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La présente invention est relative à des alliages à haute résistance ayant une résistance élevée à des tempéra- tures allant jusqu'à et dépassant 1200 F et qui peuvent facile- ment être formés en artic les forgés ainsi qu'en matériaux de stock en tôles ayant des propriétés de soudabilité dési- rables.
Le développement de la turbine à gaz et d'appareils similaires a créé une demande en matériaux ayant une résistan- ce plvs élevée et une stabilité plus grande aux températures élevées que les alliages pour températures élevées couramment disponibles. Certaines parties de ces appareils tels que les aubes et ailettes de turbines sont soumises à des tensions très élevées pendant de longues périodes de temps dans des atmosphères fortement corrosives et à des températures conti- nues de l'ordre de 1500 F et plus.
D'autres parties telles que les éléments de roue de turbine qui supportent les élé- ments des aubes, des éléments de tôle métallique constituant le tuyau ou cône d'échappement et autres, sont également sou- mis à des tensions élevées et à des atmosphères corrosives à des températures continues de l'ordre de 1200 F eu davantage.
En général, les articles qui doivent résister aux tensions et aux températures plus élevées telles que citées plus haut, ont été fabriqués soit par de(techniques de coulée de précision ou ont été forgés à partir d'alliages qui sont susceptibles d'être travaillés jusqu'à leur forme finale à partir de poulées ou de lingots Les alliages forgeables de ce type étaient habituellement des matériaux trempables par précipitation et contenaient des quantités substantielles de matières "stratégiques" telles que le cobalt et le colom-
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bium et avaient habituellement comme constituant principal, par exemple, jusqu'à 40 pour cent de nickel et davantage.
Ces éléments sont d'un approvisionnement relativement difficile, sont coûteau et de plus, biau que ces alliages à haute résis- tance contenant ces éléments stratégiques étaient susceptible; d'être travaillés jusqu'à un certain point, ils ne so'nt pas facilement réductibles en un matériau en tôle par les pratique de laminage conventionnelles. De plus, ces matériaux ne peu- vent être soudés qu'avec des difficultés considérables et présentent habituellement une zone affaiblie à l'endroit de la soudure.
Les alliages qui avaient été utilisés dans la se- conde gamme inférieure de températures mentionnées ci-dessus avaient une teneur moindre en éléments stratégiques et étaient beaucoup plus facile à travailler. Ces matériaux étaient habituellement des aciers inoxydables modifiés et n'étaient que modérément soudables.
En général , les matériaux plus facilement soudables et avec le plus de succès avaient des propriétés méaaniques inférieures tel que la force de à la traction rupture sous charge constance et la charge de rupture/et la limite d'élasticité à température élevée tandis que ceux qui avaient des propriétés mécaniques plus élevées, particulière- ment aux températures de l'ordre de 1200 F et davantage étaler plus difficiles à travailler et ne se soudaient pas de maniè- re satisfaisante.
Il est par conséquent Lui objet de la présente in- vention de procurer un alliage ayant une résistance mécanique et une résistance à la corrosion élevées aux températures élevées et qui est facilement fabriqué par forgeage ou lamina- ge et qui est facilement soudable.
- Un autre objet de la présente invention est l'obteh- tion d'un tel alliage qui peut facilement être réduit en une tôle métallique par laminage.
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D'autres objets spécifiquement différents de la présente Invention apparaîtront aux techniciens avertis lors de l'exposé suivant.
En bref, suivant un aspect de la présente invention, on réalise un alliage austénitique consistant essentiellement en environ de 30,0 à 35,5 pour cent en poids de nickel, envi- ron de 12 à environ 15 pour cent de chrome, environ 0,5 à 7,5 pour cent de tungstène, environ 2,5 à environ 5 pour cent de molybdène, environ 1,5 à environ 3,0 pour cent de titane, jusqu'à environ 0,50 pour cent d'aluminium, jusqu'à environ 0,50 pour cent de zirconium, jusqu'à environ 0,10 pour cent de carbone et le complément étant sensiblement tout du fer, lequel alliage a des propriétés mécaniques su- périeures à celles qu'on pouvait obtenir antérieurement avec des matériaux semblables connus et qui se forme plus facile- ment et se soude avec plus de succès que d'autres alliages ayant une résistance mécanique semblable.
