Brevet FR2238769A1 — publié le 19750221

La présente invention se rapporte à de nouveaux alliages à base de nickel qui présentent d'excellentes proprietés de résistance mécanique, de stabilité, de ductilité et de résistance à la corrosion, à la sulfuration et à l'oxydation à des températures élevées et qui sont utiles pour la fabrication de pales, d'aubes et de roues de turbine coulées. Les alliages à base de nickel de l'invention contiennent de petites quantités, néanmoins significatives, de tungstène et de molybdène pour renforcer la solution solide; de chrome pour augmenter la résistance à l'oxydation et à la sulfuration; de tantale pour renforcer la solution solide et les carbures; d'aluminium et de titane pour améliorer la résistance par précipitation d'une fine phase dispersée, de phase gamma prime Ni3 (Ai, Ti) et d'hafnium pour assurer une résistance et une ductilité intermédiaires et une meilleurs résistance à l'oxydation. Les alliages ayant les compositions suivantes sont considérés comme entrant dans le cadre de la présente invention, les proportions étant exprimées en pour-cents en poids, le reste étant du nickel, à l'exception de quelques impuretés accidentelles. C - 0,30 max. Hf - 0Z1-3 Cr " 11-15 Ti - 3,5-4,5 Co - 8-12 Al - 3-4 Mo - 1-2p5 Ti + Al - 7-8 W - 3-10 B - 0,005-0,025 Ta - 3Z5-10 Zr - 0,05-0,4 Ni : le reste Une gamme préférée d'alliages est la suivante C - t25 max. Hf - 0,4-3 Cr - 11-13.5 Ti - 3,5-4,5 Co - 8-11 Al - 3-4 Mo - 1-2,5 Ti + Al - 7-8 W - 3-5 B - 0,005-0,025 Ta - 375-8 Zr - 0,05-0,4 Ni : le reste Une gamme encore préférable d'alliages a pour formule (les pourcentages étant en poids) C - 0,10-0,22 Hf - 0,75-1,25 Cr - 12,2-13,5 Ti - 3,9-4,2 Co - 8,5,9,5 Al - 3,2-3,6 Mo - 1,85-2,05 Ti + Al - 7,25-7,70 W - 3,65 B - 0,01-0,02 Ta - 3,65-8 Zr - ,08-,25 Ni : le reste Les alliages exemplaires conformes aux enseignements de 11 invention ont les compositions indiquées dans le tableau ciaprès TABLEAU I Coulée N C Cr Co Mo W Ta Hf Ti Al Ti+Al B Zr Ni I 0,15 12,50 9,35 1,94 3,99 3,86 1,10 3,96 3,57 7,53 0,015 0,17 le reste II 0,15 12,50 9,35 1,94 3,99 3,86 2,23 3,96 3,57 7,53 0,015 0,21 " III 0,23 12,80 8,68 1,97 4,00 3,77 0,49 4,32 3,28 7,60 0,016 0,13 " IV 0,23 12,38 8,68 1,97 4,00 3,77 1,07 4,32 3,28 7,60 0,016 0,16 " V 0,23 12,38 8,68 1,97 4,00 3,77 1,55 4,32 3,28 7,60 0,016 0,14 " VI 0,23 12,38 8,68 1,97 4,00 3,77 1,80 4,32 3,28 7,60 0,016 0,20 " VII 0,23 12,38 8,68 1,97 4,00 3,77 0,44 4,32 3,28 7,60 0,016 0,14 " VIII 0,20 12,31 9,18 1,94 3,72 4,05 1,06 4,08 3,38 7,46 0,014 0,15 " IX 0,20 12,31 9,18 1,94 3,72 4,05 2,26 4,08 3,38 7,46 0,014 0,22 " X 0,20 12,31 9,18 1,94 3,72 4,05 2,16 4,08 3,38 7,46 0,014 0,21 " XI 0,20 12,31 9,18 1,94 3,72 4,05 1,16 4,08 3,38 7,46 0,014 0,16 " XII 0,19 12,66 9,42 1,92 3,75 3,86 2,40 4,01 3,27 7,28 0,015 0,22 " XIII 0,15 12,50 9,88 2,04 3,95 5,0 1,13 3,96 3,22 7,18 0,013 0,10 " XIV 0,15 12,50 9,88 2,04 3,95 6,0 1,13 3,96 3,22 7,18 0,013 0,10 " XV 0,20 13,35 9,88 1,91 3,87 8,0 1,20 4,18 3,21 7,39 0,012 0,11 " TABLEAU I (suite) Coulée