Procédé de fabrication d'une pièce métallique ou partie de pièce métallique destinée à être soumise à de hautes températures et présentant, dans ces conditions, une bonne résistance au fluage, et pièce métallique fabriquée par ce procédé. L'invention comprend un procédé de fabri cation d'une pièce métallique ou partie de pièce métallique destinée à être soumise à de hautes températures et présentant, dans ces conditions, une bonne résistance au fluage, et une pièce métallique fabriquée par ce pro cédé. Elle se rapporte à des pièees métalliques destinées à être soumises à un effort sous des températures élevées, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur de 6000 C et plus.
De telles pièces doivent non seulement. résister à la corrosion à des températures élevées et avoir de bonnes propriétés mécaniques générales, mais aussi être en état. de résister au fluage. Comme exemples de ces pièces, on peut citer des aubes de turbines à gaz et des pièces de fours; celles-ci doivent avoir aux hautes températures des propriétés de résistance au fluage qui ne sont pas nécessaires lorsque ces pièces, même si elles sont soumises à un effort, ne doivent travailler qu'à des températures peu élevées, comme par exemple des arbres de turbines à vapeur.
La présente invention est basée sur la découverte que des combinaisons très amé liorées de propriétés, comprenant une bonne résistance au fluage à des températures éle vées, peuvent être produites en soumettant des alliages appropriés à un traitement thermique particulier pendant ou après la formation, à l'aide de ces alliages, d'une pièce métallique ou partie de pièce métallique.
Les alliages susceptibles d'être utilisés selon la présente invention sont ceux qui ont une structure réticulaire du type cubique à. faces centrées et qui contiennent au moins du nickel, du chrome, du titane et de l'alumi nium.
Ils peuvent contenir aussi du fer en une proportion n'excédant pas 85 %, du cobalt en une proportion n'excédant pas 70%, du molyb- dène en une proportion n'excédant,
pas 30 % ainsi que du niobium, du tantale et du beryl- lium en des proportions telles que leur teneur totale plus la teneur du titane et la teneur de l'aluminium représentent ensemble de 0,5 à 10% de l'alliage.
Ces alliages peuvent contenir aussi du tungstène, la teneur en molybdène, augmentée de deux fois celle du tungstène, représentant un total n'excédant pas 30% de l'alliage. Ils peuvent contenir aussi du silicium, du man ganèse, du vanadium et du cuivre dans une proportion totale de 10% au maximum.
Comme exemples de compositions appro priées à. partir desquelles on peut former l'alliage, on peut citer 1. Nickel au moins 30 %, avec jusqu'à 70 % de cobalt,
jusqu'à 30% de molybdène et jus- qu'à 70 % de fer. 2. Nickel de 90 à 65 %, chrome de 10 à 35 0%,
des pourcentages égaux de nickel pou vant être remplacés par chi molybdène jus- qu'à 30% ou du cobalt jusqu'à 60%, mais avec une teneur minimum de nickel de 30%.
3. Nickel de 25 à 65 %, chrome de 10 à 35 %, le reste étant du fer,
des pourcentages égaux de fer pouvant être remplacés par du molybdène jusqu'à 30 % ou du cobalt jus- qu'à 65%.
4. Aciers austénitiques contenant de 10 à <B>35%</B> de chrome, de 7 à 251/o de nickel, jus- qu'à 301/o de molybdène, jusqu'à 60% de cobalt, le reste (au moins 40%) étant, du fer.
En général, on préfère maintenir la teneur de carbone en dessous de 0,051/o, en particu lier dans les compositions du type 80/20 nickel- -chrome, mais il peut y avoir jusqu'à 1% de carbone.
Il sera tenu compte, pour former un alliage ayant une structure réticulaire du type cubique à faces centrées à partir de l'une ou l'autre des compositions précitées, des pro priétés mécaniques générales requises et du genre de corrosion, auquel la pièce doit résis ter, pendant la durée du travail qu'on en attend. Les considérations dont il s'agit sont bien connues et ne seront pas décrites ici.
