Brevet FR2478129A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne un alliage approprié à la réalisation de moulages monocristallins; elle concerne également un moulage réalisé avec un tel alliage. Depuis quelques années on a constaté que les alliages à base de nickel, coulés sous forme de moulages mono- cristallins pouvaient offrir des propriétés améliorées de résistance mécanique et de résistance à la corro- sion. Cette amélioration est dfe principalement à l'absence, dans la structure monocristalline, de sé- parations intergranulaires qui, dans des pièces cou- lées selon les méthodes normales, constituent des amorces et des lignes de progression de fissures ainsi que des zones de faiblesse o la corrosionpeut attaquer On a récemment.étudié, de façon approfondie, l'emploi de moulages monocristallins pour les pièces constitu- tives des moteurs à turbine à gaz, l'effort principal de ces recherches étant dirigé vers l'emploi de ces moulages pour les aubes mobiles des turbines haute- pression de tels moteurs. Pour améliorer au maximum les propriétés matérielles de ces aubes moulées, on a proposé diverses modifications des alliages spéciaux A base de nickel normalement utilisés pour ces aubes. Les inventeurs ont constaté que la technique du mou- lage monocristalJin pouvait être utilisée pour amé- liorer les propriétés d'autres parties constitutives d'une turbine à gaz, en particulier les aubes de dis- tributeur dont la fonction est de diriger les gaz chauds provenant dos chambres de combustion sur les aubes mobiles de la turbine. Les propriétés exigées du métal de ces aubes de distributeur diffèrent de celles requises pour les aubes mobiles; par exemple, un point de fusion élevé et une bonne résistance à l'oxydation sont plue importants pour la matière cons- titutive des aubes de distributeur alors que sa ré- sistance mécanique l'est moins. Pour permettre de retirer du procédé de moulage mono- cristallin un avantage plus proche de son avantage potentiel maximal lorsqu'il est utilisé pour la fabri- cation d'éléments tels que des aubes de distributeur de turbine, les inventeurs ont mis au point un alliage pouvant conférer, sous forme monocristalline, des-va- leurs satisfaisantes aux propriétés requises. Un alliage selon l'invention, approprié à être utili- sé sous la forme d'un moulage monocristallin, est com- posé des éléments ci-après, exprimés en % en poids: -Chrome 10 à 16 % Cobalt 4 à 16 % -Molybdène 2 à 4 % la somme de: -Tungstène 0 à 2 % % de Mo + % de W + _ de Ta 2 3 - Tantale 2 à 8 % étant comprise entre 4 et 6 - Aluminium 4 à6 % 6 la somme de: % d'Al + % de Ti - Titane 1 à 4 % étant comprise entre 5 et2 7 Carbone 0,015 à 0,05 % -Bore 0 0,01 % - Zirconium O à O,01 % Xie complément étant constitué par du nickel; plus des impuretés éventuelles. De préférence, l'alliage sera composé des éléments ci-après, exprimés en % en poids: Chrome 11 à 12 % Aluinium 5 à 5,5 % Cobalt 4 à 12 % Titane 1, 5 à 2 Molybdène 2 à 2,5 % Carbone 0,015 à 0,05 % Tungstène 0,5 à 1 % Bore 0 à 0.01% Tantale 5 à 6 % Zirconium 0 à 0,01. Le complémernt étant constitué par du nickel, plus des impuretés éventuelles. Dans certains cas particuliers de réalisation, l'al- liage sera composé des éléments ci-après, exprimés en en poids: Chrome 11, 5 % Tantale 5,5 % Cobalt 10 % Aluminium 5,25 ou 4 % Molybdène 2,25 % Titane 1,75 ou 3,5 % Tungstène 0,75 %- Carbone 0,02 % Le complément étant constitué par du nickel, plus des impuretés éventuelles À L'invention concerne également un moulage monocris- tallin, et en particulier une aube de distributeur pour moteur à turbine à gaz, faits d'un moulage de cet alliage coulé sous forme monocristalline. L'influence des divers constituants de l'alliage, lorsque celui-ci est coulé sous forme monocristalline, est exposée ci-après dans l'ordre de l'énumération ci-dessus, identique à celle des Revendications. En premier lieu, la teneur en chrome, 10 à 16 % en poids, est assez faible si on la compare à celle d'antres alliages pour moulage d'aubes de distribu- teur. Cette teneur en chrome, associée à la teneur assez élevée de 4 à 6 5- d'aluminium, donne un alliage dont la pellicule superficielle d'oxyde sur la nièce coulée est constituée par des oxydes d'aluminium rlu- t8t que par un oxyde de chrome. Ceci confère à l'al- liage une reilleure résistance aux hautes températures au détriment de sa résistance à la corrosion à chaud mais l'équilibre entre ces deux facteurs est tel que l'alliage sera optimal pour l'emploi envisagé. Les teneurs en cobalt sont considérées comme capables d'assurer une quantité suffisante de cet élément im- portant de l'alliage tout en tenant compte de son coût élevé rendant souhaitable d'en réduire la quan- tité utilisée au minimum indispensable à l'obtention