FR2663957A1 - Composition moulable et element structural contenant du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une composition moulable et un élément structural contenant du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore; on incorpore du bore à un gamma-aluminiure de titane contenant du chrome et du niobium, l'addition de bore étant effectuée à des concentrations entre 0,5 et 2 % atomiques; la masse fondue solidifiée présente une microstructure à grains équiaxes fins et les propriétés mécaniques sont également améliorées.

Description

L'invention concerne une composition moulable et un élément structural

contenant du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore L'invention est très apparentée à la demande de brevet US

n de série 07/546 962 (Attorney docket RD-20 450).

Plus particulièrement, l'invention concerne des alliages de "r- aluminiure de titane (Ti Al) ayant une moulabilité améliorée par suite de l'amélioration de la structure des grains Plus particulièrement, elle concerne des pièces moulées en Ti Al dopé avec du chrome et du niobium présentant une microstructure fine des grains et un ensemble de propriétés améliorées grâce à l'addition combinée

d'additifs constitués de chrome, de niobium et de bore.

Pour former une pièce moulée, il est généralement souhaitable que le métal fondu à couler soit très fluide Cette fluidité permet au métal fondu de couler plus librement dans un moule, d'occuper les portions du moule qui ont des dimensions faibles et également de pénétrer dans les portions compliquées du moule sans solidification prématurée A cet égard, il est généralement souhaitable que le métal liquide ait une faible viscosité afin qu'il puisse pénétrer dans les portions du moule ayant des arêtes aiguës, si bien que le produit moulé épouse très étroitement la forme du moule dans lequel il a été coulé. Une autre caractéristique souhaitable des structures moulées est qu'elles aient une microstructure fine, c'est-à-dire une taille fine des grains, pour que la ségrégation des différents constituants d'un alliage soit réduite au minimum Il est important d'éviter que le retrait dans un moule provoque des criques Un certain retrait, lors de la coulée, lorsque le métal coulé se solidifie et refroidit, est très courant et tout-à-fait normal Cependant, lorsqu'une ségrégation importante des composants de l'alliage se produit, il risque de se former des criques dans les portions de l'article coulé qui sont affaiblies par suite de cette ségrégation et qui sont soumises à une contrainte résultant de la solidification et du refroidissement du métal et du retrait qui accompagne ce refroidissement En d'autre termes, il est souhaitable que le métal liquide soit suffisamment fluide pour remplir complètement le moule et pénétrer dans toutes les cavités fines du moule, mais il est également souhaitable que le métal, lorsqu'il est solidifié, soit sain et ne soit pas caractérisé par des portions faibles formées par suite d'une ségrégation excessive ou de la formation de criques

internes par retrait.

En ce qui concerne l'aluminiure de titane lui-même, on sait que, lorsqu'on ajoute de l'aluminium au titane métallique en des proportions croissantes, la forme cristalline de la composition de titane- aluminium produite varie De petits pourcentages d'aluminium passent en solution solide dans le titane et la forme cristalline demeure celle de l'OE-titane Pour des concentrations plus élevées de l'aluminium (y compris environ 25 à 30 % atomique), il se forme un composé intermétallique Ti 3 Al qui a une forme cristalline hexagonale ordonnée appelée O-2 Pour des concentrations encore supérieures de l'aluminium (comprenant la gamme de 50 à 60 % atomique d'aluminium), un autre composé intermétallique, Ti Al, ayant une forme cristalline quadratique ordonnée, appelée Y, se forme Les Y-aluminiures de

titane présentent un intérêt considérable dans la présente demande.

L'alliage de titane et d'aluminium, ayant une forme cristalline 'Y et un rapport stoechiométrique d'environ 1, est un composé intermétallique ayant un module élevé, une faible densité, une conductivité thermique élevée, une résistance à l'oxydation avantageuse et une bonne résistance au fluage La relation entre le module et la température pour les composés Ti Al et d'autres alliages de titane et des superalliages à base de nickel est illustrée par la figure 1 Comme le montre la figure, le Y-Ti Al a le meilleur module relativement à tous les alliages de titane Non seulement le module du Y-Ti Al est plus élevé à une température supérieure, mais la vitesse de diminution du module avec l'élévation de la température est inférieure pour le 'Y-Ti Al relativement aux autres alliages de titane De plus, le Y-Ti Al conserve un module utile à des températures supérieures à celles auxquelles les autres alliages de titane deviennent inutilisables Les alliages à base du composé intermétallique Ti Al sont des matériaux légers dont l'emploi est intéressant lorsqu'un module élevé est nécessaire à hautes températures et qu'une bonne protection contre l'ambiance est

également nécessaire.

Une des caractéristiques du 'Y-Ti Al, qui limite son application effective dans de telles utilisations, est une fragilité que l'on observe à la température ordinaire Une autre caractéristique du Y-Ti Al, qui limite son application effective, est une fluidité relativement faible de la composition fondue Cette faible fluidité limite la moulabilité de l'alliage, en particulier lorsque la pièce moulée comprend des sections à paroi mince et une structure compliquée avec des angles et des arêtes aigus Des améliorations du composé intermétallique Y-Ti Al, pour améliorer la fluidité du métal fondu et pour assurer une microstructure fine au produit moulé, sont très souhaitables afin d'accroître l'utilisation des compositions moulées aux températures supérieures auxquelles elles conviennent Lorsqu'on mentionne ici la microstructure fine d'un produit moulé en Ti Al, il s'agit de la microstructure du produit

à l'état brut de coulée.

