Brevet FR2009771A1 — publié le 19700206

Le problème que pose l'obtention d'alliages appelés à subir un effort à des températures élevées, comme dans des aubes et autres pièces de moteurs de turbines à gaz pour avions est devenu plus difficile à résoudre à mesure que des moteurs de plus en 5 plus importants et de plus en plus puissants sont devenus nécessaires pour des avions dont les dimensions et les vitesses augmentent sans cesse, et à mesure que la durée de service programmée du moteur entre les révisions est prolongée» En plus d'une résistance mécanique élevée à des tempéra-10 tures élevées pouvant atteindre 980°C, il faut obtenir une résistance améliorée à la corrosion due au soufre contenu dans le combustible et aux cJiLorures absorbés quand l'avion opère dans des atmosphères marines. Les alliages doivent également résister à l'oxydation due à un contact avec les gaz chauds et à l'érosion due 15 aux gaz chauds qui heurtent les surfaces des aubes aux vitesses élevées et aux particules solides entraînées dans les gaz. D'autres exigences comprennent une ductibilé adéquate aux températures de travail et à des températures inférieures et la stabilité structurale, de manière que des phases fragiles telles qu'une phase sigma 20 et d'autres phases indésirables ne se forment pas lors d'une exposition prolongée à des efforts à des températures élevés. Finalement, l'alliage doit posséder des propriétés de coulabilité satisfaisantes. Ces propriétés n'étaient pas considérées comme étant com-25 patibles. On dispose d'alliages à base de nickel-chrome qui possèdent une bonne résistance mécanique à des températures voisines de 980°0, mais les plus résistants de ces alliages contiennent presque tous moins de 10 ou 12$ en poids de chrome, ainsi que diverses autres combinaisons d'éléments renforçateurs, et ces alliages ne pos-30 sèdent pas une résistance adéquate à la sulfurâtion. Le chrome contribue fortement à la résistance des alliages nickel-chrome à la sûlfuration et à l'oxydation mais une augmentation de la teneur en chrome des alliages connus pour améliorer leur résistance à la corrosion a eu jusqu'à maintenant des effets catastrophiques sur d'au-35 très propriétés. En particulier, la résistance mécanique, la ductilité et/ou la stabilité structurale des alliages résistants se sont trouvées fâcheusement altérées. La présente invention vise des alliages qui possèdent une bonne coulabilité, une résistance mécanique et une ductilité éle-40 vées à 980°C ainsi qu'une bonne résistance à la sulfuration et à 69 17861 2009771 l'oxydation aux températures élevées, et qui sont doués de stabilité microstructurale. Les alliages conformes à la présente invention contiennent, en poids, 10,5 à 14# de chrome, 7 à 11# de cobalt, 1 à 2,5# de 5 molybdène, 3 à 6# de tungstène, 1 à 4# de tantale, 3 à 4# d'aluminium et 3 à 5$ de titane, à condition que la somme des teneurs en aluminium et en titane soit comprise entre 6,5 et 8#, 0 à 1# de niobium, 0,005 à 0,05# de bore, 0,01 à 0,25# de zirconium et 0,02 à 0,25# de carbone, le complément, à l'exception des impure-10 tés, étant du nickel. Il est important que la teneur de chacun des éléments soit comprise dans les intervalles spécifiés, l'une ou l'autre des » propriétés désirées étant altérées si la teneur de l'un quelconque de ces éléments est située en dehors des limites données ci-dessus. 