Brevet FR2363637A1 — publié le 19780331

La présente inventiOn concerne les alliages soudables résistant à chaud aux efforts mécaniques, et notamment les alliages à base de nickel. L'invention peut être appliquée avec une efficacité maximale à la fabrication des tales employées dans les structures de force soudées. Elle peut aussi être appliquée à la fabrication de barres et de rondelles. La possibilité de recourir au soudage dans la fabrication des structures simplifie les méthodes de fabrication, permet de diminuer le poids des structures. Ceci a rendu nécessaire 1 ' élaboration alliages soudables résistant à chaud aux effort s mécaniques0 On connaît en métallurgie un alliage à base de nickel contenant du carbone, du chrome, du cobalt, du titane, de aluminium, du molybdène, du bore, la composition pondérale étant la suivante : carbone 0, 9 chrome 19,0g c@balt 11,0% ; titane 3,1% aluminium 1,5% molybdène 10,0% bore 0,01% nickel le reste. Avec cet alliage on fabrique des têles que l'on emploie dans les structures soudées. Toutefois, l'alliage indiqué a une faible résistance mécanique à chaud t # 815 C = 31,5 kg/mm ; # 980 C = 7 kg/mm On connaît en métallurgie un alliage à base de nickel contenant du carbone, du chrome, du cobalt, du titane, de l'aluminium, du tungstène, du molybdène, du bore, dont la composition pondérale est la suivante : carbone 0,1% chrome 14,0% cobalt 15,0% titane 2,5% aluminium tungstène 3,0% molybdène 6,0% bore 0,015% nickel le reste. Cet alliage est doné d'une haute résistance mécanique à chaud, de l'ordre de # 980 C = 7,7 kg/mm. Toutefois, l'emploi de cet alliage dans les structures soudées est indésirable, car avant de souder un tel alliage il faut le soumettre à un traitement thermique à des régimes compliqués et avec refroidissement échelonné, ce qui nécessite un temps tres long. De plus, ceci n'est pas toujours réalisable, car pour certaines structures soudées en tôles il faut exécuter des opérations de formage, puis un second traitement thermique. On connatt un alliage à base de nickel, contenant du carbone, du chrome, du cobalt, du titane, de l'aluminium, du tungstène, du molybdène, du bore, du manganèse, de l'yttrium, dont la composition pondérale est la suivante t carbone 0,05 à 0,12% chrome 14,0 à 18,0% cobalt 13,0 à 18,0% titane 4,5- à 6,5% aluminium 2,0 à 3,0% tungstène 1,5 à 2,0% molybdène 2,5 à 3,5% bore o,uu8 à 0,029% manganèse 0,00 à 0,5% yttrium 0,00 à 0,1% nickel le reste Cet alliage à base de nickel est employé pour fabriquer les disques et les ailettes des compresseurs. Il est doué d'une haute résistance à chaud aux agents chimiques et aux efforts mécanique (#730 C = 63 kg/mm, #870 = 31,5 kg/mm) associée à une bonne stabilité de sa structure en phases. Toutefois, la fabrication de tales avec cet alliage et le soudage de cet alliage sont impossibles, car il est difficilement déformable. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est proposé pour cela de créer un alliage à base de nickel, dont la composition serait telle qu'elle lui confèrerait une bonne déformabilité et une bonne soudabilité, une haute résistance mécanique à chaud et à la température normale, permettrait après le soudage son traitement thermique sans fissuration, assurerait la stabilité de sa structure, en comparaison des alliages similaires connus à base de nickel. la solution consiste en un alliage à base de nickel contenant dl carbone, du chrome, du cobalt, du titane, de l'aluminium, du tungstène, du molybdène, de l'yttrium, du bore, lequel, outre les constituants énumérés pris aux taux pondéraux suivants : carbone 0,05 à 0,10% chrome 15,0 à 18,0 % cobalt 10,0 à 17,0 titane 1;8 à 2,5 aluminium 2,8- à 3,5% tungstène 2,5 à 5,V% molybdène 6,0 à 7,5% yttrium jusqu'd 0,2% bore 0,005 à V,02%, contient du magnésium, pris à un taux pondéral de 0,005 à 0,05s, et du cérium, pris à un taux pondéral de OPOS à 0,02%, le reste étant du nickel. Il est universellement connu que le carbone, en formant des carbures secondaires, renforce les joints intergranulaires de l'alliage. Un taux de carbone dans l'alliage plus bas que la limite inférieure indiquée se traduit par une perte de résistance des joints intergranulaires de l'alliage et entraîne la fissuration lors du traitement thermique après soudage. L'élévation du taux de carbone