Brevet FR2005594A1 — publié le 19691212

L'invention a pour objet un alliage de nickel, chrôme, cobalt et aluminium et, plus particulièrement bien qutelle ne soit pas cependant aussi strictement limitée, un alliage de nickel, chrôme, cobalt et aluminium, peuvent servir à la fabrication d'une aube de turbine de moteur à gaz, ou d'une ailette (par exemple d'une ailette déflectrice d'un diffiseur de turbine). L'élévation du rapport puissance-poids des moteurs à turbine à gaz modernes, particulièrement dans l'aviation, a été obtenue, partiellement par étapes, pendant la dernière décennie, par un accroissement progressif de la température des gaz qui fournissent l'énergie apportée à la turbine, jusqu'à une valeur atteinte maintenant, de l'ordre de 1.250 C. L'effet de températures aussi élevées des gaz est particulièrement marqué sur les aubes statoriques du prenier étage haute pression, c'est-à-dire sur les ailettes déflectrices de la buse d'entrée, du fait que les gaz chauds provenant du combustible brûlé passent à travers ces ailettes et sont dirigés par elles sur les aubes rotoriquea du premier étage de la turbine. On a utilisé, dans les dernières années, différents procédés de refroidissement des ailettes déflectrices, le plus répandu étant celui qui consiste à prévoir des passages intérieurs d'air de refroidissement0 Toutefois, il existe une limite, à partir de laquelle ce procédé n'est plus opérant. Ainsi, au moment du démarrage de la turbine, la température de la surface du bord d'attaque de chaque ailette deflectrice atteint très rapidement une valeur de pointe élevée. Dans le passé, avec des teupératures moyerules plus basses du moteur, les alliages disponibles pouvaient supporter des tem- pératures de pointe mais, avec l'accroissement de la température moyenne des gaz, les alliages existants ne peuvent plus satisfaire aux obligations que l'on exige d'eux. En fait, dans le dernier type de moteur à turbine à gaz, les ailettes de guidage de la buse d'entrée ont fondu littéralement pendant les essais de, fonctionnement cependant que leur résistance à aux températures élevées, ne stest pas révélée satisfaisante. Le but de l'invention est, par conséquent, de réaliser un pliage pour la fsbrication des aubes, ou des ailettes, ayant une résistance suvwrleure à l'oxydation ccrbinèe a une température élevée de solidification, autrement dit un point de fusion initial, à une résistance élevée au fluage (en d'autres termes l'alliage supporte une contrainte de 2,36 kilos/mm à 1050 C pendant 100 heures) et à une bonne stabilité structurelle, quand il est exposé à des températures élevées de fonctionnement. Un alliage de nickel, de chrome, de cobalt et d'aluminium conforme à l'invention a la composition suivante, en pourcentage et en poids Aluminium 8 à 9,75% Titane (plus Tantale et 0,25 à 1,5% Niobium s'ils sont présents) Aluminium plus Titane (plus Tantale et Niobium 9,25 à 10,65 % s'ils sont présents) Chrome 12 à 14* Cobalt 14 à 18% Zirconium ne dépassant pas 0,10% Carbone ne dépassant pas 0,035% Silicium ne dépassant pas 0,5% Manganèse ne dépassant pas 0,5% Tantale et/ou Niobium ne dépassant pas 0,5% le facteur P constitué par la teneur en chrome, en pourcentage, plus 1/3 de la teneur en cobalt, en pourcentage, étant situé dans la gamme allant de 17,5 à 20 et le pourcentage en poids de la teneur de l'alliage en aluminium ajoutée à celle du titane (plus celles du tantale et du niobium s'ils sont présents) n'étant pas inférieur à- 12,25 - 0,15 X, et ne dépassant pas 13,275 - 0,15 F, le reste étant du nickel, des impuretés et des désoxydants résiduels. -Un alliage conforme à l'invention a une excellente résistance à l'oxydation, une température de solidification de 1310 à 1320 C et une densité approximative de 7,6 g/cm à 20 C. Le facteur I, dont la valeur affecte la stabilité de 1' allia- ge aux températures élevées, se trouve, de préférence, dans la gamme allant de 18 à 19, tandis que le pourcentage en poids de l'aluminium, ajouté à celui du titane (plus ceux du tantale et du niobium) qui affecte le fluage et la résistance aux chocs thermiques de l'alliage, ne dépasse pas 12,80 - 0,15 F, et n'est pas inférieur à 12,4 - 0,15 F. La teneur en titane de l'alliage améliore le rapport contrain