Il convient de noter que si le produit est forgé ou soumis à un autre travail mécanique après le moulage, la microstructure peut être modifiée et peut être améliorée Cependant, pour les applications dans lesquelles un produit moulé est utile, la microstructure doit être obtenue dans le produit brut de coulée et

non par l'application d'étapes supplémentaires de travail mécanique.

Un produit moulé ayant une ductilité minimale supérieure à 0,5 % serait également très souhaitable Une telle ductilité est

nécessaire pour que le produit présente une intégrité appropriée.

Pour qu'une composition soit de façon générale utile, sa résistance minimale à la température ordinaire doit être d'environ 50 ksi, soit environ 350 M Pa Cependant, les matières ayant cette résistance ont une utilité limite et, dans de nombreuses applications, on préfère

des résistances plus élevées.

Le rapport stoechiométrique des composés Y-Ti Al peut varier dans une gamme étendue, sans que la structure cristalline soit modifiée La teneur en aluminium peut varier d'environ 50 à environ % atomique Cependant, les propriétés des compositions de Y-Ti Al sont sujettes à des variations très importantes sous l'effet de variations relativement faibles de 1 % ou plus du rapport stoechiométrique du titane et de l'aluminium constitutifs Egalement, les propriétés sont modifiées de façon semblable par l'addition de proportions relativement faibles d'éléments ternaires et

quaternaires, comme additifs ou agents dopants.

Il existe une littérature très abondante traitant des compositions de titane-aluminium, y compris le composé intermétallique Ti Al 3, les composés intermétalliques 'Y-Ti Al et le composé intermétallique Ti 3 Al Le brevet US 4 294 615, intitulé "Titanium Alloys of the Ti Al Type", présente un exposé très complet des alliages de type aluminiure de titane, y compris le composé intermétallique 'Y-Ti Al On indique dans ce brevet, colonne 1 à partir de la ligne 50, dans l'exposé des avantages et des inconvénients du Y-Ti Al relativement à Ti 3 Al, que: Il est évident que le système d'alliage 'Y-Ti Al est susceptible d'être plus léger dans la mesure o il contient plus d'aluminium Des travaux de laboratoire effectués au cours des années 1950 indiquent que les alliages d'aluminiure de titane sont susceptibles d'être utilisés à une température élevée d'environ 1 000 C Cependant, l'expérience acquise en ingénierie avec de tels alliages indique que, bien qu'ils aient la résistance requise à température élevée, ils ont peu ou pas de ductilité à la température ordinaire et à des températures modérées, c'est-à- dire de 20 à 5500 C Les matières trop fragiles sont difficiles à mettre en oeuvre et ne résistent pas aux petits dégâts rares, mais inévitables, en cours d'utilisation sans fissuration, puis défaillance Ce ne sont pas des matériaux

d'ingénierie utiles pour remplacer d'autres alliages de base".

On sait que le système d'alliage Y-Ti Al est sensiblement différent de Ti 3 Al (ainsi que des alliages en solution solide de Ti), bien que Ti Al et Ti 3 Al soient fondamentalement tous deux des composés intermétalliques organiques de titane et d'aluminium Comme l'indique le brevet US 4 294 615, au bas de la colonne 1: "Il est évident pour le spécialiste qu'il existe une différence notable entre les deux phases ordonnées Le comportement d'alliage et de transformation du Ti 3 Al ressemble à celui du titane, car les structures cristallines hexagonales sont très semblables En revanche, le composé Ti Al a un arrangement quadratique des atomes et donc des caractéristiques d'alliage assez différentes Cette distinction est souvent ignorée

dans la littérature antérieure".

Plusieurs publications techniques concernant les composés titanealuminium, ainsi que les caractéristiques de ces composés, sont les suivantes: 1 E S Bumps, H D Kessler et M Hansen, "Titanium- Aluminum System", Journal of Metals, juin 1952, pp 609-614, TRANSACTIONS

AIME, Vol 194.

2 H R Ogden, D J Maykuth, W L Finlay et R I Jaffee, "Mechanical Properties of High Purity Ti-Al Alloys", Journal of

Metals, février 1953, pp 267-272, TRANSACTIONS AIME, Vol 197.

3 Joseph B McAndrew et H D Kessler, "Ti-36 Pct Al as a Base for High Temperature Alloys", Journal of Metals, octobre 1956,

pp 1345-1353, TRANSACTIONS AIME, Vol 206.

4 S M Barinov, T T Nartova, Yu L Krasulin et T V Mogutova, "Temperature Dependence of the Strenght and Fracture Toughness of Titanium Aluminum", Izv Akad Nauk SSSR, Met, Vol 5, 1983,

p 170.

Le tableau I de la référence 4 indique une composition de titane-36 aluminium-0,01 bore et indique que la ductilité de cette composition est améliorée Cette composition correspond en

pourcentages atomiques à Ti 50 A 149 97 B O 03.

H R Ogden, D J Maykuth, W L Finlay et R I Jaffee, "Mechanical Properties of High Purity Ti-Al Alloys", Journal of Metals,

février 1953, pp 267-272, TRANSACTIONS AIME, Vol 197.