Le procédé que comprend l'invention est caractérisé en ce qu'on forme ladite pièce ou partie de pièce à partir d'un alliage de nickel ayant une structure réticulaire du type cubi- que à faces centrées et contenant de 8 à 35 % de chrome, du titane en une proportion n'excé- dant pas 5 % et,
de l'aluminium en une propor- tion n'excédant pas 5 %, la teneur du titane plus la teneur de l'aluminium représentant ensem- ble de 0,
25 à 10 % de l'alliage, lequel présente une phase consistant en un complexe de nickel, de titane et d'aluminium et susceptible de passer en solution solide pendant un chauf fage à haute température et, après refroidisse ment, de se reprécipiter pendant un nouveau chauffage, et en ce qu'on soumet cet alliage à un traitement thermique consistant à le chauffer à une température de 1000 à 13000 C pour mettre ladite phase sous forme de solu tion solide, la durée de ce chauffage, pour la température choisie,
étant au moins aussi longue que celle donnée par la courbe des durées en fonction de la température qui ré pond aux relations suivantes: 48 heures pour 10000 C, 6 heures pour<B>10250</B> C, 3 heures pour 10500 C, 21/2 heures pour 11000 C, 2 heures pour 11500 C, 1 heure pour<B>12250</B> C et 1,@.heure pour 12750 C et plus, puis à le refroidir à partir de cette température et à le réchauffer à une température de 600 à 8500 C pendant 2 à 200 heures.
En général, on utilise des durées de chauf fage plus longues que ces durées minima. Par exemple, d'excellentes combinaisons de propriétés peuvent être produites, en parti culier dans des alliages contenant au moins 70% de nickel et 12 à 25(1/o de chrome, en même temps que 2,5 à 3 % de titane,
par un chauffage à au moins 10500 C, la durée de ce chauffage, pour la température choisie, étant au moins aussi longue que celle donnée par la courbe des durées en fonction de la tem pérature qui répond aux relations suivantes 8 heures pour 10500 C, 4 heures pour 11000 C, 21/2 heures pour 11500 C et 11/2 heure pour <B>122500.</B>
Il est évident que ce chauffage, dans le quel les durées données sont celles pendant lesquelles l'alliage est. maintenu effectivement à la température en question, peut différer du traitement thermique de mise en solution solide appliqué communément à des alliages du type défini dans les procédés comprenant -un. durcissement par précipitation, en ce qu'on doit employer soit une température plus éle vée, soit une durée de chauffage plus longue, soit les deux.
Bien que diverses propositions aient été faites pour employer des tempéra tures élevées dans des traitements thermiques de mise en solution solide, les combinaisons de durées et de température employées dans la fabrication de pièces métalliques par le pro cédé selon l'invention semblent être nouvelles et sont essentielles si les combinaisons amé liorées de propriétés doivent être obtenues.
Le réchauffage subséquent est: habituelle ment poussé jusqu'à une température plus élevée que celle qui sera atteinte quand la pièce sera mise en service, et quand on de mande, par exemple, qu'un alliage résiste à des températures de travail de<B>6500</B> C, il est avantageux que le réchauffage se fasse à <B>7000</B> C, par exemple, pendant, 16 heures. Le réchauffage peut aussi être effectué en au moins deux périodes, la température décrois sant de la première à la dernière.
En vue de l'exécution du procédé selon l'invention, on peut. se servir, par exemple, d'un alliage contenant, 81% de nickel, 121/o de chrome, 2,3% de titane et 0,4% d'alumi- nium,
avec un complément de 4,3% consti- tué par du manganèse, du silicium et du fer sous forme d'impuretés. On soumet cet alliage à un traitement thermique consistant à le chauffer pendant 3 heures à 11500 C, puis à le refroidir et enfin à le chauffer de nouveau pendant 16 heures à une température de 7000 C.
Dans les paragraphes suivants, des exem ples sont donnés de traitements appliqués à un alliage formé à partir d'une composition du type 80% de nickel et 20% de chrome et contenant 2,3 % de titane et 0,
35 % d'alumi- nium.
