Brevet FR2311097A1 — publié le 19761210

L'invention concerne les alliages à base d'aluminium, pouvant 8trie utilisés pour la fabrication des appareils de conditionnement d'air, des pièces d'appareils d'alimentation en combustible et d'autres appareils travaillant en présence de hautes températures. L'alliage faisant l'objet de l'invention allie en soi de hautes caractéristiques en résistance mécanique à chaud, étanchéité et aptitude à la mise en oeuvre. Il peut être utilisé avec une efficacité maximale dans la fabrication des pièces de forme complexe, par exemple des corps d'échangeurs thermiques devant supporter une forte pression intérieure de la pars d'un fluide et des températures élevées, de l'ordre de 400oc. Le brevet d'Allemagne nO 479 528 décrit des alliages d'aluminium, dont l'un contient de 3 à 12* en poids de cérium et de 2 à 209d en poids de cuivre,, et l'autre, de 2 à 120 en poids de cérium et del à 8 en poids de silicium, ainsi que des constituants formant une solution solide, par exemple du magnésium, du zinc, ou des éléments à haut point de fusion, par exemple du titane, du molybdène et du tungstène. Le brevet indique que ces alliages ont des propriétés mécaniques améliorées. Toutefois, les alliages d'aluminium contenant du cuivre, du cérium et du silicum auttaux indiqués, ont des propriétés technologiques et mécaniques qui s'atèrent insuffisante s. Une teneur pondérale en cuivre jusqu'à 2046 et en cérium jusqu'à 12% entrante un abaissement de la plasticité de l'alliage et altère sa résistance à la corrosion. On connaît un alliage à base d'aluminium (revue Metall Progress 1952, terme 61, nO 6, p. 162 à 166, U.S.A.), ayant une compositiog chimique instable (car le mischmetall est un résidu de la fabrication de l'uranium). De ce fait, cet alliage a des propriétés mécaniques abaissées (charge de rupture de 9,0 à 13,0 kg/mm2, allongement de 0,5 à 1,5). On connait aussi un alliage à base d'aluminium contenant en poids 8,5 à 10,0% de mischmetall ; 1,5 à 2,00 de cuivre; 1,2 à 2,2Cit de silicium ; 0,7 à 0,9 de manganèse ; 0,1 à 0,3% de chrome ; 0,1 à 0,2 de titane ; 0,1 à 0,3% de zirconium et 1,0 à 2,0 de fer. Un tel alliage a, lui aussi, des propriétés mécaniques abaissées (charge de rupture de12,0 à 14,0 k/mr2 et allongement de 0,8 à 2,0). Les alliages indiqués n ont pas trouvé d'applications industrielles dans le moulage des pièces travaillant à des températures élevées et sous de hautes pressions, car lers propriétés mécaniques ne satisfont pas aux prescriptions actuelles. Il fallait donc créer des alliages à base d'aluminium doués de propriétés technologiques améliorées, nécessaires à la fabrication des appareils de conditionnement de l'air, des pieces pour appareils d'alimentation en combustible e +'autres produits travaillant à des températures élevées et sous de hautes pressions. L'emploi des moulages de forme implique l'amélioration de l'alliage orientée vers l'élévation de ses propriétés de moulage par affinement de sa structure, ce qui est obtenu en choisissant d'une façon appropriée les constituants de l'alliage. En outre, un alliage destiné au moulage de pièces pour les appareils d'alimentation en combustible doit 3nUrer une haute étanchéité et une résistance mécanique à chaud élevée, car ces pièces sont soumises à l'action d'un fluide à haute pression dont la température est élevée, de l'ordre de 400oC. A l'heure actuelle, il n'existe pas d'alliages qui satisfassent simultanément à toutes les prescriptions énumérées; Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est proposé de créer un alliage à base d'aluminium dont la composition serait telle qu'elle lui confèrerait une résistance mécanique à chaud accrue et une étanchéité améliorée, tout en lui conservant ses propriétés de moulage. La solution consiste en un alliage à base d'aluminium contenant du cérium, du cuivre, du silicium, du manganèse et du zirconium, divins lequel, d'après l'invention, outre les constituants indiqués, il y a du magnésium, sa