Brevet FR2578554A1 — publié le 19860912

- 1 - ALLIAGE MONOCRISTALLIN A MATRICE A BASE DE NICKEL L'invention concerne des alliages monocristallins a matrice à base nickel, sans addition intentionnelle de carbone, de bore ou de zirconiume De tels alliages sont connus par exemple par la demande française FR-83 20986 au nom de la demanderesse, ou par le document EP-A-0063511. Le but de l'invention est de proposer une nouvelle famille d'alliages du type prAcité, adaptés à la coulée monocristalline, ayant une température de solidus élevée (i.e. supérieure à 13250 C) tout en conservant un intervalle de traitement thermique possible entre les températures de solidus et de solvus de phase gamma-prime, ces alliages présentant par ailleurs des propriétés mécaniques intéressantes relatives à la fatigue qui les rendent particulièrement aptes à leur utilisation dans le domaine aéronautique pour la fabrication d'aubes de distributeur de turbine. Ce but est atteint conformément à l'invention par des alliages présentant la composition pondérale suivante: Co O à 10 % Cr 5 7 % Mo 1,5 à 2,5 % W 8,5 à 12,5 % Ta O à 6,5 % Al 5 à 7 % Nb O a 2% Ni complement à 100 - 2 - avec par ailleurs la somme des pourcentages atomiques: 0.005Co+O.036Cr+O.O52Mo+0. 066W+O.026Al+O.116Nb+0.O49Ta inférieure ou égale a 1, ces alliages étant exempts de titane. Pour permettre la comparaison avec d'autres familles d'alliages contenant notamment du titane, la relation précédente devrait être appliquée en affectant au pourcentage atomique de titane un coefficient multiplicatif de 0,078. On donne ci-après la justification des choix principaux des fourchettes de composition retenues et des exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un graphique montrant l'effet de la teneur en chrome (pourcentage pondéral porté en abscisse) sur les températures (portées en ordonnées) de liquidus, de solidus et de solvus gamma-prime. - la figure 2 est un graphique similaire à celui de la figure 1, mais concernant l'effet de la teneur en tantale. - La figure 3 représente la courbe d'endurance de Manson Coffin à 900'C pour un alliage de l'invention et deux alliages commerciaux MarM200 Hf à structure colonnaire et Mar200 à structure monocristalline. L'amplitude de la déformation totale úT est portée en ordonnée en fonction du nombre de cycles à la rupture Nf porté en abscisse. - La figure 3a représente les résultats d'un test similaire à ceux de la figure 3 pour un alliage de l'invention et un autre alliage commercial PD21 avec -3- une déformation totale imposéedETde 1,2 %. Le nombre de cycles à la rupture Nf est porté en ordonnées - la figure 4 représente une courbe similaire à celle de la figure 3 mais établie 1000 C. - La figure 5 compare des alliages de l'invention et trois alliages commerciauz IN100 a structure équiaxei René 125 à structure colonnaire et Mar M200 à structure colonnaire, vis 2 vis de la fatigue thermiques le nombre de cycles avant fissuration étant porté en ordonnées. - Les figures 6 et 7 comparent respectivement à 900 et 1000 C, un alliage de l'invention, un alliage proche de l'invention et un alliage commercial Mar M 200 à structure monocristalline, vis à vis de la fatigue oligocyclique à déformation imposée. La durée de vie Nf est portée en abscisse en fonction de la déformation totale imposée AElportée en ordonnée. L'introduction de tungstène contribue à la stabilité de la phase gammaprime. Il est préférable de maintenir la somme atomique Ta+W+Mo+Nb entre 5,9 et 6,3 pour éviter une précipitation de phase primaire massive. L'addition de cobalt ne change pas les températures de liquidus et de solidus mais diminue la température de solvus de gamma-prime: le cobalt augmente la fenêtre de remise en solution de la phase gamma-prime, ce qui facilite la réalisation des traitements thermiques. L'augmentation de la teneur en chrome jusqu'à 8 % en poids diminue les températures de liquidus, de solidus et de solvus gamma-prime (cf. fig.l) et peut entraîner - 4 - l'apparition d'une phase primaire. L'addition de tantale, les autres éléments restant constants par ailleurs, diminue les températures de liquidus et de solvus, sans modifier de façon sensible la température de solvus gamma-prime. La figure 2 a été établie pour une teneur pondérale de tungstène de 11%. La substitution du niobium (également -gène) par le tantale est intéressante dans la mesure o le solidus - augmnente de 15 à 20 C. Mais il est préférable de maintenir la teneur pondérale en tantale inférieure ou égale à 6,5 pour éviter une chute importante de la température de solidus. Cette teneur critique en tantale est fonction de la teneur en tungstène et ainsi pour une teneur pondérale en tungstène de 11, cette teneur critique doit être abaissée à 5,5 (cf figure 2). La teneur en molybdène, élément durcissant, est destinée à conférer une meilleure résistance à la matrice de nickel o il donne lieu à une ségrégation préférentielle. A titre d'exemple, il a été étudié plus particulièrement trois alliages Nl, B et F conformes à l'invention. Leur composition est donnée dans le tableau 1 ci-après o les teneurs sont exprimées en pourcentage pondéral et en pourcentage atomique (entre parenthèses). Les températures de