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.
Process for manufacturing a metal part or part of a metal part intended to be subjected to high temperatures and exhibiting, under these conditions, good resistance to creep, and a metal part manufactured by this process. The invention comprises a process for manufacturing a metal part or part of a metal part intended to be subjected to high temperatures and exhibiting, under these conditions, good creep resistance, and a metal part manufactured by this process. It relates to metal parts intended to be subjected to a force at high temperatures, that is to say of the order of magnitude of 6000 C and more.
Such parts must not only. resist corrosion at high temperatures and have good general mechanical properties, but also be in good condition. to resist creep. Examples of such parts include gas turbine blades and furnace parts; these must have creep resistance properties at high temperatures which are not necessary when these parts, even if they are subjected to a force, must only work at low temperatures, such as for example turbine shafts steamed.
The present invention is based on the discovery that much improved combinations of properties, including good creep resistance at elevated temperatures, can be produced by subjecting suitable alloys to particular heat treatment during or after forming, to the heat. 'Using these alloys, a metal part or part of a metal part.
The alloys which can be used according to the present invention are those which have a reticular structure of the cubic type. faces centered and which contain at least nickel, chromium, titanium and aluminum.
They may also contain iron in a proportion not exceeding 85%, cobalt in a proportion not exceeding 70%, molybdenum in a proportion not exceeding,
not 30% as well as niobium, tantalum and beryllium in proportions such that their total content plus the titanium content and the aluminum content together represent from 0.5 to 10% of the alloy.
These alloys may also contain tungsten, the molybdenum content, increased by twice that of tungsten, representing a total not exceeding 30% of the alloy. They may also contain silicon, man ganese, vanadium and copper in a total proportion of 10% at most.
As examples of suitable compositions. from which the alloy can be formed, there may be mentioned 1. Nickel at least 30%, with up to 70% cobalt,
up to 30% molybdenum and up to 70% iron. 2. Nickel from 90 to 65%, chromium from 10 to 35 0%,
equal percentages of nickel may be replaced by chi molybdenum up to 30% or cobalt up to 60%, but with a minimum nickel content of 30%.
3. Nickel from 25 to 65%, chromium from 10 to 35%, the rest being iron,
equal percentages of iron which may be replaced by molybdenum up to 30% or cobalt up to 65%.
4. Austenitic steels containing from 10 to <B> 35% </B> of chromium, from 7 to 251 / o of nickel, up to 301 / o of molybdenum, up to 60% of cobalt, the remainder (at least 40%) being, iron.
In general, it is preferred to keep the carbon content below 0.051%, particularly in compositions of the 80/20 nickel-chrome type, but there may be up to 1% carbon.
In order to form an alloy having a face-centered cubic-type reticular structure from either of the aforementioned compositions, account will be taken of the general mechanical properties required and the type of corrosion to which the part must resist. ter, during the expected working time. The considerations in question are well known and will not be described here.
The process which the invention comprises is characterized in that said part or part of a part is formed from a nickel alloy having a cubic-type reticular structure with faces centered and containing from 8 to 35% chromium. , titanium in a proportion not exceeding 5% and,
aluminum in a proportion not exceeding 5%, the content of titanium plus the content of aluminum together representing 0,
25 to 10% of the alloy, which has a phase consisting of a complex of nickel, titanium and aluminum and capable of passing into solid solution during heating at high temperature and, after cooling, of reprecipitating for a new heating, and in that this alloy is subjected to a heat treatment consisting in heating it to a temperature of 1000 to 13000 C to put said phase in the form of a solid solution, the duration of this heating, for the chosen temperature ,
being at least as long as that given by the curve of the times as a function of the temperature which corresponds to the following relations: 48 hours for 10,000 C, 6 hours for <B> 10250 </B> C, 3 hours for 10500 C, 21/2 hours for 11000 C, 2 hours for 11500 C, 1 hour for <B> 12250 </B> C and 1, @. Hour for 12 750 C and above, then cooling it from this temperature and warm to a temperature of 600 to 8500 C for 2 to 200 hours.
In general, heating times longer than these minimum times are used. For example, excellent combinations of properties can be produced, in particular in alloys containing at least 70% nickel and 12 to 25 (1 / o chromium, together with 2.5 to 3% titanium,
by heating to at least 10,500 C, the duration of this heating, for the temperature chosen, being at least as long as that given by the curve of the times as a function of the temperature which corresponds to the following relations 8 hours for 10,500 C, 4 hours for 11000 C, 21/2 hours for 11500 C and 11/2 hours for <B> 122500. </B>
It is obvious that this heating, in which the times given are those during which the alloy is. effectively maintained at the temperature in question, may differ from the solid solution heat treatment commonly applied to alloys of the type defined in processes comprising -a. precipitation hardening, in that either a higher temperature or a longer heating time or both must be employed.
Although various proposals have been made to employ elevated temperatures in solid solution heat treatments, the time and temperature combinations employed in the fabrication of metal parts by the process according to the invention appear to be new and are essential if the improved combinations of properties are to be obtained.