des propriétés recherchées. L'addition des trois éléments renforçateurs: molyb- dène, tungstène et tantale, doit représenter des pro- portions susceptibles de conférer à l'alliage une ré- sistance suffisante, mais si ces proportions dépassent un certain niveau l'alliage pourra devenir instable. De plus, l'addition de tantale est bénéfique pour les propriétés de résistance de l'alliage à une oxydation à haute température; c'est pourquoi on préférera a- dopter une teneur assez élevée en tantale avec des teneurs plut8t basses en molybdène et en tungstène sous réserve que la totalité des teneurs de ces trois éléments sera limitée de façon à tenir compte de leurs contributions respectives à la stabilité de l'alliage Les spécialistes de ces questions comprendront oue, dans l'éventail des proportions revendiquées ici, il sera possible de sélectionner des alliages possédant des degrés divers de stabilité et que certains de ces alliages pourront même être assez instables. bais même des alliages instables se gont révélés utiles et les spécialistes pourront choisir, dans les li- mites revendiquées, des valeurs donnant le degré recherché de stabilité La teneur en aluminium de l'alliage est assez élevée pour promouvoir la formation, sur l'alliage précité,- d'une couche superficielle d'oxydes d'aluminium. Ceci porte à son maximum la résistance de l'alliage à l'oxydation sous température élevée, en particulier lorsque cet alliage contient simultanément assez peu de titane. Une teneur plus élevée en titane, combi- née avec une teneur réduite en aliminium, tend à amé- liorer la résistance à la corrosion ' chaud, tous autres facteurs étant égaux. Les gammes choisies pour l'alliage selon l'invention ont été établies de facon à donner les meilleures possibilités en fonc- tion de l'emploi prévu o En outre les teneurs en alu- minium et en titane sont l'objet d'un calcul destiné à déterminer un coefficient d'équilibre en tenant compte de leurs effets respectifs, la teneur minimale représentant un niveau auquel la résistance mécanique de l'alliage sera amoindrie tandis que la teneur ma- ximale sera déterminée en fonction de la stabilité recherchée. Dans les alliages spéciaux normaux, les constituants de moindre importance (carbone, bore, zirconium) ont pour fonction de renforcer les séparations inter- granulaires, mais dans un moulage monocristallin, ne comportant pas de telles séparations internes, ces 247812 9 constituants n'ont ras à remp!ir une telle fonction. En outre le bore et le zirconiun abaissent le point de fusion et, comme il est souhaitable que l'alliage ait un point de fusion aussi élevé que possible, le mieux est de réduire le plus possible la teneur en ces éléments.. La teneur en carbone devra de même être faible bien au'il ne soit pas indispensable de descendre jusqu'à une teneur aussi faible oue possible et c'est pour cela qu'on a indiqué une teneur minimalé de 0,015 %, facile à obtenir en pratique sans recou- rir à des techniques conteuses de décarburation. Le complément de l'alliage sera naturellement du nickel et la matière de l'alliage contiendra inévita- blement des impuretés qui pourront être tolérées tant qu'elles n'auront pas d'effet nuisible. On voit donc que la gamme de composants conforme A l'invention donne les alliages les mieux appropriés à l'obtention d'une partie au moins des avantages of- ferts par la technique du moulage monocristallin, tout en permettant de les modifier de façon à en amé- liorer les propriétés par comparaison avec les allia- ges déjà connus. Bien que cette gamme d'alliages soit spécifiquement destinée A la réalisation d'au- bes de distributeur de turbine, coulées sous forme monocristalline, pour moteurs A turbine à gaz, il est évident que les propriétés de ces alliages en permet- - ten l'emploi pour d'autres pproduits de structure monocristalline Pour démontrer les propriétés des alliages conformes à la présente invention, des essais ont eté effectués portant d'une part sur un alliage témoin utilisé cou- ramment comme alliage spécial coulé et d'autre part sur deux alliages dont les constituants étaient com- pris dans les gammes de proportions revendiquées. Les comzooitions de ces alliages, exprimées en % en poids, étaient les suivantes, mais on devra noter que les proportions indiquées pour les alliages 1 et 2 selon l'invention sont des valeurs théoriques et qu'elles peuvent s'en écarter légèrement ern pratique: Alliage Témoin Alliage 1 Alliage 2 Chrome 15 11,5 11,5 Cobalt 10 10 10 Molybdène 8 2,25 2;25 Tungstène - 0,75 0,75 Tantale - 5,5 5,5 Aluminium 4,40 5,25 4 Titane 3,5 1,75 3,5 Carbone 0,15 0,02 0,02 Bore 0,005 - - Zirconium - - - Nickel complément complément Complément On notera que le coefficient d'équilibre molybdène/ tungstène/tantale des