au-dessus de la licite supérieure indiquée provoque l'affinement d grain, ce qui se traduit par l'abaissement de la résistance mécanique à chaud de l'alliage. l'augmentation de la grosseur du grain et de la résistance mécanique à chaud peut être obtenue par trempe à une température supérieure à 12000C. Toutefois, une telle trempe provoque une fusion partielle aux joints des grains de l'alliage et, par conséquent, une baisse de la résistance de l'alliage. Il est universellement connu que le chrome augmente la résistance mécanique à chaud des alliages à base de nickel et améliore leur soudabilité. Un taux pondéral de chrome inférieur à 15% entraRne la fissuration de l'alliage proposé lors de son traitement thermique après le soudage, car l'abaissement du taux de chrome est suivi d'une augmentation de la quantité de phase durcissante Une élévation du taux de chrome au-dessus de 18% entrain la formation de la phase fragilisante # O, c'est-à-dire l'instabilité de-la structure de l'alliage. Il s'ensuit un abaissement de la résistance mecanique à chaud de l'alliage et sa fissuration tant pendant le soudage que pendant le traitement thermique après le soudage. Il est universellement connu que le cobalt accroît la résistance mécanique à chaud des alliages et leur déformabilité à chaud. L'abaissement du taux pondéral de cobalt au-dessous de 10% entrain une diminution de la résistance mécanique à chaud de l'alliage et un abaissement de sa déformabilité à chaud. l'augmentation du taux pondéral de cobalt au-dessus de 17% entrain la formation de la phase fragilisante # , c'est-àdire l'instabilité de la structure de l'alliage. Il est universellement connu que le titane et l'aluminium augmentent la résistance à chaud des alliages à durcissement structurale à base de nickel, en y formant une phase durcissante à à base de Ni3(AlTi). L'abaissement du taux de titane et d'aluminium au-dessous des limites inférieures indicuées entratne une diminution de la résistance mécanique à chaud de l'alliage proposé à base de nickel, et l'élévation de leur taux au-dessus des limites supérieures indiquées abaisse la déformabilité de l'alliage et entraSne la formation de la phase fragilisante b, c'est-à-dire l'instabilité de la structure de l'alliage. Il est universellement connu que le tungstène accroit la résistance mécanique à chaud des alliages à base de nickel. L'abaissement du taux de tungstène au-dessous de la limite inférieure indiquée diminue la résistance mécanique à chaud de l'alliage, et l'élévation de ce taux au-dessus de la limite supérieure indiquée augmente la tendance à la fissuration de l'alliage lors du traitement thermique après le soudage. Il est universellement connu que le molybdène augmente la résistance mécanique à chaud des alliages à base de nickel L'abaissement du taux pondéral de molybdène au-dessous de 6% augmente la tendance à la fissuration de l'alliage lors du traitement thermique après le soudage. l'élévation du taux pondéral de molybdène, au-dessus de 7,5 entraîne la formation de la phase , c'est-à-dire l'ins- tabilité de la structure de l'alliage. L'yttrium augmente la résistance mécanique à chaud de l'alliage et sa résistance à chaud aux agents chimiques. L'élévation du taux pondéral d'yttrium au-dessus de 0,2% abaisse la déformabilité de l'alliage. Il est universellement connu que le bore augmente la résistance mécanique à chaud de l'alliage, gracie à la formation de borures renforçant les joints întergranulaires de l'alliage. L'abaissement du taux pondéral de bore au-dessous de 0,005% abaisse la résistance mécanique à chaud de l'alliage, et ltélivation de ce taux au-dessus de O,Q2* abaisse la déformabilité de cet alliage. Le magnésium, d'après l'invention, est ajouté à l'alliage dans les limites indiquées pour améliorer sa déformabilité et sa soudabilité, ainsi que pour abaisser sa tendance à la fissuration lors du traitement thermique après le soudage. Le cérium, d'après l'invention, est ajouté à 11 alliage pour augmenter sa résistance mécanique à chaud et améliorer sa déformabilité et sa soudabilité. L'abaissement du taux pondéral de cérium au-dessous de 0,005% diminue la résistance mécanique à chaud, la déformabilité et la soudabilité de l'alliage. L'élévation du taux pondéral de cérium au-dessus de 0,02% abaisse la déformabilité