Plus spécifiquement, la demanderesse a découvert qu'un alliage consistant essentiellement en environ 31,0 et 34,0 pour cent en poids et de préférence.environ 33 pour cent de nickel, environ 12,5 à 15,0 pour cent et de préféren- ce 13 pour cent de chrome, environ 6,0 à 7,0 pourcent et de préférence 6 pour cent de tungstène, environ 3,0 à 4,6 pour- cent et de préférence environ 3,5 pourcent de molybdène, en- viron 1,75 à environ 2,5 pourcent et de préférence environ 2,0 pourcent de titane, environ 0,2 à 0,5 pourcent et de pré- férence environ 0,45 pourcent d'aluminium, pas plus d'envi- ron 0,4 pourcent et de préférence environ 0,35 pourcent de zirconium, pas plus de et de préférence moins ,d'environ 0,
08 pourcent de carbone, et le complément étant sensiblement tout , du fer, a une charge de rupture à la traction et une ductibi- lité plus élevées et une résistance à la rupture sous charge
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constance et une ducti lité à température élevées et est facilement travaillé et soudé. Il est bien entendu que l'ex- pression "le complément étant sensiblement tout du fer" tel- le qu'utilisée présentement, comprend des petites quantités d'impuretés qu'on trouve habituellement dans les alliages ferreux de ce type, tel que par exemple du manganèse, du si- licium, du soufre et du phosphore.
On a trouvé que la totali- té de ces impuretés particulières peut consister jusqu'à en- viron 0,2 pourcent en poids de ces alliages, sans affaiblir leurs propriétés mécaniques, mais ne dépasseront pas environ 0,05 pourcent de manganèse, 0,05 pourcent de silicium, 0,04 pourcent de soufre et 0,04 pourcent de phosphore. Bien enten- du, d'autres éléments peuvent également "être présents en de très petites quantités, tel qu'il est habituel dans de tels matériaux.
On a découvert que les alliages de la présente invention se préparent le plus avantageusement par. fusion et co ulée sous vide des divers constituants de ces alliages.
Les lingots coulés peuvent ensuite être réduits soit en des corps forgés tels que des roues de turbines ou des matériaux en barre par exemple, ou peuvent être réduits en matériaux en tôle par les processus habituels de forgeage et de lamina- ge. La matériau fini est ensuite soumis à un traitement de solution et de vieillissement thermique tel qu'il sera discu- té plus en détail ci-après.
A titre d'exemple, des alliages ayant les composi- tions spécifiques suivantes ont été préparés tel qu'exposé entérieurement.
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TABLEAU 1.-
EMI5.1
Coulée Ni Cr W No ri Ail Zr C Fe n 1 32,9 13,0 6,4 3,1 2,2 035 0,20' 0JO4 '42,0 2 32,9 13,1 6,7 3,6 1,6 oe39 0,16 z. complu 3 31,7 14,7 6,8 2,6 , z,i . 0,27 0701 ,04 42, 4 32,2 12,8 6,3 3,5 2,1 0,50 0, 5 0)10 Compta
Des lingots coulés à partir de ces coulées ont été réduits en des matériaux ou barres rondes et en tôle
EMI5.2
paltr les processus de forgeage et de laminage habituels. 1e$ éprouvettes des essais habituels de traction et des essais sous charge constante ont été préparés à partir de ces mate- riaux et traités thermiquement.
Les essais habituels de traction ont été exécutés sur certains de ces spécimens à la température ambiante et à des températures élevées. Les données suivantes sont des exemples des résultats de ces essais réalisés sur des speci- mens préparés à partir de matériaux en barre.
TABLEAU II.'-
EMI5.3
<tb> Coulée <SEP> température <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rup- <SEP> -Limite <SEP> d'élasti- <SEP> Allongement
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> ture <SEP> (livres <SEP> cité <SEP> 0,2% <SEP> (li- <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb> (F) <SEP> par <SEP> pouce <SEP> vres <SEP> par <SEP> pouce <SEP> de <SEP> 1")
<tb>
<tb> carré) <SEP> carré)
<tb>
EMI5.4
1 T.
A 178, ooo 119.000 24,0% 1350 117.000 100.000 21,0% Toit 177. 800 115.000 23,0%
EMI5.5
<tb> 1200 <SEP> 135.500 <SEP> 104.200 <SEP> 23,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 107.500 <SEP> 95.400 <SEP> 25,5%
<tb>
EMI5.6
3 T.A 187.700 129.100 ië,5% 1200 143.900 l160 soo 19,0% (
EMI5.7
<tb> .1350 <SEP> 111.400 <SEP> 93.100 <SEP> le, <SEP> 5% <SEP> (x)
<tb>
<tb> 4 <SEP> T. <SEP> A <SEP> 179.500 <SEP> 107.800 <SEP> 23,0% <SEP> . <SEP>
<tb>
EMI5.8
1200 144.100 105.000 21, O 135Q 11l. $00 101.400 20,0,S T.A. = Température ambiante (x) L'éprouvette a cassé dans les mâchoires à l'endroit des marques de longueur
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Les résultats d'essais donnés ci-dessus ont été' ob- tenus à partir de spécimens ayant subi les traitements ther- miques suivants.