A titre d'exemple de l'effet: produit par une variation de la durée du chauffage, des échantillons de l'alliage ont donné les résul tats suivants, quand on les a essayés sous la forme de barres laminées à chaud, sous un effort très élevé d'environ 3800 kg par em2 et une température de 6500 C.
EMI0003.0048
Durée <SEP> Taux <SEP> minimum <SEP> Temps
<tb> du <SEP> chauffage <SEP> de <SEP> fluage <SEP> jusqu'à <SEP> la
<tb> à <SEP> i050 <SEP> C <SEP> en <SEP> ,% <SEP> parheure <SEP> rupture, <SEP> heures
<tb> 1 <SEP> heure <SEP> 0,1 <SEP> 40
<tb> 2 <SEP> heures <SEP> 0,03 <SEP> 70
<tb> 4 <SEP> heures <SEP> 0,005 <SEP> 120
<tb> 8 <SEP> heures <SEP> 0,004 <SEP> 170
<tb> 16 <SEP> heures <SEP> 0,003 <SEP> 135 On observera que le chauffage pendant.
l heure seulement à 1.0500 C, c'est-à-dire la durée qui, normalement, serait employée à une telle température dans un durcissement par précipitation ou dans d'autres procédés connus (par exemple un recuit) comprenant un chauffage servant à modifier les propriétés d'un alliage, est tout à fait impropre à déve lopper une haute résistance au fluage, mais que, lorsqu'on augmente la durée du chauf fage, la résistance au fluage en est notable- ment accrue, bien que le taux de soit bas pendant des périodes de chauf fage durant. plus de 4 heures.
Comme autre illustration, on a essayé le même alliage sous un effort de 2850 kg par cm 2 environ et une température de 6500 C, après différents traitements de mise en solu tion solide avec réchauffage pendant<B>16</B> heures à 7000 C, et les résultats obtenus ont été les suivants:
EMI0003.0058
Taux <SEP> minimum
<tb> Traitement <SEP> thermique <SEP> de <SEP> fluage <SEP> en
<tb> par <SEP> heure
<tb> 12 <SEP> heures <SEP> 10000 <SEP> C <SEP> 0,00.1
<tb> 8 <SEP> heures <SEP> 10500 <SEP> C <SEP> 0,00009
<tb> 48 <SEP> heures <SEP> 10500 <SEP> C <SEP> 0,00002 Les propriétés de résistance à la. fatigue aux températures élevées, qui sont réglées par les mêmes facteurs que ceux qui commandent le temps jusqu'à la rupture dans des condi tions de fluage, sont souvent importantes aussi et peuvent déterminer la limite supérieure de la période de chauffage qu'on a reconnu dé sirable d'employer.
Le premier tableau donné plus haut montre que le temps s'écoulant jus qu'à ce que la rupture se produise, qui donne une indication sur le pouvoir de l'alliage de résister à des efforts de fluage pendant une période et aussi sur les propriétés de résis tance à la fatigue de l'alliage sous de tels efforts, monte jusqu'à un maximum et ensuite redescend. Pour cette raison, si la résistance à la fatigue a de l'importance, on préfère un traitement tel qu'un chauffage de 8 heures à 10500 C, qui donnera une bonne résistance à la fatigue, en même temps que le pouvoir de résister à des efforts de fluage pendant de longues périodes, à un traitement comprenant un chauffage d'au moins 16 heures à 10500 C qui, bien qu'il donne un faible taux de fluage, a pour résultat que l'alliage a des propriétés de résistance à la fatigue inférieures.
Natu rellement, puisque la combinaison de la résis tance au fluage et des propriétés de résis tance à la fatigue, qui peuvent être obtenues, est une fonction de la température et de la durée du chauffage de mise en solution solide, le traitement précis dépendra des exigences.