de l'alliage. Il est avantageux que l'alliage à base de nickel ait la composition pondérale suivante : carbone 0,05 à 0,07% chrome 16,5 à 17,0% cobalt 10,0 à 12,0% titane 1,8 à 2,2% aluminium 2,8 à 3,2% tungstène 2,8 à 3,5% molybdène 6,0 à 6,5% yttrium jusqu'à 0,02% bore 0,005 à 0,015% magnésium 0,005 à 0,015% cérium 0,005 à 0,015 nickel le reste. Une telle composition permet d'obtenir une combinaison optimale de la résistance mécanique à chaud, de la déformabilité et de la soudabilité de l'alliage à base de nickel. Ceci permet d'utiliser l'alliage pour fabriquer des tales, souder ces tôles et leur faire subir après le soudage un traitement thermique sans fissuration. Il est souhaitable que dans l'alliage le rapport titane/ aluminium soit de 2/3. Cela améliore l'aptitude des soudures de l'alliage au traitement thermique Sans fissuration après le soudage. Gracie à l'invention, on obtient un alliage à base de nickel doué d'une bonne déformabilité et d'une bonne soudabilité, d'une haute résistance mécanique à chaud et d'une haute résistance mécanique à la température normale, ainsi que d'une bonne stabilité de structure. L'alliage faisant l'objet de l'invention peut être élaboré par n'importe lequel des procédés connus des spécialistes travaillant dans ce domaine. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs. EXEMPLE 1 On charge dans un four les matières de départ essentielles, à savoir : le nickel, le chrome, le cobalt, le titane, l'aluminium, le tungstène et le molybdène. Après fusion de ces éléments, on leur ajoute le carbone, l'yttrium, le bore, le magnésium et le cérium. Ensuite on brasse l'alliage en fusion et on le coule dans des lingotières. L'alliage à base nickel obtenu, en lingots, a la composi t ion pondérale suivante carbone 0,05 96 chrome 17,0 % cobalt 10,1 % titane 1,9 % aluminium 3,2 % tungstène 2,8 46 molybdène 6,5 46 yttrium o,ooi% bore 0,006% magnésium 0,01% cérium 0,013% nickel le reste. Un tel alliage peut être utilisé avec une efficacité maximale pour fabriquer des tôles de 1 mm d'épaisseur, avec lesquelles on réalise ensuite diverses structures soudées. Les essais ont montré que les tôles fabriquées avec cet alliage avaient, après traitement thermique de durcissement, les caractéristiques données dans le tableau 1. Tableau 1. Température Caractéristiques mécaniques OC à la température normale à chaud charge limite- allongement contrainte durée de, de rup élasti- A # rupture #,h ture #r que # 0,2 #% kg/mm kg/mm kg/mm 20 128-130 .87-88 26-28 700 96-98 76-78 12-15 65 143-152 890 85-87 73-75 10-12 38 162-175 900 59-63 56-58 10-12 18. 145-159 1000 28-32 25-27 - 16-20 6 130-145 EXEMPLE 2. Un charge dans un four les matières de départ essentielles, à savoir : le nickel, le chrome, le cobalt, le titane, l'aluminium, le tungstène, et le molybdène. Après fusion de ces éléments, on leur ajoute le carbone, l'yttrium, le bore, le magnésium et le curium Ensuite on brasse l'alliage en fusion et on le coule dans des lingotières. L'alliage à base nickel obtenu, en lingots, a la composition pondérale suivante : carbone 0,08% chrome 15,0% cobalt 16,5% titane 1,9% aluminium 2,8% tungstène 3,1%. molybdène 6,0% yttrium 0,005% bore 0,018% magnésium 0,008% cérium 0,007% nickel le reste. Un tel alliage peut être utilisé avec une efficacité maximale pour fabriquer des tôles de 2,5 mm d'épaisseur, avec lesquelles on réalise ensuite diverses structures soudées. Les essais ont montré que les tales fabriquées avec cet alliage avaient, après traitement thermique de durcissement, les caractéristiques données dans le tableau 2. Tableau 2. Température Caractéristiques mécaniques OC à la température normale à chaud charge de limite allonge- contrainte durée de rupture #r élastique ment A, # rupture kg/mm #0,2 # % kg/mm #, h kg/mm 20 125-128 85-87 25-28 - 700 95-98 76-77 12-14 65 145-160 800 83-86 70-73 12-15 38 158-165 900 58-63 56-58 10-14 18 160-165 1000 28-32 25-27 17-21 6 160-172 155-170 EXEMPLE 3. On charge dans un four les matières de départ essentielles, à savoir : le nickel, le chrome, le cobalt, le titane, l'aluminium, le tungstène et le molybdène. Après fusion de ces éléments, on leur ajoute le carbone, l'yttrium, le bore, le magnésium et le cérium. Ensuite on brasse l'alliage en fusion et on le coule dans des lingotières. L'alliage