Brevet FR2527224A1 — publié le 19831125

1- L'invention concerne un alliage nickel-chrome- aluminium-yttrium, et plus particulièrement un alliage nickel-chrome-aluminium-yttrium contenant du fer. Des alliages nickel-chrome-aluminium sont connius dans la technique Ils contiennent du chrome, de l'aluminium et de l'yttrium dans une base de nickel Ils sont connus pour leur excellente résistance à l'oxydation Cette der- nière peut être attribuée à la formation d'une couche d'oxyde protectrice composée en grande partie d'alumine (A 1203), modifiée par la présence d'yttrium. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 312 682 décrit un alliage nickelchrome-aluminium-yttrium convenant particulièrement à la fabrication de matériel de four. L'alliage contient, en poids, 8 à 25 % de chrome, 2,5 à 8 % d'aluminium et une quantité faible, mais efficace, d'yttrium ne dépassant pas 0,04 %, le reste-étan L consti- tud de nickel, d'impuretés et d'éléments facultatifs de modification. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 754 902 et N 3 832 167 décrivent également des alliages quelque peu similaires. Malgré l'intérêt présenté par les alliages nickel- chrome-aluminium-yttriu i L, comale indiqué dans les références prèci Ldes, ces alliages ont eu un succès commercial limit Lé. Ceci peut être attribué en partie aux problèmes posés par leur aptitude au façonnage En fait, ils sont utilisés en grande partie sous la forme de pièces coulées et de revête- ments extérieurs. L'inventicn fournit un alliage nickel-chrome- aluminium-y Ltriumr ayant une meilleure aptitude au façonnage et caractérisé en outre par une excellente résistance à l'oxydation à des températures très élevées (températures supérieures à 1093 C) Ce résultat souhaitable est obtenu par un dosage précis de la quantité d'aluminium de l'alliage et par l'addition de fer en quantité dépendant de la teneur en aluminium. L'alliage selon l'invention est un alliage à base de nickel ayant une teneur en fer déterminée, de 1,5 à 8 . Il se distingue clairement des allitages décrits dans les références précitées Le fer est critique (à l'alliage et il ne constitue passelmn u: élén:ent additionnel facul- tatif auquel aucu: ô inae ne pc-ut êntre attri 1 bué, comme c 'est le cas des alliagres -dé 5 crits dans les brevets N' 4 312 G 632 NTO 3 8 q 2 167 rcts L'a 1 l -Lncc sao ivu peut_ êre é-galement. distingué du grand noib-re dalac sensiblement simi- laires 1, rais -ne cont Lenan -t pa F de n'ch-e 1 e' /ou àbase de fer, connurs c; i 1:ï de 1 'n Des exmlsde ce alliages sorit décrits dans les brevets> des Etats Un-is d'Amérique N O 3 017 265, N O 3 027 252, N' 3 754 898 et N O 4 086 085 et dans le brevet britannique No 1 575 038. L'invention a donc pour objet un alliage resais- tarit à l'oxydation aux tenmpératures élevées, ayant une aptitude au façonnage amé 11 iorée L'invention a également pour objct un alliage nickel-ch rome-aluminiium,-ytt Lrium, contenant du fer. L'invention sera décrite plus en détail en regard du, dessin, annexés à titre d'exemple nullement limi- tati-f 7 et Fur lequel la figure unique est un graphique donnant les caractéristiques die traction à 9427 'C d'alliages nickl -cromealuxiniu-yttriumcont 1-enan-t dive Kses quan - tités de fr F;w'th con 7 cerne donc un alliage nickel- chroe-aumii trt-ttrliiconenat cu fer, dont l'aptitud 1 e au