,45

15,25

0,69

0,015

3,35

1,56

0,008

0,025

0,005

0,06

G

38,53

14,84

0,66

0,019

2,97

1,33

0,02

0,010

0,002

0,20

H

34,76

17,63

0,13

1,72

4,26

1,46

0,02

0,007

0,023

0,13

I

35,59

15,59

0,20

3,78

3,00

1,36

0,03

0,004

0,007

0,13

Nb+Ta contient une quantité de tantale de 2% au plus de la quantité totale Nb+Ta; l'analyse précise donne 0,02% de Ta dans l'alliage 1,0,03% de Ta dans l'alliage H et moins de 0,01% de Ta dans les alliages 7, A, B, I.

NA signifie non ajouté et non analysé.

Analyse type des impuretés et des éléments d'addition: moins de 0,2% Si, 0,15% Cu, 0,05% Mo, 0,015% S, 0,01% P.

5

Tableau IA

636 644

Alliage

A

B

C

CD

TI

N°

(x 10~6/°C)

(°C)

1

48,1

52,4

4,5

8,17

478

2

47,8

51,3

5,7

8,06

459

3

48,1

47,5

4,5

8,17

451

4

48,0

51,5

4,0

8,15(8,39)

466 (472)

5

47,2

50,9

4,9

7,76 (7,78)

454 (460)

6

49,3

53,3

3,6

8,71

489

7

47,6

49,5

5,4

7,97

438

8

46,9

49,4

5,7

7,63

434

9

47,3

49,0

5,7

7,83

428

10

47,1

50,6

6,0

7,74

454

11

47,2

50,6

5,7

7,76

454

A

47,4

50,9

3,9

7,85

451

B

47,7

51,9

4,2

7,97

447

C

46,7

50,8

4,9

7,58 (7,58)

446 (448)

D

45,9

50,6

5,2

7,2 (7,18)

432 (435)

E

48,7

52,7

4,2

8,42

477

F

47,5

52,4

5,2

7,88

460

G

47,7

52,2

3,9

7,99 (8,06)

457 (460)

H

47,6

48,0

5,6

7,97

412

I

47,7

43,4

2,8

7,99

343

(Mesures au dilatomètre)

Tableau II

Eprouvettes découpées transversalement dans un ruban laminé à froid ( épaisseur 0,15 mm x largeur 10,16 mm)

Traitement: '/< h à 1038° C, trempe à l'eau, 8 h à 1038° C, refroidi à 621° C à 55° Clh,8hà 621° C, refroidi à l'air

Traction à Tamb

Traction à 538°C

Essai SAGBO à 538° C

Rupture sous charge de 84,39 kg/mm2 à 538° C

Alliage No

LE (kg/mm2)

CR

(kg/mm2)

Ail (%)

LE (kg/mm2)

CR

(kg/mm2)

Ail (%)

Charge (kg/mm2)

DV

(h)

RO

(h)

Durée (h)

Ail

(%)

1

2

3

7(1) 8(1) 9(1)

10

11

89.76 100,24

92,12 98,10 103,02 98,45 98,10

91.77

114,63 124,12 116,38 122,01 124,47 123,77 122,71 122,01

14,0 14,0 15,0 14,0 12,0 16,0 16,0 17,0

71,73 81,22 71,08 77,01 87,20 76,30 87,55 76,30

91,07 97,40 96,69 98,10 98,45 98,10 106,19 99,16

11,0 13,0 13,0 13,0 15,0 16,0 16,0 15,0

105,49 105,49 104,64 105,91 105,49 104,57 108,23 112,52

294,0 220,0 209,2 523,2 663,0 216,8 1253 + 1253 +

294,0 234,0 247,7 531,5 687,0

283,0 *

*

7,6 15,2 21,7 50,9 24,6 49,6 71,5 23,1

2.5 1,0 3,0 2,0 1,0

2,0 **

1.6

A B H I

88,25 94,58 99,86 90,36

107,59 115,33 129,04 121,66

11,0 12,0 16,0 10,0

78,41 79,82 77,36 80,87

96,69 97,40 101,97 98,80

14,0 15,0 17,0 16,5

104,57 105,84 105,49 105,49

82,0 7,5 195,8 114,3

89,0 17,2 214,8 115,3

2,5 1,0 28,7 24,0

2,5 1,0 2,0 1,5

* Signifie: Pas de rupture, essai interrompu à la limite. ** Signifie: rupture en dehors des marques.

DV = Durée de vie jusqu'à la rupture. RO = Temps au bout duquel la rupture a été observée.

Pour les éprouvettes de traction et de fatigue, dimensions du gabarit: 0,51 mm x 3,18 mm, sauf pour les alliages marqués d'un (1) pour lesquels la largeur est 0,64 mm au lieu de 0,51 mm.

