CH660703A5 - Alliage de brasage a base de nickel, utilisation d'un tel alliage et joint brase contenant ledit alliage. - Google Patents

Alliage de brasage a base de nickel, utilisation d'un tel alliage et joint brase contenant ledit alliage. Download PDF

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CH660703A5
CH660703A5 CH3611/84A CH361184A CH660703A5 CH 660703 A5 CH660703 A5 CH 660703A5 CH 3611/84 A CH3611/84 A CH 3611/84A CH 361184 A CH361184 A CH 361184A CH 660703 A5 CH660703 A5 CH 660703A5
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

La présente invention a trait à un alliage amélioré de brasage par diffusion à température élevée à base de nickel, contenant du chrome en tant que principal additif, convenant au brasage de superalliage à base de nickel du type gamma et gamma prime. 5 Les superalliages constituent une classe d'alliages métalliques possédant une dureté remarquable et une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation, à températures élevées. Us sont principalement utilisés dans l'industrie aéronautique. Les superalliages contiennent du nickel, du cobalt, du titane et parfois du fer. Les superal-io liages renforcés du type gamma sont des alliages à phase durcie contenant Ni 3 (Al ou Ti) et les superalliages renforcés du type gamma prime sont des superalliages renforcés de type gamma ayant une base de nickel.
Le brasage par diffusion repose sur la diffusion à l'état solide ou 15 le mouvement des atomes dans les deux directions à travers l'interface du joint entre l'alliage de brasage et le métal de base. Il s'ensuit nécessairement que les alliages de brasage par diffusion sont élaborés pour servir de complément au matériau de base des parties à as-• sembler. Les alliages de brasage par diffusion sont donc générale-•'20 ment des alliages à base de nickel, de fer ou de cobalt, selon la composition des matériaux de base. Des superalliages à haute ténacité ont posé un problème pour le brasage par diffusion en raison de leur mouillabilité limitée. La difficulté est d'élaborer un alliage de brasage par diffusion qui soit un complément aux matériaux de base 25 afin de former une bonne brasure ou liaison possédant les propriétés physiques requises et pouvant être brasée à des températures suffisamment basses pour permettre des applications commerciales. Des températures de brasage supérieures affectent défavorablement les propriétés physiques du joint.
30
Différents déprimants de la température de brasage, dont le bore, ont été utilisés dans des alliages de brasage par diffusion, bien que ces alliages n'aient pas donné satisfaction dans le cas de certains alliages à haute ténacité, en particulier les alliages à renforcement 35 gamma prime à base de nickel utilisés, pour les aubes de turbine d'avion non soudables et autres. De telles applications nécessitent également une amélioration de la résistance au cisaillement ainsi qu'une uniformité de la dureté.
Des exemples d'alliages de brasage par diffusion ou de liaison de 40 l'art antérieur sont donnés par les brevets des Etats-Unis Nos 3,759,629 et 3,700,427 attribués à General Electric Company, qui décrivent des alliages de brasage par diffusion à base de nickel pour braser des superalliages. Les brevets des Etats-Unis Nos 3,678,570 et 4,038,041 décrivent des procédés et des compositions pour une liaison par dif-45 fusion, où une fine feuille ou couche d'alliage est appliquée entre les métaux à assembler, accroissant considérablement le coût du brasage par diffusion. L'art antérieur comporte également des compositions de revêtement contenant de l'yttrium, qui est un composant important de l'alliage de brasage par diffusion de la présente in-50 vention; de telles compositions ne conviendraient toutefois pas au brasage par diffusion de superalliages qui est envisagé par la présente invention. Le brevet des Etats-Unis N° 3,676,085 décrit un revêtement à base de cobalt pour des superalliages contenant de l'yttrium. Les brevets de l'art antérieur dont il est fait mention ci-dessus sont 55 incorporés en tant que références.
L'alliage de brasage de la présente invention est un alliage de brasage du type NiCrAlY exempt de cobalt et à teneur moyenne en chrome, convenant au brasage et au brasage par diffusion à haute température de superalliage et permettant le renforcement gamma 60 prime de superalliages conventionnels ainsi que de nouveaux superalliages obtenus mécaniquement, durcis par dispersion d'oxyde et par renforcement gamma prime. A la différence des alliages de brasage par diffusion de l'art antérieur, l'alliage de la présente invention permet un brasage «sans pression» avec des joints d'intervalle «5 variable, ainsi que le brasage par diffusion avec traitement thermique de diffusion post brasage afin de rendre les structures de la brasure et du métal de base homogènes et d'améliorer les propriétés du joint.