The subsequent reheating is: usually pushed to a temperature higher than that which will be reached when the part is put into service, and when an alloy is requested, for example, to withstand working temperatures of <B > 6500 </B> C, it is advantageous if the reheating takes place at <B> 7000 </B> C, for example, for 16 hours. Reheating can also be carried out in at least two periods, the temperature decreasing from the first to the last.
For the execution of the method according to the invention, it is possible. use, for example, an alloy containing 81% nickel, 121% chromium, 2.3% titanium and 0.4% aluminum,
with a balance of 4.3% consisting of manganese, silicon and iron in the form of impurities. This alloy is subjected to a heat treatment consisting of heating it for 3 hours at 11500 C, then cooling it and finally heating it again for 16 hours at a temperature of 7000 C.
In the following paragraphs, examples are given of treatments applied to an alloy formed from a composition of the type 80% nickel and 20% chromium and containing 2.3% titanium and 0,
35% aluminum.
As an example of the effect: produced by varying the heating time, samples of the alloy gave the following results, when tested as hot-rolled bars, under stress. very high of about 3800 kg per em2 and a temperature of 6500 C.
EMI0003.0048
Duration <SEP> Minimum <SEP> rate <SEP> Time
<tb> from <SEP> heating <SEP> from <SEP> creep <SEP> until <SEP> the
<tb> to <SEP> i050 <SEP> C <SEP> to <SEP>,% <SEP> per hour <SEP> break, <SEP> hours
<tb> 1 <SEP> hour <SEP> 0.1 <SEP> 40
<tb> 2 <SEP> hours <SEP> 0.03 <SEP> 70
<tb> 4 <SEP> hours <SEP> 0.005 <SEP> 120
<tb> 8 <SEP> hours <SEP> 0.004 <SEP> 170
<tb> 16 <SEP> hours <SEP> 0.003 <SEP> 135 It will be observed that the heating during.
l hour only at 1.0500 C, i.e. the time that would normally be employed at such a temperature in precipitation hardening or other known processes (e.g. annealing) including heating to modify properties of an alloy, is quite unsuitable for developing high creep resistance, but as the heating time is increased the creep resistance is significantly increased, although the rate of creep is increased. or low during periods of prolonged heating. more than 4 hours.
As another illustration, the same alloy was tested under a force of approximately 2850 kg per cm 2 and a temperature of 6500 C, after various solid solution treatments with reheating for <B> 16 </B> hours at 7000 C, and the results obtained were as follows:
EMI0003.0058
Minimum <SEP> rate
<tb> <SEP> thermal treatment <SEP> of <SEP> creep <SEP> in
<tb> by <SEP> hour
<tb> 12 <SEP> hours <SEP> 10000 <SEP> C <SEP> 0.00.1
<tb> 8 <SEP> hours <SEP> 10500 <SEP> C <SEP> 0.00009
<tb> 48 <SEP> hours <SEP> 10500 <SEP> C <SEP> 0.00002 The properties of resistance to. Fatigue at elevated temperatures, which are controlled by the same factors that control the time to failure under creep conditions, are often important as well and may determine the upper limit of the heating period that has been recognized desirable to employ.
The first table given above shows that the time elapsing until fracture occurs, which gives an indication of the ability of the alloy to resist creep forces for a period and also of the properties. fatigue resistance of the alloy under such stresses rises to a maximum and then falls again. For this reason, if fatigue resistance is important, a treatment such as 8 hour heating at 10500 C is preferred, which will give good fatigue resistance, along with the power to withstand creep stresses for long periods of time, to a treatment comprising heating for at least 16 hours at 10500 C which, although giving a low rate of creep, results in the alloy having high resistance properties. lower fatigue.
Naturally, since the combination of creep resistance and fatigue resistance properties, which can be achieved, is a function of the temperature and duration of the solid solution heating, the precise processing will depend on requirements.
The allowable rate of creep and the time that the part must withstand working conditions are also important and play a role in determining the heat treatment to be applied. If low creep rate at relatively low temperature, under high stress, is of prime importance, and neither high fatigue resistance nor long working time (i.e. 500 hours or more) are essential, it is found that a long time of heating at a low temperature gives better properties than a short time of heating at a high temperature.
Thus, to give to my part, made from a nickel-chromium alloy of the type defined, the power to withstand a force of at least 3150 kg per cm2 at 6500 C for 300 hours, without the elongation. or greater than 0.10 / 0, it is preferred to heat the alloy to a temperature of 10500 C for 30 hours.
If the part must withstand a force at high temperature, for example if the conditions described in the previous paragraph are changed to such an extent that the force to be withstood is approximately 475 kg per cm2 at 8000 C ( a stress which at the high temperature is comparable in magnitude with the higher stress at the lower temperature), high phis temperatures can be used for heating without causing any harm for the combination of properties obtained; for example, the alloy in question can be heated at 12,250 C for 2 hours.
When maximum creep resistance is not required, but high fatigue strength and the elimination of the possibility of sudden failure during work are desirable, preference is given to treatments somewhat different from those. which were described in the previous paragraph.