6 S M L Sastry et H A Lispitt, "Plastic Deformation of Ti Al et Ti 3 Al", Titanium 80 (publié par l'American Society for Metals,

Warrendale, PA), Vol 2 ( 1980) page 1231.

7 Patrick L Martin, Madan G Mendiratta et Harry A Lispitt, "Creep Deformation of Ti Al and Ti Al + W Alloys", Metallurgical

Transactions A, Vol 14 A (octobre 1983) pp 2171-2174.

8 Tokuso Tsujimoto, "Research, Development, and Prospects of Ti Al Intermetallic Compound Alloys" Titanium and Zirconium, vol 33,

n 3, 159 (juillet 1985) pp 1-13.

9 H A Lispitt, "Titanium Aluminides An Overview", Mat Res Soc. Symposium Proc, Materials Research Society, Vol 39 ( 1985)

pp 351-364.

S H Whang et coll, "Effect of Rapid Solidification in Llo Ti Al Coumpound Alloys", ASM Symposium Proceedings on Enhanced Properties in Struc Metals Via Rapid Solidification, Materials

Week (octobre 1986) pp 1-7.

11 Izvestiya Akademii Nauk SSR, Metally n 3 ( 1984) pp 164-168.

12 P L Martin, H A Lispitt, N T Nuhfer et J C Williams, "The Effects of Alloying on the Microstructure and Properties of Ti 3 Al et Ti Al", Titanium 80 (publié par l'American Society of Metals,

Warrendale, PA), Vol 2 ( 1980) pp 1245-1254.

13 D E Larsen, M L Adams, S L Kampe, L Christodoulou et J D. Bryant, 'Influence of Matrix Phase Morphology on Fracture Toughness in a Discontinuously Reinforced XDTM Titanium Aluminide Composite", Scripta Metallurgica et Materialia, Vol 24, ( 1990)

pp 851-856.

14 J D Bryant, L Christodon et J R Maisano, "Effect of Ti B 2 Additions on the Colony Size of Near Gamma Titanium Aluminides",

Scripta Metallurgica et Materialia, Vol 24 ( 1990) pp 33-38.

Plusieurs autres brevets concernant les compositions de Ti Al sont les suivants: Le brevet US 3 203 794 de Jaffee décrit diverses compositions

de Ti Al.

Le brevet canadien 621884 de Jaffee décrit de même diverses

compositions de Ti Al.

Le brevet US 4 661 316 (Hashimoto) décrit des compositions

d'aluminiure de titane qui contiennent divers additifs.

Le brevet US 4 842 820, cédé au même cessionnaire que la présente demande, décrit l'incorporation de bore pour former une composition tertiaire de Ti Al et améliorer la ductilité

et la résistance.

Le brevet US 4 639 281 de Sastry décrit l'inclusion de dispersoides fibreux de bore, de carbone, d'azote et de leurs mélanges ou de mélanges de ceux-ci avec du silicium dans un

alliage à base de titane comprenant Ti-Al.

La demande de brevet européen 0275391 de Nishiejama décrit des compositions de Ti Al contenant jusqu'à 0,3 % en poids de bore, et 0,3 % en poids de bore lorsque du nickel et du silicium sont présents La présence de chrome ou de tantale

en combinaison avec le bore n'est pas indiquée.

L'invention a donc pour buts: un procédé de coulée d'un composé intermétallique de T-Ti Al en des corps à structure à grains fins; un procédé qui permet de couler du Y-Ti Al en des articles ayant une structure reproductible à grains fins; et de fournir des articles moulés en r-Ti Al présentant un

ensemble souhaitable de propriétés ainsi qu'une microstructure fine.

D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la

lecture de la description qui suit.

Selon un de ses aspects les plus généraux, l'invention permet d'atteindre les buts précités en fournissant une masse de métal fondu faite de Y-Ti Al contenant entre 43 et 48 % atomique d'aluminium, entre 1,0 et 5,0 % atomique, plus particulièrement 2 et 4 % atomique, de niobium et entre 0 et 3,0 %, plus particulièrement 1 à 3 % atomique, de chrome, l'addition de bore comme agent d'inoculation à des concentrations entre 0,5 et 2,0 % atomique et la coulée de la masse

de métal fondu.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui suit faite en regard des dessins annexés, dans

lesquels: la figure 1 est un graphique illustrant la relation entre le module et la température d'un ensemble d'alliages; la figure 2 est une micrographie d'une pièce moulée de Ti-48 Al (exemple 2); la figure 3 est une micrographie d'une pièce moulée de Ti-46,5 Al-2 Cr-4 Nb-l B-O,l C (exemple 18); et la figure 4 est un graphique en tuyaux d'orgue illustrant les différences de propriétés entre des alliages semblables à ceux des

figures 2 et 3.

Il est bien connu, comme cela a été abondamment exposé ci-dessus, que s'il n'était pas fragile, le composé intermétallique Y-Ti Al aurait de nombreuses utilisations dans l'industrie par suite de sa légèreté, de sa résistance élevée à haute température et de son coût relativement faible La composition aurait de nombreuses utilisations industrielles à ce jour, si elle ne présentait pas ce défaut fondamental des propriétés qui l'écarte de telles utilisations

depuis de nombreuses années.