te/rupture, et se situe de préférence entre 0s75 et 1stt en poids, l'aluminium étant présent dans l'alliage, pour lui conférer sa résistance inhérente à l'oxydation. La teneur en zirconium, qui est présent pour améliorer la résistance au fluage à haute température, se situe, de préférence, dans une gamme allant de 0,04 à 0,OE7 en poids. La teneur en carbone ne dépasse pas, de préférence, 0,0lr en poids, étant donné que ce composant affecte défavorablement la stabilité de l'alliage, pendant son exposition aux températures de fonctionnement. On donnera maintenant, uniquement à titre d'illustration, plusieurs exemples d'alliages conformes à l'invention. EXEMPLES On a préparé plusieurs alliages, en pourcentage et en poids, la composition indiquée ci-dessous. TABLEAU I % - Composition en poids Fac- Dans le teur cadre de Alli- Cr Co Al Ti Al+ Zr C Ni l'inven age Ti F tion A 13.61 14.54 9.02 1.02 10.04 0.073 0.006 Reste 18.46 oui B 13.74 14.62 8.72 1.15 9.87 0.064 0.01 Reste 18.61 oui C 9.72 14.54 9.62 1.12 10.74 0.080 0.01 Reste 14.57 non D 11.99 15.35 7.51 1.0 8.51 Néant 0.028 Reste 17.1 non E 12.83 14.8 7.87 1.03 8.9 0.068 0.008 Reste 17.76 non F 12.92 14.71 8.26 0.96 9.22 0.068 0.005 Reste 17.86 non G 12.78 14.81 8.77 0.96 9.73 0.068 0.006 Reste 17.72 oui H 12.61 14.72 9.54 1.05 10.59 0.06 0.01 Reste 17.52 oui I 12.38 13.87 9.99 1.11 11.10 0.114 0.062 Reste 17.00 non J 12.10 11.74 10.0 1.19 11.19 0.106 0.052 Reste 16.01 non K 13.92 14.82 8.79 1.12 9.91 0.054 0.006 Reste 18.86 oui L 13.35 15.44 8.93 1.07 10.00 0.052 0.011 Reste 18.50 oui M 15.25 15.18 8.74 1.14 9.88 0.054 0.006 Reste 20.31 non N 12.42 15.24 9.12 1.01 10.13 0.065 0.007 Reste 17.50 oui O 14.00 15.38 8.96 1.03 9.99 0.085 0.004 Reste 19.14 oui P 11.90 14.12 9.91 0.99 10.90 Néant 0.013 Reste 16.61 non Q 13.90 14.77 9.49 1.00 10.49 0.058 0.015 Reste 18.82 non R 13.97 14.99 8.45 1.08 9.53 0.062 0.005 Reste 18.96 oui On notera que les alliages C, D, E, F, I, J, X, et P sont en dehors du cadre de l'invention, en raison des quantités des élé- ments suivis d'un astérisque. En outre, l'alliage Q est aussi en dehors du cadre de l'invention, puisque la teneur en aluminium ajoutée à celle du titane (10, 49%) dépasse la valeur 13,275-0,15F qui est égale à 10,45. Ces alliages C, D, E, F, I, J, M, P, et Q sont cependant portés sur le tableau, pour permettre des comparaisons. Les éprouvettes d'essai des alliages A et B ont été soumises à l'oxydation à l'air, pendant 50 heures à 1200 C, et on a mesuré la profondeur totale de la pénétration de l'oxydation. Les résultats de ces mesures ont été, respectivement, pour les alliages A et B, de 0,02032 mm et 0,0119304 mm. Un essai analogue, fait à titre comparatif sur des alliages &gamma; et # dont la composition est portée sur le tableau II ci-dessous, et qui sont couramment utilisés comme alliages à haute température dans les moteurs à turbine à gaz, ont montré des profondeurs de pénétration de l'oxydation de 0,12D650 mm et de 0,168910 mm. T A B L E A U II Alliage : p Composition en pieds Cr Co C Ni Mo Si Mn W &gamma; 21,5 10.25 0.31 Reste 10.5 0.3 0.35 Néant 25.5 Reste 0.50 10.5 Néant 1.0 1.0 7.5 # max. max. La résistance à l'oxydation de l'alliage B a été mesurée par le procédé connu de la perte de poids, et son résultat est comparé ci-dessous, avec ceux d'essais semblables exécutés sur les allia ges &gamma; et # : T A B L E A U III Perte de poids en mg/cm après exposition Alliage pendant 300 heures à la température de : 750 C 950 C 1050 C &gamma; 0.75 2.0 6.5 # 2.0 3.8 . 15 + ss 0.15 1.05 1.065 Comme on peut le voir, la perte de poids, (et par conséquent l'oxydation) de l'alliage X, est à toutes les températures, substantiellement inférieure à celle des alliages du commerce Y et En outre, l'élévation de la température de 950 C à 1050 C, n'accroît pas de façon appréciable la vitesse d'oxydation de l'allia- ge B, mais elle la multiplie plusieurs fois, quand il stagit des alliages du commerce. T A B L E A U IV Nombre de cycles jusqu'à détérioration Alliage 950 C 1050 C 1150 C A 76 67 47 D 3 1 1 E 12 6 2 F 45 13 5 G 34 35 18 R . 