deux alliages 1 et 2 est 4, 46 tandis que le coefficient aluminium/titane est 6,12 pour l'alliage 1 mais 5,75 pour l'alliage 2. Dans tous les cas, les résultats obtenus pour l'al- liage témoin portaient sur une éprouvette coulée de la façon habituelle tandis que ceux relatifs aux al- liages 1 et 2 portaient sur des éprouvettes coulées en forme monocristalline. Dans tous les cas,les alliages ont été soumis à des traitements thermi- ques appropriés, comportant un traitement en solution à des températures supérieures au point ? de solvus mais inférieures au point de fusion. Pour les alliages 1 et 2 les températures de traitement en solution étaient 1220 C et 1270 C,respectivement, température qui fut maintenue pendant une heure.Ceci fut suivi d'une phase de traitement de mûrissement habituelle à 870 C pendant 16 heures. La résistance à l'oxydation, la résistance à la traction avant rupture, et la résistance à la contrainte avant rupture, de ces alliages ont été calculées à des températures diverses. Les essais de résistance à l'oxydation ont été effectuées dans de l'air contenant 4 parties par million de sel et à une température de 1050 C et ont donné les résultats ci-après Profondeur d'attaque après 30 heures après 90 heures Alliage Témoin 38 p 208 y Alliage 1 25 98 Alliage 2 24 p 103 p On voit que les alliages 1 et 2 offrent tous deux une résistance à I'oxydation plus grande que l'alliage témoin et il convient de noter que l'attaque des alliages 1 et 2 est plus uniforme que celle de l'al- liage témoin, ce qui constitue un avantage évident. Les essais de résistance à la traction avant rupture ont donné les résultats suivants Résistance (en mégapascals) b température ambiante à 800 C Alliage témoin 1000 MPa 950 MPa Alliage 1 1090 MPa 1080 MPa Alliage 2 1030 MPa 1070 MPa Les différences ne sont pas numériquement importantes mais elles montrent que les alliages 1 et 2 ne sont pas plus faibles que l'alliage témoin. Enfin un essai comraratif de longévité aVant rupture, sous contrainte, à diverses tepnératures, de l'allia- ge 1 et de l'alliage témoin a-donné les résultats sui- vants: o n g é v i t é à 7509C à 8502C à 105020 sous I580 a sous 340)Pa sous 75 IMPa Alliage Témoin 45 heures 30 heures 35 heures Alliage 1 250 - 250 - 250 - On voit que la résistance à la rupture, sous contrain- te, se trouve nettement améliorée; les inventeurs estiment que l'augmentation de la longévité corres- pond à une augmentation de 40 à 502C de la tempéra- ture de travail possible pour des pièces faites de cet alliage. On peut conclure de ce qui précède que, d'une façon générale, les résultats des essais confirment la pro- position initiale selon laquelle les alliages con- formes à l'invention fournissent une résistance égale à celle de l'alliage antérieurement connu mais une meilleure résistance à la corrosion et aux hautes températures. 2 478129 24781t29 RE\N'DICCA I02S' 1. Alliage utilisable sous forme de moulage mono- cristallin, caractérisé en ce qu'il est composé des éléments ci-après, exprimés en i en poids: Chrome 10 à 16 %, Cobalt 4 à 16 % Molybdène 2 à 4 i la somme de: 2% de W de Ta Tungstène 0 à 2 f de Mo ± + 2 "'"2 + 2 Tantale 2 à 8 % étant comprise entre 4 et 6 de Ti Aluminium 4 à 6 la somme de: d'Al + 2T Titane 1 à 4 % étant comprise-entre 5 et 7 Carbone 0, 015 à 0,05 % Bore 0 à 0,01 % Zirconium 0 à 0,01 % Le complément étant constitué par du nickel, plus des impuretés éventuelles. 2. Alliage selon la Revendication 1, caractérisé en ce qu'il est composé des éléments ci-après, ex- primés en % en poids: Chrome 11 à 12 % Aluminium 5 & 5,5 % Cobalt 4 à 12 % Titane 1,5 à 2 % Molybdène 2 à 2,5 % Carbone 0,015 à 0,05 % Tungstène 0, 5 à 1 % Bore 0 à 0,01 % Tantale 5 à 6 % Zirconium 0 à 0,01 % Le complément étant constitué par du nickel, plus des impuretés éventuelles. e 1 1 3. Alliage selon la Revendication 2, caractérisé en ce qu'il est composé des éléments ci-après, ex- primés en D en poids: Chrome 11,5 % Tantale 5,5 % Cobalt 10 % Aluminium 5, 25 l Mol,-bdène 2,25 % Titane 1,75 % Tungstène 0,75 % Carbone 0,02 % Le complément étant constitué par du nickel, plus- des impuretés éventuelles. 4. Alliage selon le Revendication 2, caractérisé en ce qu'il est composé des éléments ci-après, ex- pri.és en l en poids: Chrome 11,5 % Tantale 5,5 % Cobalt 10 % Aluminium 4 % Molybdène 2,25 % Titane 3,5 % Tungstène 0,75 % Carbone 0,02 % Le complément étant constitué par du nickel, plus des impuretés éventuelles. 5. A titre de produit industriel nouveau, moulage monocristallin fait de l'alliage selon une quel- conque des Revendications 1, 2, 3 ou 4. 6. A titre de produit industriel nouveau, aube de distributeur de turbine pour moteur à turbine à gaz, constituée par un moulage monocristallin selon la Revendication 5.