15 Pour des teneurs en chrome inférieures à 10,5#, la résis tance à la corrosion est peu appropriée tandis que, pour des teneurs en chrome supérieures à 14#, la résistance mécanique aux températures élevées est réduite et la possibilité d'une modification structurale indésirable lors d'une exposition de longue du-20 rée à des températures élevées est augmentée. De préférence, les alliages contiennent 11 à 13»5# de chrome. Les teneurs en aluminium et en titane doivent également être comprises dans leurs intervalles respectifs pour assurer l'obtention d'une résistance mécanique et d'une stabilité structurale 25 satisfaisante et, pour une combinaison optimale de ces propriétés avec la ductilité et la résistance à la corrosion, il doit exister une corrélation entre la teneur totale en aluminium et en titane et la teneur en chrome préférée, cette teneur totale variant en raison inverse depuis 8# pour 11# de chrome jusqu'à 7# pour 13# 30 de chrome. La combinaison optimale de résistance mécanique et de résistance à la corrosion est obtenue avec des teneurs nominales de • 10# de cobalt, 2# de molybdène et 4# de chacun des. éléments tungstène et tantale. 35 Du niobium, pris en dés quantités pouvant atteindre 1#, contribue à. l'obtention de la résistance mécanique et de la résistance à la corrosion de l'alliage.. On obtient des propriétés optimales de résistance mécanique quand la teneur en carbone est comprise entre 0,02 et 0,06# 40 ou entre 0,14 et 0,2#, la résistance mécanique étant un peu infé 69 17861 20Ô9771 rieure pour des teneurs intermédiaires. le bore et le zirconium pris dans les intervalles exposés plus haut améliorent la ductilité des alliages aux températures élevées et, de préférence, les alliages contiennent 0,02$ de bore 5 et 0,1$ de zirconium. Parmi les impuretés habituelles existant dans les alliages nickel-chrome, le fer est indésirable et sa teneur ne doit pas dépasser 3$. les teneurs en plomb, en soufre, en phosphore, en antimoine, en étain, en sélénium, en tellure, en bismuth, en arsenic 10 et en azote doivent être aussi faibles que possible. Le silicium, le cuivre et le manganèse sont également indésirables et ne doivent pas être présents en des quantités dépassant 0,5$ pour chacun de ces éléments. Les alliages sont de préférence élaborés par fusion sous 15 vide et ils sont traités et coulés sous vide. De façon désirable, on prépare par fusion sous vide une coulée-mère qu1on soumet à une nouvelle fusion sous vide et qu'on coule ensuite sous vide pour former des pièces utiles. La coulabilité satisfaisante des alliages est démontrée par le fait que des pièces moulées de section mince, 20 comme des aubes de turbines, peuvent être obtenues facilement avec un bon remplissage du moule. La santé et le fini superficiel des pièces moulées obtenues à partir des alliages sont excellents. On peut obtenir des moulages à grain fin en utilisant des moules inoculés. 25 On peut utiliser les moulages à l'état brut de coulée, mais leurs propriétés aux températures élevées sont améliorées quand on les soumet à un traitement "thermique comprenant un chauffage entre 1120 et 1180°C pendant 1 à 2 heures, suivi d'un vieillissement à une température de 815 à 870°C pendant 2 à 48 heures, par exemple 30 pendant environ 24 heures. Un chauffage intermédiaire à une température de 1024 à 1080°C pendant 2 à 8 heures, par exemple pendant 4 heures, améliore la résistance à la rupture de l'alliage dans l'intervalle de températures de 705 à 815°0. A titre d'exemple, on a préparé six alliages en faisant 35 fondre sous vide des matières de départ brutes, de pureté élevée, et on les a coulés sous vide pour former des alliages-mères qu'on a fait fondre à nouveau sous vide, et qu'on a coulés sous vide dans des moules réfractaires, préchauffés et inoculés, pour former des éprouvettes moulées, y compris des barreaux d'essais coulés à 40 la dimension. Les compositions des alliages sont données dans le 69 17861 2009771 tableau I. Chacun d'entre eux contient également au moins 0,005$ de bore et 0,02$ de zirconium comme résidus d'une addition de 0,02$ de bore et de 0,1$ de zirconium. les alliages sont sensiblement exempts de fer, de silicium, de manganèse, de cuivre et 5 d'autres impuretés. TABLEAU I Alliage n° 1 2 3 4 5 6 o 0,04 0,18 0,18 0,04 