composition pondérale état la suivante cérium de 4,0 à 6,0% cuivre de 2,0 à 4,07'0 silicium de 1,0 à 3,0% manganèse ae 0,7 à 2,04 zirconium de 0,05 à 0,59'0 magnésium de 0,1 à 0,3% le reste étant l'aluminium et des impuretés. L'alliage, bjet de l'invention, a des propriétés de moulage suffisamment élevées, ce qui permet de l'employer pour le moulage de pièces de formes compliquées. Les auteurs de l'invention ont établi que l'addition, à l'alliage proposé, de cérium, de cuivre et de silicium à des taux assurant la formation d'une phase quaternaire Al Ce Si Cu qui constitue une carcasse résistante, confère à l'alliage une charge de rupture à long terme et une résistance au fluage élevées. Les auteurs de l'invention ont également établi que ltaddition, à l'alliage proposé, de manganèse et de cuivre aux taux indiqués, assurant la formation d'une phase A112 h Cu qui fait apparatre des micro-hétérogEnéités des grains dans la solution solide, confère de hautes caractéristiques mécaniques aux températures de 200C et de l'ordre de 4000C. L'alliage de composition indiquée est doué d'une résistance mécanique à chaud et d'une étanchéité accrues, et de propriétés de moulage suffisamment élevées. L'abaissement du taux des constituants de l'alliage proposé entraîne un abaissement de la résistance mécanique à chaud. ttaugmentation du taux des constituants de l'alliage proposé abaisse sa plasticité. Il est avantageux que l'alliage contienne de 0,2 à 0,7% en poids d'antimoine. La présence d'antimoine dans l'alliage se traduit par un acoroisseaent de Sa dureté et une amélioration de son usinabilité par enlèvement de copeaux. On peut aussi ajouter à l'alliage de 0,25 à 0,5% en poids de nickel. Le nickel augmente la dureté de l'alliage aux températures élevées. L'alliage peut aussi contenir en tant qu'impuretés du vanadium, du titane, du chrome et du molybdène, à un taux total non supérieur à 0,2% en poids. Un taux d'impuretés supérieur à 0,2% en poids altèrerait les propriétés technologiques de l'alliage. Pour mieux expliquer l'invention, on décrit plus bas des exemples concrets mais non limitatifs de composition de l'alliage à base d'aluminium conforme à l'invention. EXEMPLE 1. L'alliage a été élaboré au four électrique à creuset. On a versé dans le creuset-la quantité d'aluminium nécessaire pour constituer la charge et la quantité voulue de préalliage de métaux à haut point de fusion (aluminium-silicium, aluminium-manganèse, aluminium-zirc onium). Après fusion de la charge on a brassé le bain et fait monter sa-température jusqu'à 7500C. A cette température on a introduit dans le bain un pré-alliage aluminium-cérium et on a brassé avec soin. Ensuite on a baissé la température jusqu'à 720 C et on a introduit uqré-alliage aluminium-cuivre et du magnésium. A 7100C on a raffiné l'alliage avec du chlorure de manganèse sec, puis, à 6900C, on a coulé l'alliage dans des lingotières. L'alliage contenait en poids cérium 5,0% cuivre 2,3 silicium 1,2g - manganèse 1,0 zirconium 0,1% magnésium 0,2 le reste étant de l'aluminium e Wes impuretés constituées par un total de 0,1% de titane et de vanadium. Les propriétés mécaniques de l'alliage à 200C et aux températures élevées (350 èt 400C) étaient R r = 17,0 kg/mm2, A = 2,3%, R3105000 5,5 kg/mm2. où R r est la charge de rupture, A est l'allongement, R3500est la charge de rupture à long terme aux températures 100 élevées. EXEMPLE 2. Pour préparer la charge on a pris des constituants analogues à ceux indiqués à l'exemple 1. Avant le raffinage on a introduit de l'antimoine conjointement avec le magnésium. Le processus d'élaboration de l'alliage était analogue à celui décrit à l'exemple 1. L'alliage obtenu contenait en poids cérium 4,0% cuivre silicium 1, % manganèse 0,7 zirconium 0,05% magnésium antimoine 0,2% aluminium le reste comprenant en outre, en tant qu'impuretés, un total de 0,08% de vanadium et de chrome. Les propriétés mécaniques de 1' alliage à 200C et aux températures élevées (350 à 40000) étaient Rr = 15,0 kg/mm2, A = 1,60 R3500 100 = 5,5 kg/mm2 R400 = 3,5 kg/mm2. 