Brevet FR2258460A1 — publié le 19750818

La présente invention concerne un nouvel alliage à base de titane et plus précisérnent, un tel alliage ayant de bonnes propriétés à température élevée. Les alliages actuels a' base de titane destinés à des utilisations à température élevée comprennent des éléments favorisant la formation de phase alpha, par exemple l'alumi- nium, l'étain et le zirconium, avec des éléments stabilisant la phase bêta, par exemple molybdène. Des éléments qui favorisent la phase alpha donnent une bonne résistance mécanique z tempé rature élevée à l'alliage étant donné les effets de la solu tion solide et le phénomène d'ordre.Cependant, les alliages à base de titane qui contiennent uniquement des éléments favo risant la phase alpha ont une résistance mécanique après un temps court qui est relativement faible à température élevée et pour cette raison, le molybdène est en général incorporé car il accrot-b la résistance mécanique de l'alliage sans nuire de façon indésirable à la résistance au fluage. Le silicium est aussi incorporé comme élément d'alliage en quantité relative ment faible car il accrott la résistancé mécanique au bout d'un temps court et la résistance au fluage à température élevée. L'addition d'éléments favorisant la phase alpha dans les alliages à base de titane de type réfractaire est connue, mais les limites supérieures utilisables en pratique pour ces éléments favorisant la phase alpha et pour le silicium sont relativement faibles et ont été atteintes dans les alliages con nus. L'addition dtVn excès de tels éléments favorisant la pha se alpha ou de silicium provoque l'apparition d'une ductilité relativement faible après exposition et fluage, cette condition étant instable au point de vue métallurgique et étant indési rable. Les propriétés à température élevée peuvent Xetre ame liorées, dans les alliages à base de titane, par addition d'u ne faible quantité de bismuth. Bien que l'inclusion du bismuth dans les alliages à base de titane donne les propriétés vou lues il existe des difficultés pour la fusion de l'alliage 1 contenant du bismuth. Etant donné la volatilité du bismuth, un alliage en ccntcnnni; doit subir rnc fusion sous une pression partielle de gaz inerte de manière que le bismuth ne soit pas perdu. Il apparaît alors des problèmes importants concernant l'appareillage de fusion disponible industriellement.L'allia- ge selon l'invention a pratiquement les mêmes bonnes propriétés à température élevée qu'un alliage contenant du bismuth, et il peut etre fondu dans les conditions normales sous vide, dans l'appareillage disponible industriellement. L'invention concerne plus précisément un alliage à base de titane qui a de bonnes propriétés à température élevée jusqu'à 593 C environ au moins. Selon l'invention, l'antimoine remplace, en quantité pouvant atteindre 2,2 % environ, la totalité ou une partie de l'étain dans un alliage à base de titane du type Al-Sn-Zr-Mo-Si. L'alliage de l'invention a une bonne résistance au fluage aux températures pouvant atteindre 593 C environ, et il n'apparaît pas de réduction notable de la ductilité après exposition au fluage si bien que la stabilité métallurgique de l'alliage reste pratiquement identique. De plus, l'alliage de l'invention peut être fondu dans les conditions normales sous vide, à l'aide de l'appareillage de fusion disponible industriellement. Un alliage selon l'invention a une composition satisfaisant aux plages suivantes : Elément % en poids Aluminium 5,9 - 6,3 Antimoine 0,5 - 2,2 Etain O -2,5 Zirconium 0,5 - 1,5 Molybdène 0,8 - 1,2 Silicium 0,07 - 0,12 Oxygène 0,12 au maximum Fer 0,15 au maximum Azote 0,05 au