N C Cr Co Mo W Ta Hf Ti Al Ti+Al B Zr Ni XVI 0,20 13,35 10,88 1,91 3,87 6,0 1,20 4,13 3,21 7,39 0,012 0,11 le reste XVII 0,20 13,35 10,88 1,91 3,87 7,0 1,20 4,18 3,21 7,39 0,012 0,11 " XVIII 0,20 13,35 10,88 1,91 3,87 8,0 1,20 4,18 3,21 7,39 0,012 0,11 " XIX 0,15 12,87 9,49 2,01 4,01 4,0 1,05 4,10 3,23 7,33 0,013 0,11 " XX 0,15 12,87 9,49 2,01 3,01 7,50 1,05 4,10 3,23 7,33 0,013 0,11 " XXI 0,15 12,87 9,49 2,01 7,50 5,0 1,05 4,10 3,23 7,33 0,013 0,11 " XXII 0,15 12,87 9,49 2,01 10,0 5,0 1,05 4,10 3,23 7,33 0,013 0,11 " XXIII 0,16 12,60 9,40 2,0 3,97 3,85 0,50 4,0 3,55 7,55 0,020 0,10 " XXIV 0,21 12,80 9,40 2,19 4,0 4,08 1,95 4,05 3,25 7,30 0,014 0,10 " XXV 0,21 12,80 9,40 2,19 4,0 4,08 1,95 4,05 3,25 7,30 0,014 0,15 " XXVI 0,21 12,80 9,40 2,19 4,0 4,08 1,95 4,05 3,25 7,30 0,014 0,20 " XXVII 0,09 12,30 9,10 1,87 7,40 4,94 1,25 4,18 3,35 7,53 0,012 0,12 " XXVIII 0,05 12,30 9,10 1,87 4,90 4,98 1,25 4,18 3,35 7,53 0,012 0,12 " XXIX 0,27 12,40 9,00 1,87 7,40 4,90 1,15 4,06 3,20 7,26 0,013 0,11 " Après la fusion sous vide, on a coulé des alliages indiqués ci-dessus de manière à produire des barreaux d'essai que l'on a soumis à des essais de rupture selon les spécifications de la norme américaine ASTM E139.On a soumis ces barreaux à des traitements thermiques avant les essais comme suit : on les a chauffés à 11200C pendant deux heures puis on les a refroidis à l'air, on les a réchauffés à 8400C et on les a tenus à cette température pendant quatre heures avant de les refroidir à l'air, on les a réchauffés une nouvelle fois à 7600C et on les a maintenus à cette température pendant 16 heures puis refroidis à l'air. Après le traitement thermique ci-dessus, on a soumis chacun des barreaux représentatifs de chacune des coulées ci-dessus, 2 à des essais de limite de résistence à 760 C/6330 kg/cm, 760 C/ 7030 kg/cm, 930 C/2800 kg/cm et 980 C/2000 kg/cm. Les résultates sont -indiqués dans le tableau II ci-après et il est à noter que les données de parois épaisses se rapportent à des résultats obtenus avec des éprouvettes pleines de 6,35 n de diaaètre. Les données de parois minces concernent des éprouvettes tubulaires dont la paroi a une épaisseur de 1 mm.D'autre part, les données relatives aux parois épaisses ou aux éprouvettes pleines reflètent les pXo- priétés mécaniques de fortes sections comme celles pouvant être représentées par les pieds des aubes de turbine. Les propriétés des éprouvettes minces ou tubulaires reflètent les propriétés mécaniques des sections relativement minces, comme celles pouvant être représentées par les aubes de turbine à noyau ou creuses. Les données concernant les parois minces proviennent d'essais à 930 C/2460 kg/cm. TABLEAU II RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Coulée 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince N Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg. Durée Allg. (Hres) %) (Hres) (%) (Hres) (%) I 462 4 163 3 72 5 483 5 99 5 II 382 7 79 9 III 225 5 99 10 87 10 106 10 IV 211 5 106 10 180 5 V 73 3 119 5 48 8 VI 208 4 77 9 VII 