De plus, on a établi que le 'Y-Ti Al moulé présente de nombreuses insuffisances dont certaines ont également été exposées ci-dessus Ces insuffisances comprennent l'absence d'une microstructure fine; l'absence d'une viscosité faible appropriée au moulage en sections minces; la fragilité des pièces moulées qui sont formées; la résistance relativement médiocre des pièces moulées qui sont formées; et l'absence d'une fluidité à l'état fondu suffisante pour permettre l'obtention d'un produit moulé ayant des détails fins

et des arêtes et des angles aigus.

La demanderesse a découvert que des améliorations sensibles de la moulabilité du '1-Ti Al et des améliorations sensibles des produits moulés peuvent être obtenues par des modifications de la

pratique de la coulée, comme il va être exposé.

Pour permettre une meilleure compréhension des améliorations des propriétés du Y-Ti Al, plusieurs exemples sont présentés et exposés ciaprès, avant les exemples concernant la nouvelle pratique

de mise en oeuvre de l'invention.

EXEMPLES 1 A 3:

On prépare trois masses individuelles de métal fondu pour qu'elles contiennent du titane et de l'aluminium dans divers rapports stoechiométriques binaires voisins de celui de Ti Al On coule séparément chacune des trois compositions pour observer la microstructure On découpe les échantillons en barreaux et ou soumet les barreaux séparément à une compression isostatique à chaud à 1 O 50 OC pendant 3 heures sous une pression de 310 M Pa ( 45 ksi) On soumet ensuite individuellement les barreaux à des traitements thermiques à des températures différentes comprises entre 1 200 et 1 375 OC On prépare des éprouvettes classiques à partir des échantillons traités à chaud et on en mesure la limite élastique, la résistance à la rupture et l'allongement plastique Les observations relatives à la structure de solidification, les températures de traitement thermique et les valeurs obtenues dans les essais figurent dans le tableau I. Composition Exemple de l'alliage n (% at) Structure de solidification

TABLEAU I

Température de traitement thermique ( C) Limite élastique M Pa (ksi) Résistance à la rupture M Pa (ksi) Allongement plastique (%) 1 Ti- 46 A 1 Gros grains équiaxes 2 Ti-48 A 1 Colonnaire 3 Ti- 50 Al Colonnaire-équiaxe * Déformation permanente des échantillons i 200 1 225 i 250 i 275 1 250 1 275 1 300 i 325 i 250 i 325 1 350 i 375

338 ( 49)

*

400 ( 58)

372 ( 54)

351 ( 51)

386 ( 56)

365 ( 53)

227 ( 33)

234 ( 34)

227 ( 33)

234 ( 34)

( 58) ( 55) ( 56) ( 73) ( 72) ( 66) ( 68) ( 72) ( 42) ( 45) ( 39) ( 42) Or F-. o 0,9 0,1 0,1 1,8 2,0 1,5 1,3 2,1 1,1 1,3 0,7 0,9 KO n cn il Comme le montre le tableau I, les trois compositions différentes contiennent trois concentrations différentes de l'aluminium, à savoir 46 % atomique d'aluminium, 48 % atomique d'aluminium et 50 % atomique d'aluminium La structure de solidification de ces trois compositions séparées figure également dans le tableau I, qui montre que trois structures différentes se forment lors de la solidification de la masse fondue Ces différences de la forme cristalline des pièces moulées confirment en partie les différences importantes de la forme cristalline et des propriétés qui résultent de faibles différences du rapport stoechiométrique des compositions de Y-Ti Al Le Ti-46 Al se révèle avoir la meilleure forme cristalline parmi les trois pièces moulées, mais on préfère la forme

équiaxe fine.

En ce qui concerne la préparation de la masse fondue et la solidification, on fond chaque lingot séparé avec un arc électrique dans une atmosphère d'argon On utilise une sole refroidie par l'eau pour contenir la masse fondue afin d'éviter des réactions indésirables entre la masse fondue et le récipient On veille à éviter que le métal chaud soit exposé à l'oxygène par suite de la

forte affinité du titane pour l'oxygène.

On découpe des barreaux dans les structures moulées séparées.

On soumet ces barreaux à une compression isostatique à chaud et on les soumet individuellement à un traitement thermique aux températures indiquées dans le tableau I. On effectue le traitement thermique à la température indiquée

dans le tableau I pendant 2 heures.

Les valeurs expérimentales du tableau I montrent clairement que les alliages contenant 46 et 48 % atomique d'aluminium ont une résistance généralement supérieure et un allongement plastique généralement supérieur par rapport à la composition d'alliage préparée avec 50 % atomique d'aluminium L'alliage ayant la meilleure

ductilité globale est celui contenant 48 % atomique d'aluminium.

Cependant, la forme cristalline de l'alliage contenant 48 % atomique d'aluminium à l'état brut de coulée ne correspond pas à la structure souhaitable, dans la mesure o il est généralement souhaitable qu'il existe, dans la structure moulée, des grains équiaxes fins afin d'assurer la meilleure moulabilité en ce qui concerne la capacité d'obtention des sections minces et de détails

fins, tels que des arêtes et des angles aigus.

EXEMPLES 4 A 6:

La demanderesse a découvert que la ductilité du composé Y-Ti Al peut être sensiblement accrue par addition d'une petite quantité de chrome Cette découverte fait l'objet du brevet US

4 842 819.