Les spécimens de la coulée 1 ont été chauf- fés à 2000 F pendant 4 heures, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air. Les spéci- ments de la coulée 2 ont été chauffés à 1900 F pendant 4, heures, trempés à l'huile et vieillis '5 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air.Les spécimens de la coulée 3 ont été chauffés à 1850 F pendant 1 heure, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F pendant 24 heures et refroidis à l'air.
Les spécimens de la coulée 4 ont été chauffés à 1950 F µen- dant 1 heure, trempés à l'huile et vieillis à 1350 F. pendant
24 heures et refroidis à l'air.
Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des spécimens préparés à par- tir de matériaux en tôle.
TABLEAU III . -
EMI6.1
<tb> Coulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rup- <SEP> Limite <SEP> d'élasti- <SEP> Allongement
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> ture <SEP> (livres <SEP> cité <SEP> 0,2% <SEP> (li- <SEP> (éprouvette
<tb> ( F) <SEP> par <SEP> pouce <SEP> vres <SEP> par <SEP> pouce <SEP> de <SEP> 1")
<tb> carré) <SEP> carré)
<tb>
<tb> 2 <SEP> T.A <SEP> 184.500 <SEP> 128.000 <SEP> 18,05
<tb> 1200 <SEP> 126.100 <SEP> 110.000 <SEP> 20,0%
<tb> 1350 <SEP> 91,500 <SEP> 89.400 <SEP> 29,0%
<tb>
<tb> 3 <SEP> T.A <SEP> 176.400 <SEP> 130.
<SEP> 200 <SEP> 16,5%
<tb> 1200 <SEP> 132.300 <SEP> 113.100 <SEP> 16,5%
<tb> 1350 <SEP> 101.600 <SEP> 89.400 <SEP> 17,5%
<tb>
Les éprouvettes d'essai de la coulée 2 ont été découpées hors d'un matériau de tôle de 0,062 pouce d'épais- seur, parallèlement à la direction de laminage, chauffées pendant 20 minutes sous une atmosphère à 1850 F,. refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un. refroidissement à l'air.
Les éprouvettes d'essai de la coulée 3 ont été, découpées d'un matériau en tôle de 0,064 pouce d'é- paisseur transversalement à la direction de laminage, chauf-
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fées pendant 30 minutes sous une atmosphère à 1900 F, refroi- dies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à 1' air. habituels
Les essais de rupture sous charge constante @ont été exécutés surcertaines autres de ces éprouvettes, à températu- re élevée. Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des éprouvettes préparées à partir de matière en barre.
TABLEAU IV. -
EMI7.1
<tb> Goulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> (li- <SEP> Durée <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> F <SEP> vres/Douce <SEP> car- <SEP> (heures) <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ré) <SEP> de <SEP> 1")
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1350 <SEP> 50.000 <SEP> 307--
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 50.000 <SEP> 343 <SEP> 7,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 27 <SEP> 30,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 85.000 <SEP> 53 <SEP> 31,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 63.000 <SEP> 4 <SEP> 32,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 47 <SEP> 43,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 229 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 60.000 <SEP> 58 <SEP> 18,
0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 120 <SEP> 22,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 404 <SEP> 28,05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 1200 <SEP> 87.000 <SEP> 200 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 124 <SEP> 12,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 129 <SEP> 19,0%
<tb>
La Dremière éprouvette citée dans le tableau ci- dessus provenant de la coulée 1 a été chauffée à 2150 F pendant 4 heures, trempée à l'huile et vieillie à 1200 F pendant 24 heures et refroidie à l'air. La denxième éprouvet- te citée provenant de la coulée 1 a été éhauffée à 2150 F pendant 4 heures,
trempée à l'huile et vieillie à 1350 F pendant 24 heures et refroidie à l'air. Les éprouvettes ci- dessus de la coulée 2 ont été chauffées à 1850 F pendant 4 heures, trempées à l'huile et vieillies à 1350 F pendant 24 heures et refroidies à l'air. Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 3 ont été chauffées à 2000 F pendant 1 heure, trempées
<Desc/Clms Page number 8>
à l'huile et vieillies à 1350 F pendant 24 heures et refroi- dies à l'air. Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 4 ont été chauffées à 2050 F pendant 1 heure, trempées à l'huile et vieillies à 1350 F. pendant 24 heures et refroidies à l'air.
Les données suivantes sont des exemples des résul- tats de ces essais exécutés sur des éprouvettes préparées à partir d'un matériau en tôle.
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯TABLEAU v.-
EMI8.1
<tb> Coulée <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> (li- <SEP> Durée <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> d'essai <SEP> F <SEP> vres/pouce <SEP> car- <SEP> (heures) <SEP> (éprouvette
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ré) <SEP> de <SEP> 1"0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 85.000 <SEP> 305 <SEP> 17,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 29' <SEP> 370%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90.000 <SEP> 72,5 <SEP> 9,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 72.000 <SEP> 211(x) <SEP> --
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55.000 <SEP> 98 <SEP> 17,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45.000 <SEP> 352(x) <SEP> ---
<tb>
(*) essai interrompu, éprouvette non cassée.
