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Acier réfraotaire résistant aux hautes températures particulièrement destine aux turbines à gaz¯ L'invention se rapporte à de nouvelles compositions . d'aciers réfractaires dont les propriétés mécaniques à chaud, résistance au fluage en particulier, sont très élevées et notablement supérieures à celles des aciers résistant à chaud actuellement connus.
Ces aciers conviennent plus particulièrement pour la fabrication des pièces de turbines à gaz, ailettes mobiles, diffuseurs, roues, chambres de combustion., etc..., Les propriétés à chaud de ces aciers peu- vent être fortement améliorées par des traitements mécani- ques et thermiques appropriés,,
Il est connu que les aciers employés pour la fabri- cation des pièces devant résister simultanément à de fortes sollicitations mécaniques et à des températures élevées, comme'par exemple les ailettes de turbine à gaz, sont en .général des aciers contenant des proportions élevées de
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chrome et de nickel, additionnées d'éléments durcissants tels que le tungstène et d'éléments stabilisants tels que le titane, le niobium et le molybdène.
Les compositions usuelles sont comprises dans les limites suivantes: nickel 8 à 35 %, chrome 15 à 25 %,carbone 0,10 à 0,35 %. Les autres éléments peuvent être ajoutés seuls ou en association par deux ou par trois, Les teneurs habituelles en éléments ajoutés sont 3 à 4 % de tungstène, 1 à 2 de titane ou de niobium, 1 à 3 % de molybdène. Ces aciers contiennent parfois des additions de silicium et d'aluminium qui peuvent atteindre respectivement 2% et 4%.
La structure de ces aciers est suivant les propor- tions respectives des composants, soit entièrement austéni- tique ( #) soit austénoferritique (@+Ó) et dans chacun de ces deux cas des carbures complexes de chrome, de tungs- tène, de titane peuvent apparaître en plus ou moins fortes proportions suivant la teneur en carbone.
Ces aciers sont immunisés contre le phénomène bien connu dé la corrosion fissurante par gn traitement approprié qui, dans certains cas, contribue à améliorer leur résistance à chaud.
Ils présentent en outre des propriétés mécaniques à chaud, très supérieures à celles des aciers ordinaires.
En particulier leur vitesse d'allongement ou d'extension visqueuse pour une température et une charge appliquée, maintenues constantes, est de beaucoup inférieure à celle des aciers courants; de plus, ils sont très résistants à la corrosion aux hautes températures.
L'acier qui fait l'objet de la présente invention présente une rigidité à chaud, ou résistance au fluage, nettement plus élevée que celle des aciers répondant aux formules connues. Il convient plus particulièrement pour la fabrication des pièces de turbines à gaz ;ailettes mobiles, ailettes fixes de distributeur, roues et arbres, tuyères, brdleurs, pièces de chambres de combustion, etc.,,.
Ces pièces peuvent être réalisées en ledit acier par découpage à froid à l'outil dans des élements forgés ou laminés, par matriçage, par coulage ou à l'aide d'éléments forgés, matricés ou moulés, assemblés par soudure au chalu- meau oxyacétylénique, à l'arc électrique ordinaire avec électrode, à l'arc à hydrogène atomique, par résistance ou par points. Les pièces réalisées doivent subir un traitement mécanique et thermique leur assurant les qualités requises.