On a préparé une série de compositions d'alliages sous forme de masses de métaux fondus contenant diverses concentrations d'aluminium avec une faible concentration de chrome Les compositions d'alliages coulées dans ces expériences figurent dans le tableau II suivant Le procédé de préparation est essentiellement celui décrit

relativement aux exemples 1 à 3 ci-dessus.

Composition Exemple de l'alliage n (% at) 4 Ti-46 A 1-2 Cr Ti-48 A 1-2 Cr Structure de solidification Gros grains équiaxes Colonnaire t A., 6 Ti-50 AI-2 Cr Colonnaire-équiaxe TABLEAU II Température Limite Résistance Allongement de traitement élastique à la rupture plastique thermique (OC) M Pa (ksi) M Pa (ksi) (%) 1 225 1 250 1 275 1 250 1 275 1 300 1 325 1 275 1 325 1 350 1 375

386 ( 56) 441

303 ( 44) 365

345 ( 50) 407

310 ( 45) 413

324 ( 47) 434

324 ( 47) 427

365 ( 53) 469

345 ( 50) 413

345 ( 50) 434

351 ( 51) 441

345 ( 50) 400

( 64) ( 53) ( 59) ( 60) ( 63) ( 62) ( 68) ( 60) ( 63) ( 64) ( 58) 0,5 1, 0 0,7 2,2 2,1 2,0 1,9 1,1 1,4 1,3 0,7 FU K, (A (D Cn La forme cristalline de la structure solidifiée a été observée et, comme le montre le tableau II, l'addition de chrome n'a pas amélioré le mode de solidification de la structure des matières coulées figurant dans le tableau I En particulier, la composition contenant 46 % atomique d'aluminium et 2 % atomique de chrome a une structure à gros grains équiaxes A titre comparatif, la composition de l'exemple 1 contient également 46 % atomique d'aluminium et a également une structure à gros cristaux équiaxes De même, pour les exemples 5 et 6, l'addition de 2 % atomique de chrome aux compositions des exemples 2 et 3 du tableau I n'assure aucune

amélioration de la structure de solidification.

On a soumis des barreaux découpés dans les structures moulées séparées à une compression isostatique à chaud et à un traitement

thermique individuel aux températures indiquées dans le tableau II.

On a préparé des éprouvettes d'essai à partir des échantillons traités séparément à chaud et on a mesuré la limite élastique, la résistance à la rupture et l'allongement plastique En général, la matière contenant 46 % atomique d'aluminium s'est révélée être quelque peu moins ductile que les matières contenant 48 et 50 % atomique d'aluminium mais, par ailleurs, les propriétés des trois ensembles de matières étaient essentiellement équivalentes en ce qui

concerne la résistance à la traction.

EXEMPLES 7 A 9:

On a préparé des masses fondues de trois compositions

additionnelles de Y-Ti Al qui figurent dans le tableau III ci-après.

On a effectué la préparation selon les modes opératoires précédemment décrits relativement aux exemples 1 à 3 On a mélangé du bore élémentaire à la charge à fondre pour établir la concentration en bore de chaque alliage contenant du bore Pour faciliter l'examen, la composition et les résultats des essais de l'exemple 2 sont

reproduits dans le tableau III.

Composition de l'alliage (% at)

TABLEAU III

Température Structure de de traitement solidification thermique ( C) Limite élastique M Pa (ksi) Résistance & la rupture M Pa (ksi) Allongement plastique (%) 2 Ti-48 A 1 7 Ti-48 Al-0,1 B 8 Ti-48 A 1-2 Cr-4 Nb-0,l B 9 Ti-48 A 1-2 Cr-4 Nb-0,2 B Colonnaire Colonnaire Colonnaire Colonnaire 1 250 1 275 1 300 1 325 1 275 1 300 1 325 1 350 1 275 1 300 i 325 1 350 1 275 1 300 1 325

372 ( 54) 496 ( 72)

351 ( 51) 455 ( 66)

386 ( 56) 469 ( 68)

365 ( 53) 496 ( 72)

365 ( 53) 469 ( 68)

372 ( 54) 489 ( 71)

379 ( 55) 475 ( 69)

351 ( 51) 448 ( 65)

372 ( 54) 496 ( 72)

386 ( 56) 503 ( 73)

407 ( 59) 531 ( 77)

441 ( 64) 537 ( 78)

358 ( 52) 475 ( 69)

379 ( 55) 489 ( 71)

400 ( 58) 496 ( 72)

Exemple

n Fi M 2,0 1,5 1,3 2,1 1,5 1,9 1,7 1,2 2,1 1,9 1,9 1,5 2,0 1,6 1,4 b) 0) cta r-n Chacune des masses fondues a été coulée et la forme cristalline des pièces moulées a été observée On a découpé des barreaux dans les pièces moulées et ces barreaux ont été soumis à une compression isostatique à chaud, puis à des traitements thermiques individuels aux températures indiquées dans le tableau III On a effectué des essais de détermination de la limite élastique, de la résistance à la rupture et de l'allongement plastique, et les

résultats de ces essais figurent également dans le tableau III.

Comme le montre le tableau III, des concentrations relativement faibles du bore, de l'ordre de 0,1 ou 0,2 % atomique, ont été utilisées Le tableau montre également que ce taux d'addition de bore est inefficace pour modifier la forme cristalline de la pièce moulée. Le tableau comprend également une liste des ingrédients de l'exemple 2 pour faciliter la comparaison avec les nouveaux exemples 7, 8 et 9, dans la mesure o chacune des compositions

contenant du bore des exemples contient 48 % atomique d'aluminium.