maximum Titane le reste La quantité totale d'étain et d'antimoine dans l'alliage ne doit pas dépasser 3,0% environ, lorsque ces deux éléments sont présents, et lorsque l'alliage ne contient pas d'étain, la quantité totale d'antimoine ne doit pas dépasser 2,? %.Cette relation entre l'aluminium, l'étain, l'antimoine, le zirconium et le silicium dans l'alliage doit etre la suivante %Al + ### + ### + ### +%Si x 4 # 8 Dans les limites de la relation indiquée, l'étain et l'antimoi- ne doivent satisfaire à la relation suivante SSSn + %Sb 1,10 3 2 Un alliage avantageux ayant une bonne résistance au fluage et une bonne ductilité après fluage ainsi qu'une bonne résistance mécanique après un temps court aux températures de l'ordre de 593 C a la composition nominale suivante Elément % en poids Aluminium 6,25 Antimoine i 1,4 Zirconium 1,5 Molybdène 1,0 Silicium 0,1 Oxygène 0,1 au maximum Fer 0,1 au maximum Azote 0,05 au maximum Titane le reste Les alliages selon l'invention ont des propriétés de résistance au fluage supérieures à celles des alliages à base de titane connus de type réfractaire tels que :Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo et Ti-6Al-2Sn-3Zr-1Mo-1,5V0,1Si. On fond et on soumet à divers essais métallurgiques une série d'alliages ayant la composition nominale de base Ti-6,25Al-1, 5Zr-1Mo-0,1Si et comprenant des quantités variables d'étain et d'antimoine. Les compositions réelles des alliages figurent dans le tableau I. TABLEAU I ANALYSE (% en poids) Coulée Al Sn Sb Zr Mo Si Fe O2 N 4532 6,18 2,07 0,39 1,50 1,01 0,10 0,06 0,06 0,003 4578 6,22 0,99 1,13 1,51 1,00 0,11 0,06 0,05 0,004 4579 6,23 - 1,65 1,49 1,01 0,11 0,06 0,06 0,004 4581 6,25 1,95 - 1,52 1,00 0,11 0,05 0,07 0,004 4582 6,28 1,96 0,64 1,46 0,97 0,11 0,05 0,07 0,007 4774 6,06 - 1,38 1,40 0,96 0,1 0,14 0,08 0,007 4775 6,08 - 1,37 1,31 0,97 0,09 0,05 0,12 0,007 4776 6,10 - 1,43 1,30 0,98 0,1 0,05 0,07 0,007 4777 6,26 - 1,46 0,50 0,98 0,10 0,05 0,07 0,007 4778 6,23 - 1,42 0,55 0,96 0,10 0,05 0,12 0,007 4814 6,22 - 1,44 1,02 0,94 0,10 0,05 0,08 0,006 4854 6,22 - 1,03 0,72 1,02 0,10 0,04 0,06 0,006 4856 6,30 - 0,48 0,93 1,02 0,09 0,05 0,07 0,007 On nove que les coulées 4532, 4578 et 4582 contiennent à la fois de l 'étain et de l'antimoine en quantités variables et que la coulée 4581 contient de l'étain mais pas d'antimoine Toutes les autres coulées contiennent des quantités variables d'antimoine salis étain. Divers essais sont réalisés sur ces alliages et les résultats figurent dans les tableaux II et III. TABLEAU II (suite) Propriétés de traction avant et après exposition* Deformation Résistance à Module d'é Allongement, %** Coulée Essai de fluage par fluage,% la rupture lasticité Striction, (longueur ini 10 kg/cm 10 kg/cm %** tiale 25.4 mm) 4854 Néant - 9,63 8,64 23,0 14.0 (1) 0,200 9,73 9,10 19,9 13,0 (2) 0,191 9,72 8,97 15,3 11,0 4778 Néant - 10,16 9,13 21,8 16,0 (1) 0,172 10,20 9,61 15,0 11,0 (2) 0,124 10,51 9,88 7,5 8,5 4776 Néant - 9,68 8,61 22,6 14,5 (1) 0,153 9,87 9,46 18,0 15,5 (2) 0,156 9,80 9,20 15,0 11,5 4814 Néant - 9,42 8,58 27,6 16,0 (1) 0,240 9,46 9,29 25,2 16,0 (2) 0,187 - - - 4777 Néant - 9,68 8,69 25,4 16,0 (1) 0,249 9,86 9,29 21,6 16,5 (2) 0,230 9,72 9,43 21,9 14,5 4579 Néant - 10,01 9,01 28,0 15,0 (1) 0,166 10,19 9,58 23,0 13,0 (2) 0,243 10,30 9,67 17,0 11,0 * Barre laminée de type bêta de 12,7 mm de diamètre. Tous les échantillons sont traités thermiquement 1066 C (15 minutes) AC+704 C (1 heure) AC+593 C (8 heures)AC. Essais de traction après exposition au fluage avec couche superficielle oxydée intacte. ** Moyenne sur deux échantillons. *** 538 C - 3,51.10 kg/cm-144 heures. **** 593 C- 1,76.10 kg/cm-144 