façonna-e? esta'li>é et qui est en outrecactrs par une e-xce_ Llerrèi Ln 'oyain es e:ra 2 t-ures trsêe'e Lalaecrpedessentieljleme_nt, Cii poids, 14 Cà 1; û ce chrome, 4 a 6 d'alumi-niumt, 1,5 à 8 %Q de fer, une qua-n-c Jté faible, meais icc d'yt'triumi ne: dté'passant pas 0,04 OC, jusm:',_-à 12 o de cobalt-, jusqu'a 1 % de rnu:nc-anèis-e, juisqu'à 1 % de mlbèe jusqu'à 1 % de silicium, jusqu'à 0,25 % Ce carbon E, jusqu'à 0,03 % de bor:e, j'usqu'à 1 % dc ugsèe juscqu'à 1 " de ta Mntale, jusu'à 0,5 1 ô de titane, jusriu'à 0,5 '1 d'hafnium, jusqu 'à 0,5 n de rhè-niiw,l, jusqu'cà 0,04 % d'éléments du groupe coni- pr-enant les élêènents 57 à 71 du Tableau Périodique des Elérim-ints, le r-este étan,t const"-itu Ié essentiellement de nickel La teneur totale en nickel et en cobalt est d'au moins 66 %, et en général d'au moins 71 % La teneur pré- férée en chrome est de 15 à 17 % L'yttrium est habituelle- ment présent à raison d'au moins 0,005 % Le cobalt doit être présent à moins de 2 %, car il tend à stabiliser la phase gamma prime La teneur préférée globale en molybdène et en tungstène est inférieure à 1 % pour des raisons ana- logues Les teneurs maximales préférées en carbone et en bore sont, respectivement, de 0,1 et 0,015 %. Le fer est présent en quantité variant de 1,5 à 8 %, et de préférence en quantité variant de 2 à 6 % Il est apparu que des additions dosées de fer améliorent l'aptitude au façonnage de l'alliage sans dégrader maté- riellement sa résistance à l'oxydation Il est apparu que le fer réduit l'efficacité du précipité gamma prime en tant qu'agent de durcissement Au moins 1,5 %, et de préférence au moins 2 % de fer, sont ajoutés pour l'aptitude au façon- nage Pas plus de 8 % de fer sont ajoutés afin de préserver la résistance à l'oxydation des alliages et la résistance aux températures élevécs Un accroissement léger, mais notable, de la limite élastique peut être attribué à la présence de fer dans la plage préférée de 2 à 6 % (voir la figure unique et l'exemple 2) La teneur en fer est de préférence conforme à la relation Fe > 3 + 4 (%A 1-5), lors- que la teneur en aluminium est d'au moins 5 %. L'aluminium est présent en quantité comprise entre 4 et 6 %, et de préférence entre 4,1 et 5,1 % Une addition d'au moins 4 %, et de préférence d'au moins 4,1 % d'aluminium, est réalisée pour la résistance à l'oxydation. Un niveau maximal de 6 %, et de préférence de 5,1 %, est demandé, car des teneurs en aluminium croissantes s'accom- pagnent de quantités croissantes de la phase gauma prime. Une teneur en fer d'au moins 3 % est de préférence demandée lorsque la teneur en aluminium est de 5 % ou plus Comme indiqué précédemment, il est apparu que le fer réduib l'efficacité de la phase gamma prime en tant qu'agent de durcissement. La présence de fer et, par suite, la meilleure aptitude au façonnage de l'alliage rendent ce dernier particulièrement apte à la fabrication d'articles forgés. Sa-grande résistance à l'oxydation le rend particulière- ment apte à la réalisation de matériel pour fours à cérami- que et fours de traitement thermique. Les avantages de la présente invention apparaî- tront à l'homae de l'art La présente invention tend à minimiser la formation de la phase gamma prime en limi- tant la quantité d'alumini Lm et, de plus, elle tend à réduire son efficacité par l'addition de fer Ceci est contraire aux