Les éprouvettes ci-dessus de la coulée 2 ont été découpées à partir d'un matériau en tôle de 0,062 pouce d'é- paisseur parallèlement à la direction de laminage et ont été chauffée:; dans une atmosphère protectrice à 2000 F pendant 20 minutes,-refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à l'air. Les éprouvét- tes ci-dessus de la coulée 3 ont été découpées à partir d'un matériau en tôle de 0,064 pouce d'épaisseur transversalement à la direction de laminage et ont été traitées thermiquement dans une atmosphère protectrice à 2000 F pendant 30 minutes, refroidies à l'air et vieillies à 1350 F pendant 24 heures suivi d'un refroidissement à l'air.
A partie des données de ces essais ainsi que d'au- tres, on a déterminé que l'alliage ,...de la présente invention présente, à température ambiante, une charge de rupture à la traction d'environ 180.000 livres par pouce carré ou davantage
<Desc/Clms Page number 9>
ulie limite d'élasticité à 0,2 % d'écart d'environ 118.000 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'en- viron 22% d'allongement.
A 1200 F, il présente une charge de rupture à la traction d'environ 141.000 livres par pouce carré ou davantage, une limite d'élasticité à 0,2% d'écart de 108.000 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'environ 21% d'allongement. A 1350 F, la charge de rup- ture à la traction est d'environ 112.000 livres par pouce carré ou davantage, la limite d'élasticité à 0,25 d'écart est d'environ 97.500 livres par pouce carré ou davantage et la ductilité est d'environ 21% d'allongement.
Les essais de rupture sous charge constante indi- quent par extrapolation que les alliages de la présente in- vention résisteront à une charge appliquée de monière continue d'environ 76.000 livres par pouce carré pendant 1000 heures à 1200 F et à une charge appliquée de manière continue d'en- viron 41.000 livres par pouce carré pendant 1000 heures à 1350 F avant la rupture.
Encomparaison avec les alliages antérieurement connus ayant des compositions similaires, on a trouvé qu'un de ces alliages commercialement disponible ayant une composi- tion d'environ 44% de nickel, 34,5% de fer, 12,8%de chrome, 5,7% de molybdène, 2,4% de titane, 0,45% de manganèse, 0,23% de silicium, 0,03% de cuivre, 0,01% de soufre et 0,045 de carbone, a les propriétés mécaniques suivantes :
TABLEAU VI.-
EMI9.1
<tb> Températures <SEP> d'essai <SEP> ( F)
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ambiante
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 174.000 <SEP> li- <SEP> 135.000 <SEP> 102.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> vres/pouce
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> carré
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> d'élastici-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> té <SEP> à <SEP> 0,
2% <SEP> 102.000 <SEP> 18.000 <SEP> 82.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> allongement <SEP> 19 <SEP> 20 <SEP> 11
<tb>
<Desc/Clms Page number 10>
Des éprouvettes de matériau en barre en cet alliage ont été trouvées avoir une charge de rupture sous charge con- stante pendant 1000 heures d'environ 55.000 livres par pouce carré à 120U F et une charge de rupture sous charge constante pendant 1000 heures, d'environ 30.000 livres par pouce carré à 1350 F.
Un autre alliage similaire commercialement disponi- ble consistant essentiellement en 26% de nickel, 15% de chrome, 1,5% de molybdène, 1,6 de titane, 0,17% d'aluminium,
0,2% de vanadium, 0,05% de carbone, et le complément étant sensiblement tout du fer, a été trouvé avoir les propriétés mécaniques suivantes.
' ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯TABLEAU VII.-
EMI10.1
<tb>
<tb>
<tb> Températures <SEP> d'essai <SEP> (Or)
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F..
<tb>
<tb>
<tb> a <SEP> mbiante
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> à <SEP> la <SEP> 157.000 <SEP> livres/ <SEP> 110.000 <SEP> 74.000
<tb>
<tb> traction <SEP> pouce <SEP> carré
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> 98. <SEP> 000 <SEP> 93. <SEP> 000 <SEP> 68.
<SEP> 000
<tb>
<tb> à <SEP> 0,2% <SEP> 98.000 <SEP> 93.000 <SEP> 68.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> allongement <SEP> 25 <SEP> 10 <SEP> 10'
<tb>
On a trouvé que des éprouvettes à partir du matéria u en barre de cet alliage a une charge de rupturesous charge constante pendant 1000 heures d'environ 50.000 livres par pouce carré à 1200 F et une charge de rupture 'sous charge constante pendant 1000 heures d'environ 23.000 livres par pouce carré à 1350 F.