3
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L'alliage de brasage et de brasage par diffusion à température élevée à base de nickel de la présente invention convient particulièrement bien au brasage des superalliages à base de nickel du type gamma prime, par exemple des alliages possédant la phase tertiaire Ni3AlTi. La composition générale de l'alliage de brasage à base de nickel de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids) :
Elément Pourcentage chrome 12 à 14%
tantale 2 à 4%
bore 2,5 à 4%
yttrium ou lanthane 0,01 à 0,06%
aluminium 2,5 à 5%
carbone moins de 0,03%
nickel le reste.
Le chrome, l'aluminium et l'yttrium se combinent dans le joint brasé formé par l'alliage de brasage par diffusion à base de nickel de la présente invention afin d'améliorer la résistance à l'oxydation et à la sulfuration. Le joint brasé résultant présente une amélioration de sa résistance au cisaillement et une uniformité de dureté à la matrice de raccordement formée dans le joint. En outre, le joint brasé possède une interface de solution solide homogène et épaisse entre le métal de base et le joint métallique brasé.
L'alliage de brasage par diffusion de la présente invention peut effectuer un brasage à une température de brasage située entre 1177 et 1260° C. L'alliage de brasage par diffusion de la présente invention a par exemple été utilisé pour former des joints brasés en superalliages à renforcement gamma prime à 1177 et 1196° C. L'alliage de brasage par diffusion de la présente invention revient moins cher que les alliages de brasage de l'art antérieur nécessitant du cobalt et il peut être utilisé sous des formes plus économiques, en poudre plutôt qu'en feuille.
La composition de l'alliage préférentiel de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids): 12,5 à 13,5% de chrome, 2 à 4% de tantale, 2,5 à 3,5% de bore, 0,01 à 0,03% d'yttrium ou de lanthane, 3,5 à 4,5% d'aluminium, moins de 0,03% de carbone, le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles. La formule générale de la composition préférentielle ou nominale de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids): 13,1% de chrome, 3,2% de tantale, 3% de bore, 0,01 à 0,02% d'yttrium, 4,15% d'aluminium, moins de 0,03% de carbone, le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles.
Conformément à la description, l'alliage de brasage par diffusion à base de nickel de la présente invention est capable de braser des superalliages à renforcement gamma prime, ce qui a pour résultat une amélioration de la microstructure du joint brasé qui possède une uniformité de dureté, en particulier à la matrice de raccordement, ainsi qu'une interface de solution solide épaisse et uniforme entre le matériau de base et le joint métallique brasé. De plus, le joint brasé a démontré la résistance au cisaillement la plus importante et la plus cohérente à 816° C sur des aubes de turbine en superalliage Mar M 246 de la Martin Marietta Corporation.
Le procédé de brasage sans pression de la présente invention, conforme à la revendication 5, comporte le brasage du joint en superalliage en utilisant l'alliage de la présente invention sous forme pulvérisée, puis en appliquant un traitement thermique post brasage ou cycle de diffusion à une température inférieure de 10 à 37,8° C à la température de brasage, ce qui provoque la diffusion de l'alliage de brasage dans les structures de base en superalliage. Il en résulte un joint plus homogène avec des propriétés améliorées.
Les autres caractéristiques et d'autres avantages de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention seront décrits plus en détail dans les revendications qui se trouvent en annexe et dans la description qui suit des modes préférentiels de réalisations.
Si l'on examine des joints brasés entre certains superalliages à renforcement gamma prime à base de nickel utilisant l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention, on découvre une résistance accrue, une uniformité de dureté et une microstructure améliorée, en particulier dans le cas de superalliages à renforcement gamma prime à base de nickel contenant du cobalt et du molybdène. Comme décrit plus haut, les superalliages à renforcement gamma 5 prime comportent la phase tertiaire Ni3 AlTi. En outre, l'élimination du cobalt dans l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention diminue le coût de l'alliage de brasage et provoque une amélioration de la liaison entre certains superalliages à renforcement gamma prime.
