Alliage de nickel. Les alliages dont sont faits des objets et des pièces qui sont soumis à des efforts pro longés à de hautes températures, par exem ple de l'ordre de 600 C et au-dessus, ne doi vent pas seulement être résistants à la corro sion à de hautes températures et avoir de bonnes propriétés mécaniques générales, mais ils doivent être aussi, par leur nature, résis tants au fluage.
En gros, la résistance à la corrosion est obtenue en employant des alliages à base de nickel ou de nickel et de cobalt et contenant du chrome, avec ou sans fer. La présente in vention se rapporte à un alliage de nickel contenant de 12 à 3 5 % de chrome, de 0,5 à 5 % d'aluminium, de 1,0 à 5 % de titane et dont la teneur globale en aluminium et titane est au moins égale à 2,5 %, mais non supé rieure à 6%. II est préférable, généralement, d'éviter le fer, quoique dans la pratique indus trielle,
le fer soit presque toujours présent comme conséquence <B>(le</B> l'emploi de ferro- alliages pour introduire le chrome ou un autre élément. La teneur en fer de l'alliage peut aller jusqu'à 15%.
On peut. dire en bref que de bonnes pro priétés de résistance au fluage sont obtenues par la présence d'aluminium et de titane dans les alliages au nickel contenant 1.2 à 355,v de chrome. La fonction précise de ces deux élé ments n'est pas certaine, mais il est connu que lorsque ces éléments sont présents dans les limites spécifiées, l'alliage, s'il est traité ther- iniquement d'une manière appropriée, pré sente une phase de précipitation telle que ce traitement thermique produit de bonnes pro priétés de résistance au fluage.
La présente invention est basée sur la dé couverte que les propriétés de résistance au fluage améliorées peuvent être obtenues dans de tels alliages par l'addition de petites quan tités de zirconium. Le zirconium a été mentionné comme un élément admissible dans de nombreuses descriptions se rap portant aux alliages au nickel-chrome résistant au fluage, cet élément étant. regardé en général comme équivalent au titane et utilisable dans les mêmes propor tions que le titane.
L'alliage objet de la pré sente invention, contenant les quantités rela tivement grandes d'aluminium et de titane indiquées ci-dessus, est caractérisé par la pré sence d'une petite quantité de zirconium, c'est à-dire de<B>0,001</B> à 0,2%, mais de préférence la teneur en zirconium ne dépassera pas <B>0,05%.</B>
En fabriquant un tel alliage, il est avan tageux d'ajouter le zirconium sous forme de ferro-zireonium à une masse fondue des prin cipaux constituants de l'alliage. Souvent, le zirconium ajouté ne se retrouve pas totale ment dans le métal coup, à cause des pertes à. la fonte, et les pourcentages de zirconium donnés plus haut sont ceux du métal coulé.
On peut tolérer plus d'aluminium et de titane dans les alliages qui doivent être uti- usés sous forme moulée que dans ceux qui sont usinés après avoir été coulés. Dans les alliages qui sont directement coulés sous forme d'objets ou de pièces, les teneurs en alumi nium et en titane pourront être de' 2,5 % et 3,5 %, respectivement. Dans les alliages qui doivent être usinés, les valeurs correspon dantes pourront être respectivement de 1,5 et 2,5 %.
Les éléments mentionnés ci-dessus ne sont pas les seuls que les palliages peuvent contenir, et en fait, la présence du niobium en petites quantités, par exemple de 0,002 à 5 %v est avantageuse. En plus, le siliciiun, le molybdène et le tungstène peuvent être présents en quan tités relativement petites, par exemple jusqu'à 2 % de silicium et 5 % de molybdène et de tungstène respectivement.
Les alliages préférés ont la composition suivante:
EMI0002.0013
Chrome <SEP> 15 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> %
<tb> Aluminium <SEP> 1,0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Titane <SEP> 1,0 <SEP> à <SEP> <B>3,5%</B>
<tb> Niobium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Zirconium <SEP> 0,002 <SEP> à <SEP> 0,2
<tb> Fer <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 15
<tb> Silicium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 2
<tb> Molybdène <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Tungstène <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> -+- <SEP> Cobalt <SEP> Solde Ces alliages peuvent encore évidemment contenir des impuretés et d'autres éléments en petites quantités.