heures. TABLEAU II Propriétés de traction avant et après exposition* Deformation Résistance à Module d'é- Allongement, %** Coulée Essai de fluage par fluage,% la rupture lasticité Striction, (longueur initiale 10 kg/cm 10 kg/cm %** 25.4 mm) 4581 Néant - 9,60 8,74 31,0 16.5 (1)*** 0,297 9,80 9,31 28,0 16,5 (2)**** 0,187 9,80 9,17 23,5 16,5 4532 Néant - 9,87 8,99 26,8 16,0 (1) 0,331 10,15 9,50 20,5 14,0 (2) 0,171 10,10 9,33 17,0 12,0 4582 Néant - 10,13 9,11 25,0 17,0 (1) 0,237 10,33 9,56 23,0 17,5 (2) 0,395 10,34 9,52 17,0 15,0 4578 Néant - 9,82 8,85 27,0 16,0 (1) 0,193 10,05 9,45 22,0 17,0 (2) 0,204 10,12 9,48 14,0 12,0 4856 Néant - 9,23 8,47 27,7 13,0 (1) 0,414 9,38 9,03 24,6 12,5 (2) 0,356 9,23 8,78 23,6 12,0 4774 Néant - 10,10 9,12 24,4 16,5 (1) 0,150 10,30 9,86 15,1 14,5 (2) 0,186 10,25 9,64 11,4 10,0 4774 Néant - 9,78 8,81 20,8 15,0 (1) 0,295 9,97 9,55 13,8 10,5 (2) 0,489 - - - - I1 faut noter sur le tableau il que les resultats des essais de la coulée 4776 dans laquelle 1,43 % d'antimoine remplace totalement l'étain de l'alliage indiquent ùne excellente résistance au fluage à 538 et 593 C et une bonne ductilité après exposition et fluage. La coulée 4774 a une résistance au fluage et une ductilité relativement faibles, et ce comportement est attribué au fer présent à raison de 0,14 ?/o, cette valeur étant proche de la valeur maximale permise dans l'allia- ge de l'invention. Les coulées 4775 et 4778 présentent une bonne résistance au fluage, mais la ductilité après fluage est relativement faible étant donné la teneur en oxygène de 0,12 % de ces alliages. On obtient des propriétés optimales dans les objets en alliage selon l'invention par traitement thermique comprenant le chauffage de l'objet à une température supérieure à la température de transition à l'état bêta qui est de l'ordre de 1010 C, puis le recuit à une température relativement basse dans le domaine alpha-beta. Après ce traitement thernique, un vieillissement à une température comprise entre environ 482 et 649 C est avantageux. Les essais d'exemple de traitement thermique sont indiqués dans le tableau III. TABLEAU III Effet du traitement thermique sur les propriétés* Déformation Résistance Module Allon par fluage** à la rup- d'élas- Stric- gement** Coulée Essai de fluage ture* ticité** tion** % (lon % 10 kg/cm 10 kg/cm % queur initiale 25,4 mm) 4777 A-1066 C(15mm)AC Néant - 9,75 8,64 26,4 16,0 +593 C(8h)AC 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,366 9,94 9,40 23,0 18,5 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,256 9,87 9,38 21,5 13,0 B-1066 C(15mm)AC Néant - 9,68 8,68 25,4 16,0 +704 C(1h)AC 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,249 9,87 9,29 21,6 16,5 593 C(8h)AC 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,230 9,73 9,43 21,9 14,5 4777 A Néant - 10,04 8,84 23,6 16,0 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,295 10,22 9,67 9,8 7,0 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,218 10,38 9,87 10,9 6,5 B Néant - 10,16 9,13 21,8 16,0 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,172 10,20 9,61 15,0 11,0 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,124 10,51 9,88 7,5 8,5 TABLEAU III (suite) Effet du traitement thermique sur les propriétés* Allon Résistance Module gement** Déformation à la rup- d'élas- Stric- % (lon Coulée Essai de fluage par fluage** ture* ticité** tion** gueur % 10 kg/cm 10 kg/cm % initiale 25,4 mm) 4776 A Néant - 9,78 8,54 27,3 16,0 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,208 9,94 9,20 16,4 15,0 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,377 9,76 8,91 12,2 10,0 B Néant - 9,69 8,61 22,6 14,5 