Alliage réfractaire L'invention concerne des alliages à base de tung stène contenant des additions de carbone et de haf nium.
Les récents développements de l'aviation et des véhicules spatiaux ont créé une demande de métaux possédant une grande résistance à températures éle vées, mais restant ductiles à températures relative ment basses. En outre, les températures de recristalli- sation de ces métaux doivent être très élevées. Les matériaux connus ne sont pas satisfaisants pour la plupart des emplois à haute température et c'est l'un des objets de la présente invention de fournir des al liages ayant les caractéristiques nécessaires.
Les alliages selon la présente invention sont à base de tungstène et comportent de petites propor tions de carbone et de hafnium. Ce sont des alliages ternaires contenant de 0,004 à 0,05 % de carbone et de 0,01 à 2'% de hafnium,
le reste étant du tung- stène. On obtient la meilleure combinaison de pro priétés mécaniques et de facilité de fabrication pour une application donnée, en faisant varier la propor tion des constituants dans l'intervalle indiqué plus haut.
En particulier, les alliages de l'invention pos sèdent, à la température de 16500 C, une résistance à la rupture comprise entre 1750 et 5200 kg/cm2 environ, alors que le tungstène pur a une résistance à la rupture de 1050 kg/cm2. La température au- dessus de laquelle ces alliages deviennent suffisam ment ductiles pour être travaillés (température de transition de cassant à ductile) est égale ou inférieure à celle du tungstène pur.
La haute résistance à la rupture et la température de recristallisation élevée constatée dans les alliages tungstène-hafnium-carbone sont dues à la formation, au cours de la fabrication, de carbure de hafnium uniformément dispersé, dont les particules ont un diamètre compris entre 200 et 1000 angstroms. L'amélioration des propriétés ré sulte à la fois de la constitution chimique de l'alliage et de l'état d'agrégation de ses constituants . Il est propable que la transformation du hafnium au cours de la fabrication produise des particules de dimen sions indiquées ci-dessus, dispersées dans toute la masse.
<I>Exemple 1</I> Du carbone et du tungstène élémentaires en pou dre sont mélangés avec de l'hydrure de hafnium, de façon à obtenir un mélange uniforme que l'on sou met ensuite à une pression d'environ 3500 kg/cm2 pour former une billette. La billette est ensuite frittée à 23000 C environ, pendant une durée approximative de 90 minutes pour assurer la diffusion complète des différents constituants, ce qui conduit à une solution solide de hafnium dans le tungstène, le carbone se trouvant partiellement sous forme de carbure de haf nium et partiellement sous forme de solution solide de carbone dans le tungstène.
La billette est ensuite laminée, d'abord à une température comprise entre 1850 et 19500 C, puis finalement à une température de 15500 C, en feuil les ayant une épaisseur de 0,1 mm environ. Bien que l'on ait utilisé un procédé de métallurgie des poudres pour fabriquer ces feuilles, il est évidemment possi ble de préparer ces alliages par d'autres procédés, comme, par exemple, la fusion à l'arc sous vide.
De même, la transformation mécanique peut être obte nue par d'autres techniques telles que: l'extrusion, le forgeage, l'étirage, pour produire la pièce de forme désirée. Les mesures de résistance à la rupture de température de recristallisation et de température de transition cassant à ductile, ont été exécutées sur un grand nombre d'alliages.
La température de recristallisation est estimée en déterminant à quelle température la structure fibreu se de l'alliage corroyé disparaît complètement, fai sant place à une recristallisation complète. La tem pérature de transition cassant à ductile est mesurée en pliant une éprouvette corroyée avec un rayon de pliage égal à quatre fois l'épaisseur de la feuille jus qu'à un angle de 105o, à différentes températures et en déterminant la température minimum à laquelle la déformation peut se produire sans criques.
Les ca ractéristiques des alliages corroyés de tungstène- af- nium-carbone de différentes compositions sont don nées dans le tableau 1 ci-dessous.
EMI0002.0011
<I>Tableau <SEP> 1</I>
<tb> Composition <SEP> alliage <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> Température <SEP> de <SEP> Température <SEP> de
<tb> <I>( /o <SEP> en</I> <SEP> poids) <SEP> rupture <SEP> à <SEP> 1650 <SEP> C <SEP> recristallisation <SEP> transition
<tb> Hf <SEP> c <SEP> w <SEP> (kgiCm2) <SEP> c <SEP> c) <SEP> ( <SEP> C)
<tb> 0,01 <SEP> 0,013 <SEP> 1760 <SEP> - <SEP> 0,03 <SEP> 0,017 <SEP> <SEP> 4340 <SEP> 1700 <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0
<tb> 0,24 <SEP> 0,004 <SEP> 5180 <SEP> 1900 <SEP> 0,53 <SEP> 0,033 <SEP> 4760 <SEP> 1800 <SEP> G125
<tb> 0,48 <SEP> 0,
037 <SEP> 4650 <SEP> - <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0,49 <SEP> 0,050 <SEP> 4320 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0
<tb> <B>1</B>,07 <SEP> 0,0<B><I>1</I></B>5 <SEP> U <SEP> 4820 <SEP> 1850 <SEP> >150
<tb> 2,0 <SEP> 0,015 <SEP> 4070 <SEP> - <SEP> - L'alliage à 0,48 % de Hf et 0,
037 % de C pos- sède encore une résistance à la rupture de 2110 kg/ cm2 après 10 n de chauffage à 1650o C.
A titre de comparaison, les chiffres suivants sont obtenus pour le tungstène non allié.