Ainsi, ils peuvent contenir des traces, ou même un peu plus, des métal loïdes des groupes V et VI du système p6rio- dique, des éléments non nuisibles tels que le cuivre, et les désoxydants manganèse, magné sium, bore et les métaux alcalins et alcalino- terreux, en quantité totale ne dépassant pas 3 %. Les teneurs en métalloïdes des groupes du soufre et de l'arsenic et en plomb doivent être aussi basses que possible, comme doit l'être la teneur en bore, à moins que l'alliage contienne, par exemple, 5 % ou plus de fer.
Le soufre doit être de préférence au-dessous de<B>0,007%.</B> Le phosphore ne doit pas dépas ser 0,025, ô de préférence. Le carbone est habi- tuellement présent à un taux de 0,02 à 0,50 % par exemple.
La teneur en manganèse pourra être de 2,5 % et elle sera de préférence comprise entre 0,1 et 0,8 %, par exemple de 0,5 % environ. Les alliages peuvent pratiquement être exempts de cuivre ou peuvent contenir jus qu'à 2 % de cuivre, mais de préférence pas plus de 0,5 %. Ordinairement, le cuivre est présent comme impureté et ne dépasse pas 0,15%.
Du magnésium et du calcium, ou les deux, peuvent avantageusement être présents en pe tites quantités dans l'alliage quand celui-ci doit être travaillé à chaud. Il est préférable que ni la teneur en magnésium ni celle en calcium de l'alliage ne dépassent 0,15 %, car de plus grandes quantités rendent l'alliage très difficile à .forger ou à laminer. Une très petite quantité de magnésium et de calcium, par exemple 0,002%, améliore les propriétés de résistance au fluage et est donc présente de préférence; habituellement, cette quantité est comprise entre 0,001 et<B>0,03%.</B>
Le fer peut être avantageux quelquefois., quand de bonnes propriétés d'usinage à chaud sont spécialement désirées.
Comme exemple d'alliage à base de nickel et de cobalt, on peut citer le suivant: 20% de chrome,<B>0,96%</B> d'aluminium, 2,48% de titane,<B>0,05%</B> de zirconium, 0,42% de fer,<B>0,57%</B> de silicium,<B>0,39%</B> de manga nèse, 20 % de cobalt et le solde de nickel.
En général, le cobalt peut remplacer jus qu'à 40% du nickel.
Le niobium est un constituant qui devient de plus en plus nécessaire à mesure que la teneur en chrome décroît ou que la teneur en fer augmente, ou que ces deux éventualités se produisent. Lorsqu'on réalise un alliage contenant simultanément du niobium et du carbone, il convient de régler la teneur en niobium en fonction de la teneur en carbone. La teneur en niobium sera augmentée quand la teneur en carbone augmente. Ainsi, l'alliage pourra contenir<B>0,15%</B> de niobium quand sa teneur en carbone est basse, par exemple de <B>0,01%</B> environ. La teneur en niobium est de préférence d'au moins dix fois la teneur en carbone.
Pour de bonnes qualités d'usinage à chaud combinées avec de bonnes propriétés aux hautes températures, il est toutefois essen tiel que la teneur en niobium ne dépasse pas 3,%, que la teneur en aluminium ne dépasse pas 1,5 j et que la somme des teneurs en aluminium et en titane soit au moins de 2,5 Jo, mais pas supérieure<I>à 4</I> 0o <I>.</I> Tandis que des quantités de molybdène atteignant 5 ô en viron peuvent être présentes dans les alliages destinés à être coulés et leur confèrent d'avan tageuses propriétés aux hautes températures, la teneur en cet élément, qui diminue les qua lités d'usinage à chaud,
ne dépassera habi tuellement pas 1 % dans les alliages destinés à être usinés à chaud. Le silicium contribue à la fluidité et à la facilité de coulée et amé liore les propriétés aux hautes températures des alliages, mais agit défavorablement sur l'aptitude à la soudure. En général, 0,2 à 0,8% de silicium donne des résultats satis faisants.
