Brevet FR2228851A1 — publié le 19741206

L'invention concerne la métallurgie des non-ferreux, plus précisément les alliages réfractaires déformables à base de nickel, destinés à la fabrication de pièces devant travailler à des températures élevées sous de fortes contraintes. Un des alliages réfractaires les plus répandus en URSS, destinés à travailler dans un intervalle de température allant jusqu'à 7500C, est l'alliage à base de nickel de la nuance EI 437 BU, contenant, en poids, 19 à 22 % de chrome, 2,5 à 2,9 % de titane, 0,6 à 1,0% d'aluminium, 1,0% de fer, 0,5 % de silicium, 0,4% de manganèse, 0,01% de cérium, 0,01 % de bore , 0,08 % de carbone, le reste étant du nickel. Un tel alliage a les propriétés suivantes: charge de rupture 100 kg/mm, limite élastique 68 kg/mm, allongement 13 %, résilience 3 kgm/cm; la charge de rupture en 30 heures à 650 C est de 65 kg/mm, et la charge de rupture en 50 heures à 750 C est de 35 kg/mm. Cet alliage, dont la charge de rupture à chaud est réduite en courte durée, ne peut répondre aux exigences en perspective des conatructeurs dans la réalisation des organes de moteurs à réaction. On connait aussi l'alliage de fonderie à base de nickel du type INCO 713C, contenant, en poids, il à 14% de chrome, 3,5 à 5,5% de molybdène, 1,0 à 3,0 % de niobium, 5,5 à 6,5 % d'aluminium, 0,25 à 1,25 % de titane, 0,005 à 0,02 % de bore, 0,05 à 0,2 % de zirconium, 0,1 % au maximum de carbone, le reste étant du nickel. La haute teneur en aluminium de cet alliage rend impossible sa déformation au marteau-pilon ou à la presse, aussi cet alliage est-il employé pour le moulage de petites pièces : aubes, rotors, etc... En outre, l'alliage indiqué a des propriétés mécaniques réduites:charge de rupture 88 kg/mm, limite élastique 76 kg/mm, allongement 8 %, résilience 2 kgm/cm. les alliages réfractaires existants à éléments d'alliage complexes, destinés aux pièces destinées à travailler sur des charges importantes dans les ensembles chauds de la turbine, et à fonctionner à des températures allant jusqu a 800 OC, ont en règle générale une grande teneur en éléments difficilement disponibles et coûteux, tels que le cobalt et leXungstène. Ce dernier constituant a un poids spécifique élevé (19,2 g/cm3), ce qui alourdit fortement les pièces. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients énumérés ci-dessus. Il s'agissait donc de créer un alliage à base de nickel de composition telle, qu'elle lui assurerait de hautes caractéristiques mécaniques aux températures élevées et à la température normale, lui confèrerait une bonne plasticité technologique, ce qui permettrait d'obtenir des pièces à structure homogène à graines fins, aussi bien à la presse qu au marteau-pilon. La solution consite en un alliage à base de nickel contenant du chrome, du molybdène, de l'aluminium, du titane, de niobium, du bore et du carbone, et caractérisé , d'après l'invention, en ce qu'il contient en outre du lanthane, du cérium, du magnésium, du fer, sa composition pondérale étant la suivante : 13 à 15 % de chrome, 2,8 à 3,5 % de molybdène, 1,4 à 1,9 % d'aluminium, 2,3 à 3,0% de titane, 1,8 à 2,4 % de niobium, 0,001 à 0,005 % de bore, 0,001 à 0,005 % de cérium, 0,001 à 0,01 %0 de lanthane, 0,001 à 0,01 so de magnésium, 0,08 % au maximum de carbone, 0,5 à 2,0 % de fer, le reste étant du nickel. L'alliage proposé comprend des éléments d'alliage à disponibilité illimitée et relativement bon marché : niobium, titane, aluminium, molybdène, chrome, et ne contient pas d'éléments coûteux et difficilement disponibles tels que cobalt, tungstène, tantale, etc., entrant dans la composition des alliages connus. L'introduction dans l'alliage d'éléments à action efficace tels que le niobium et le molybdène en quantités limitées, en complique naturellement la composition, mais elle contribue à l'augmentation de la stabilité thermique de la matrice de l'alliage. En outre, le niobium (de même d'ailleurs que le titane et l'aluminium) entre dans la composition de la phase g durcissante principale et forme des carbures NbC stables aux températures élevées et qui ont une influence favorable sur l'affinement du grain et la formation d'une structure homogène uniforme dans l'alliage. L'addition de magnésium améliore la plasticité technologique de l'alliage. De la sorte, une proportion rationnelle d'éléments d'addition dans l'alliage assure un niveau élevé et homogène de la charge de rupture de courte et de longue durée, de la plasticité et de la stabilité à chaud, caractéristiques qui sont extrêmement importantes pour un travail fiable et prolongé des pièces vitales, soumises à de fortes charges, des moteurs à réaction. L'alliage proposé se prête bien à la mise en ouvre, se déforme facilement tant à la presse qu'au marteau-pilon, ce qui permet de l'utiliser pour fabriquer des pièces de poids variés (de 100 à 650 kg) et de leur donner des formes très compliquées par matriçage. l'alliage est destiné à la fabrication de pièces soumises à de fortes charges dynamiques et travaillant à des températures élevées et sous de fortes contraintes, dans les parties chaudes des turbines et des compresseurs des moteurs à réaction ayant une durée de vie prolongée, allant jusqu a 20 000 heures et plus. La combinaison des principaux éléments d'additions titane, aluminium, niobium, formant la phase Y durcissante, confère une bonne déformabilité à l'alliage. Une comparaison des propriétés mécaniques à froid et à chaud de l'alliage proposé et des alliages cnnnus à base de nickel est donnée dans le tableau ci-dessous. Tableau 1. Caractéristiques mécaniques Caractéristiques mécaniques à chaud à froid 650 C 750 C charge limite allon- rési- charge du- allon- charge durée, allon de rup- élasti- gement lience, de rup- rée, gement, du rup- h gement, ture, que, % kgm/cm ture, h % ture, % kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm 72 100 40 100 Alliage proposé 120 75 16 5 74 50 6-8 42 50 8-10 EI 437 EU 100 68 13 3 36 30 3-4 30 100 3-4 . 35 50 INCO 713C 88 76 8 2 70 100 2-3 56 100 1,5 Plus bas sont décrits des exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention. Exemple 1. Alliage à base de nickel de composition pondérale 0,04 % de carbone, 13 % de chrome, 1,5 % d'aluminium, 2,4 % de titane, 2,8 % de molybdène, 1,9 % de niobium, 0,001 % de lanthane, 0,001 % de magnésium, 0,005 % de cérium, 0,005 % de bore, 1% de fer, le reste étant du nickel. L'alliage est soumis à un traitement thermique comprenant un chauffage de trempe à 11000 C pendant 8 heures, suivi d'un refroidissement à l'air. Ensuite l'alliage est soumis à une seconde trempe à l'air à 100000 avec séjour de 4 heures. Ceci fait, l'alliage est soumis à un premier vieillissement à 7750 C pendant 16 heures, suivi d'un refroidissement à l'air, et à un second vieillissement à 7000 C pendant 16 heures, également sivi d'un refroidissement à l'air. Après un tel traitement thermique, l'alliage proposé a les propriétés suivantes charge de rupture 120 kg/mm2, limite élastique 75 kg/mm2, allongement 20 %, résilience 5 kgm/cm charge de rupture en 100 100 h à 7500 C 40 kg/mm2 charge de rupture en 100 h à 6500 C 72 kg/mm2 Exemple 2. Alliage à base de nickel de composition pondérale 0,07 % de carbone, 15 % de chrome, 1,8 % d'aluminium, 2,6 % de titane, 2,2 % de niobium, 3,2 % de molybdène, 0,01 % de lanthane, 0,005 % de cérium, 0,005 % de bore, 0,01 % de magnésium, le reste étant du nickel. L'alliage est soumis à un traitement thermique comprenant un chauffage de trempe à 11000 C pendant 8 heures, suivi d'un refroidissement à l'air. Ensuite l'alliage est soumis à une seconde trempe à l'air à 10000 C avec séjour de 4 heures. Ceci fait, l'alliage est soumis à un premier vxtllisse- ment à 7750 C pendant 16 heures, suivi dlun refroidissement à l'air, et à un second vieillissement à 7000 C pendant 16 heures, également suivi d'un refroidissement à l'air. Après un tel traitement thermique l'alliage proposé a les propriétés suivantes charge de rupture 125 à 170 kg/mm2, limite élastique 80 kg/mm2, allongement 16 %, résilience 4 kgm/cm 2 charge de rupture en 100 h à 750 C 42 kg/mm charge de rupture en 100 h à 650 C 74 kg/mm L'alliage réfractaire à base de nickel contenant les éléments d'alliage économiques conformément à la composition proposée , est doué de hautes caractéristiques mécaniques à froid et à chaud et d'une bonne déformabilité, ce qui permet de l'utiliser à grande échelle pour la fabrication des disques de turbines, anneaux de force et autres pièces travaillant à des températures allant jusqu a 7500C , et sous des contraintes nominales élevées. Les proportions rationnelles d'éléments d'alliage dans l'alliage faisant l'objet de l'invention assurent une bonne combinas on de caractéristiques de résistance et de plasticité extrêmement importantes pour un fonctionnement fiable et prolongé des organes vitaux travaillant sous de fortes charges dans les appareils à réaction. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oetivre dans le cadre des revendica tions qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Alliage à base de nickel , du type contenant du chyme, du molybdène, de l'aluminium, du titane, du niobium, du bore et du carbone, caractérisé en ce qu'il contient en outre du lanthane, du cérium, du magnésium et du fer. 2. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé par la composition pondérale suivante 13 à 15 % de chrome, 2,8 à 3,5 % de molybdène, 1,4 à 1,9 % d'aluminium, 2,3 à 3,0% de titane, 1,8 à 2,4 % de niobium, 0,001 à 0,005 % de bore, 0,001 à 0,005 % de cérium, 0,001 à 0,01 % de lanthane, 0,001 à 0,01 % de magnésium, 0,08 % au maximum de carbone, 0,5 à 2,0 % de fer, le reste étant du nickel.