10 Dans les joints brasés formés à l'aide de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention, le chrome, l'aluminium et l'yttrium se combinent pour former une microstructure améliorée qui est plus résistante à la sulfuration et à l'oxydation. L'accroissement de la résistance du joint brasé est démontré par des essais avec 15 manchon de cisaillement utilisant des superalliages à renforcement gamma prime. Des microphotographies des joints brasés présentent également une excellente uniformité de dureté aux raccordements formés dans le joint brasé et une interface de solution solide épaisse entre le métal de base et le joint métallique brasé. 20 La composition de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids) :
chrome 12 à 14%
tantale 2 à 4%
bore 2,5 à 4%
25 yttrium ou lanthane 0,01 à 0,06%
aluminium 2,5 à 5%.
Cet alliage de brasage par diffusion possède de préférence moins de 0,03% de carbone, le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles. La composition de l'alliage de brasage par diffusion pré-30 férentiel de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids) :
chrome 12,5 à 13,5%
tantale 2 à 4%
35 bore 2,5 à 3,5%
yttrium 0,01 à 0,03%
aluminium 3,5 à 4,5%
carbone moins de 0,03%.
le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles. La compo-40 sition nominale ou préférentielle de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids) : 13,1% de chrome, 3,2% de tantale, 3% de bore, 0,01 à 0,02% d'yttrium, 4,15% d'aluminium, moins de 0,02% de carbone, le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles.
45 Comme décrit plus haut, l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention est élaboré particulièrement pour servir de complément aux superalliages à renforcement gamma prime contenant du cobalt et du molybdène. Plusieurs superalliages à renforcement gamma prime font partie de cette classification. Les alliages de 50 brasage par diffusion décrits dans l'art antérieur n'ont pas toujours très bien réussi à braser de tels superalliages et les joints brasés ont été soumis à une fragilisation et à une séparation de phase. Des exemples de superalliages similaires à renforcement gamma prime à base de nickel sont donnés par la famille Mar M de superalliages 55 vendus par la Martin Marietta Corporation, Special Metals et autres, la famille Mar M de superalliages est utilisée par l'intermédiaire aéronautique pour certaines applications comme des aubes de turbine, des montages d'aubes, etc. Un autre superalliage renforcé par solution solide à base de nickel, pouvant être brasé par l'alliage 60 de brasage par diffusion de la présente invention, est l'Hastelloy X. un alliage de nickel, de chrome et de moylbdène renforcé par du fer et du cobalt. La famille d'alliages Mar M comporte Mar M 200 et Mar M 200 hafnium, Mar M 246 et 247. La composition nominale de Mar M 246 est 9% de chrome, 10% de cobalt, 2.5% de molyb-65 dène, 10% de tungstène, 1,5% de tantale, 5,5% d'aluminium, 1,5% de titane, le reste étant du nickel (pourcentage en poids).
Il est entendu que, quant à la composition de l'alliage de brasage par diffusion, la présente invention ne diffère pas beaucoup de l'art
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antérieur; toutefois, un joint brasé en superalliages utilisant l'alliage de brasage de la présente invention présente une microstructure qui est améliorée d'une manière sensible et inattendue. De plus, cette microstructure améliorée entraîne des améliorations substantielles de la résistance, de la dureté et de la résistance à l'oxydation et à la sulfuration. Ci-après sont passés en revue des éléments de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention, ainsi que leur fonction dans le composé.
L'aluminium est un renforceur gamma prime et il déprime légèrement la température de brasage. Mais, ce qui est plus important, l'aluminium se combine, comme décrit plus haut, avec le chrome et l'yttrium ou le lanthane dans le joint brasé pour améliorer la résistance à l'oxydation et à la sulfuration. Il est entendu que les oxydes d'aluminium et de chrome améliorent la résistance à l'oxydation d'un joint brasé. Les oxydes d'aluminium forment des revêtements adhérents et l'yttrium agit avec l'aluminium et le chrome pour stabiliser l'oxydation et la sulfuration. L'yttrium accroît les capacités de l'alliage de brasage à supporter les températures élevées. Dans l'alliage de brasage à base de nickel de la présente invention, l'yttrium modifie ou affecte la structure de base de l'alliage, en influençant les joints de grains et en stabilisant l'aluminium. L'art antérieur suggérait l'utilisation d'yttrium dans des revêtements à base de cobalt pour des superalliages, mais il ne suggérait toutefois pas l'inclusion d'yttrium dans des alliages de brasage par diffusion, en particulier les alliages de brasage par diffusion à base de nickel comme cela est exposé dans la présente demande. Dans certaines applications, il est entendu que l'yttrium peut être remplacé par du lanthane.
