Brevet FR2056900A1 — publié le 19710507

i 2056900 la présente invention concerne tin alliage et les pièces coulées avec ledit alliage, lesdites pièces coulées étant plus spécialement destinées à servir d'aubes dans des moteurs à turbine à gaz. 5 II est connu que des additions de hafnium à des alliages à haute température à base de Nickel, utilisables pour la coulée de pièces, sont efficaces pour remédier à certaine défauts et insuffisances<> La présente invention a pour but de 10 surmonter les défauts et insuffisances dans les coulages d'un alliage particulier qui fut primitivement élaboré sous forme d'alliage en barre traitable par la chaleur, c° est~à=dire5 d'alliage destiné à être travaillé après avoir été initialement coulé en billette ou autre forme grossière, puis traité par la chaleur pour obtenir 15 de bonnes propriétés à haute température. La composition nominale en pourcentages pondéraux de cet alliage est la suivante» Carbone 0,08 $ Titane 3,5 Chrome 15,0 # Aluminium 4,3 20 Cobalt 18,5 % Bore 0,03 % Molybdène 5,2 % Nickel Complément Cet alliage particulier, nommé par la suite "Alliage Z" est courammentutilisé à la coulée pour réaliser des pièces variées soumises à des hautes températures. 25 Lorsque l'alliage Z coulé doit être utilisé pour certaines aubes de second étage dans la section de turbine d'un moteur à gaz, le fabricant du moteur demande que les échantillons usinés à partir des aubes (spécimens: m f b) et traités par la chaleur, dans une solu~ tion à 1163°C pendant deux heures, refroidis a a four à raison de 30 55,6°C, par heure jusqu'à 1070oC, ramenés à température ambiante puis maintenus à 760°C pendant 16 heures, présentent une durée vie à la rupture d'au moins 23 heures avec au moins 4 % de fluage préalable (allongement au moins une heure avant la rupture) lorsqu1 p ils sont essayés à 760°C sous une pression de 5980 kg/cm et une 35 durée de vie d'au moins 23 heures avec au moins 5 % de fluage préa~ lable lorsqu'ils sont essayés à 871°C sous une pression d'environ 3375 kg/cm2. Habituellement, il n'y a pas de problème de qualification d'un métal pour satisfaire à l'essai à 40 871°C mais fréquemment pour aucune raisons apparente certains lots 25891 2 2056900 ne satisfont pas aux essais à 760°C. II n'apparaît pas de différent-ces notables dans la composition ou le traitement entre les lots d'alliage Z ayant satisfait aux essais et ceux n'y ayant pas sa-» tisfait. Le défaut de certains lots d'alliage Z de répondre aux 5 essais permettant l'emploi sous forme d'aubes de turbine de second étage est un phénomène particulièrement enmçreux parce que' le fabri-cant de l'alliage n'a aucun moyen de surmonter le problème. De plus, si l'on admet l'hypothèse selon laquelle les lots non acceptables contenaient quelques contaminants inconnus, le fabricant d'alliage renonce à l'utilisation du métal de tels lofes sous forme diluée de crainte d'étendre la contamination. L'alliage de l'invention est carac-térisé en ce qu'il contient de 0,8 °/o à 2 % en poids de hafnium, avec cet alliage les défauts des lots non acceptables aux essais ci-dessus sont 15 pratiquement éliminé , pourvu que le soin nécessaire soit approté dans la formulation et le traitement de l'alliage. La présente invention s'étend également aux pièces coulées faites avec ce nouvel alliage." D'une manière générale,- la présente 20 invention se rapporte à des alliages dont la composition chimique se situe dans l'intervalle rapporté au tableau I ( en pourcentages pondéraux). Tableau I Carbone 0,05 - 0,13 °/° Aluminium 3,5 - 4,5 f° 25 Chrome 13 =17 Bore 0,005-0,05 % Cobalt 15 =20 % Zireonium jusqu'à 0,3 i° Molybdène 4,5 = 6 fo Hcixnium 0,8 = 2 % Titane .3 = 4 i<> iNic&e-L pratiquement le com plément 30 Laalliage conforme au tableau I peut aussi contenir de petites quantités d'impuretés'et d'éléments fortuits associés habituellement avec les ingrédients ci-dessus ; de telles impuretés et éléments fortuits sont supposés être inclus dans le terme "pratiquement™, un tel terme modifiant l'expression 35 "le complément de Nickel"« L'alliage du tableau I est fabriqué en fondant les composants de l'alliage, en introduisant, si on le souhaite, graduellement et sélectivement, des déchets et chutes, dans un four "à induction sous vide, la coulée s'effectuant, sous 40 vide, dans des moules de "précision de forme appropriée. On laisse. rnoy 70 25891 2056900 30 35 le métal se solidifier et se refroxdir, les. :n ;.e retire des moue- Après que les amorces de coulée et les évents aient été éliminés des pièces coulées, tes pièces sont trai-5 tées thermiquement en solution de 1149°C à 11T7°C durant environ deux heures, refroidies au four- à une vitesse d'environ 55,6 °G par heure jusqu'à environ 1080°C, puis refroidies librement à température ambiante. Par la suite, les objets sont 2*échauffés à environ 760°C et maintenus, par exemple pendant 16 heures, pour que s'effec-10 tue la précipitation de la phase gamma prime dans la structure de 11 alliage. les avantages des alliages de la présente invention sont mieux illustrés par la description d'un cas d'une coulée particulière de-l'alliage Z. Cette coulée avait la 15 composition suivante en pourcentage en poids. 