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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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