De ce qui précède, il apparaît que l'alliage de la présente invention a des propriétés mécaniques supérieures à des alliages comparables antérieurement connus. En outre, le présent alliage concerve sa résistance aux températures élevées, ce à un degré plus élevé que de telles matières an-
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térieurement connues. L'alliage de la présente invention pe.ut être facilement formé en un matériau en tôle et est facilement soudé, les cordons de soudure conservant leur résistance et leur ductilité. De plus, du fait qu'il est austénitique, l'ai- liage de la présente invention esf fortement résistant à la corrosion aux températures élevées.
Bien que certains schémas de'traitement thermique spécifiques ont été exposés dans la spécification précédente pour les besoins de rendre l'exposé plus complet, il n'entre pas dans l'intention de la demanderesse que la présente in- vention soit limitée à aucun traitement ou composition parti- culière, excepté ce qui est défini dans les revendications ci-jointes.
REVENDICATIONS.-
1.- Alliage austénitique résistant à température élevée et hautement résistant à la corrosion, caractérisé en ce qu'il consiste en environ 30-35%, de préférence 31,-34% en poids de nickel, environ 12-15%,de préférence 12,5-15% de chrome, environ 5,5-7,5% de préférence 6-7% de tungstène, environ 2,5-5%, de préférence 3,4,6% de molybdène, environ 1,5-3%, de préférence 1,75-2,5% de titane, jusqu'à 0,50%, de préférence 0,2-0,5% d'aluminium, jusqu'à 0,50%. de préférence jusqu'à 0,40% de zirc@nium jusqu'à 0,10%, de préférence jusqu'à 0,08% de carbone, le complément étant du fer et, de préférence, pas plus d'en- viron 0,2% en poids au total de manganèse, de silicium, de soufre et de phosphore.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to high strength alloys having high strength at temperatures up to and exceeding 1200 F and which can easily be formed into forged articles as well as stock sheet materials having. desirable weldability properties.
The development of the gas turbine and similar apparatus has created a demand for materials with high strength and greater stability at elevated temperatures than the commonly available high temperature alloys. Parts of these devices such as turbine blades and vanes are subjected to very high voltages for long periods of time in highly corrosive atmospheres and at continuous temperatures of the order of 1500 F and above.
Other parts such as the turbine wheel elements which support the blade elements, sheet metal elements constituting the exhaust pipe or cone and the like are also subjected to high stresses and atmospheres. corrosive at continuous temperatures of the order of 1200 F or more.
In general, articles which must withstand the higher tensions and temperatures as mentioned above, have been manufactured either by precision casting techniques or have been forged from alloys which are capable of being worked up to. 'in their final form from pulleys or ingots Forgable alloys of this type were usually precipitation hardenable materials and contained substantial amounts of "strategic" materials such as cobalt and colum.
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bium and usually had as a major constituent, for example, up to 40 percent nickel and more.
These elements are relatively difficult to obtain, are expensive and moreover, as these high strength alloys containing these strategic elements were susceptible; being worked to a certain point, they are not easily reducible to sheet material by conventional rolling practices. In addition, these materials can only be welded with considerable difficulty and usually have a weakened area at the weld location.
The alloys which had been used in the second lower temperature range mentioned above had a lower content of strategic elements and were much easier to work. These materials were usually modified stainless steels and were only moderately weldable.
In general, the more easily weldable and most successful materials had inferior mechanical properties such as tensile strength at breakage under constant load and breaking load / and yield strength at elevated temperature while those which had higher mechanical properties, particularly at temperatures on the order of 1200 F and more spread more difficult to work with and did not weld satisfactorily.
It is therefore the object of the present invention to provide an alloy having high mechanical strength and corrosion resistance at high temperatures and which is easily manufactured by forging or rolling and which is easily weldable.
Another object of the present invention is to obtain such an alloy which can easily be reduced to a metal sheet by rolling.
<Desc / Clms Page number 3>
Other objects specifically different from the present invention will become apparent to experienced technicians in the following discussion.
Briefly, in accordance with one aspect of the present invention, an austenitic alloy is provided consisting essentially of about 30.0 to 35.5 weight percent nickel, about 12 to about 15 percent chromium, about 0. , 5 to 7.5 percent tungsten, about 2.5 to about 5 percent molybdenum, about 1.5 to about 3.0 percent titanium, up to about 0.50 percent aluminum, up to about 0.50 percent zirconium, up to about 0.10 percent carbon and the balance being substantially all iron, which alloy has mechanical properties superior to those previously obtainable with similar materials are known and which form more easily and weld more successfully than other alloys of similar strength.