0,06 Carbone Chrome 14,4 Ccbalt 15,0 Molybdène 4,29 Fer 0,13 Manganè se Nickel complément Titane 3,26 Aluminium 4,5 Bore 0,018 Z ir c- onium 20 Cuivre 0,1 le métal de ce lot a été coulé en faisceaux d'aubes de turbine. Des échantillons prélevés et traités par la chaleur et soumis à des tests de qualification à ?60°C sous 2 une pression de 5980 kg/cm ont donné les résultats rapportés au 25 tableau II. Faisceau 1 2 ■z; Tableau II Vie moy enne ( heure s ) 15.7 •6.7 15.9 37.6 Fluage préalable moyen {fo) 2.30 1.46 1.92 3.08 40 les données du tableau II montrent que ce lot de l'alliage Z n'est pas ac-eeptable par un fabricant de moteur à turbine à gaz. Une analyse stat.istique des données du tableau II montre que sur un. très grand nombre d'échantillcrs prélevés dans cette coulée d'alliage Z, plus de 99,9 % de ces échantillons n'atteignaient pas le critère de 4 % de fluage préalable. Bien plus, seulement environ 33 ^ des échantillons pouvaient être espérés, dépasser"la nécessité d'au moins 23 heures de durée de vie à la BAD ORIGINAL ' eopyl t 25891 4 2056900 15 20 25 50 35 rupture. On ajoute un et demi pourcent de hafnium à la coulée particulière de l'alliage Z, alliage qui présentait les résultats rapportés au tableau II. La coulée modifiée avait la composition suivante (en pourcentages pondéraux). 10 Carbone 0,06 Aluminium .4,43 Fer 0,13 Chrome 14,2 Bore 0,018 Manganèse 0,1 Cobalt 14,8 Zirconium 0,03 Silicium 0,1 Molybdène 4,23 Cuivre 0,1 Soufre 0,004 Titane 3,21 , Hafnium 1,45 Nickel complément" l'alliage modifié fut versé dans un faisceau d'aubes de turbine identiques aux faisceaux formés avec l'alliage non modifié. Des échantillons furent prélevés et traités exactement de la même manière que précédemment, les résultats des o essais de fluage à 760°C et 5980 kg/cm avec -ces faisceaux, sont rapportés dans le tableau III. Tableau III Aube H"0 1 2 3 4 5 Vie à la rupture (heures) 53.3 76.0 81.0 94.4 88.8 Fluage préalable (*) 4.30 6.49 6.64 8.64 6.35 40 Une analyse statistique des données du tableau III montre que si l'on prélevait un très grand nombre d'échai tillons dans l'alliage modifié, plus de 95 % de tels échantillons présentaient plus de 4 ^ de fluage préalable et plus de 99 i° de tels échantillons présentaient une durée de .vie à la rupture excédant 23 heures, les données du tableau III montrent clairement que par l'inclusion d'environ 1,5 % de hafnium. dans la coulée inacceptable de l'alliage Z, cette coulée inacceptable était transformée en une coulée clairement acceptable suivant le critère stipulé par -le fabricant de moteur à turbine à gaz; les avantages de la présente invention sont obtenus lorsque les alliages de l'invention contiennent d'environ 0,8 à 2 ^ et même plus de hafnium. l'inclusion de hafnium dans lesdits alliages n.' est pas connue pour diminuer de manière significative les propriétés utiles de l'alliage Z et est hautement avantageuse en ceci qu'elle élimine, pour tout but pratique, 25891 5 2056900 les coulées d'alliage Z qui, pour aucune raison apparente, n'atteignent pas.la qualité nécessaire pour leur utilisation comme aubes de turbine • le nouvel alliage Z, modifie selon 5 la présente invention, peut-être avantageusement utilisé sous forme usinée aussi bien que sous forme coulée et est utile dans la fabrication. de pièces soumises, lors de leur utilisation, à des efforts à haute température, par exemple des aubes de.turbine à gaz et d'autres éléments de turbine à gaz. 10 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on.pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 70 25891 2056900 REVENDICAl IONS 10) Alliage à traitement thermique du type comprenant en poids 0,05 $ à 0,13 i° de carbone, 13 % à 17 f° de chromes 1 5 % à 20 $ de cobalt, 4,5 i° à 6 $ de molybdène, 3 i° à 5 4 f° de titane, 3,5 i° à 4,5 f° d'aluminium, 0,005 à 0,05 i° de bore, jusqu'à 0,3 i° de zirconium, le reste étant du nickel, alliage carac~ térisé en ce qu'il contient comme additif spécial 2 $ de hafnium. 2°) Alliage suivant la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend 0,08 3°) Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend 0,06 % de carbone, 14,2 fo 15 de chrome, 14,8 % de cobalt, 4,23 i° de molybdène, 3,21 fo de titane, 4,43 i° d'aluminium, 0,018 $ de bore, jusqu'à 0,03 f° de zirconium, jusqu'à 0,1 io de cuivre, 0,13 % de fer, jusqu'à 0,1 $ de manganèse jusqu'à 0,1 io de silicium, 0,004 i° de soufre, 1,45 i° de hafnium, le complément étant essentiellement du Nickel. 20 4°) Procédé pour réaliser la coulée de l'alliage de la revendication 1, caractérisé en ce cu'on fond les composants à allier dans un four à vide, on verse l1alliage fondu, toujours sous vide, dan un moule de précision, on laisse refroidir l'objet efconle retire du moule, après quoi on soumet ledit 25 objet à un traitement thermique pendant environ deux heures à 1149=1177°C, suivi d'un refroidissement à la vitesse de 55,6° par heure jusqu'à 1080°C puis on le refroidit à température ambiante, on le réchauffe à environ 760°C et on le maintient à cette tempéra-» ture pour effectuer la précipitation de la phase gamma prime. 30 5°) Alliage suivant la revendica tion 1, caractérisé en ce que les composants à allier comprennent des déchets et reverts. fiKD ORIGINAL