Le bore incorporé dans l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention sert principalement d'agent de suppression de la température, ce qui est mentionné par l'art antérieur cité plus haut (voir le brevet des Etats-Unis N° 3,759,692). Il est possible d'utiliser l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention pour braser des superalliages à renforcement gamma prime à base de nickel à des températures situées entre 1177 et 1260° C; il s'adapte mieux aux températures de solution solide des métaux de base auxquels on se réfère ici. Le tantale est également un déprimant reconnu du point de fusion dans des alliages de brasage par diffusion, ainsi qu'un renforceur de solution solide; il amorce aussi le renforcement gamma prime. La faible teneur en chrome, ainsi que les teneurs plus élevées en bore et la présence d'une terre rare (par exemple l'yttrium ou le lanthane) entraînent une amélioration des propriétés. Mais il reste toutefois entendu que la composition spécifique de l'alliage de brasage par diffusion dépendra de la composition du superalliage à braser. Comme expliqué plus haut, l'alliage de brasage par diffusion doit être élaboré de manière à servir de complément au superalliage à braser.
Suivent des exemples d'alliage de brasage par diffusion à base de nickel de la présente invention:
Exemple
Exemple 1 (%)
Exemple 2 (%)
Exemple 3 (%)
Exemple 4 (%)
Chrome
13,09
13,5
12,7
12,9
Tantale
3,19
3
2,8
2,93
Bore
3
3,5
2,8
2,75
Yttrium
0,015
0,02
0,025
0,018
Aluminium
4,14
4,3
4
3,8
Carbone
0,02
0,02
0,02
0,018
Nickel le reste le reste le reste le reste
On déduit des exemples qui précèdent que la composition nominale ou préférentielle de l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention est la suivante (pourcentage en poids): 13,1% de chrome, 3,2% de tantale, 3% de bore, environ 0,015% d'yttrium, environ 4,15% d'aluminium, moins de 0,03% de carbone, le reste étant du nickel, avec des impuretés accidentelles.
Comme décrit précédemment, l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention possède une résistance améliorée dans des joints brasés en superalliages à renforcement gamma prime. Lors d'essais avec manchon de cisaillement utilisant un joint à manchon tubulaire de 6,4 mm de diamètre avec le superalliage Mar M 246, des essais de cisaillement cohérents furent obtenus à 816° C entre 64000 et 66000 psi. Les alliages de brasage possèdent des températures de liquide s'échelonnant de 1142 à 1157° C et forment des brasures déjà à des températures de l'ordre de 1177° C.
L'analyse microphotographique de joints brasés utilisant l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention montre une microstructure sensiblement améliorée et une uniformité de dureté dans le joint brasé conformément à ce qui suit. On a brasé des échantillons en T d'Hastelloy X à 1177°"C et 1196° C pendant 20 minutes. La composition nominale de l'Hastelloy X est la suivante (pourcentage en poids): 22% de chrome, 9% de molybdène, 18% de fer, 0,5 à 2,5% de cobalt, moins de 1% de tungstène, 0,05 à 0,15% de carbone, le reste étant du nickel. La dureté convertie en Rockwell fut la suivante: RB 92,8 à Rc 24 pour le métal de base, Rc 31,8 pour la solution solide, Rc 34,3 à Rc 30,5 pour les phases secondaires et Rc 37,7 pour l'élément supérieur de la zone de diffusion. Dans un autre essai d'un échantillon en T d'Hastelloy X brasé avec l'alliage de brasage par diffusion de l'exemple 1 à 1196° C pendant 20 minutes, on a mesuré les microduretés suivantes: RB 91,3 à 95,8 pour le métal de base, Rc 39,8 pour la zone de diffusion sur l'élément inférieur, Rc 32,8 dans l'interface de solution solide, 36,3 dans la zone de diffusion de l'élément supérieur, les phases secondaires possédant des duretés de Rc 39,1 et 54,8.
