Brevet FR2230747A1 — publié le 19741220

ta présente invention concerne la métallurgie des nonferreux et a pour objet un alliage réfractaire à base de nickel pouvant être utilisé pour la fabrication de disques, déflecteurs, frettes et autres pièces soumises à de fortes charges dans la partie chaude des turbines pour moteurs à réaction et turbopropulseurs, travaillant à des températures élevées, de 750 à 85000 ; il peut aussi être utilisé dans d'autres branches de la technique, notamment dans la construction des turbines fixes. Par son niveau de réfractairité dans l'intervalle de températures de travail le plus important (650-8000C) pour des disques de turbines, l'alliage proposé est supérieur de 20 à 25% aux alliages pour disques fabriqués en série tant en URSS qu'à l'étranger (par exemple : Nimonic-105, Astroloy, Udimet-500), ce qui permet d'accroître la température de travail des disques de 50 à 1000C et de réduire le poids des pièces de la partie chaude des turbines de 10 à 12% et, par conséquent de réduire notablement le poids des- éléments des appareils volants, d'augmenter leur. fiabilité et leur- longévité. On connaît un alliage à base de nickel pour fonderie (brevet anglais nO 1 029 865, cl.C7A ), contenant en poids : 0,1 à 0,2% de carbone, 4 à 5,5% de chrome, 2 à 7% de titane, 2 à 8% d'aluminium, 8 à 20% de tungstène, O à 6% de molybdène, 5 à 15 % de cobalt, 0 à 3% de tantale -; 0,01 à 0,1 % de bore, 0,01 à 0,1% de Zirconium, le reste étant du nickel. Toutefois, cet alliage contient des éléments coûteux et à disponibilité limitée, tels que le tantal et le tungstène. En outre la présence dans l'alliage indiqué de 8 à 20 % de tungstène augmente le poids des pièces finies par site de sxn grand poids spécifique ( = = 19,2 g/cm3 ). te tungstène contribue, de-plus, à la formation d'une structure de liquation grossière, tant dans les pièces moulées que dans celles matricées. On connaît aussi un alliage à base de nickel (brevet anglais nO 1 075 216, cl. 07A ), contenant en poids : 0,02 à 0,1% de carbone, 10 à 17% de chrome, 11 à 16% de cobalt, 5 à 8% de molybdène, 2,5 à 5,2% d'aluminium, 0 à 1,73 de titane, 1 à 3,5% de niobium,.G à 2,0% de vanadium, 0,001 à 0,01% de bore, 0,01 à O,io de cérium, le reste étant du nickel. Toutefois cet alliage a des caractéristiques mécaniques médiocres : charge de rupture 99 à 116kg/mm2 , limite d'élasticité 79 à 104 kg/mm2 , allongement 3 à 12%. te but de l'invention est de supprimer les inconvénients énumérés ci-dessus. Il s'agissait donc de créer un alliage à base de nickel, ayant une structure granulaire fine et homogène, dont la composition assurerait une amélioration notable des caractéristiques mécaniques et de réfractairité dans l'intervalle de température le plus important pour les disques de turbines (650 a' 8000C ), la plasticité restant élevée. La solution consiste en un alliage à base de nickel, contenant du carbone, du chrome, du titane, de l'aluminium, du niobium, du cobalt, du molybdène, du bore, du cérium, et renfermant en outre, d'après l'invention, du lanthane. La composition pondérale dè l'alliage est la suivante 0,04 à 0,08% de carbone, 13 à 16% de chrome, 2,3 à 3,0% de titane , 1,8 à 3,0% d'aluminium, 2,2 à 6,0 de niobium, 6 à 12% de cobalt, 4 à 8 o de molybdène, 0,001 à 0,1% de lanthane, 0,001 à 0S01fo de bore, 0,001 à 0,03% de cérium, le reste étant du nickel. Dans l'alliage proposé, on a augmenté la teneur en éléments d'addition principaux : aluminium, titane, niobium, constituant la base de l'alliage (solution solide), ce qui a eu pour effet d'accroltre sa résistance de lnngue durée, ses caractéristiques