On peut développer des propriétés de résis tance au fluage satisfaisantes en soumettant l'alliage selon l'invention à un traitement thermique. Celui-ci peut être du type usuel pour les alliages résistants au fluage; il peut comprendre, par exemple, le chauffage à haute température en vue de faire passer le constituant de durcissement en solution solide, suivi par un vieillissement ou un chauffage de précipitation, le chauffage indiqué en pre mier étant effectué de 1060 à 1200 C (de préférence de 1120 à 1175 C) pendant 1 heure au moins et de préférence 2 heures ou plus, par exemple jusqu'à 24 heures, et étant suivi par un refroidissement suffisam ment rapide pour éviter la reprécipitation de la phase qui a passé en solution solide.
Ce refroidissement rapide peut être effectué par trempage dans l'eau ou l'huile, mais le refroi dissement par l'air peut être suffisamment rapide pour de petites pièces, spécialement quand les températures de service sont de 735'C ou moins. Quand la température de service est de 815' C, il est préférable de refroidir de grosses pièces de l'alliage par trempage. Le vieillissement ou le traitement thermique de précipitation comprendra, par exemple, le maintien de l'alliage entre 700 à 815 C pendant au moins 4 heures, de pré férence pendant 8 à 24 heures ou plus.
Particulièrement si la température de ser vice est basse, par exemple 650 C, le traite ment à haute température peut être effectué simultanément avec d'autres opérations. Ainsi, quand la température finale après l'usi nage à chaud, par exemple pour les grands forgeages, est élevée, il est possible de com biner le traitement à haute température avec une opération d'usinage à chaud.
Les propriétés les plus satisfaisantes sont obtenues à des températures de service de 650 à 900 C, quand le chauffage de précipi tation est conduit à une température proche de la température de service à laquelle l'al liage doit être soumis, mais dans les limites de 700 à 850 C. Le chauffage de précipita tion pendant 8 à 20 heures environ donne d'excellents résultats.
Bien que le traitement thermique décrit ci-dessus, qui est en général similaire aux traitements communément employés actuelle ment pour développer de bonnes propriétés de fluage, puisse être utilisé, on petit obtenir des résultats encore meilleurs par un traite ment plus complexe. Celui-ci comprend l'exé cution, entre le traitement à haute tempéra ture et le chauffage de précipitation, d'un chauffage intermédiaire à une température supérieure à 750 C, mais inférieure à 1010 C.
Un traitement approprié comprend le chauf fage de l'alliage à l.150 C pendant 4 heures, le trempage ou le refroidissement à. l'air, le chauffage pendant environ 24 heures à 870' C, le trempage ou le refroidissement à l'air, et le chauffage à une température inférieure, mais de préférence pas inférieure à 650' C pendant 16 à 20 heures, par exemple à 735' C, si c'est la température de service, ou à 700' C, si la température de service est de 650' C.
Les alliages conformes à l'invention con viennent pour réaliser un grand nombre d'ob jets soumis pendant leur emploi à un effort prolongé à des températures élevées ou aux températures ordinaires. De tels objets com prennent des plaques, des feuille, des bandes, des tiges, des fils, des barres, des tubes, des pièces forgées, des pièces poinçonnées, des piè ces estampées, des pièces coulées, etc., telles que des pièces de turbines à vapeur, de turbines à gaz (y compris des surcompresseurs), de machines à propulsion par réaction, etc.
Nickel alloy. The alloys from which objects and parts are made which are subjected to prolonged stresses at high temperatures, for example of the order of 600 C and above, must not only be resistant to corrosion. high temperatures and have good general mechanical properties, but they must also by their nature be creep resistant.