0,04 0,04 Or, $ 13 13 11 12 13 13 Co, $ 10 10 10 10 10 10 Ho, $ 2 2 2 2 2 2 v, •$ 4 4 4 6 4 4 Nb, $ 1 — 0,5 1 — 0,5 Ta, $ 2 4 4 2 4 4 Al , $ 4 3 3 4 4 4 Ti, $ 3 4,5 5 3 3 3 Ni, $ * Ct Ct Ct Ct Ct Ct 20 * Ct =s Complément Des pièces coulées à la dimension ont été soumises à un traitement thermique pendant 2 heures à 120°C et pendant 24 heures à 845°C (traitement thermique A) et des échantillons identiques ont été ensuite soumis à des essais de rupture à chaud, à 980°C 25 et sous line tension de 20,4 kg/mm2. Les résultats exposés dans le tableau II sont des moyennes des résultats d'essais exécutés en double. TABLEAU II 30 . Alliage n° (heures) Allongement ($) 1 30 12 2 48 10 3 56 6,5 4 44,5 9 5 39 6 6 47 9 Les résistances à la rupture au fluage apparaissant dans 40 le tableau II sont égales ou supérieures à celles d'autres alliages à base nickel-chrome moulés, alliages qui ont été utilisés avec 69 17861 5 20Ô9771 de bous résultats comme matériaux pour des aubes de turbines à gaz moulées destinées à des moteurs d'avions à réaction de type classique* far exemple, un matériau classique, connu sous le nom d'alliage 7130 (AMS 5391), qui contient 0,12$ de carbone, 12,5$ 5 de chrome, 4,2$ de molybdène, 2$ de niobium, 0,8$ de titane, 6,1$ d'aluminium, 0,012$ de bore et 0,1$ de zirconium, le complément étant du nickel, a une durée jusqu'à rupture de 9 heures, à 980®C et sous une tension de 20,4 kg/mm2. Un autre alliage du commerce, à savoir l'alliage IN 100, qui a été largement utilisé dana la 10 fabrication des aubes de turbines à gaz et qui- contient 0,18$ de carbone, 10$ de chrome, 15$ de cobalt, 3$ de molybdène, 4,7$ de titane, 5,5$ d'aluminium, 1$ de vanadium, 0,014$ de bore et 0,06$ de zirconium, le complément étant du nickel, est élaboré en vue de satisfaire une spécification exigeant une durée jusqu'à rupture 15 minimale de 23 heures à 980°C et sous une tension de 20,4 kg/mm2* On peut voir, en étudiant le tableau II que cette exigence, qui peut être combinée avec un allongement minimal de 4$, a été satisfaite et en réalité considérablement dépassée, par tous les alliages soumis aux essais. 20 L'allongement en traction & 870°C des pièces moulées ob tenues à partir des alliages, au cours d'essais de courte durée après le traitement thermique A est élevé. Ainsi, l'alliage No. 1 montre un allongement de 12$ et une striction de 17$, l'alliage No. 2 un allongement de 18$ et une striction de 24$ et l'alliage 25 No. 3 un allongement de 6$ et une striction de 10$. La ductilité élevée de l'alliage No. 2 est considérée par certains constructeurs de moteurs comme une indication de la bonne résistance à la fatigue thermique dans un alliage pour aubes moulées destinées à des turbines à gaz. 30 En plus d'une résistance mécanique et d'une ductilité élevée^ les alliages de l'invention montrent une résistance remarquable à la corrosion aux températures élevées. Dans- des essais comparatifs, des barreaux courts,, de 10mm2 de section, obtenus à partir de plusieurs alliages, ont été exposés à un mélange salin 35 fondu contenant 80$ de sulfate de sodium et 20$ de chlorure de sodium, à 925°C, dans l'air. Dans ces conditions, les barreaux des alliages 713C et IN 100 ont été détruits en 4 heures, mais les alliages de l'invention n'ont subi: qu'une légère attaque en 300 heures. Les alliages connus ayant une résistance mécanique plus 40 faible et contenant environ 19$ de chrome, par exemple les alliages 69 17861 2009771 vendus sous la marque de fabrique "Waspaloy" et "Udimet 500" subissent une corrosion plus sévère que les alliages de l'invention au cours de cet essai. Ses éprouvettes des alliages No. 1, 2 et 3 montrent éga-5 lement une bonne résistance à la sulfuration et à l'oxydation au cours d'un essai dans lequel on reproduit les conditions régnant dans un moteur de turbine à gaz d'avion, tandis que des éprouvettes similaires de l'alliage 713C et de l'alliage IN 100 sont estimées médiocres. 