La composition de cet acier résulte essentiellement de l'addition de cobalt sous des teneurs de 4 à 15 % à des aciers austénitiques chrome, nickel, tungstène, dont les proportions convenablement déterminées d'après le résultat particulier recherché peuvent être.différentes de celles des.aciers connus,'ledit acier comporte également des addi- tions' soit de titane, soit de niobium (soit des deux),
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Les principaux constituants peuvent varier dans les limites ci-après ;
Cobalt 4 à 15 %
Tungstène 3 à 10
Chrome 14 à 20
Nickel 7 à 18
Carbone 0,10 à 0,60%
En outre, l'acier nouveau peut contenir des teneurs de 0,5 à 2,5 % de titane où de niobium ou des deux simultanément, ces additions ayant pour effet de stabiliser la structure à haute température et d'accroître la résistance au fluage,, , Par exemple. on a obtenu des résultats remarquables avec un acier de cette formule, ayant la composition moyenne suivante :
Carbonne : 0,25
Nickel 7,70
Chrome :
17.00
Cobalt 13,70
Tungstène 9.80
Pour la même vitesse de fluage et la même charge appliquée, la température atteinte avec un acier conforme à la présente invention est dtenviron 1000 supérieure à celle qu'il est possible d'atteindre avec les aciers connus les meilleurs,
A la même température d'utilisation et pour,une même vitesse de fluage, cet acier peut.supporter un effort de
50 à 100 % supérieur à l'effort supporté dans les mêmes con- ditions par les aciers répondant aux compositions habituel- lement utilisées, D'autre part,
ces aciers ne sont pas sensibles aux ' risques de ruptures inttercristallines à chaud sans allonge- ment appréciable annonçant la rupture et c'est là un gros avantage sur certaines formules d'aciers.
Il a été observé sur un acier de la composition décrite précédemment des allongements assez importants provoqués au cours d'un essai sous. charge et à température constantes pendant plusieurs milliers d'heures sans qu'il en résulte de rupture.
Des résultats meilleurs encore ont été observés. avec un acier de même composition mais où. la teneur en carbone avait été augmentée jusque 0,45 %. Cet acier a- permis d'obtenir des allongements notables sans rupture. au cours de plusieurs milliers dtheures sous forte charge à la température de-75000, la vitesse de fluage mesurée dans les conditions habituelles étant nettement plus faible que celle des aciers réfractaires actuellement connus aux mêmes températures'et aux mêmes charges.
En ce qui concerne cette teneur en carbone relati vement élevée, on peut faire remarquer ce qui suit. Il était déjà connu que l'addition de carbone à des aciers résistant à- chaud contenant du chrome et du nickel de structure @
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ou @+Ó améliorait sensiblement, la résistance au fluage; niais par contre, cette addition, même à des pourcentages plus faibles que ceux indiqués ci-dessus-------------1, entraîne une certaine fragilité à chaud de l'acier. Cette fragilité se traduit sur certaines charges et à certaines températures par des ruptures avec des allongements en pour cent plus faibles que les allongements enregistrés à froid.
Or la demanderesse a trouvé que l'addition d'une teneur élevée en carbone, à des aciers du type visé, conte- nant une forte proportion de cobalt et de tungstène et s'il y a lieu de titane, en plus des quantités nécessaires de chrome et de nickel pour obtenir la structure #, augmente beaucoup moins la fragilité à chaud que dans les aciers réfractaires des compositions actuellement connues.
Il convient de noter toutefois que l'augmentation de la teneur en carbone rend le forgeage plus difficile. C'est pourquoi les aciers moins carburés (0.25% de C par exemple) seront réservés à la fabrication des pièces délicates subis- sant des corroyages importants tels que les roues et arbres de turbines à gaz ou les tôles minces destinées aux chambres de combustion tandis que les aciers plus carburés (0.45% de C par exemple) seront utilisés de préférence pour la'fabri- cation de barreaux peu corroyés destinés à l'usinage des ailettes de turbines à gaz qui sont précisément les pièces les-plus fatiguées.
Enfin, les aciers fortement carburés près de 0,60% de C seront employés pour les moulages non usinés
Le traitement des aciers conformes à l'invention permettant la réalisation d'une forte résistance à chaud comprend suivant l'invention, une trempe à l'air, dans l'eau ou dans l'huile à 1150-1175 , suivie d'un recuit effectué à une température comprise entre 850 et 950 et dont la durée peut varier de 2 à 8 heures, le refroidissement s'opé- rant lentement dans le four. La trempe à haute température présente l'avantage de provoquer un léger grossissement du rain qui contribue à améliorer la résistance à chaud, sans pour cela'diminuer la résistance de ces aciers à la rupture intercristalline.