Basically, corrosion resistance is achieved by using alloys based on nickel or nickel and cobalt and containing chromium, with or without iron. The present invention relates to a nickel alloy containing from 12 to 3 5% of chromium, from 0.5 to 5% of aluminum, from 1.0 to 5% of titanium and whose overall content of aluminum and titanium is at least equal to 2.5%, but not greater than 6%. It is generally preferable to avoid iron, although in industrial practice
iron is almost always present as a consequence of <B> (the </B> use of ferroalloys to introduce chromium or another element. The iron content of the alloy can be up to 15%.
We can. Briefly say that good creep resistance properties are obtained by the presence of aluminum and titanium in nickel alloys containing 1.2 to 355.v of chromium. The precise function of these two elements is not certain, but it is known that when these elements are present within the specified limits, the alloy, if heat treated in an appropriate manner, exhibits a precipitation phase such as this heat treatment produces good creep resistance properties.
The present invention is based on the discovery that improved creep resistance properties can be obtained in such alloys by the addition of small amounts of zirconium. Zirconium has been mentioned as an allowable element in many descriptions relating to creep resistant nickel-chromium alloys, this element being. generally regarded as equivalent to titanium and usable in the same proportions as titanium.
The alloy which is the subject of the present invention, containing the relatively large quantities of aluminum and titanium indicated above, is characterized by the presence of a small quantity of zirconium, that is to say of <B > 0.001 </B> to 0.2%, but preferably the zirconium content will not exceed <B> 0.05%. </B>
In making such an alloy, it is advantageous to add zirconium in the form of ferro-zireonium to a melt of the main constituents of the alloy. Often the added zirconium is not completely found in the blow metal, because of the losses. the cast iron, and the percentages of zirconium given above are those of the cast metal.
More aluminum and titanium can be tolerated in the alloys which are to be used in cast form than in those which are machined after being cast. In the alloys which are directly cast in the form of objects or parts, the aluminum and titanium contents may be 2.5% and 3.5%, respectively. In the alloys to be machined, the corresponding values may be 1.5 and 2.5% respectively.
The elements mentioned above are not the only ones that pallets may contain, and in fact the presence of niobium in small amounts, for example 0.002 to 5% v is advantageous. In addition, silicon, molybdenum and tungsten can be present in relatively small amounts, for example up to 2% silicon and 5% molybdenum and tungsten respectively.
Preferred alloys have the following composition:
EMI0002.0013
Chrome <SEP> 15 <SEP> to <SEP> 25 <SEP>%
<tb> Aluminum <SEP> 1.0 <SEP> to <SEP> 5 <SEP>%
<tb> Titanium <SEP> 1.0 <SEP> to <SEP> <B> 3.5% </B>
<tb> Niobium <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 5 <SEP>%
<tb> Zirconium <SEP> 0.002 <SEP> to <SEP> 0.2
<tb> Iron <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 15
<tb> Silicon <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 2
<tb> Molybdenum <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 5 <SEP>%
<tb> Tungsten <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 5 <SEP>%
<tb> Nickel <SEP> - + - <SEP> Cobalt <SEP> Balance These alloys can obviously still contain impurities and other elements in small quantities.
Thus, they may contain traces, or even a little more, of the loose metals of groups V and VI of the periodic system, non-harmful elements such as copper, and the deoxidizers manganese, magnesium, boron and alkali metals. and alkaline earth, in a total amount not exceeding 3%. The contents of metalloids of the sulfur and arsenic groups and of lead should be as low as possible, as should the boron content, unless the alloy contains, for example, 5% or more iron .
Sulfur should preferably be below <B> 0.007%. </B> Phosphorus should not exceed 0.025, preferably. Carbon is usually present at a level of 0.02 to 0.50%, for example.
The manganese content may be 2.5% and it will preferably be between 0.1 and 0.8%, for example approximately 0.5%. The alloys can be substantially free of copper or can contain up to 2% copper, but preferably not more than 0.5%. Usually copper is present as an impurity and does not exceed 0.15%.
Magnesium and calcium, or both, can advantageously be present in small amounts in the alloy when it is to be hot worked. It is preferable that neither the magnesium nor the calcium content of the alloy exceeds 0.15%, since larger amounts make the alloy very difficult to forge or roll. A very small amount of magnesium and calcium, for example 0.002%, improves creep resistance properties and is therefore preferably present; usually this amount is between 0.001 and <B> 0.03%. </B>
Iron can sometimes be advantageous, when good hot working properties are especially desired.