Il est important d'observer que les additions de faibles concentrations de bore ne provoquent aucune diminution sensible des

valeurs relatives aux propriétés de traction et de ductilité.

EXEMPLES 10 A 13:

On a préparé des masses fondues de quatre compositions additionnelles de Y-Ti Al dont les compositions figurent dans le tableau IV ci-après La préparation a été effectuée selon les modes

opératoires précédemment décrits relativement aux exemples 1 à 3.

Dans les exemples 12 et 13, comme dans les exemples 7 à 9, la concentration en bore a été établie par addition de bore élémentaire

à la charge à fondre.

Composition Exemple de l'alliage n (% at)

TABLEAU IV

Température Structure de de traitement solidification thermique ( C) Limite élastique M Pa (ksi) Résistance & la rupture M Pa (ksi) Allongement plastique (%) 4 Ti-46 A 1-2 Cr Ti-46 A 1-2 Cr-0, 5 C Gros grains équiaxes Colonnaire il Ti-46,5 A 1-2 Cr-0,5 N Grains fins équiaxes 12 Ti-45,5 A 1-2 Cr-1 B Grains fins équiaxes 13 Ti- 45,25 A 1-2 Cr-1,5 B Grains fins équiaxes

572 ( 83) 648 ( 94)

+ Déformation permanente des échantillons 1 225 1 250 1 275 1 250 1 300 i 350 1 400 i 250 1 300 i 350 1 400 1 250 i 275 1 300 1 325 1 350 1 250 1 300 1 350

386 ( 56)

303 ( 44)

345 ( 50)

668 ( 97)

593 ( 86)

475 ( 69)

661 ( 96)

+

503 ( 73)

+ +

531 ( 77)

524 ( 76)

517 ( 75)

489 ( 71)

537 ( 78)

558 ( 81)

544 ( 79)

( 64) ( 53) ( 59) ( 97) ( 86) ( 73)

( 100)

( 77) ( 75) ( 60) ( 80) ( 85) ( 85) ( 89) ( 80) ( 85) ( 88) ( 85) Fi 0,5 1,0 0,7 0,2 0,2 0,3 0,3 0,1 0,2 0,1 0,1 0,5 0,7 1,0 0,5 0,4 0,5 0,4 0,7 K) Un Egalement, après formation de chacune des masses fondues des quatres exemples, on a observé la structure de solidification et la

description de la structure figure dans le tableau IV Les valeurs de l'exemple 4 sont reproduites dans le tableau IV pour faciliter la

comparaison avec les valeurs de la composition Ti-46 Al-2 Cr De plus, on a préparé des barreaux à partir de l'échantillon solidifié, on a soumis les barreaux à une compression isostatique à chaud et à des traitements thermiques individuels à des températures comprises entre 1 250 et 1 4000 C On a déterminé la limite élastique, la résistance à la rupture et l'allongement plastique, et les résultats de ces essais figurent dans le tableau IV pour chacun des échantillons étudiés de

chaque exemple.

Il faut noter que les compositions des échantillons des exemples 10 à 13 correspondent étroitement à la composition de l'échantillon de l'exemple 4, en ce que chacun contient environ 46 % atomique d'aluminium et 2 % atomique de chrome De plus, un additif quaternaire a été incorporé à chacun des exemples Pour l'exemple 10, l'additif quaternaire était le carbone et, comme le montre le tableau IV, l'additif n'améliore pas notablement la structure de solidification en ce que l'on observe une structure colonnaire au lieu de la structure à gros grains équiaxes de l'exemple 4 De plus, bien qu'il y ait un gain appréciable de résistance pour les échantillons de l'exemple 10, l'allongement plastique est réduit à une valeur si faible que les échantillons sont essentiellement

inutilisables.

Si l'on examine les résultats de l'exemple 11, il est évident que l'addition de 0,5 % atomique d'azote comme additif quaternaire assure une amélioration notable de la structure de solidification, qui est une structure équiaxe fine Cependant, la perte d'allongement plastique rend l'utilisation de l'azote inacceptable en raison de la

détérioration des propriétés de traction qu'elle provoque.

Si l'on examine les exemples 12 et 13, l'additif quaternaire étant dans les deux cas le bore, on observe une structure de solidification équiaxe fine, ce qui montre que la moulabilité de la composition est améliorée De plus, un gain notable de résistance résulte de l'addition du bore par comparaison aux valeurs de la résistance observée pour les échantillons de l'exemple 4, comme précédemment indiqué Egalement, de façon très notable, l'allongement plastique des échantillons contenant du bore comme additif quaternaire n'est pas réduit à des valeurs rendant les compositions essentiellement inutilisables La demanderesse a donc découvert que l'addition de bore à un aluminiure de titane contenant du chrome comme additif ternaire permet non seulement d'améliorer notablement la structure de solidification, mais permet également d'améliorer notablement les propriétés de traction, y compris la limite élastique et la résistance à la rupture, sans perte inacceptable de l'allongement plastique La demanderesse a découvert que des résultats favorables sont obtenus grâce à des additions de concentrations supérieures de bore, lorsque la concentration de l'aluminium dans l'aluminiure de titane est plus faible Donc, une composition de Y-aluminiure de titane contenant comme additifs du chrome et du bore présente une amélioration très notable de la moulabilité, en particulier en ce qui concerne la structure de

solidification et les propriétés de résistance de la composition.