More specifically, Applicants have found that an alloy consisting essentially of about 31.0 to 34.0 percent by weight and preferably about 33 percent nickel, about 12.5 to 15.0 percent and preferably - that 13 percent chromium, about 6.0 to 7.0 percent and preferably 6 percent tungsten, about 3.0 to 4.6 percent, and preferably about 3.5 percent molybdenum, about 1.75 to about 2.5 percent and preferably about 2.0 percent titanium, about 0.2 to 0.5 percent, and preferably about 0.45 percent aluminum, not more than about ron 0.4 percent and preferably about 0.35 percent zirconium, no more than and preferably less than about 0,
08 percent carbon, and the balance being substantially all, iron, has higher tensile strength and ductibility and tensile strength under load
<Desc / Clms Page number 4>
consistency and ductility at elevated temperatures and is easily worked and welded. Of course, the term "the balance being substantially all iron" as used herein includes small amounts of impurities commonly found in ferrous alloys of this type, such as by example of manganese, silicon, sulfur and phosphorus.
It has been found that the total of these particular impurities can consist of up to about 0.2 percent by weight of these alloys, without weakening their mechanical properties, but will not exceed about 0.05 percent manganese. 05 percent silicon, 0.04 percent sulfur and 0.04 percent phosphorus. Of course, other elements can also be present in very small amounts, as is usual in such materials.
It has been found that the alloys of the present invention are most advantageously prepared by. melting and vacuum coiling of the various constituents of these alloys.
The cast ingots can then be reduced either to forged bodies such as turbine wheels or bar materials for example, or can be reduced to sheet materials by the usual forging and rolling processes. The finished material is then subjected to solution and thermal aging treatment as will be discussed in more detail below.
By way of example, alloys having the following specific compositions have been prepared as set forth below.
<Desc / Clms Page number 5>
TABLE 1.-
EMI5.1
Casting Ni Cr W No ri Garlic Zr C Fe n 1 32.9 13.0 6.4 3.1 2.2 035 020 '0JO4 '42, 0 2 32.9 13.1 6.7 3.6 1.6 oe39 0.16 z. complu 3 31.7 14.7 6.8 2.6, z, i. 0.27 0701, 04 42, 4 32.2 12.8 6.3 3.5 2.1 0.50 0, 5 0) 10 Compta
Ingots cast from these castings were reduced to materials or round bars and sheet metal
EMI5.2
test the usual forging and rolling processes. The usual tensile tests and constant load tests were prepared from these materials and heat treated.
The usual tensile tests were performed on some of these specimens at room temperature and at elevated temperatures. The following data are examples of the results of these tests performed on specimens prepared from bar material.
TABLE II .'-
EMI5.3
<tb> Casting <SEP> temperature <SEP> Load <SEP> of <SEP> rup- <SEP> -Limit <SEP> of elasti- <SEP> Elongation
<tb>
<tb> n <SEP> test <SEP> ture <SEP> (books <SEP> quoted <SEP> 0.2% <SEP> (li- <SEP> (test tube
<tb>
<tb> (F) <SEP> by <SEP> inch <SEP> vres <SEP> by <SEP> inch <SEP> of <SEP> 1 ")
<tb>
<tb> square) <SEP> square)
<tb>
EMI5.4
1 T.
A 178, ooo 119,000 24.0% 1350 117,000 100,000 21.0% Roof 177. 800 115,000 23.0%
EMI5.5
<tb> 1200 <SEP> 135.500 <SEP> 104.200 <SEP> 23.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 107.500 <SEP> 95.400 <SEP> 25.5%
<tb>
EMI5.6
3 T.A 187,700 129,100 ië, 5% 1200 143,900 l160 soo 19.0% (
EMI5.7
<tb> .1350 <SEP> 111.400 <SEP> 93.100 <SEP> on, <SEP> 5% <SEP> (x)
<tb>
<tb> 4 <SEP> T. <SEP> A <SEP> 179.500 <SEP> 107.800 <SEP> 23.0% <SEP>. <SEP>
<tb>
EMI5.8
1200 144.100 105.000 21, O 135Q 11l. $ 00 101.400 20.0, S T.A. = Ambient temperature (x) The specimen has broken in the jaws at the location of the length marks
<Desc / Clms Page number 6>
The test results given above were obtained from specimens which had undergone the following heat treatments.
The specimens from run 1 were heated at 2000 F for 4 hours, oil quenched and aged at 1350 F for 24 hours and air cooled. The specimens from run 2 were heated at 1900 F for 4 hours, oil quenched and aged at 1350 F for 24 hours and air cooled. The specimens from run 3 were heated at 1850 F for 1 hour, oil soaked and aged at 1350 F for 24 hours and air cooled.
The specimens from run 4 were heated to 1950 F. for 1 hour, quenched in oil and aged at 1350 F. for
24 hours and air cooled.
The following data are examples of the results of these tests performed on specimens prepared from sheet materials.