mécaniques et sa plasticité. La teneur pl;s elevee en aluminium et en niobium s'est traduite par un accroissement du pourcentage de la phase intermétallique durcissante g jusqu'à 30-35% et:, en conséquence, par un accroissement notable du niveau de réfractairité. Simultanément, l'augmentation de la teneur en molybdène, ainsi qu' niobium, a contribué à l'augmentation de la stabilité thermique de l'alSiage. En outre, le niobium complique la composition et la structure de la phase intermétallique durcissante principale #': Ni3 (Al, Ti, Nb) à la place de Ni3 (Al, Ti). Pour obtenir l'alliage voulu, il-fallait augmenter la stabilité thermique non seulement de la phase intermétalliqueg dans 11 alliage, mais aussi d'accroitre la stabilité de la solution solide de l'alliage. Geci a été obtenu en augmentant la teneur de l'alliage non seulement en titane, aluminium et niobium, mais aussi en chrome et molybdène, ainsi qu'en ajoutant à a! alliage 6 à 12%, en poids, de cobalt, pour améliorer la plasticité technologique de l'alliage, ce qui est très important pour le matriçage de disques de turbine ayant une forme compliquée et difficilement déformables. L'augmentation de la teneur en chrome de alliage a permis de stabiliser la solution solide et d'accroltre la réfractairité de l'alliage. En outre, on aajouté à l'alliage des ligo-éléments à action efficace, tels que le lanthane (0,001 à 0,1i en poids) et le cérium (0,01 à 0,03%o en poids). tes Qligo-éléments lanthane et cérium améliorent l'étant de l'interface des grains, cnntribuent à la formation d'une structure granulaire fine et homogène et améliorent la qualité de la cassure, ce qui donne une élévation notable du niveau des caractéristiques mécaniques de l'alliage. De la sorte,.le choix d'une proportion optimale des constituants a permis d'améliorer à la fois les caractéristiques mécaniques et les caractérist:::ques de réfractairité de l'alliage, tout en lui assurant une haute plasticité. La composition de l'alliage proposé, à la différence des alliages similaires connus, ne comprend pas d'éléments coûteux et à disponibilité limitée (tels que le tungstène, le tantale) pour accroire sa plasticité technologique, on lui additionne, avec économie, du cobalt (6 à 12% en poids), et pour accroire sa résistance au fluage on lui additionne du molybdène et du niobium. La somme des pourcentages d'éléments d'additions principaux titane, aluminium et niobium, formant la phase durcissante est choisie de façon à assurer une bone déformasilité ie l'alliage. Grâce au choix rationnel des proportions des éléments d'ad diction : aluminium, titane, niobium, molybdène, chrome, svcc introduction, en quantités ésnomiques,de cobalt et de lanthane, l'alliages obtenu a de hautes caractéristiques mécaniques et de réfractairité. La réfractairité de l'alliage proposé, comparativement à celle des alliages connus fabriqués à l'étranger est caracté risée par le tableau ci-dessous. TABLEAU Alliage Teneur en Contrainte en kg/mm2 en 100 heures cobalt,% 6500 7000 7500 8000 8500 8700 Alliage proposé 10 85 68 55 40 30 22 Nimonic-1 05 (Angleterre) 20 79 62 49 38 29 27 Udimet-500 20 77 60 46 32 28 22 (U.S.A.) Astroloy (U.S.A.Y 15 79 62 49 38 29 - Ci-après sont décrits des exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention. EXEMPLE 1. Alliage à base de nickel de composition pondérale 0,05% de carbone, 13% de chrome, 2,3% de titane, 2,3 d'aluminium, 2,5% de niobium, 8% de cobalt, 4% de molybdène, G,01 % de lanthane, 0,001 de bore, 0,001% de cérium, le reste étant du nickel. L'alliage est soumis à un traitement thermique réalisé comme suit : première trempe à 1150 C pendant 8 heures, suivie d'un refroidissement à l'air, seconde trempe à 1050 C pendant 4 heures-, suivie d'un refroidissement à l'air; première maturation à 8500C pendant 8 heures, suivie d'un refrol-dissement à l'air; seconde maturation à 7300C pendant 32 heures, également suivie d'un refroidissement à l'air. Après le traitement thermique indiqué, l'alliage proposé a les caractéristiques suivantes charge de rupture Rr = 135 à 140 kg/mm2 limite d'élasticité Ro,2 = 85 à 90 kg/mm2, plasticité A = 20 %, et des paramètres de réfractairité élevés : à 6500C R100 = 83 kg/mm2, à 7jO00C R100 = 65 kg/mm2, à 7500C eloo = 52 kg/mm2 à 8000C R100 = 38kg/mm2 et à 8500C R100 30 kg/mm . EXEMPLE 2. Alliage à base de nickel de composition pondérale 0,07% de carbone, 15 de chrome, 3,0% de titane, 3,0% d'aluminium, 4% de niobium, 12% de cobalt, 6% de molybdène, 0,1% de lanthane, 0,01% de bore, 0,01% de cérium, le reste étant du nickel. t1 alliage est soumis à un traitement thermique réalisé comme suit : première trempe à 11500C pendant 8 heures, suivie d'un refroidissement à l'air ; seconde trempe à 10500C pendant 4 heures, suivie d'un refroidissement à l'air ; maturation à 8500C pendant 8 heures, suivie d'un refroidissement à l'air. Après le traitement thermique indiqué, l'alliage proposé a les caractéristiques suivantes charge de rupture R r = 160 kg/mm limite d'élasticité Ro 2 = 100 kg/mm , plasticité A = 20%, et des paramètres de réfractairité élevés : à 6500C R100 = 85 kg/mm2 à 7000C R100 = 68 kg/mm2 , à 7500G R100 = 55 kg/mm2 à 8000C R100 = 42 kg/mm2 et à 8500C R100 = 30 à 32 kg/mm. Alliage à base de nickel de composition proposée a une haute réfractairité et une plasticité technologique élevée ; sa déformabilité est bonne et ses caractéristiques mécaniques élevées, ce qui permet de l'utiliser largement pour fabriquer les disques de turbines et d'autres pièces travaillant à des températures égales ou supérieures à 8000C, avec des contraintes de 40 à 42 kmm2 pendant 100 heures de service. Un avantage important de l'alliage faisant l'objet de l'invention est son insensibRité totale aux concentrateurs de contraintes, résultant de sa haute plasticité, ainsi que sa stabilité thermique et sa résistance de relaxation élevée. t'alliage proposé est supérieur, au point de vue réfractairité, aux alliages existants, tant ceux fabriqués en URSS qu'à l'étranger, tout en contenant, comparativement aux alliages connus, de 1,5 à 2 fois moins de cobalt (élément coûteux et à disponibilité limitée) et tout en ne contenant pas de tangstène (élément à disponibilité limitée. L'alliage proposé à base de nickel est destiné à la fabrica tion de disques de turbines et compresseurs pour les moteurs à réaction et les trubopropulseurs, travaillant à des températures plus élevées et sous des contraintes plus fortes que ceux existant actuellement. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnésqutà titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, ai celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND I CAT IONS 1.-Alliage à base de nickel, du type contenant du carbone, du chrome, du titane, de l'aluminium, du niobium, du cobalt, du moly.bdène, du Fore, du cérium, caractérisé en ce qu'il contient en outre du lanthane. 2.- alliage suivant la revendication 1, caractérisé par la composition pondérale suivante: 0,04 à 0,08% de carbone, 13 à 16% de chrome, 2, 3 à 3,0% de titane, 1,8 à 3,0% d'aluminium, 2,2 à 6,0% de niobium, 6 à 12% de cobalt, 4 à 8% de molybdène, 0,001 à 0,1% de lanthane, 0,001 à 0,01% de bore, 0,001 à 0,03% de cérium, le reste étant du nickel.