Sur la base de ce qui précède, il est évident que l'alliage de brasage par diffusion de la présente invention possède une résistance au cisaillement améliorée par rapport à la résistance obtenue avec l'art antérieur pour les superalliages à renforcement gamma prime à base de nickel qui ont fait l'objet des essais. Les microphotographies présentent une uniformité de dureté aux raccordements brasés. En outre, l'analyse microphotographique montre que l'interface de solution solide entre la base et le métal du joint est plus épaisse. Ces améliorations sont d'importance pour les applications commerciales où la résistance est une condition primordiale.
Il est également possible d'obtenir un effet de brasage par diffusion unique avec des superalliages en utilisant l'alliage de la présente invention comme alliage de brasage pulvérisé conventionnel ou «sans pression», puis en appliquant un traitement thermique post-brasage.. Ce traitement thermique ou cycle de diffusion devrait s'effectuer à une température inférieure de 10 à 37,8° C à la température de brasage; sa durée est de deux à quatre heures. Le traitement thermique diffuse l'alliage de brasage dans les structures métalliques de base des superalliages: il en résulte un joint plus homogène et une amélioration des propriétés, dont la ductilité, la température de refonte et la résistance. Le procédé de brasage sans pression de la présente invention comporte ensuite l'application de l'alliage de brasage préférentiel sous forme pulvérisée ou pâteuse sur un joint en superalliage, la chauffe du joint à la température de brasage, de préférence dans un four à vide, puis le traitement thermique post-brasage ou cycle de diffusion dans le four à une température inférieure de 10 à 37,8° C à la température de brasage.
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35
40
45
50
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R

Claims (7)

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    2
    REVENDICATIONS
    1. Alliage de brasage par diffusion à température élevée à base de nickel, convenant au brasage de superalliages à base de nickel du type gamma et gamma prime dont la composition est la suivante (pourcentage en poids):
    Elément Pourcentage chrome 12 à 14%
    tantale 2 à 4%
    bore 2,5 à 4%
    yttrium ou lanthane 0,01 à 0,06%
    aluminium 2,5 à 5%
    carbone moins de 0,03%
    nickel le reste,
    avec des impuretés accidentelles.
  2. 2. Alliage selon la revendication 1, dont la composition est la suivante (pourcentage en poids):
    Elément Pourcentage chrome 12,5 à 13,5%
    tantale 2 à 4%
    bore 2,5 à 3,5%
    yttrium ou lanthane 0,01 à 0,03%
    aluminium 3,5 à 4,5%
    carbone moins de 0,03%
    nickel le reste,
    avec des impuretés accidentelles.
  3. 3. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, dont la composition est la suivante (pourcentage en poids):
    Elément Pourcentage chrome 13,1%
    tantale 3,2%
    bore 3%
    yttrium 0,015%
    aluminium 4,15%
    carbone moins de 0,03%
    nickel le reste,
    avec des impuretés accidentelles.
  4. 4. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, dont la composition est la suivante (pourcentage en poids) :
    Elément Pourcentage chrome 13%
    tantale 3%
    bore 3%
    yttrium 0,01 à 0,03%
    aluminium 4%
    carbone moins de 0,03%
    nickel le reste,
    avec des impuretés accidentelles.
  5. 5. Utilisation d'un alliage selon l'une des revendications 1 à 4 pour le brasage par diffusion sans pression comportant la formation d'un, joint en superalliage du type gamma prime, caractérisée en ce qu'on applique audit joint l'alliage de brasage sous forme pulvérisée, on chauffe le joint en superalliage à la température de brasage de l'alliage, puis on laisse diffuser l'alliage de brasage dans les structures du superalliage dans le four pendant 2 à 4 heures à une température inférieure de 10 à 37,8° C à la température de brasage.
  6. 6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le brasage du superalliage est effectué à une température comprise entre 1177 et 1260° C.
  7. 7. Joint de brasage comprenant un superalliage à base de nickel de type gamma prime et un alliage de brasage selon l'une des revendications 1 à 4, possédant une uniformité de dureté au raccordement des joints brasés et dans lequel le chrome, l'aluminium et l'yttrium sont combinés pour conférer une résistance à la sulfuration et à l'oxydation.
CH3611/84A 1982-12-01 1984-07-25 Alliage de brasage a base de nickel, utilisation d'un tel alliage et joint brase contenant ledit alliage. CH660703A5 (fr)

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