277 4 65 7 419 5 121 3 TABLEAU II (suite) RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Cou- 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince lée Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm N (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg.t Durée Allongemt (hres) (%) (Hres) (%) (Hres) (%) VIII 286 5,5 50 8 408 6 37 6 IX 530 3 45 10 38 6 36 7 X 505,7 7,5 71 8 50 6 56 7 XI 273 4 60 7,5 97 8,0 XII 160 8 153 6 XIII 97 5 88 6 44 5 41 6 TABLEAU II (suite) RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Cou- 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince lée Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm N (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg.t Durée Allongemt (hres) (%) (Hres) (%) (Hres) (%) XIV 159 5 129 9 61 8 58 5 XV 70 4 53 4 48 6 46 3 56 4 49 6 49 3 XVI 104 8 62 7 22 8 63 8 27 10 XVII 130 8 93 7 38 10 45 9 XVIII 35 9 37 8 XIX 130 9 72 9 53 6 203 8 58 6 TABLEAU II (suite) RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Cou- 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince lée Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm N (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg.t Durée Allongemt (hres) (%) (Hres) (%) (Hres) (%) XX 149 4 50 6 64,4 6,0 174 4 28 9 70,6 5,0 178,0 5,0 XXI 142 4 43 10 129 5 224 5 79 5 189 5 81 7 254 5 XXII 224 5 45 5 101 N/A 51 8 137 6 XXIII 113 4 39 4 116 3 67 4 XXIV 144 9 109 10 167 6 88 10 99 10 TABLEAU II (suite) RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Cou- 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince lée Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm N (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg.t Durée Allongemt (hres) (%) (Hres) (%) (Hres) (%) XXV 181 15 65 N/A 71 8 XXVI 172 6 79 10 168 8 83 8 80 9 XXVII 163 5 59 8 60 3 157 7 58 5 68 4 XXVIII 130 4 119 8 60 10 111 5 212 6 75 9 61 9 125 5 125 9 TABLEAU II (suite) RESULTATS DES ESSAIS DE LIMITE DE RESISTANCE C103 Cou- 760 C/6330kg/cm 760 C/6680kg/cm Paroi épaisse 930 C/2800kg/cm 780 C/2000 Paroi mince lée Durée Allongemt Durée Allongemt 760 C/7030kg/cm Durée Allongemt kg/cm 930 C/2460kg/cm N (hres) (%) (hres) (%) Durée Allongemt (hres) (%) Durée Allg.t Durée Allongemt (hres) (%) (Hres) (%) (Hres) (%) XXIV 110 4 81 5 122 4 133 5 61 8 184 4 212 5 INCO 713 16 6 5 4 20 12 MAR-M 421 50 3 20 3 15 15 IN792 255 7,5 75 7 75 9 Les valeurs correspondantes se rapportant à trois allia ges connus du commerce sont annexées au tableau II aux fins de comparaison. Le INCO 713C est indiqué comme étant un alliage ayant la composition suivante : C Cr Mo W Cb Ti Al Zr B Ni 0,14 13,0 4,5 0,20 2,0 0,75 5,75 0,05 0,012 le reste Le MAR-M-421 est signalé comme étant un alliage ayant la composition suivante C Cr Co Mo W Cb Ti Al Zr B Ni 0,15 15,8 9,5 2,0 3,8 2,0 1,8 4,3 0,05 0,015 le reste Le INCO IN792 est indiqué comme étant l'alliage décrit dans le brevet américain N 3 619 182. Le tableau III présente les propriétés de résistance â la -traction des alliages de l'invention, ayant subi le