For example, the conditions can be modified in the sense that one asks to be able to withstand approximately 1900 kg per cm = only, at 6500 C for 300 hours, without the elongation exceeding 0.1%, and;
adding the additional condition that the alloy must. be able to stretch by 0.5% before any cracking starts, in the event that the force during the work increases above 1900 kg per cm = at 6500 C or is imposed for more than 300 hours or that the temperature would rise to 7000 C.
In order to produce properties satisfying these requirements, an intermediate treatment is employed which essentially comprises short-term heating, as described. previously, when a low creep rate is of prime importance. Such a treatment can be, for example, 4 hours at 10500 ° C. in the case of the alloy described obtained from a composition containing 80% nickel and 20% chromium.
If hot forging or other hot machining is applied to the alloy during fabrication, it is desirable to subsequently heat the alloy to the solid solution temperature for a period of time. relatively; short, for example 1 hour, in order to eliminate any effects contrary to the creep properties, which may have been produced by hot machining.
Although the examples given above all relate to alloys having as a base a composition of the well-known type of 80% nickel and 20% chromium, they can be applied to the other alloys described in the above, although Of course, to produce a particular combination of properties, it may be necessary to make some modifications to the exact temperatures and times of heating.
Alloys which give particularly good combinations of properties are those which contain Nicli: el + cobalt at least 70% Chromium 8 at 25% in addition to titanium and aluminum. During embodiments of the invention, it has been observed that certain alloys having the desired composition are.
brittle after heat treatment or become brittle after being heated during work, for a prolonged time at temperatures between 650 and 8500 C, although the corresponding titanium-free alloys do not exhibit such brittleness. This fra gility naturally makes these alloys unsuitable for the manufacture of parts which can be exposed to shocks.
It has been recognized that alloys containing 15 to 25% nickel and 10 to 15% chromium have significantly greater impact resistance than those whose compositions are outside these limits and also have good properties. creep resistance and fatigue resistance after being heat treated like this a. been described. Such alloys are therefore often preferred with a view to manufacturing parts by the process according to the invention.
Besides nickel and chromium, these alloys contain 2.0 to 3.0% titanium, aluminum and the balance, which is iron.
However, the presence of small amounts of other elements is not excluded; these elements little wind: include carbon (for example 0.2%), silicon (for example '1%), manganese (for example 1%), cobalt (for example 4%),
copper (eg 4%), and so on, and, unavoidable impurities, such as sulfur and phosphorus.
Among these alloys, it is preferred to use alloys containing 16 to 25% nickel, 10 to 15% chromium, 2 to 3% titanium, 0.4 to 0.6% aluminum and a balance, iron, with or without constituents in smaller amounts and impurities, as indicated above.
We look at alloys containing 16 to 20% nickel, 10 to 14% chromium, 2.5 to 2.7% titanium and 0.4 to 0.6% aluminum as the best, i.e. that is to say those whose impact resistance is. less reduced by prolonged heating between 650 and 8500 C.
The table below gives results obtained with some of these other alloys by heating them for 3 hours at 11,500 C and reheating them. for 16 hours at 7000 C.
EMI0005.0076
Effort <SEP> in <SEP> Minimum <SEP> rate <SEP> Time <SEP> until
<tb> Alloy <SEP> hg / cm2 <SEP> of the <SEP> creep <SEP> in <SEP>% <SEP> the <SEP> rupture
<tb> by <SEP> hour <SEP> in <SEP> hours
<tb> 53 <SEP>% <SEP> Ni, <SEP> 20 <SEP>% <SEP> Cr <SEP> and <SEP> 20 <SEP>% <SEP> Co <SEP> + <SEP> 2, 3 <SEP>% <SEP> Ti
<tb> and <SEP> 0.4% <SEP> Al <SEP> '? 850 <SEP> 0.0002 <SEP> 1850
<tb> 78 <SEP>% <SEP> Ni, <SEP> 10 <SEP>% <SEP> Cr <SEP> and <SEP> 5 <SEP>% <SEP> -Mo <SEP> + <SEP> 2 , 3 <SEP>% <SEP> Ti
<tb> and <SEP> 0.4% <SEP> Al.
<SEP> 2850 <SEP> 0.00005 <SEP> 1400
<tb> 81% <SEP> Ni <SEP> and <SEP> 12% <SEP> Cr <SEP> + 2.3% <SEP> Ti <SEP> and <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> and <SEP> 15 <SEP> 1) / o <SEP> Gr <SEP> 1 / o <SEP> Ti
<tb> and <SEP> 0.4% <SEP> Al <SEP> 2200 <SEP> 0.0006 <SEP> 1400 In all these alloys, the remainder is constituted by various impurities, in particular manganese, silicon and (read iron.
Parts, which can be manufactured with particular advantage in accordance with the present invention, include parts for internal combustion machines, steam turbines or other prime movers and furnaces and (above all) parts for gas turbines. gas, in particular blades.