55

Pour l'évaluation de la résistance d'un barreau entaillé à 649° C et à la température ambiante, et des caractéristiques de résistance à la traction rapide à 649 C, on prend des éprouvettes découpées dans des barres carrées (1,43 cm de côté) forgées des alliages 4, 5, 6 et C à F. Les résultats sont donnés dans le tableau III. Ces alliages sont 60 fondus par induction sous vide, coulés en lingots, puis forgés. Plus précisément, les lingots sont martelés par passes de 0,64 cm à 1121 C, avec réchauffage périodique à cette température, jusqu'à une section carrée de 1,75 cm de côté. Après un refroidissement à environ 870 C, on poursuit le forgeage jusqu'à une section carrée de 65 1,43 cm, puis on laisse la barre se refroidir à l'air. Après le traitement thermique indiqué dans le tableau III, l'alliage présente une structure fine dont les grains sont compris entre ASTM 7 et 9.

Les résultats du tableau III montrent l'intérêt qu'il y a à limiter la teneur en aluminium à 0,2% au plus pour obtenir un bon compromis entre la résistance à la traction, la ductilité et la résistance aux efforts concentrés (barreau entaillé).

En comparant les résultats des tableaux II et III et en tenant compte des compositions du tableau I, on voit que le fait de limiter la teneur en aluminium améliore la résistance à la rupture à long terme. Cela est particulièrement vrai pour l'alliage N° 2 dont les teneurs en aluminium et en chrome sont faibles. On a pu montrer que des alliages contenant de petites quantités d'aluminium, par exemple 0,05%, et de petites quantités de chrome, par exemple 0,3 à 0,5%, avaient une excellente longévité. Il y a cependant des anomalies pour un alliage contenant 0,58% de chrome et 0,006% d'aluminium.

636 644

6

Tableau III

Traction à T

amb

Traction à 649° C

Rupture en charge à 649° C

(Eprouvette entaillée/lisse)

Alliage

TT

LE

CR

Ail

St

LE

CR

AU

St

Charge*

Durée

Ail

St

No

(kg/mm2)

(%)

(kg/mm2)

(%)

(kg/mm2)

(h)

(%)

4

A

81,58

113,57

21

53

74,89

86,15

24

57

52,74

69,5

31

48

B

56,26

64,4

14

45

5

A

101,27

132,21

19

40

84,39

94,94

23

57

59,77

96,4

17

24

B

66,81

99,2

14

32

B

70,32

107,9

12

21 Répété

6

A

97,05

118,49

18

47

88,41

86,15

27

60

63,29

92,7

22

54

B

66,81

104,0

19

31

C

A

108,65

133,6

19

48

87,90

99,51

22

46

49,33

4,2

ENTAILLE

A

73,84

143,7

14

24 Répété

B

49,23

14,9

ENTAILLE

B

73,84

129,0

10

10 Répété

D

A

116,03

139,94

16

33

93,18

103,73

12

18

49,23

2,4

ENTAILLE

A

49,23

11,6

ENTAILLE répété

B

49,23

4,8

ENTAILLE

E

A

104,78

130,80

19

39

89,66

97,05

20

56

70,32

114,5

25

54

B

70,32

118,2

11

15

F

A

120,25

142,40

14

41

94,23

106,19

21

50

80,87

154,5

21

35

B

49,23

3,2

ENTAILLE

Eprouvettes découpées dans des barres forgées de 1,43 cm.

TT = Traitement thermique: A. 885°C/1 h, T. eau, 718°C/8 h, Refroid, à 55°C/h, 621°C/8 h, refroid, à l'air.

B. 927°C/1 h, T. eau, 718°C/8 h, Refroid, à 55°C/h, 621°C/8 h, refroid. à l'air. * Charge de rupture. Charge initiale 49 kg/mm2 pendant 48 h, puis augmentation de 3,5 kg/mm2 toutes les 8 à 16 h. Eprouvettes de traction: 0 0,64 mm, long. 3,18 mm (RTT);

0 0,64 mm, long. 2,54 mm (HTT).

Eprouvettes entaillées/lisses: 0 0,45 mm, long, lisse 1,82 mm, entaille Kt = 3,6.

La méthode Varestraint permet d'évaluer la soudabilité et montre que l'alliage de l'invention résiste mieux à l'apparition de criques de soudage que les alliages nickel-cobalt-fer à faible dilata- 40 tion proposés par Eiselstein et Bell (alliage G du tableau I fondu par induction sous vide). Le tableau IV résume les résultats d'essais Varestraint effectués sur les alliages 10, 11 et G laminés à chaud.

Pour les alliages 10 et 11, la soudabilité au faisceau électronique après laminage et la soudabilité après un recuit/vieillissement à 45 1038 C pendant V* h sont à peu près les mêmes que celles des alliages du commerce, et il y a peu de différence entre l'état laminé et l'état traité (dans les deux cas, la structure est à grains ASTM 5). Sur un petit nombre d'essais au faisceau électronique, l'alliage 10 semble le plus satisfaisant du point de vue de la formation de criques sous le so cordon de soudure et des coupes métallographiques effectuées sur des éprouvettes de flexion n'ont révélé aucune crique pour l'alliage laminé comme pour l'alliage traité thermiquement.