à base nickel obtenu, en lingots, a la composition pondérale suivante : carbone 0,06% chrome 17,6% cobalt 10,1% titane 2,2% aluminium 3,1% tungstène 4,5% molybdène 6,0% yttrium 0,1% bore 0,008% magnésium 0,03% cériun 0,015% nickel le reste Un tel alliage peut être utilisé avec une efficacité maximale pour fabriquer des barres de 30 film de diamètre, avec lesquelles on réalise ensuite des pièces soudées. Les essais ont montré que les barres fabriquées avec cet alliage avaient, après traitement thermique de durcissement, les caractéristiques données dans le tableau 3. Tableau 3. Température C Caractéristiques mécaniques à la température normale à chaud charge de limite allonge- c ontrainte durée de rupture # élastique ment A, 6 rupture kg/mm #0,2 # % kg/mm #,h kg/mm 20 121-125 84-85 22-25 700 89-95 75-77 10-12 73 210-235 800 82-86 70-72 12-13 43 190-215 900 55-60 52-53 12-13 21 140-152 1000 2527 23-24 16-18 7 156-173 EXEMPLE 4. On charge dans un four les matières de départ essentielles, à savoir : nickel, le chrome, le cobalt, le titane, l'aluminium, le tungstène, le molybdène. Après fusion de ces éléments, on leur ajoute le carbone, l'yttrium, le bore, le magnésium et le cérium. Ensuite on brasse l'alliage en fusion et on le coule dans des lingotières. L'alliage à base nickel obtenu, en lingots, a la composition pondérale suivante carbone 0,06 % chrome 15,0 % cobalt 12,1 5' titane 2,2 % aluminium 3,2 % tungstène 2,8 % molybdène 7,3 % yttrium 0,001 % bore 0,006 % magnésium 0,007 5' cérium 0,013 % nickel le reste. Un tel alliage peut être utilisé avec une efficacité maximale pour fabriquer des rondelles employées ensuite pour réaliser des pièces soudées. Les essais ont montré que les rondelles fabriquées avec cet alliage avaient, après traitement thermique, de durcissement les caractéristiques techniques données dans le tableau 4. Tableau 4 Tempé- Caractéristiques mécaniques rature, C à la température normale à chaud charge de limite allonge- contrainte durée de rupture élastique ment A, 3 2 rupture kg/mm # 0,2 #% kg/mm kg/mm2 20 120-123 85-88 25-28 - 700 91-93 75-78 12-14 70 190-205 800 85-87 71-73 10-12 40 195-215 900 60-63 56-58 10-12 20 150-165 1000 25-27 23-25 10-16 7 170-185 Les essais de tendance à la fissuration des soudures de l'alliage considéré ont été effectués sur une éprouvette à contraintes complexes de 12 mm d'épaisseur, à bords préparés en arc de cercle, la valeur des contraintes étant proche de celles appliquées dans les conditions réelles.Le soudage a été exécuté à l'arc sous argon avec une électrode en tungstène et un produit d'apport. Ces essais ont montré que les éprouvettes détensionnées après le soudage ne se fissuraient pas lors du traitement thermique durcissant exécuté ensuite. L'alliage à base de nickel faisant l'objet de l'invention peut avoir les propriétés données dans le tableau 5. Tableau 5. Dempéra- Tale laminée à froid Barre de 30 à 40 mm ture, OC de 1 à 2,5 mm d'épaisseur de diamètre. contrainte durée de contrainte durée de kg/mm2 rupture, h kg/mm2 rupture h 700 65-70 > 100 73-75 > 100 800 38-40 > 100 42-44 > 100 900 17-18. > 100 20-22 > 100 1000 5,5-6 > 100 6,5-8,0 > 100 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 oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent REVENDICATIONS 1.Alliage à base de nickel contenant du carbone, du chrome, du cobalt, du titane, de l'aluminium, du tungstène, du molybdène, de l'yttrium, du bore, caractérisé en ce que, outre les constituants énumérés introduits dans les proportions pondérales suivantes : carbone 0,05 à 0,10 % chrome 15,0 à 18,0 % cobalt 10,0 à 17,0% titane 1,8 à 2,5% aluminium 2,8 à 3,5% tungstène 2,5 à 5,0% molybdène 6,0 à 7,5% yttrium jusqu'à 0,2% bore 0,005 à 0,02% il contient du magnésium à raison de 0,005 à 0,05% en poids et du cériun à raison de 0,005 à 0,02% en poids, le reste étant du nickel. 2. Alliage à base de nickel selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante : carbone 0,05 à 0,07% chrome 16,5 à 17,0% cobalt 10,0 à 12,0% titane 1,8 à 2,2% aluminium 2,8 à 3,2% tungstène 2,8 à 3,5% molybdène 6,0 à 6,5% yttrium jusqu'd 0,02% bore 0,005 à 0,015% magnésium 0,005 à 0,015% cérium 0,005 à 0,015% nickel le reste. 3. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport titane/aluminium dans ledit alliage est de 2/3.