Le taux admissible de fluage et le temps pendant lequel la pièce doit résister aux con ditions de travail sont aussi importants et jouent un rôle dans la détermination du trai tement thermique qu'il faut appliquer. Si un faible taux de fluage à une température rela tivement basse, sous un effort élevé, est de première importance, et si ni une résistance élevée à la fatigue, ni un long temps de tra vail (c'est-à-dire 500 heures ou plus) ne sont essentiels, on trouve qu'une longue durée de chauffage à une température basse donne de meilleures propriétés qu'une courte durée de chauffage à une température élevée.
Ainsi, pour donner à mie pièce, fabriquée à partir d'iin alliage nickel-chrome du type défini, le pouvoir de résister à un effort d'au moins 3150 kg par cm2 à 6500 C pendant 300 heures, sans que l'allongement ne soit supérieur à 0,10/0, on préfère chauffer, l'alliage à une tem pérature de 10500 C pendant 30 heures.
Si la pièce doit résister à un effort sous une température élevée, par exemple si les conditions décrites dans le paragraphe pré cédent sont modifiées dans une mesure telle que l'effort auquel il faut résister est de 475- kg par cm2 environ à 8000 C (un effort qui, à la haute température, est comparable au point de vue de sa grandeur avec l'effort plus élevé à la température plus basse), des températures phis élevées peuvent être em ployées pour le chauffage sans qu'il en résulte un préjudice pour la combinaison de proprié tés obtenue; par exemple, l'alliage en question peut être chauffé à 12250 C pendant 2 heures.
Quand la résistance maximum au fluage n'est pas exigée, mais qu'une haute résistance à la fatigue et la suppression de la possibilité d'une rupture soudaine pendant le travail sont désirables, on donne la préférence à des traitements quelque peu différents de ceux qui ont été décrits dans le paragraphe précé dent.
Par exemple, les conditions peuvent être modifiées en ce sens qu'on demande de pouvoir résister à environ 1900 kg par cm= seulement, à 6500 C pendant 300 heures, sans que l'allongement ne dépasse 0,1%, et;
en ajoutant la condition supplémentaire que l'alliage doit. être capable de s'étirer de 0,5% avant tout début de fissuration, dans le cas où l'effort s'élèverait pendant le travail au- dessus de 1900 kg par cm= à 6500 C ou serait imposé pendant plus de 300 heures ou que la température s'élèverait à 7000 C.
Afin de pro duire des propriétés satisfaisant 'a ces exi gences, on emploie un traitement intermédiaire qui comprend essentiellement un chauffage de courte durée, tel que décrit. précédemment, quand un faible taux de fluage est de première importance. Un tel traitement peut être, par exemple, de 4 heures à 10500 C dans le cas de l'alliage décrit obtenu à partir d'une compo- sition à 80 % de nickel et 20 % de chrome.
Si un forgeage à chaud ou un autre traite ment d'usinage à chaud est appliqué à l'alliage au cours de la fabrication, il est désirable de réchauffer ensuite l'alliage jusqu'à la tempé rature de mise en solution solide pendant un temps relativement; court, par exemple 1 heure, afin d'éliminer tous les effets contraires aux propriétés de fluage, qui peuvent avoir été produits par l'usinage à chaud.
Bien que les exemples donnés plus haut se rapportent tous à des alliages ayant pour base une composition du type bien connu de 80 % de nickel et 20 % de chrome, ils peu- vent être appliqués aux autres alliages décrits dans ce qui précède, bien que, naturellement, pour produire une combinaison particulière de propriétés, il puisse être nécessaire d'ap porter quelques modifications aux tempéra tures exactes et aux durées de chauffage.
Des alliages qui donnent des combinaisons de pro priétés particulièrement bonnes sont ceux qui contiennent Nicli:el+cobalt au moins 70% Chrome 8 à 25 % outre le titane et l'aluminium. Lors de réalisations de l'invention, on a observé que certains alliages présentant la composition voulue sont.
cassants après le traitement thermique oit le deviennent après avoir été chauffés pendant leur travail, pen dant un temps prolongé à, des températures comprises entre 650 et 8500 C, bien que les alliages exempts de titane correspondants ne manifestent pas une telle fragilité. Cette fra gilité rend naturellement ces alliages impro pres à la fabrication de pièces qui peuvent être exposées à des chocs.