As an example of an alloy based on nickel and cobalt, the following may be mentioned: 20% chromium, <B> 0.96% </B> aluminum, 2.48% titanium, <B> 0 , 05% </B> zirconium, 0.42% iron, <B> 0.57% </B> silicon, <B> 0.39% </B> manganese, 20% cobalt and the nickel balance.
In general, cobalt can replace up to 40% of nickel.
Niobium is a constituent that becomes more and more necessary as the chromium content decreases or the iron content increases, or both of these occur. When making an alloy containing niobium and carbon simultaneously, the niobium content should be adjusted as a function of the carbon content. The niobium content will be increased as the carbon content increases. Thus, the alloy may contain <B> 0.15% </B> niobium when its carbon content is low, for example approximately <B> 0.01% </B>. The niobium content is preferably at least ten times the carbon content.
For good hot machining qualities combined with good high temperature properties, however, it is essential that the niobium content does not exceed 3.0%, the aluminum content does not exceed 1.5 d and that the sum of the aluminum and titanium contents is at least 2.5 Jo, but not greater than <I> 4 </I> 0o <I>. </I> While quantities of molybdenum reaching approximately 5 ô can be present in the alloys intended to be cast and give them advantageous properties at high temperatures, the content of this element, which reduces the quality of hot machining,
will usually not exceed 1% in alloys intended to be hot machined. Silicon contributes to fluidity and ease of casting and improves the high temperature properties of alloys, but adversely affects weldability. In general, 0.2 to 0.8% silicon gives satisfactory results.
Satisfactory creep resistance properties can be developed by subjecting the alloy according to the invention to a heat treatment. This can be of the usual type for alloys resistant to creep; it may include, for example, high temperature heating to pass the hardening component into a solid solution, followed by aging or precipitation heating, the heating indicated first being carried out at 1060 to 1200 C (from preferably at 1120 to 1175 C) for at least 1 hour and preferably 2 hours or more, for example up to 24 hours, and being followed by cooling fast enough to avoid reprecipitation of the phase which has gone into solid solution .
This rapid cooling can be accomplished by quenching in water or oil, but air cooling may be fast enough for small parts, especially when operating temperatures are 735 ° C or less. When the operating temperature is 815 ° C, it is preferable to cool large pieces of the alloy by quenching. Aging or precipitation heat treatment will include, for example, maintaining the alloy at 700 to 815 C for at least 4 hours, preferably 8 to 24 hours or more.
Particularly if the service temperature is low, for example 650 C, the high temperature treatment can be carried out simultaneously with other operations. Thus, when the final temperature after hot machining, for example for large forgings, is high, it is possible to combine the high temperature processing with a hot machining operation.
The most satisfactory properties are obtained at operating temperatures of 650 to 900 ° C., when the precipitation heating is carried out at a temperature close to the operating temperature to which the alloy is to be subjected, but within the limits of 700 to 850 C. Heating the precipitation for about 8 to 20 hours gives excellent results.
Although the heat treatment described above, which is in general similar to the treatments commonly employed today to develop good creep properties, can be used, even better results can be obtained by a more complex treatment. This comprises carrying out, between the high temperature treatment and the precipitation heating, an intermediate heating to a temperature above 750 C, but below 1010 C.
Appropriate treatment includes heating the alloy at 150 ° C for 4 hours, quenching or cooling at. air, heating for about 24 hours at 870 ° C, soaking or cooling in air, and heating at a temperature below, but preferably not below 650 ° C for 16-20 hours, for example at 735'C, if this is the service temperature, or at 700'C, if the service temperature is 650'C.
The alloys according to the invention are suitable for producing a large number of objects subjected during their use to a prolonged stress at high temperatures or at ordinary temperatures. Such articles include plates, sheets, bands, rods, wires, bars, tubes, forgings, punched parts, stamped parts, castings, etc., such as parts. steam turbines, gas turbines (including superchargers), jet engines, etc.