Les alliages de l'invention ont de bonnes caractéristiques de travail pour le laminage et le forgeage à chaud, à températures modérées et à froid, ainsi qu'une bonne usinabilité. Le brasage ne pose pas de problème, en particulier pour les produits corroyés, tels que tôles et feuillards, qui peuvent être brasés sur des pièces d'alliage identique ou différent. Une autre propriété souhaitable de ces alliages réside dans leurs bonnes caractéristiques de résistance et de ductilité sur des profilés travaillés à froid (ou à température modérée) pour le brasage ou d'autres opérations nécessitant un réchauffage à haute température, par exemple plus de 1000° C.

Les alliages de l'invention sont utilisables dans les turbines à gaz et dans d'autres structures soumises à des cycles de chauffage et de refroidissement entre la température ambiante et les températures pouvant aller jusqu'à 650° C. Dans les turbines à gaz, c'est le cas des joints, des ferrures, des brides, des arbres, des boulons et des carters.

Tableau IV Résultats de l'essai Varestraint

Alliage

Epaisseur

LMC

LTC

Epaisseur

LMC

LTC

No

(cm)

(H)

moyen

00

moyen

(cm)

Û0

moyen

(li)

moyen

10

0,739

0

0,737

1397

2616

0,739

0

0,739

1016

1118

2769

2108

0,737

0

0,739

965

11

0,734

0

0,744

2032

3556

0,737

0

0,739

2083

1702

3683

3708

0,734

0

0,739

1016

4140

G

0,774

635

0,767

2286

3708

7

Tableau IV (suite)

636 644

Alliage

Epaisseur

LMC

LTC

Epaisseur

LMC

LTC

N°

(cm)

00

moyen

00

moyen

(cm)

(H)

moyen

0»)

moyen

0,785

0

431,8

0

431,8

0,775

1778

1956

5055

4242

0,765

635

0,775

1778

3937

LMC = Longueur maximale de la plus longue crique. Intensité: 190 A.

LTC = Longueur totale de toutes les criques observées. Tension: 13,1 V.

Vitesse de déplacement: 12,7 mm/min.

R

Claims

636 644

1. Alliage à durcissement structural par vieillissement, caractérisé en ce qu'il contient en poids 34 à 55,3% de nickel, jusqu'à 25,2% de cobalt, 1 à 2% de titane, du niobium et du tantale en quantités telles que la somme du pourcentage de niobium et de la moitié du pourcentage de tantale représente 1,5 à 5,5%, jusqu'à 2% de manganèse, jusqu'à 1% de chrome, jusqu'à 0,03% de bore, moins de 0,20% d'aluminium, le reste étant du fer plus des éléments d'addition et des impuretés, cet alliage ayant une température d'inflexion de sa courbe de dilatation d'au moins 343° C (650° F), un coefficient de dilatation thermique ne dépassant pas 9,9 x 10~6/°C jusqu'à la température d'inflexion, et une limite élastique, pour un allongement de 0,2%, d'au moins 77 kg/mm2 à la température ambiante.

2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins 10% de cobalt.

2

REVENDICATIONS

3. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient 35 à 39% de nickel, 12 à 16% de cobalt, 1,2 à 1,8% de 5 titane, du niobium et du tantale en quantités telles que la somme du pourcentage de niobium et de la moitié du pourcentage de tantale représente 3,7 à 4,8%, jusqu'à 1% de manganèse, jusqu'à 1% de chrome, jusqu'à 0,012% de bore, au plus 0,1% d'aluminium, le reste étant du fer, des éléments d'addition et des impuretés, io

4. Alliage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il a une température d'inflexion d'au moins 416° C (780° F), un coefficient de dilatation ne dépassant 8,1 x 10_6/°C et une limite élastique d'au moins 91 kg/mm2 à la température ambiante.

5. Alliage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 15 en ce que sa teneur en aluminium ne dépasse pas 0,05%.

6. Alliage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa composition répond aux relations suivantes:

A — (%Ni)+0,84(%Co) -1,7(%Ti+% Al)+0,42(%Mn+ %Cr) <51,5 B — (%Ni) +1, l(%Co) -1,0(%Ti) -1,8(%Mn+%Cr)-0,33(%Nb + l/2Ta) >44,4 C — (%Nb+ l/2Ta) (%Ti)-0,33(%Cr)^2,7.

7. Alliage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la relation A est au maximum 47,5, la valeur de la relation B au minimum 48,8 et la valeur de la relation C au minimum 4,8.

8. Alliage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la somme de ses teneurs en nickel et en cobalt est comprise entre 51 et 53%.

9. Alliage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il contient environ 1,5% de titane et environ 0,3% au total de manganèse et de chrome.

25

10. Alliage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient au moins 1,5% de niobium et un pourcentage de tantale ne dépassant pas le dixième du pourcentage de niobium.

11. Alliage selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il con-30 tient entre 3,7 et 4,8% de niobium et un pourcentage de tantale ne dépassant pas le dixième du pourcentage de niobium.