On a reconnu que des alliages contenant 15 à 25% de nickel et 10 à 15% de chrome ont une résistance au choc nettement plus grande que ceux dont, les compositions se trouvent en dehors de ces limites et qu'ils ont aussi de bonnes propriétés de résistance au fluage et, à la fatigue, après avoir été traités à chaud, comme cela a. été décrit. De tels alliages sont donc souvent pré férés en vue de fabriquer des pièces par le procédé selon l'invention.
Outre le nickel et le chrome, ces alliages contiennent 2,0 à 3,0% de titane, de l'alumi- nium et un complément, qui est du fer.
Toute fois, la présence de petites quantités d'antres éléments n'est pas exclue; ces éléments peu vent: comprendre du carbone (par exemple 0,2%), du silicium (par exemple '1%), du manganèse (par exemple 1%), du cobalt (par exemple 4%),
du cuivre (par exemple 4%), et ainsi de suite, et, les impuretés inévitables, telles que le soufre et le phosphore.
Parmi ces alliages, on préfère utiliser des alliages contenant de 16 à 25% de nickel, 10 à 15 % de chrome, 2 à 3 % de titane, 0,4 à 0,6% d'aluminium et un complément, de fer, avec ou sans des constituants en plus petites quantités et des impuretés, comme on l'a indi qué plus haut.
On regarde les alliages contenant de 16 à 20% de nickel, 10 à 14% de chrome, 2,5 à 2,7% de titane et 0,4 à 0,6% d'aluminum comme les meilleurs, c'est-à-dire ceux dont la résistance au choc est la. moins réduite par un chauffage prolongé entre 650 et 8500 C.
Le tableau ci-dessous donne des résultats obtenus avec quelques-uns de ces autres alliages en les chauffant pendant 3 heures à 11500 C et en les réchauffant. pendant 16 heures à 7000 C.
EMI0005.0076
Effort <SEP> en <SEP> Taux <SEP> minimum <SEP> Temps <SEP> jusqu'à
<tb> Alliage <SEP> hg/cm2 <SEP> du <SEP> fluage <SEP> en <SEP> % <SEP> la <SEP> rupture
<tb> par <SEP> heure <SEP> en <SEP> heures
<tb> 53 <SEP> % <SEP> Ni, <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Cr <SEP> et <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Co <SEP> + <SEP> 2,3 <SEP> % <SEP> Ti
<tb> et <SEP> 0,4% <SEP> Al <SEP> '?850 <SEP> 0,0002 <SEP> 1850
<tb> 78 <SEP> % <SEP> Ni, <SEP> 10 <SEP> % <SEP> Cr <SEP> et <SEP> 5 <SEP> % <SEP> -Mo <SEP> + <SEP> 2,3 <SEP> % <SEP> Ti
<tb> et <SEP> 0,4% <SEP> Al.
<SEP> 2850 <SEP> 0,00005 <SEP> 1400
<tb> 81% <SEP> Ni <SEP> et <SEP> 12% <SEP> Cr <SEP> +2,3% <SEP> Ti <SEP> et <SEP> 0,4% <SEP> Al <SEP> 2850 <SEP> 0,0002 <SEP> 1.600
<tb> 66 <SEP> % <SEP> Fe, <SEP> 1.5 <SEP> % <SEP> Ni <SEP> et <SEP> 15 <SEP> 1)/o <SEP> Gr <SEP> 1/o <SEP> Ti
<tb> et <SEP> 0,4% <SEP> Al <SEP> 2200 <SEP> 0,0006 <SEP> 1400 Dans tous ces alliages, le complément est constitué par diverses impuretés, en particu lier du manganèse, du silicium et (lu fer.
Des pièces, qui peuvent être fabriquées avec un avantage particulier selon la présente invention, comprennent des pièces de machines à combustion interne, de turbines à vapeur ou d'autres machines motrices et de fours et (par-dessus tout) des pièces de turbines à gaz, en particulier des aubes.