TABLE III. -
EMI6.1
<tb> Casting <SEP> Temperature <SEP> Load <SEP> of <SEP> rup- <SEP> Elastic limit <SEP> <SEP> Elongation
<tb> n <SEP> test <SEP> ture <SEP> (books <SEP> quoted <SEP> 0.2% <SEP> (li- <SEP> (test tube
<tb> (F) <SEP> by <SEP> inch <SEP> vres <SEP> by <SEP> inch <SEP> of <SEP> 1 ")
<tb> square) <SEP> square)
<tb>
<tb> 2 <SEP> T.A <SEP> 184.500 <SEP> 128.000 <SEP> 18.05
<tb> 1200 <SEP> 126.100 <SEP> 110.000 <SEP> 20.0%
<tb> 1350 <SEP> 91,500 <SEP> 89.400 <SEP> 29.0%
<tb>
<tb> 3 <SEP> T.A <SEP> 176.400 <SEP> 130.
<SEP> 200 <SEP> 16.5%
<tb> 1200 <SEP> 132.300 <SEP> 113.100 <SEP> 16.5%
<tb> 1350 <SEP> 101.600 <SEP> 89.400 <SEP> 17.5%
<tb>
The cast 2 test specimens were cut from 0.062 inch thick sheet material, parallel to the rolling direction, heated for 20 minutes under an atmosphere of 1850 ° F. air cooled and aged at 1350 F for 24 hours followed by a. air cooling.
The cast 3 test specimens were cut from 0.064 inch thick sheet material transversely of the rolling direction, heated.
<Desc / Clms Page number 7>
fairies for 30 minutes under an atmosphere at 1900 F, air cooled and aged at 1350 F for 24 hours followed by air cooling. usual
Constant load failure tests were performed on some other such specimens at elevated temperature. The following data are examples of the results of these tests carried out on test pieces prepared from bar material.
TABLE IV. -
EMI7.1
<tb> Gulp <SEP> Temperature <SEP> Load <SEP> (li- <SEP> Duration <SEP> Elongation
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> test <SEP> F <SEP> vres / Douce <SEP> car- <SEP> (hours) <SEP> (test tube
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> d) <SEP> of <SEP> 1 ")
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1350 <SEP> 50,000 <SEP> 307--
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 50,000 <SEP> 343 <SEP> 7.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 90,000 <SEP> 27 <SEP> 30.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 85,000 <SEP> 53 <SEP> 31.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 63,000 <SEP> 4 <SEP> 32.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45,000 <SEP> 47 <SEP> 43.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90,000 <SEP> 229 <SEP> 12.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 60,000 <SEP> 58 <SEP> 18,
0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55,000 <SEP> 120 <SEP> 22.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45,000 <SEP> 404 <SEP> 28.05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 1200 <SEP> 87.000 <SEP> 200 <SEP> 12.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55,000 <SEP> 124 <SEP> 12.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55,000 <SEP> 129 <SEP> 19.0%
<tb>
The first specimen cited in the above table from run 1 was heated at 2150 F for 4 hours, oil quenched and aged at 1200 F for 24 hours and air cooled. The second quoted specimen from run 1 was heated to 2150 F for 4 hours,
oil quenched and aged at 1350 F for 24 hours and air cooled. The above test pieces from run 2 were heated at 1850 F for 4 hours, oil quenched and aged at 1350 F for 24 hours and air cooled. The above test pieces from cast 3 were heated to 2000 F for 1 hour, quenched
<Desc / Clms Page number 8>
in oil and aged at 1350 F for 24 hours and air-cooled. The above specimens from run 4 were heated at 2050 F for 1 hour, oil quenched and aged at 1350 F. for 24 hours and air cooled.
The following data are examples of the results of these tests performed on specimens prepared from sheet material.
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ TABLE v.-
EMI8.1
<tb> Casting <SEP> Temperature <SEP> Load <SEP> (li- <SEP> Duration <SEP> Elongation
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> n <SEP> test <SEP> F <SEP> vres / inch <SEP> car- <SEP> (hours) <SEP> (test tube
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> d) <SEP> of <SEP> 1 "0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1200 <SEP> 85,000 <SEP> 305 <SEP> 17.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55,000 <SEP> 29 '<SEP> 370%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1200 <SEP> 90,000 <SEP> 72.5 <SEP> 9.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 <SEP> 72.000 <SEP> 211 (x) <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 55,000 <SEP> 98 <SEP> 17.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1350 <SEP> 45,000 <SEP> 352 (x) <SEP> ---
<tb>
(*) test interrupted, specimen not broken.
The above specimens of Cast 2 were cut from a 0.062 inch thick sheet material parallel to the rolling direction and heated :; in a protective atmosphere at 2000 F for 20 minutes, air cooled and aged at 1350 F for 24 hours followed by air cooling. The above samples from Cast 3 were cut from a 0.064 inch thick sheet material transversely to the direction of rolling and heat treated in a protective atmosphere at 2000 F for 30 minutes, air cooled and aged at 1350 F for 24 hours followed by air cooling.