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,153 9,88 9,46 18,0 15,5 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,156 9,80 9,20 15,0 11,5 4775 A Néant - 10,26 8,90 25,4 15,3 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,226 10,43 9,73 18,3 15,5 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,449 10,25 9,59 9,0 8,5 B Néant - 10,10 9,13 24,4 16,5 538 C-3,51#10 kg/cm-144h 0,150 10,29 9,80 15,1 14,5 593 C-1,76#10 kg/cm-144h 0,186 10,26 9,64 11,4 10,0 * Barre laminés à phase bêta de 12,7 mm de diamètre. ** Moyenne de deux échantillons. La comparaison des résultats des différents traitements thermiques du tableau Il montre une amélioration de la déformation par fluage lorsque l'alliage a vieilli à 593 C pendant 8 heures et, bien qu'un tel traitement ne soit pas nécessaire, il est avantageux que-les alliages de l'invention soient ainsi traités de manière que leurs propriétés soient optimales. L'alliage de l'invention présente les caractéristiques importantes drune bonne résistance au fluage et d'une bonne ductilité après exposition au fluage, ainsi que de bonnes propriétés de traction, Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'a titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Alliage à base de titane, caractérisé en ce qu'il contient essentiellement les pourcentages approximatifs suivants : 5,9 à 6,3 d'aluminium, 2,5 au maximum d'étain, 0,5 à 1,5 de zirconium, 0,8 à 1,2 de molybdène, 0,5 à 2,2 d'antimoine 0,07 à 0,12 de silicium 0,12 d'oxygène au maximum, 0,15 de fer au maximum, 0,05 d'azote au maximum et le reste de titane, l'alliage ayant une bonne résistance au fluage et une bonne ductilité après fluage après exposition å des températures pouvant atteindre 593 C environ. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 6,25 % d'aluminium, 1,4 % d'antimoineS 1,5 % de zirconium, 1,0 % de molybdène, 0,1 % de silicium, moins de 0,1 % de fer, moins de 0,1 % d'oxygène et le reste de titane. 3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité totale d'étain et d'antimoine n'est pas su périeure à 3,0 % environ. 4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aluminium, étain, l'antimoine, le zirconium et le silicium sont présents dans des quantités qui satisfont à la relation : % alumimium + % étain + % antimoine + % zirconium + %silicium x 4 # 8 3 2 6 5. Alliage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les quantités d'antimoine et d'étain satisfont à la relation : % étain + antimoine 3 + 2 1,10 6.Procédé de traitement d'objets destinés à être utilisés à température élevée et formés d'un alliage à base de titane contenant essentiellement, en pourcentages approximatifs, 5,9 à 6,3 d'alumimium, 2,5 d'étain au maximum, 0,5 à 1 de zirconium, 0,8 à 1,2 de molybdène, 0,5 à 2,2 d'antimoine 0,007 à 0,12 de sili, 0,12 au maximum d'oxygène, 0,15 au maximum dd er, 0,05 au maximum d'azote et le reste de titane, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage de l'objet à une température supérieure à la température de transition à l'état bêta de l'alliage, le refroidissement de l'objet à une vitesse intermédiaire, et le recuit de l'objet à une température faible dans le domaine alpha-beta de l'alliage. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'objet est chauffé à mie température supérieure à tO1Q C environ, et est recuit à une température de 704 C environ. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend le vieillissement de l'objet après recuit, à une température comprise entre environ 482 et 649 C. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le vieillissement est réalisé à une température d'envi- ron 593-C pendant 8 heures.