Dans corttains cas, un trai-tement simplifié, appliqué directement aux pièces forgées, laminées, moulées ou soudées et consistant en un ou plusieurs chauffages successifs entre 850 et 950 environ pendant une durée de l'ordre de 2 à 8 heures permet d'obtenir les mêmes résultats que le traitement décrit précédemment. Un simple chauffage entre 1000 et 1150 , la température êtant maintenue à ces valeurs pendant une durée de 2 à 6 heures, suivi d'un refroidissement à l'air ou à l'huile accroît considérablement la résistance à chaud des aciers conformes à la présente invention.
Les carbures ainsi précipités à hautes températures sont stables aux températures d'utilisation et suppriment le risque de voir la résistance à chaud de l'acier diminuer par suite de surchauffe ou de maintien prolongé à haute température,
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La rrésisatnce à chaud de ces aciers peut être amé- liorée. selon l'invention, par un traitement mécanique suscepe 'tible de leur.conserver un grain d'une grosseur suffisante,
Un corroyage limité effectué à haute température,' suivi des traitements décrits précédemment à pour effet d'augmenter - la résistance au fluage dans des.proportions qui peuvent varier de' 1 à 3.
La grosseur de grain obtenue doit être telle qu'el- le n'entratne pas le risque de ruptures intercriltallines,
La structure et par suite les propriétés mécani- ques à chaud des aciers de la présente invention sont par- faitement stables au cours d'un fonctionnement prolongé à chaud sous charge, ,
L'invention s'étend en outre aux turbines à gaz et pièces de telles turbines réalisées au moyen de l'acier décrite
REVENDICATIONS
1.
Aciers réfractaires et résistants à chaud . spécialement utilisables pour la construction de pièces de turbines à gaz, comportant une addition de cobalt à des aciers austénitiques chrome, nickel, tungstène pour lesquels les teneurs en constituants principaux peuvent varier dans les limites suivantes chrome 14 à 205. nickel 7 à 18 %, tungstène 3 à 10 et cobalt 4 à '15 %, carbone 0,10 à 0,60%, lesdits aciers pouvant renfermer également, des teneurs de
0,5 à 2,5% de titane ou de niobium ou des deux simultané- ment,
2, Plus spécialement des aciers répondant à la composition moyenne suivante
Carbone : 0,25 à 0,45 Nickel :
7,70
Chrome' :17,00
Cobalt :13.70
Tungstène :9.80
3, Procédé de traitement thermique et mécanique des aciers ci-dessus, en vue d'améliorer leur résistance à la rupture la stabilité de leur structure et de réduire la vitesse d'allongement visqueux (fluage) sous charge à température élevée par grossissement des grains, comportant une trempe à l'air, à l'eau ou à l'huile à 1150- 1175 C, un recuit de 2 à 8 heures à 850/950 C et enfin,.
un refroià dissement lent, ce traitement pouvant être simplifié par application directe aux pièces forgées, laminées, moulées ou soudées d'un ou de plusieurs chauffages effectués entre
850 et 1150 environ, pendant une durée de l'ordre de 2 à 8 heures et suivis d'un refroidissement à l'air, à l'eau ou à l'huile.
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Refraotaire steel resistant to high temperatures particularly intended for gas turbines. The invention relates to new compositions. refractory steels whose mechanical properties when hot, resistance to creep in particular, are very high and notably superior to those of currently known hot-resistant steels.