traitement thermique spécifié ci-dessus, à la température ambiante après avoir été coulésen barreaux d'essai ou en éprouvettes. TABLEAU III RESULTATS D'ESSAIS DELTA RESISTANCE A LA TRACTION A LA TEMPERATURE AMBIANTE C103 Coulée Limite de Limite Allongement Allongement à la N rupture élastique (%) rupture (%) VIII 181?4 169?2 3,5 3,2 172t5 16379 3t5 INCO 713C 123 106 7,9 llt6 MAR-M 421 150 130 3,5 5 Les valeurs se rapportant aux mêmes alliages du commerce sont annexées au tableau aux fins de comparaison. Les tableaux IV et V indiquent respectivement les résultats d'essais cycliques d'oxydation effectués à 9500C et d'essais de corrosion à chaud effectués à 9000C. TABLEAU IV RESULTATS D'ESSAIS CYCLIQUES D'OXYDATION Matière Changement de poids (mg/cm) après 24 heures à 950 C. Coulée VIII 1,15 Coulée IX 0,95 INCO 713C -4,40 MAR-M-421 -2Z20 TABLEAU V RESULTATS D'ESSAIS DE CORROSION A CHAUD Profondeur d'attaque ( ) après 150 Matière heures à 9000C dans une solution saline à 6 ppn Coulée VIII 107 INCO 713C 600 MAR-M-421 380 Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples représentés et décrits sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Alliage à base de nickel qui présente d'excellentes propriétés de résistance mécanique de ductilité, de résistance à la sulfuration et à l'oxydation et une grande stabilité aux températures élevées et qui a essentiellement la composition suivante, dans laquelle les pourcentages s'entendent en poids C - 0,30 max. Cr - 11-15 Co - 8-12 Mo - 1-2t5 W - 3-10 Ta - 3,5-10 Hf - 0Z01-3 Ti - 3,4-4,5 Al - 3-4 Ti+Al- 7-8 B - 0,005-0,025 Zr - 0,05-0,40 Ni - le reste 2. Alliage à base de nickel qui présente d'excellentes propriétés de résistance mécanique de ductilité; , de résistance à la sulfuration et à l'oxydation et une grande stabilité aux températures élevées et qui a essentiellement la composition suivante, dans laquelle les pourcentages s'entendent en poids C - 0,25 max Cr - 11-13,5 Co - 8-10 Mo - 1-2t5 W - 3-5 Ta - 3,5-5 Hf - 0,4-3,0 Ti - 3,5-4,5 Al - 3-4 Ti+Al- 7-8 B - 0r005-0Z25 Zr - 0,05-0,40 Ni - le reste 3.Alliage à base de nickel qui présente d'excellentes propriétés de résistance mécanique de ductilite, ) de résistance à la sulfuration et à l'oxydation et une grande stabilité aux températures élevées et qui a essentiellement la composition suivante, dans laquelle les pourcentages s'entendent en poids C - 0,10-0,22 Cr - 12,20-13,00 Co - 8,50-9,50 Mo - 1,85-2,05 W - 3s65-4r05 Ta - 3,65-4,05 Hf - 0,50-2,50 Ti - 3,90-4,20 Al - 3,20-3,60 Ti+Al- 7,25-7,70 B - 0,010-0,020 4. Alliage à base de nickel qui présente d'excellentes propriétés de résistance mécanique de ductilité de résistance à la sulfuration et à 1'oxydation et une grande stabilité aux tem- pératures élevées et qui a essentiellement la composition suivante, dans laquelle les pourcentages s'entendent en poids : C - 0,10-0,22 Cr - 12t2-13t5 Co - 8,5-9,5 Mo - 1,85-2,05 W - 3Z65-8 Ta - 3t65-8 Hf - 0,75-1,25 Ti - 3,9-4,2 Al - 3,2-3,6 Ti+Al- 7Z25-7 B - 0,010-0,020 Zr - 0,08-0,25 Ni - le reste