objectifs typiques recherchés pour les super- alliages contenant de l'aluminium et ceci est contraire aux objectifs typiques recherchés pour les superalliages qui forment la phase gamma prime. Les exemples suivants illustrent-plusieurs aspects de l'invention. Exemple 1 On prépare des lingots de 2273 kg à partir de plusieurs coulées (coulées A-H)- La matière est soumise à une fusion sous vide, une coulée en électrodes et une refusion sous laitier électroconducteur pour former des lingots La composition chimique des coulées, hormis les éléments présents en tant que traces, est donnée dans le tableau I ci-dessous. TATBLEAU I Composition (% en poids) Coulée Cr Al Y Fe Ni A 15,74 5,34 0,019 B 16,07 5,36 0,027 C 15,72 5,48 D 16,25 5,14 E 15,98 5,04 F 16,13 5,48 0,012 0,11 77,85 G 16,25 4,40 0,035 0,14 78,49 H 16,07 4,36 0,022 Les lingots sont forgés à des températures de 1120 à 1200 C, après des cycles de chauffage durant jus- qu'à 20 heures Des brûleurs à gaz, proches des matrices de forgeage, sont utilisés pendant le forgeage pour main- tenir chauds les lingots provenant des coulées F, G et H. La récupération de matières n'ayant pas subi de rupture au forgeage est mauvaise La matière sauvée exige un conditionnement important qui, dans ce cas, est un meulage. Un fil provenant de la matière sauvée ne peut être étiré qu'à environ 20 % avant que des ruptures r 6 pft&es ne se produisent Lorsqu'un tel fil, qui a été étiré à froid nominalement à 20 %, est recuit sous forme de bobine, neuf boucles sur dix se rompent. Exemple 2 On prépare des lingots de 23 kg à partir de plusieurs coulées (coulées IP) Les valeurs recherchées pour l'aluminium sont de 4 et 5 % Les valeurs recherchées pour le fer sont comprises entre un niveau résiduel et une plage de 2,5 à 20 % La matière est soumise à une fusion sous vide, une coulée en électrodes et une refusion sous laitier dlectroconducteur pour donner des lingots. La composition chimique des coulées, hormis les éléments sous forme de traces, est donnée ci-dessous dans le tableau II. TABLEAU II Composition (% en poids) Coulée Cr Al Y Fe Ni I 15,11 4,64 0,01 J 16,20 4,31 0,007 6,0 71,66 K 16,54 3,93 0,013 0,61 78,0 L 16,72 5,07 0,011 5,1 72,3 M 15,79 4,66 0,012 4,79 73,12 N 16,09 4,78 0,009 9,81 68,49 O 16,18 4,84 0,015 19,58 58,60 P 16,64 4,89 0,017 2,26 75,00 Les lingots sont forgés pour former dcs plaques à 1 12 00 C, la àé chiaud a une epais-scur intei:rmdiaire de 1,9 mmii, à 11200 C, laminés à froid à uï)e épaisseur de finition de 1,1 riic, recuits pendant 5 minutes à 1 12 O'C, puis refroidis par circulation d'air. De S feile ricîînant de t 1 outes -les coulèes, a 1 ' >:çetionde la cué J, sct oumises à un essai. die trcinà l'trt-cuit, a eiversses L-empératures cnm- Prises entr-e $ 16 et 103 R-C Les eutt des essais,-nt donrns i-essdaans le tableau IIT Les méthodes con- f Lor P os à la norme AS Tn PE-21 pour essais à tcmuérat Lures élevées sont suivies. TABLEAU III Température Limite Charge à Allonge- d'essai ( O C)élastiquela rupture menb (là) Coulée _ __ _ _ _ (M?