These steels are more particularly suitable for the manufacture of parts of gas turbines, movable fins, diffusers, impellers, combustion chambers, etc., The hot properties of these steels can be greatly improved by mechanical treatments. appropriate ques and thermals,
It is known that the steels used for the manufacture of parts which must simultaneously withstand high mechanical stresses and high temperatures, such as, for example, gas turbine blades, are generally steels containing high proportions of
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chromium and nickel, with the addition of hardening elements such as tungsten and stabilizing elements such as titanium, niobium and molybdenum.
The usual compositions are included within the following limits: nickel 8 to 35%, chromium 15 to 25%, carbon 0.10 to 0.35%. The other elements can be added alone or in combination in pairs or in threes. The usual contents of added elements are 3 to 4% of tungsten, 1 to 2 of titanium or niobium, 1 to 3% of molybdenum. These steels sometimes contain additions of silicon and aluminum which can reach 2% and 4% respectively.
The structure of these steels is according to the respective proportions of the components, either entirely austenitic (#) or austenoferritic (@ + Ó) and in each of these two cases complex carbides of chromium, tungsten, titanium may appear in greater or lesser proportions depending on the carbon content.
These steels are immune to the well known phenomenon of cracking corrosion by an appropriate treatment which, in certain cases, helps to improve their resistance to heat.
They also have hot mechanical properties, which are much better than those of ordinary steels.
In particular their rate of elongation or viscous extension for a temperature and an applied load, kept constant, is much lower than that of common steels; in addition, they are very resistant to corrosion at high temperatures.
The steel which is the subject of the present invention has a hot rigidity, or creep resistance, which is markedly higher than that of steels corresponding to known formulas. It is more particularly suitable for the manufacture of gas turbine parts: movable fins, fixed distributor fins, impellers and shafts, nozzles, burners, combustion chamber parts, etc. ,,.
These parts can be made of said steel by cold cutting with a tool in forged or rolled elements, by stamping, by casting or using forged, stamped or molded elements, assembled by welding with oxyacetylene heat exchanger. , ordinary electric arc with electrode, atomic hydrogen arc, resistance or points. The parts produced must undergo a mechanical and thermal treatment ensuring them the required qualities.
The composition of this steel results essentially from the addition of cobalt in amounts of 4 to 15% to austenitic chromium, nickel and tungsten steels, the proportions of which suitably determined according to the particular desired result may be different from those of known steels, 'said steel also contains additions of either titanium or niobium (or both),
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The main constituents may vary within the limits below;
Cobalt 4 to 15%
Tungsten 3 to 10
Chrome 14 to 20
Nickel 7 to 18
Carbon 0.10 to 0.60%
In addition, the new steel may contain contents of 0.5 to 2.5% titanium or niobium or both simultaneously, these additions having the effect of stabilizing the structure at high temperature and increasing the resistance to creep. ,, , For example. remarkable results have been obtained with a steel of this formula, having the following average composition:
Carbon: 0.25
Nickel 7.70
Chrome:
17.00
Cobalt 13.70
Tungsten 9.80
For the same creep speed and the same applied load, the temperature reached with a steel according to the present invention is about 1000 higher than that which is possible to reach with the best known steels,
At the same operating temperature and for the same creep speed, this steel can withstand a force of
50 to 100% greater than the force supported under the same conditions by the steels corresponding to the compositions usually used, On the other hand,
these steels are not sensitive to the risks of intercrystalline hot fractures without appreciable elongation announcing the fracture and this is a big advantage over certain steel formulas.
It was observed on a steel of the composition described above quite significant elongations caused during a test under. constant load and temperature for several thousand hours without causing any breakage.
Even better results have been observed. with a steel of the same composition but where. the carbon content had been increased to 0.45%. This steel made it possible to obtain notable elongations without breaking. during several thousand hours under heavy load at the temperature of -75000, the creep rate measured under usual conditions being markedly slower than that of currently known refractory steels at the same temperatures and at the same loads.