From the data of these and other tests, it was determined that the alloy, ... of the present invention exhibits, at room temperature, a tensile breaking load of about 180,000 pounds per inch. square or more
<Desc / Clms Page number 9>
The yield strength is 0.2% deviation of about 118,000 pounds per square inch or more and the ductility is about 22% elongation.
At 1200 F, it has a tensile breaking load of about 141,000 pounds per square inch or more, a 0.2% yield strength of 108,000 pounds per square inch or more, and the ductility is d. 'about 21% elongation. At 1350 F the tensile breaking load is about 112,000 pounds per square inch or more, the yield strength at 0.25 deviation is about 97,500 pounds per square inch or more and the ductility is about 21% elongation.
The constant load failure tests indicate by extrapolation that the alloys of the present invention will withstand a continuous applied load of about 76,000 pounds per square inch for 1000 hours at 1200 F and a continuously applied load. continues at about 41,000 pounds per square inch for 1000 hours at 1350 F before breaking.
In comparison with previously known alloys having similar compositions, it has been found that one of these commercially available alloys having a composition of about 44% nickel, 34.5% iron, 12.8% chromium, 5 , 7% molybdenum, 2.4% titanium, 0.45% manganese, 0.23% silicon, 0.03% copper, 0.01% sulfur and 0.045 carbon, has the following mechanical properties :
TABLE VI.-
EMI9.1
<tb> Test <SEP> temperatures <SEP> (F)
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ambient
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Load <SEP> of <SEP> rupture <SEP> 174.000 <SEP> li- <SEP> 135.000 <SEP> 102.000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> the <SEP> traction <SEP> vres / inch
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> square
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Elastic <SEP> limit
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tee <SEP> to <SEP> 0,
2% <SEP> 102,000 <SEP> 18,000 <SEP> 82,000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> elongation <SEP> 19 <SEP> 20 <SEP> 11
<tb>
<Desc / Clms Page number 10>
Specimens of bar material made of this alloy were found to have a breaking load under constant load for 1000 hours of about 55,000 psi at 120U F and a breaking load under constant load for 1000 hours, of about 30,000 pounds per square inch at 1350 F.
Another similar commercially available alloy consisting essentially of 26% nickel, 15% chromium, 1.5% molybdenum, 1.6 titanium, 0.17% aluminum,
0.2% vanadium, 0.05% carbon, and the balance being substantially all iron, was found to have the following mechanical properties.
'¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ TABLE VII.-
EMI10.1
<tb>
<tb>
<tb> Test <SEP> temperatures <SEP> (Gold)
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> 1200 F <SEP> 1350 F ..
<tb>
<tb>
<tb> a <SEP> mbiante
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Load <SEP> from <SEP> breaking <SEP> to <SEP> the <SEP> 157,000 <SEP> pounds / <SEP> 110,000 <SEP> 74,000
<tb>
<tb> traction <SEP> inch <SEP> square
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Yield strength <SEP> <SEP> 98. <SEP> 000 <SEP> 93. <SEP> 000 <SEP> 68.
<SEP> 000
<tb>
<tb> to <SEP> 0.2% <SEP> 98,000 <SEP> 93,000 <SEP> 68,000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>% <SEP> elongation <SEP> 25 <SEP> 10 <SEP> 10 '
<tb>
It was found that specimens from the bar material of this alloy had a breaking load under constant load for 1000 hours of about 50,000 pounds per square inch at 1200 F and a breaking load under constant load for 1000 hours. 'about 23,000 pounds per square inch at 1350 F.
From the foregoing, it appears that the alloy of the present invention has mechanical properties superior to comparable previously known alloys. Further, the present alloy retains its resistance to elevated temperatures to a greater degree than such an-
<Desc / Clms Page number 11>
terribly known. The alloy of the present invention can be easily formed into a sheet material and is easily welded, the weld beads retaining their strength and ductility. In addition, because it is austenitic, the bond of the present invention is highly resistant to corrosion at elevated temperatures.
Although certain specific heat treatment schemes have been set forth in the foregoing specification for the sake of making the disclosure more complete, it is not the applicant's intention that the present invention be limited to any treatment. or particular composition, except as defined in the appended claims.
CLAIMS.-
1.- High temperature resistant and highly corrosion resistant austenitic alloy, characterized in that it consists of about 30-35%, preferably 31, -34% by weight of nickel, about 12-15%, preferably 12.5-15% chromium, about 5.5-7.5% preferably 6-7% tungsten, about 2.5-5%, preferably 3.4.6% molybdenum, about 1.5 -3%, preferably 1.75-2.5% titanium, up to 0.50%, preferably 0.2-0.5% aluminum, up to 0.50%. preferably up to 0.40% zirconia up to 0.10%, preferably up to 0.08% carbon, the balance being iron and preferably not more than about 0.2% by weight in total of manganese, silicon, sulfur and phosphorus.