-a) ( 11 pa) _ _ I 871 332 403 2,1 ( 44,6 % Al, O % Fe) 927 196 248 4,4 1 ( 3,9 % Al, 0,6 % Fe) 843 399 519 10 871 283 348 10 927 86152 46 982 54 112 54 1038 37 79 60 L ,1 Fe P) 843 492 49-2 2 e 171 412 512 4 927 272 449 D 9 982 77 14-3 29 UC 38 43 88 50 M ( 4,7 Z Ai, 4, 8 843 457 594 5 8171 391 524 6 927 i 223 316 12 982 65121 47 1 LI 3 C 41 85 52 TABLEAU III (Suite) Température Limite Charge à Allonge- d'essai (OC) élastique la rupture ment (%) Coulée (M Pa) (M Pa) N ( 4,8 % Al, 9,8 % Fe) 843 432 554 4 871 293 406 8 927 145 203 21- 982 59 114 51 1038 39 78 52 o ( 4,8 % Al, 19,6 % Fe) 843 * 440 558 5 871 235 343 16 927 90 142 52 982 52 101 57 1038 36 78 54 p 871 370 506 3 927 201 288 8 982 117 176 18 1038 40 79 53 Les caractéristiques de traction à 9270 C des coulées I et L-P sont données sur le graphique de la figure unique, la courbe formée de petits cercles indiquant la charge à la rupture, la courbe formée de carrés indiquant la limite élastique à 0,2 % et la courbe formée de triangles indiquant l'allongement Il convient de noter la façon dont l'allongement augmente avec les quantités croissantes de fer Il convient également de noter la combinaison souhai- table de résistance et d'allongement obtenue avec la teneur préférée en fer ( 2 à 6 %) de la présente invention. Exemple 3 On prépare deux lingots de 2273 kg à partir d'une coulée Q La matière est soumise à une fusion sous vide, une coulée en électrodes et une refusion sous laitier électroconducteur pour donner des lingots La composition chimique de la coulée Q, hormis les éléments sous forme de traces, est donnée ci-dessous dans le tableau IV. TABLEAU IV Composition (% en poids) Coulée Cr Al Y Fe Ni Q 16,16 4,29 0,007 2,62 76,25 Les lingots sont forges, caome ceux de l'exemple 1On n'utilise pas de brûleurs à gaz avec les matrices pour maintenir la température pendant le forgeage. Les deux lingots présentent un bon comportement au forgeage La récupération après le forgeage est très o 10 supérieure à celle des lingots de l'exemple 1 et atteint une moyenne supérieure à 80 % Les lingots contiennent 2,62 % de fer, tandis que la plus forte teneur en fer de tout lingot du tableau I est de 0,51 % L'alliage selon l'invention contient 1,5 à 8 % de fer Des récupérations après forgeage de moins de 30 % sont typiques pour des coulées contenant moins de fer. Les résultats obtenus après laminage à chaud et laminage à froid de la matière de la coulée Q sont excel- lents Les feuilles laminées à chaud sont recuites et trempées sans fissuration Un fil d'un diamètre de 6,4 mm et d'une aire, en section, de 31,7 mm 2 est réduit à froid à une aire, en section, de 13,2 mm 2 ( 58 %) sans recuit intermédiaire, et est ensuite recuit sans fissuration. Exemple 4 Des essais d'oxydation statique sont conduits à 1149 C pendant 500 heures pour -comparer la résistance à l'oxydation de deux alliages selon l'invention à celle d'un alliage contenant moins de 1,5 % de fer Les alliages selon l'invention sont l'alliage L ( 5,07 % Al, 5,1 % Fe) et l'alliage P ( 4,89 % Al, 2,26 % Fe) L'alliage témoin est l'alliage K ( 3, 93 O Ai, 0,61 % Fe) L'essai est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 272 289. Les résultats des essais sont donnés ci-dessous dans le tableau V. TABLEAU V Données d'oxydation statique 500 heures/1149 C Perte de Pénétra Pénét:ra Métal métal tion con tion d'oxyde total (.tm/surface) tinue (im/ (; in/surface) affec Lé surface) (gm/ ur- Alliage _f __ ace) L 2,03 8,89 10,03 67,56 P 1,27 9,91 11,18 64,26 K 0,51 4,57 5,08 70,10 Les résultats montrent que le fer (dans la plage de la présente invention) ne produit pas d'effet nuisible notable sur la résistance à l'oxydation Bien