L'amélioration de la forme cristalline de la pièce moulée se manifeste pour l'alliage de l'exemple 13 et pour celui de l'exemple 12 Cependant, l'allongement plastique de l'alliage de l'exemple 13 n'est pas aussi élevé que celui de l'alliage de

l'exemple 12.

EXEMPLES 14 ET 15

On a préparé un ensemble de deux autres compositions d'alliages contenant les ingrédients indiqués dans le tableau V ci-après Le procédé de préparation est essentiellement celui décrit dans les exemples 1 à 3 ci-dessus Comme dans les exemples précédents, on mélange du bore élémentaire à la charge à fondre pour

établir la concentration en bore de chaque alliage contenant du bore.

TABLEAU V

Composition de l'alliage (% at) Température Limite Résistance Structure de de traitement élastique à la rupture solidification thermique ( C) M Pa (ksi) M Pa (ksi) Allongement plastique (%) 14 Ti-45,5 A 1-2 Cr-1 B-4 Nb Ti-45,25 A 1-2 Cr-1,5 B-4 Nb Fine, équiaxe Fine, équiaxe * déformation permanente des échantillons

Exemple

n 1 250 1 275 i 300 1 350 1 400 1 275 1 300 1 325

565 ( 82)

544 ( 79)

551 ( 80)

565 ( 82)

510 ( 74)

503 ( 73)

531 ( 77)

o ( 83) ( 92) ( 91) ( 83) ( 92) ( 91) ( 92) ( 95) 0,2 0,9 0,7 0,1 0,7 1, 3 1,4 1,4 (O (n Comme le montre le tableau V, les deux compositions sont essentiellement les compositions des exemples 12 et 13, auxquelles on a ajouté 4 % atomique de niobium Le brevet US N O 4 879 092, cédé au présent cessionnaire, décrit une nouvelle composition d'alliages de titane et d'aluminium modifiés avec du chrome et du niobium De plus, la demande de brevet US N O de série 354 965, déposée le 22 mai 1989, concerne un procédé de mise en oeuvre d'alliages de Ti Al modifiés

avec du chrome et du niobium.

A nouveau, selon la description indiquée dans les exemples 1

à 3, on examine la structure de solidification après que la masse de métal fondu de ces compositions ait été coulée La structure de solidification se révèle être la forme équiaxe fine, que l'on a

également observée pour les échantillons des exemples 12 et 13.

Selon les étapes indiquées relativement aux exemples 1 à 3, on prépare des barreaux de la matière coulée et on les soumet à une compression isostatique à chaud et à un traitement thermique individuel aux températures indiquées dans le tableau V On prépare des éprouvettes et on les soumet à des essais dont les résultats figurent dans le tableau V pour les propriétés de résistance et l'allongement plastique Comme le montrent les valeurs du tableau V, on peut obtenir des améliorations notables, en particulier de l'allongement plastique, lorsqu'on utilise les compositions indiquées dans les exemples 14 et 15 du tableau V Les conclusions, tirées des résultats des exemples 14 et 15, sont que le bore, en tant qu'additif, améliore considérablement la moulabilité de la composition de la demande de brevet qui vient juste d'être citée La demanderesse a découvert que des concentrations moindres d'aluminium permettent d'incorporer des concentrations supérieures de bore Pour cette raison, on réduit la concentration de l'aluminium de l'exemple 15 par rapport à l'exemple 14 pour compenser partiellement

l'accroissement de la concentration du bore dans l'exemple 15.

Il apparaît donc que, non seulement la matière moulée a la forme équiaxe fine souhaitable, mais que la résistance des compositions des exemples 14 et 15 est fortement améliorée par rapport à la composition des exemples 1, 2 et 3 du tableau I De plus, l'allongement plastique des échantillons des exemples 14 et 15 n'est pas réduit à des valeurs inacceptables, contrairement à l'exemple 10, ou comme cela résulte de l'emploi d'azote comme additif

dans l'exemple 11.

EXEMPLES 16 A 18:

On a préparé trois masses fondues additionnelles selon le procédé décrit relativement aux exemples 1 à 3 Les compositions des trois masses fondues additionnelles figurent dans le tableau VI qui suit Comme dans les exemples précédents, on mélange du bore élémentaire à la charge à fondre pour établir la concentration en

bore de chaque alliage contenant du bore.