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- <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> à <SEP> 16500 <SEP> C <SEP> . <SEP> 1050 <SEP> kg/cm2
<tb> - <SEP> température <SEP> de <SEP> recristallisation <SEP> . <SEP> 1600 <SEP> C
<tb> - <SEP> température <SEP> de <SEP> transition <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> 200() <SEP> C Les alliages à base de tungstène contenant de 0,15 à 1 @% de hafnium et de 0,015 à 0,35 % de carbone sont ceux qui possèdent les meilleures pro priétés combinées de résistance à la rupture, de tem pérature de recristallisation, de température de tran sition et de facilité de fabrication.
Refractory alloy The invention relates to tungsten-based alloys containing additions of carbon and haf nium.
Recent developments in aviation and space vehicles have created a demand for metals having great strength at high temperatures, but remaining ductile at relatively low temperatures. In addition, the recrystallization temperatures of these metals must be very high. The known materials are not satisfactory for most high temperature uses and it is one of the objects of the present invention to provide alloys having the necessary characteristics.
The alloys according to the present invention are based on tungsten and contain small proportions of carbon and hafnium. These are ternary alloys containing 0.004 to 0.05% carbon and 0.01 to 2% hafnium,
the remainder being tungsten. The best combination of mechanical properties and ease of manufacture for a given application is obtained by varying the proportion of components within the range indicated above.
In particular, the alloys of the invention have, at a temperature of 16,500 C, a breaking strength of between 1750 and 5200 kg / cm2 approximately, while pure tungsten has a breaking strength of 1050 kg / cm2. . The temperature above which these alloys become sufficiently ductile to be worked (transition temperature from brittle to ductile) is equal to or lower than that of pure tungsten.
The high tensile strength and high recrystallization temperature observed in tungsten-hafnium-carbon alloys are due to the formation, during manufacture, of uniformly dispersed hafnium carbide, the particles of which have a diameter between 200 and 1000 angstroms. The improvement in properties results from both the chemical constitution of the alloy and the state of aggregation of its constituents. It is likely that the transformation of hafnium during manufacture will produce particles of the sizes indicated above, dispersed throughout the mass.
<I> Example 1 </I> Elemental carbon and tungsten in powder form are mixed with hafnium hydride, so as to obtain a uniform mixture which is then subjected to a pressure of about 3500 kg / cm2 to form a billet. The billet is then sintered at approximately 23000 C, for an approximate period of 90 minutes to ensure the complete diffusion of the various constituents, which results in a solid solution of hafnium in tungsten, the carbon being partially in the form of haf carbide. nium and partially as a solid solution of carbon in tungsten.
The billet is then rolled, first at a temperature between 1850 and 19500 C, then finally at a temperature of 15500 C, into sheets having a thickness of approximately 0.1 mm. Although a powder metallurgy process has been used to manufacture these sheets, it is obviously possible to prepare these alloys by other processes, such as, for example, vacuum arc melting.
Likewise, the mechanical transformation can be obtained by other techniques such as: extrusion, forging, drawing, to produce the part of the desired shape. The measurements of resistance to rupture, recrystallization temperature and brittle to ductile transition temperature, have been carried out on a large number of alloys.
The recrystallization temperature is estimated by determining at what temperature the fibrous structure of the wrought alloy completely disappears, making way for complete recrystallization. The brittle to ductile transition temperature is measured by bending a wrought specimen with a bend radius equal to four times the thickness of the sheet to an angle of 105o, at various temperatures and determining the minimum temperature at which deformation can occur without cracks.
The characteristics of wrought tungsten-af- nium-carbon alloys of different compositions are given in Table 1 below.
EMI0002.0011
<I> Table <SEP> 1 </I>
<tb> Composition <SEP> alloy <SEP> Resistance <SEP> at <SEP> the <SEP> Temperature <SEP> of <SEP> Temperature <SEP> of
<tb> <I> (/ o <SEP> in </I> <SEP> weight) <SEP> break <SEP> at <SEP> 1650 <SEP> C <SEP> recrystallization <SEP> transition
<tb> Hf <SEP> c <SEP> w <SEP> (kgiCm2) <SEP> c <SEP> c) <SEP> (<SEP> C)
<tb> 0.01 <SEP> 0.013 <SEP> 1760 <SEP> - <SEP> 0.03 <SEP> 0.017 <SEP> <SEP> 4340 <SEP> 1700 <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0
<tb> 0.24 <SEP> 0.004 <SEP> 5180 <SEP> 1900 <SEP> 0.53 <SEP> 0.033 <SEP> 4760 <SEP> 1800 <SEP> G125
<tb> 0.48 <SEP> 0,
037 <SEP> 4650 <SEP> - <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0.49 <SEP> 0.050 <SEP> 4320 <SEP> - <SEP> 175
<tb> 0
<tb> <B> 1 </B>, 07 <SEP> 0,0 <B> <I> 1 </I> </B> 5 <SEP> U <SEP> 4820 <SEP> 1850 <SEP> > 150
<tb> 2,0 <SEP> 0,015 <SEP> 4070 <SEP> - <SEP> - The alloy with 0.48% Hf and 0,
037% C still has a breaking strength of 2110 kg / cm2 after 10 n heating at 1650o C.
For comparison, the following figures are obtained for unalloyed tungsten.
EMI0002.0027
- <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> break <SEP> to <SEP> 16500 <SEP> C <SEP>. <SEP> 1050 <SEP> kg / cm2
<tb> - <SEP> temperature <SEP> of <SEP> recrystallization <SEP>. <SEP> 1600 <SEP> C
<tb> - <SEP> temperature <SEP> of <SEP> transition <SEP>. <SEP>. <SEP>.
<SEP> 200 () <SEP> C Tungsten-based alloys containing 0.15 to 1% hafnium and 0.015 to 0.35% carbon have the best combined properties of resistance to rupture, recrystallization temperature, transition temperature and ease of manufacture.