With regard to this relatively high carbon content, the following can be pointed out. It was already known that the addition of carbon to hot-resistant steels containing chromium and nickel of structure @
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or @ + Ó significantly improved creep resistance; but on the other hand, this addition, even at lower percentages than those indicated above ------------- 1, results in a certain hot brittleness of the steel. This fragility results in certain loads and at certain temperatures by ruptures with elongations in percent lower than the elongations recorded when cold.
Now, the Applicant has found that the addition of a high carbon content to steels of the type referred to, containing a high proportion of cobalt and tungsten and, if necessary, of titanium, in addition to the quantities required. of chromium and nickel to obtain the structure #, increases the hot brittleness much less than in the refractory steels of currently known compositions.
It should be noted, however, that increasing the carbon content makes forging more difficult. This is why less carburized steels (0.25% C for example) will be reserved for the manufacture of delicate parts which undergo significant workings such as the wheels and shafts of gas turbines or the thin sheets intended for combustion chambers, while that the more carburized steels (0.45% C for example) will preferably be used for the manufacture of lightly wrought bars intended for the machining of the fins of gas turbines which are precisely the most tired parts.
Finally, highly carburized steels close to 0.60% C will be used for non-machined castings.
The treatment of the steels in accordance with the invention allowing the achievement of a high resistance to heat comprises according to the invention, quenching in air, in water or in oil at 1150-1175, followed by annealing carried out at a temperature between 850 and 950 and the duration of which can vary from 2 to 8 hours, cooling taking place slowly in the furnace. High temperature hardening has the advantage of causing a slight enlargement of the groove which contributes to improving the hot strength, without thereby reducing the resistance of these steels to intercrystalline fracture.
In corttains cases, a simplified treatment, applied directly to forgings, rolled, cast or welded and consisting of one or more successive heatings between 850 and 950 approximately for a period of the order of 2 to 8 hours makes it possible to obtain the same results as the treatment described above. Simple heating between 1000 and 1150, the temperature being maintained at these values for a period of 2 to 6 hours, followed by cooling in air or oil considerably increases the hot resistance of steels conforming to this invention.
The carbides thus precipitated at high temperatures are stable at operating temperatures and eliminate the risk of seeing the hot strength of the steel decrease as a result of overheating or prolonged holding at high temperature,
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The hot resisatnce of these steels can be improved. according to the invention, by a mechanical treatment capable of preserving a grain of sufficient size,
Limited wringing carried out at high temperature, followed by the treatments described above, has the effect of increasing the creep resistance in proportions which can vary from 1 to 3.
The grain size obtained must be such that it does not entail the risk of intercrystalline ruptures,
The structure and hence the hot mechanical properties of the steels of the present invention are perfectly stable during prolonged hot operation under load,,
The invention further extends to gas turbines and parts of such turbines produced by means of the steel described.
CLAIMS
1.
Refractory and hot-resistant steels. specially usable for the construction of gas turbine parts, comprising an addition of cobalt to austenitic steels chromium, nickel, tungsten for which the contents of main constituents can vary within the following limits chromium 14 to 205. nickel 7 to 18%, tungsten 3 to 10 and cobalt 4 to 15%, carbon 0.10 to 0.60%, said steels possibly also containing contents of
0.5 to 2.5% of titanium or niobium or both simultaneously,
2, More especially steels corresponding to the following average composition
Carbon: 0.25 to 0.45 Nickel:
7.70
Chrome ': 17.00
Cobalt: 13.70
Tungsten: 9.80
3, A method of thermal and mechanical treatment of the above steels, with a view to improving their tensile strength, the stability of their structure and reducing the rate of viscous elongation (creep) under load at high temperature by grain enlargement , comprising quenching in air, water or oil at 1150-1175 C, annealing for 2 to 8 hours at 850/950 C and finally ,.
slow cooling, this treatment can be simplified by direct application to forgings, rolled, cast or welded parts of one or more heaters carried out between
850 and 1150 approximately, for a period of the order of 2 to 8 hours and followed by cooling in air, water or oil.
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