10 On a également constaté que les alliages No. 1, 2 et 3 possèdent une résistance à l'oxydation satisfaisante au cours d'un essai d'oxydation cyclique dans lequel deB barreaux des alliages de 1cm2' de section ayant une surface spécifique de 12cm2, ont été alternativement chauffés à 980°C à l'air pendant 24 heures et rame-15 nés à la température ambiante pendant 24 heures, ceci pendant 1 000 heures au total. Après ce temps, on a nettoyé les barreaux et on les a pesés, la perte de poids étant donnée dans le tableau III. TABLEAU III Alliage n°. Perte de poids 20 (grammes) 1 0,2263 2 0,1400 3 0,1483 25 6 0,2926 Des barreaux similaires, faits de l'alliage IN 100, ont été complètement détruits par l'oxydation après quelques jours seulement au cours de cet essai, bien que l'alliage 713G supporte 30 un tel essai. ' Les résultats des essais de traction à la température ambiante sur des éprouvettes préparées et traitées thermiquement comme décrit au sujet du tableau II (traitement thermique A) sont donnés dans le tableau IT. 69 17861 7 2009771 10 15 Alliage n°. TABLEAU IV Limite élastique, à 0,2# (kg/ma2) Charge de rupture, à la traction (kg/mm2) A,(%) Striction (*) 1 85,8 112,3 8,0 8,0 3 94,3 112,3 5,0 8,0 4 97,6 119,0 10,0 14,0 5 94,6 110,3 6,0 9,0 Les résultats d'autres essais de rupture à chaud exécutés avec des alliages conformes à la présente invention, en utilisant des éprouvettes préparées comme on l'a décrit au sujet du tableau II, sont donnés dans le tableau V. Le traitement thermique B comprend un chauffage à 1175°G pendant 2 heures, suivi d'un chauffage à 1050°C pendant 4 heures et ensuite d'un chauffage à 843°C pendant 24 heures. TABLEAU V 20 Alliage n°. Traitement thermique Temp. 1' de essai, °G Tension (kg/mm2) Durée jusqu'à rupture (heures) A, (#) Striction (fo) 1 B 980 15,5 145,1 8,9 16 1 B 925 21,A 64,1 10,7 12,3 1 B 760 63,3 304,5 8,0 10,1 2 B 980 9,1 1855,6 8,0 7,0 2 B 815 28,1 *2920+ - - 4 A 925 27,4 83,9 7,1 12,3 4 A 815 28,1 2489,8 8,0 11,6 4 A 760 63,3 351,1 8,9 11,3 5 A 925 28,1 58,0 1î,5 14,3 5 A 815 35,1 ,1502,1 2,7 5,5 5 A 760 63,3 / 160,2 5,3 7,8 6 B 925 27,4 / 76,0 8,9 7,8 6 B 760 63,3 266,2 8,9 11,6 6 A no 63,3 193,9 6,2 7,1 25 30 35 * Eprouvette non r/ompue 69 17861 20Ô9771 Ii* examen de la microstructure des éprouvettes lorsqu* elles ont été soumises à l'essai du tableau V ne fait pas apparaître l'existence de phase sigma. les alliages moulés conformes à l'invention sont avanta-5 geux non seulement pour la fabrication d'aubes de turbines à gaz, mais aussi pour la fabrication d'aubes de tuyères,de matrices ou de poinçons et d'autres outils. 69 17861 80Ô977t BEVEHDIGATIONS 1°) Alliage contenant 10,5 à 14# de chrome, 7 à 11# de cobalt, 1 à 2,5# de molybdène, 3 à 6# de tungstène, 1 à 4# de tantale, 3 à 4# d'aluminium et 3 à 5# de titane, à condition que la 5 somme des teneurs en aluminium et en titane soit comprise entre 6,5 et 8#, 0 à 1# de niobium, 0,005 à 0,05# de bore, 0,01 à 0,25# de zirconium et 0,02 à 0,25#de carbone, le complément, à l'exception des impuretés, étant du nickel. 2°) Alliage conforme à la revendication dans lequel 10 la teneur en carbone est comprise entre 0,02 et 0,6#. 3°) Alliage conforme à la revendication 1, dans lequel la teneur en carbone est comprise entre 0,14 et 0,2#. 4°) Alliage conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en chrome est comprise 15 entre 11 et 13,5# et la somme des teneurs en aluminium et en titane est en relation inverse avec le teneur en chrome, cette somme étant de 8# pour 11# de chrome et de 7# pour 13# de chrome. 5°) Alliage conforme à l'une quelconque des revendications précédentes qui contient nominalement 10# de cobalt, 2# de 20 molybdène, 4# de tungstène et 4# de tantale.