que la conclusion n'en soit pas affectée, aucun doute ne subsisle sur l'amplitude réelle des chiffres donnés dans le tableau. Exemple 5 D'autres essais d'oxydation statique sont con- duits à 1149 C pour comparer la résistance à l'oxydation de deux autres alliages selon l'invention, l'un ayant moins de 1,5 % de fer Les alliages selon l'invention sont l'alliage J ( 4,31 % Al, 6,0 % Fe) et l'alliage Q ( 4,29 % Al, 2,62 % Fe) L'alliage témoin est l'alliage E ( 5,04 % Al, 0, 49 % Fe) Les alliages J e L Q sont essayés pendant 500 heures L'alliage E est essayé pendant heures. Les résultats des essais sont donnas dans le table 3 u VI ci-dessous. TABLEAU VI Données d'oxydation statique Pcrte de Pénétra Pénétra lqétal métal tioi, con tion d'oxyde total ( surface) (gm/sur- Alliage face) J 0,25 2,54 3,05 3,05 Q 3,05 4,32 7,37 10,41 E 1,27 2,54 3,81 3,81 Les résultats indiquent que le fer (dans la plage de la présente invention) n'a pas d'effe L nuisibl- sur la résistance à l'oxydation Ceci est mis particulière- ment en è-vidence le fait que les coulecs i et Q sont 500 houires, clue la coilléo, E est d c-ae c 1 c -s r, tion p-u- -,ent être décri sains sortir du cadire CIO 1, ii-lv 1 1 REVENDICATIONS 1 Alliage résistant à l'oxydation à températures élevées, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en poids, 14 à 18 % de chrome, 4 à 6 % d'aluminium, 1,5 à 8 % de fer, une quantité petite, mais efficace, d'yttrium ne dépassant pas 0,04 %, jusqu'à 12 % de cobalt, jusqu'à 1 % de manganèse, jusqu'à 1 % de molybdène, jusqu'à 1 % de silicium, jusqu'à 0, 25 % de carbone, jusqu'à 0,03 % de bore, jusqu'à 1 % de tungstène, jusqu'à 1 % de tantale, * 10 jusqu'à 0,5 % de titane, jusqu'à 0,5 % d'hafnium, jusqu'à 0,5 % de rhénium, jusqu'à 0,04 % d'éléments du groupe comprenant les éléments 57 à 71 du Tableau Périodique des Eléments, le reste étant constitué essentiellement de nickel, la quantité totale de nickel et de cobalt étant d'au moins 66 %. 2 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 15 à 17 % de chrome. 3 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 4,1 à 5,1 % d'aluminium. 4 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 2 à 6 % de fer. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur totale en nickel et en cobalt est d'au moins 71 %. 6 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 15 à 17 % de chrome, 4,1 à 5,1 % d'aluminium, 2 à 6 % de fer et une teneur totale en nickel et en cobalt d'au moins 71 %. 7 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient moins de 2 % de cobalt. 8 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,1 % de carbone et moins de 0,015 % de bore. 9 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins 5 % d'aluminium et au moins 3 % de fer. Alliage selon la revendication 9, caractérisé en ce que la teneur en fer est conforme à la relation Fe > 3 + 4 (%A 1-5). 11 Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur totale en molybdène et en tungstène est de moins de 1 %. 12 Article forgé, caractérisé en ce qu'il est constitué de l'alliage selon la revendication 1. 13 Article destiné à du matériel de fours à céramique, caractérisé en ce qu'il est constitué de l'alliage selon la revendication 1. 14 Article destiné à du matériel de fours de traitement thermique, caractérisé en ce qu'il est constitué de l'alliage selon la revendication 1.