TABLEAU VI

Composition de l'alliage (% at) Température Limite Résistance Allongement Structure de de traitement élastique à la rupture plastique solidification thermique ( C) M Pa (ksi) M Pa (ksi) (%) 16 Ti-44,5 A 1-2 Cr-l B-4 Nb-0,1 C Fine, équiaxe 17 Ti-45,5 A 1- 2 Cr-l B-4 Nb-0,1 C Fine, équiaxe 18 Ti-46,5 A 1-2 Cr-l B-4 Nb-0,1 C Fine, équiaxe

Exemple

n 1 250 1 275 1 300 1 250 1 275 1 300 1 250 1 275 1 300 1 325 ( 93) ( 97) ( 92) ( 85) ( 93) ( 87) ( 79) ( 73) ( 73) ( 77) Ni t U

( 103)

( 105)

( 103)

* ( 96) ( 96) ( 90) ( 84) ( 83) ( 88) ( 85) 0,6 0,5 0,6 0,8 0,4 0,3 0,4 0, 7 1,3 0,7 (D (n Les compositions de ces trois masses fondues correspondent à la composition de la masse fondue de l'exemple 14, à deux exceptions près Une exception est que chacune des trois masses fondues des exemples 16, 17 et 18 a une concentration différente en aluminium, à savoir 44,5 % atomique pour l'exemple 16, 45,5 % atomique pour l'exemple 17 et 46,5 % atomique pour l'exemple 18 Ensuite, chacune des masses fondues contient 0,1 % atomique de carbone On coule ces compositions et on examine les compositions coulées pour déterminer la structure de solidification Dans chaque cas, on constate que la structure est une structure équiaxe fine La structure équiaxe fine n'est pas attribuée à l'addition du carbone, car l'addition de carbone dans l'exemple 17 produit une structure de solidification colonnaire. On prépare des barreaux à partir de la matière coulée, on les soumet à une compression isostatique à chaud et à des traitements thermiques séparés selon le programme indiqué dans le tableau VI On soumet les échantillons ayant subi les traitements thermiques individuels à des déterminations de la limite élastique, de la résistance à la rupture et de l'allongement plastique, et les résultats obtenus figurent dans le tableau VI La comparaison des valeurs obtenues pour les échantillons de l'exemple 17 et des valeurs obtenues pour les échantillons de l'exemple 14 révèle qu'il y a un accroissement de la résistance appréciable résultant de l'addition de

0,1 % de carbone, les compositions étant, par ailleurs, identiques.

De plus, l'allongement plastique de la matière de l'exemple 18, contenant 46,5 % atomique d'aluminium, a une valeur élevée acceptable pour une composition brute de coulée Lorsqu'on évalue les résultats observés pour ces trois exemples 16 à 18, il est évident que, lorsque la concentration de l'aluminium augmente, la résistance diminue et la

ductilité s'accroît.

On a indiqué ci-dessus que l'alliage de titane-aluminium modifié avec du chrome et du niobium fait l'objet du brevet US 4 879 092 et de la demande de brevet US N O de série 354 965 du même

cessionnaire que celui de la présente demande.

Nos essais montrent que l'alliage breveté, contenant comme additifs du niobium et du chrome, est un alliage très souhaitable par suite de la combinaison des propriétés et spécifiquement de l'amélioration des propriétés du Ti Al, que l'on attribue à l'inclusion des additifs niobium et chrome Cependant, il apparaît également que la forme cristalline d'un alliage contenant le chrome et le niobium est fondamentalement colonnaire et qu'elle n'est pas la forme cristalline équiaxe fine préférée désirée pour les applications au moulage Par conséquent, l'alliage de base, contenant comme additifs le chrome et le niobium, présente une combinaison souhaitable de propriétés, que l'on peut attribuer à la présence du chrome et du niobium De plus, par suite de l'infusion de bore dans l'alliage de base, la forme cristaline de l'alliage et sa moulabilité sont considérablement améliorées Cependant, simultanément, il n'y a pas de diminution sensible de l'ensemble spécifique de propriétés que

confèrent les additifs chrome et niobium à l'alliage de Ti Al de base.

L'étude de l'influence de plusieurs additifs, tels que le carbone et l'azote, a monté que c'est la combinaison des additifs qui fournit l'ensemble spécifique de résultats souhaitables De nombreuses autres combinaisons, y compris beaucoup de combinaisons contenant de l'azote par exemple, présentent une diminution notable des propriétés, malgré

une forme cristalline avantageuse.

Claims (1)

REVENDICATIONS

1 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 42-55 5 A 143-48 Cr 0-3 Nb 1 -5 B 0,5-2,0 2 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 42,5 55 A 143-48 Cr 0-3 Nb 1 5 B 1 0-1 5 3 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 43-53,5 A 143-48 Cr 1-3 Nb 2-4 B 0,5-2,0 4 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 46-50,5 s A 144,5-46,5 Cr 2 Nb 2-4 B 1,0-1,5 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 45-49 5 A 144,5-46,5 Cr 1-3 Nb 4 B 1,0-1,5 6 Composition moulable, caractérisée en ce qu'elle comprend du titane, de l'aluminium, du chrome, du niobium et du bore dans la composition approximative suivante: Ti 46-48,5 A 144,5-46,s Cr 2 Nb 4 B 1,0-1,5 7 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 42-55 5 A 143 48 Cr 0-3 Nb 1-5 BO,5-2,0 8 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 42,5 55 A 14348 Cr 0-3 Nb-1 5 B 1,0-1,5 9 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 43-53, 5 A 143-48 Cr 1-3 Nb 2- 4 B 0,5-2,0 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 46-50,5 s A 144,5-46,5 Cr 2 Nb 2-4 B 1 0-1,5 11 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 45-49,5 A 144,5-46,5 Cr 1-3 Nb 4 B 1,-0 l,5 12 Elément structural, caractérisé en ce qu'il est une pièce moulée à partir d'une composition correspondant à la composition approximative suivante: Ti 46-48,5 A 144,5-46,5 Cr 2 Nb 4 B 1,0-1,5