liquidus, solidus, et solvus gamma- prime pour les alliages de l'invention sont reportées sur le tableau 2 ciaprès, o elles sont comparées à celles qui concernent des alliages commerciaux pour monocristaux MarM200, CMSX2, SRR99. Les alliages conformes à l'invention, élaborés sous forme de monocristaux, font l'objet d'une séquence de - 5 - traitements thermiques appropriés afin d'optimiser leurs propriétés. Le traitement thermique débute par une mise en solution des précipités k . Elle s'effectue à une température inférieure à la température de solidus entre 1300 C et 1320 C pendant 1 heure à 3 heures et par exemple,13000C pendant 1 h pour l'alliage Nl). Le refroidissement se fait par trempe à l'air, la taille des précipités Y) est de 0,3 pm. Deux revenus vers 100 C pendant 3 heures à 10 heures et vers 850 C pendant 15 heures à 25 heures permettent la précipitation de la phase tSa (la taille des précipités > obtenus après un traitement complet de l'alliage N1 est 0,4 >m). L'alliage N1 a été testé en fatigue oligocyclique (déformation totale impos6e) à 900 C et à 10000C. (fig 3 et 4). Il apparaît qu'à 900 C cet alliage présente une durée de vie 5 fois plus grande que celle du MARM 200Hf à structure colonnaire connu pour avoir un bon comportement en fatigue oligocyclique à haute température et en fatigue thermique. La figure 3a montre également les résultats comparatifs en fatigue oligocyclique à 900 C avec une déformation totale imposée de 1,2% montrant la supériorité de l'alliage selon l'invention Nl par rapport à un autre alliage connu de désignation commerciale PD21 correspondant à l'exemple 3 du brevet US 4 174964. Ces essais ont été menés sur des éprouvettes traitées mais à l'état nu. Les essais de fatigue thermique ont été effectués au banc 6 - à flamme avec une température maximale de 1100 C. La figure 5 rassemble les résultats obtenus pour les alliages N1, B et F, de l'invention et d'autres alliages à structure colonnaire (MAR M 200 Hf, René 125) ou équiaxe (IN 100) et montre la supériorité des alliages de l'invention pour lesquels les criques et défauts apparaissent au delà de 1000 cycles. Les figures 6 et 7 concernent des essais de fatigue oligocyclique à déformation imposée réalisés à 900 et 10000C. Aux deux températures, le MarM200 à structure monocristalline sert de réf6rence. Les courbes donnent le nombre de cycles à rupture en fonction de la déformation totale imposée. A 900 C on a également testé un alliage N5 proche de la famille de l'invention mais non inclus dans les fourchettes: Alliages Ni Cr Mo W Ta Al N5 Base 7,5 2 11 4 6 Les caractéristiques obtenues sont inférieures à celles de la nuance Ni appartenant à la famille d'alliages de l'invention. L'ensemble des essais réalis6s par le Demanderesse montre que les alliages de la famille conformes à l'invention présentent des propriétés améliorées de façon significative en ce qui concerne la fatigue thermique et la tenue en fatigue oligocyclique, tout en ayant, comme recherché, un solidus élevé. - 7 TABLEAU 1 N1i B F |I |1% pond. % atom l% pond % atom % pond. % atom| Co O (O) 5 (5, 14) 5 (5,14)1 j Cr 1 6 (6,85)1 6 (6,99)1 6 (6,99)1 I. I I I Mo 2 (124)1 2 (1,26)| 2 (1,26)1 Ai 1 6 (13,2)1 6 (13,48)1 6 (13,48) W 11i (3,55) il (3,62)1- 9 (2,96)1 I I,I I Nb 1,8 (O,15) 0 (0) 1 0 (0) Ta 0 (0) 4 (1,34)1 6 (2,01)1 I I I I I Ni complément complément complément I1 I.I I TABLEAU 2 | Alliage | Température I Température Température liquidus( C)l solidus( C) solvus ( C)| Ni 1398! 1330 1270 I II | B | 1408 I 1350 1282 I I i' I I F 1390 I 1340 1295 i I.11I IMar M200 1350 | 1240 1200 ICMS X 2 | 1375 | 1325 1265 ISRR 99 1370 I 1305 1260 -8- REVENDICATIONS 1 - Alliage monocristallin à matrice à base de nickel, sans addition intentionnelle de carbone, de bore ou de zirconium, caractérisé par la composition ponderale suivante: Co O a 10 % Cr 5 a 7 % Mo 1,5 à 2,5 % W 8,5 à 12,5 % Ta O a 6,5 % A. 5 à 7 % Nb O a 2 % Ni complément à 100 avec par ailleurs la somme des pourcentage atomiques: 0,005Co+0,036Cr+O,0O52Mo+O,066W+O,026Al+0,116Nb+0,O49Ta inférieure ou égale à 1, cet alliage étant exempt de titane. 2. Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la somme des pourcentages atomiques Ta+W+Mo+Nb est comprise entre 5,9 et 6,3. 3. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par la composition pondérale suivante: Co O Cr 6 Mo 2 AI 6 w il W 11 Nb 1,8 Ta O Ni complément 4. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par la composition pondérale suivante Co 5 Cr 6 Mo 2 Al 6 W 11 Nb O Ta 4 Ni complément. 5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par la composition pondérale suivante: Co 5 Cr 6 Mo 2 Ai 6 W 9 Nb 0 Ta 6 Ni complément - 10 - 6. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'on lui fait subir un traitement thermique à haute température de mise en solution de la phase gamma-prime, suivi d'une trempe de précipitation de la phase gamma-prime, complète par deux revenus. 7. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le traitement de mise en solution de la phase gammaprime est réalisé entre 1300-C et 1320 C pendant 1 heure à 3 heures, et les deux revenus sont réalisés vers 1100 pendant 3 à 10 heures et vers 850 C pendant 15 a 25 heures.