100 EXEMPLE 3. Pour préparer la charge on a pris des constituants analogues à ceux indiqués à exemple 1. Avant le raffinage on a introduit du nickel conjointement avec le magnésium. Le processus d'élaboration de l'alliage était analogue à celui décrit à l'exemple 1. L'alliage obtenu contenait en poids cérium . 6,0% cuivre 3,5 silicium 3,0% manganèse 2,0% zirconium 0,5% magnésium 0,30 nickel 0,5 aluminium le reste comprenant en outre, en tant qu'impuretés, 0,05 de chrome. Les propriétés mécaniques de l'alliage à 20 C et aux températures élevées (350 et 4000C) étaient Rr = 19,0 kg/mm2 A = 1,0% R3500 = 6,0 kg/mm2 100 R4000 = 3,5 kg/mm2. 100 EXEMPLE 4. Pour préparer la charge on a pris des constituants analogues à ceux indiqués au premier exemple. Avant le raffinage on a introduit du nickel et de l'antimoine conjointement avec le magnésium. L'alliage a été élaboré par un procédé analogue à celui décrit au premier exemple. l'alliage obtenu obtenait en poids cérium 5,5% cuivre 4,0% silicium 2,0 manganèse 1,3% zironium 0,i5 magnésium 0,25% nickel 0,25% antimoine 0,7% aluminium le reste comprenant en outre, en tant qu impuretés, un total de 0,2% de vanadium, de titane, de chrome et de molybdène. Les propriétés mécaniques de l'alliage à 200C et aux températures élevées (350 et 4000C) étant : Rr = 18,0 kg/mm2, A = 1,5% R3500 = 100- - 5,5 kg/mm2- R4000 = 100 - 3,5 kg/mm2 EXEMPLE 5. Pour préparer la charge on a pris des constituants analogues à ceux indiqués au quatrième exemple. L'alliage a été-élaboré par un procédé analogue à celui décrit au premier exemple L'alliage obtenu contenait en poids : cérium 5,0% cuivre 2,0 silicium 1,0% manganèse 1,0% zirconium 0,1% magnésium 0,3 nickel 0, ss antimoine 0,5s aluminium le reste comprenant en outre, en tant qu'impuretés, un total te 0,18% de molybdène, de titane, et de vanadium. Bes propriétés mécaniques de l'alliage à 200C et aux températures élevées (350 et 4000C) étaient R r = 15,0 kg/mm? A = 1,8% R3500 = 5,5 kg/mm2 100 400 R100 = 3,5 kg/mm2. L'alliage à base d'aluminium faisant l'objet de l'invention facilite fortement le moulage des pièces de formes compliquées, tout en leur conférant une résistance mécanique à chaud et une étanchéité suffisantes. Les essais ont montré que l'emploi de l'alliage proposé pour fabriquer les appareils de conditionnement d'air, les pièces d'appareils d'alimentation en combustible et d'autres produits travaillant à des températures élevées (jusqu'à 4000C) et sous de hautes pressions, a permis de substituer des pièces en alliage proposé aux pièces en acier, ainsi que d'abaisser le poids des structures et de réduire les dépenses de maind'oeuvre pour leur fabrication. L'alliage proposé peut être employé dans les appareils d'alimentation en combustible, les appareils de conditionnement d'air, divers appareils d'échange thermique et, en règle générale, dans les produits devant travailler à des températures élevées (jusqu'à 4000C) et sous de hautes pressions internes de fluides. 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 constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. Revendications 1. Alliage à base d'aluminium, contenant du cérium, du cuivre, du silicium, du manganèse et du zirconium, caractérisé en ce que, outre les constituants indiqués, il contient du magnésium, sa composition pondérale étant la suivante cérium de 4,0 à 6,0 cuivre de 2,0 à 4,04 silicium de 1,0 à 3,0% manganèse de 0,7 à 2,0% zirconium de 0,05 à 0,50 magnésium de 0,1 à 0,30 le reste étant constitué d'aluminium et d'impuretés. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérrisé en ce qutil contient de 0,2 à 0,7% en poids d'antimoine. 3. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient de 0,25 à 0,5% en poids de nickel. 4. Alliage selon la revendication 1-, caractérisé en ce qu'il contient, en tant qu'impurEtés, du vanadium, du titane, du chrome et du molybdène, dont le total ne dépasse pas 0,2 en poids.