97 : 108 : 86 I 5 4 2 J 8 5 3 Comme on peut le voir en examinant le tableau IV ci-dessus, la résistance aux chocs thermiques, est beaucoup plus grande que celle des alliages D, E, F, I et J, qui ne font pas partie de l'invention. Sur le tableau V ci-dessous, la résistance aux chocs thermiques de l'alliage A, qui entre dans le cadre de l'invention, est comparée à celle des alliages &gamma; et t , du commerce. T A B L E A U V Nombre de cycles jusqu'à détérioration aux Alliage températures indiquées. 950 C 1050 C 1150 C &gamma; 84 62 28 # 104 52 41 Alliage A brut de coulée 76 67 47 Comme on peut le voir, la résistance aux chocs thermiques de l'alliage A, se compare favorablement à celle des alliages &gamma; et # particulièrement aux températures élevées. Sur le tableau VI ci-dessous, on a porté les résultats d'essais aux chocs thermiques, effectués sur les alliages A et C, qui sont, respectivement, à l'intérieur et à 1'extérieur du cadre de l'invention. TABLEAU VI Nombre de cycles jusqu'à détérioration Alliage : à 950 C à 1050 C à 1150 C Alliage A à . 76 67 47 létat brut de : coulée Alliage A après 311 h. à 100 C 87 63 43 Alliage C à l'é tat brut de 51 20 15 coulée Alliage C après 311 h. à 1000 C 33 9 5 Comme on peut le voir, la résistance aux chocs thermiques de l'alliage A n'est pas grandement affectée par son exposition aux températures de fonctionnement, tandis que celle de l'alliage C est très affectée, Ainsi, la stabilité de l'alliage A aux températures élevées, est notablement supérieure à celle de l'alliage C. Sur le tableau VII ci-dessous, on a comparé la contrainte à la rupture de l'alliage L, à celle de l'alliage du commerce Y T A B L E A U VII Contrainte (en Kg/mm2) qui provoque la rupture Alliage en 100 heures aux températures indiquées. 850 C 950 C 1050 C &gamma; # 9,42 5,02 2,67 L # 14,13 7,22 2,67 Comme on peut le voir, la contrainte qui provoque la rupture de l'alliage L, est au moins aussi élevée que celle de l'alliage &gamma;. T A B L E A U VII Dans le cadre de Durée jusqu'à la rupture Alliage (en tures) à 2 tonnes l'invention et 50 C. K oui o 48 oui 50 non non 22 N oui o 80 0 oui 40 P non 9 Q non 10 R oui 75 Ici encore, on peut voir que, pour autant qu'il s'agisse de la contrainte au moment de la rupture, les alliages K, L, N, O et 5, qui sont inclus dans le cadre de l'invention, sont supérieurs aux alliages M, P et Q qui ne font pas partie de l'invention. I1 ressort de ce qui précède, que les alliages de l'invention combinent de façon satisfaisante la résistance à la rupture et aux chocs thermiques, avec une résistance à l'oxydation et une stabilité aux températures élevées, exceptionnellement bonnes. Bien entendu, l'invention ntest pas limitée aux termes de la description qui précède, mais elle en comprend, au contraire, toutes les variantes à la portée d'un homme de métier. REVENDICATIONS 10) Alliage de nickel, chrome, cobalt et aluminium, caractérisé par la composition suivante, en pourcentage et en poids Aluminium 8 à 9,7 Titane (plus Tant ale et Niobium s'ils sont présents) 0,25 à 1,5% Aluminium plus Titane (plus Tantale et Niobium 9,25 à 10,65% s'ils sont présents) Chrome 12 à 14% Cobalt 14 à Zirconium ne dépassant pas 0,10* Carbone ne dépassant pas 0,035% Silicium ne dépassant pas 0,2 Maganèse ne dépassant pas 0,5% Tantale et/ou Niobium ne dépassant pas 0,5p le facteur F étant constitué, en pourcentage, par la teneur en chrome plus 1/3 de celle en cobalt, et étant compris dans une gamme allant de 17,5 à 20, et le pourcentage en poids du contenu de l'alliage en aluminium ajouté au titane (plus le tantale et le niobium, si ceux-ci sont présents) n'étant pas inférieur à 12,25 0,15 F, et n'excédant pas 13,275 - 0,15 P, le reste étant du nickel, des impuretés et des désoxydants résiduels. 20) Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le facteur F est situé dans une gamme allant de 18 à 19, tandis que le pourcentage en poids de l'aluminium ajouté au titane (plus le tantale et le niobium) n1 excède pas 12,80-0,15 P, et n'est pas inférieur à 12,4-0,15 F. 30) Alliage selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la teneur en titane, en poids, est comprise entre 0,75 et 1,2%. 4 ) Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en zirconium, an poids, est comprise dans une gamme allant de 0,04 à 0,08%. 5 ) Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé-en ce que la teneur en carbone en poids ne dépasse pas 0,01%.