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La présente invention concerne les joints soudés entre aciers ferritiques et aciers austénitiques, et plus particu- lièrement ceux employés dans les centrales thermiques utilisant la vapeur surchauffée à la température supérieure à 550 C environ.
Du fait des caractéristiques physiques et métallurgiques très différentes de ces deux types d'acier, le joint est le siège de phénomènes nocifs dont les principaux sont les suivants
En raison des différents coefficients de dilatation de oex deux types .d'acier (14.10-6 pour l'acier ferritique @ et 18.10-6 pour l'acier austénitique) des tensions très .sévères.prennent naissance dans le joint pendant*les variations de la température. Ces coefficients de dilatation sont des opef- ficients moyens entre 20 et 600 C sur la base on/on par degré centigrade.
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Ces tensions provoquent, à haute température, dans l'acier ferritique (deux fois moins résistant à chaud
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que l'acier aust(riiLique) des dfor,,iatioiis plastiques dues au fluage.
Au refroidissement, ces déformations produisent des tensions en sens opposé qui peuvent dépasser la limite élastique du métal à froid et provoquer ainsi de nouvelles déformations plastiques en sens contraire. Ces tensions et déformations plastiques répétées fatiguent sévèrement l'acier ferritique près.du plan de fusion : il en résulte des dans l'acier ferritique fissures/qui mènent en danger la résistance du joint.
Le deuxième phénomène nocif qui influence défavorablement la résistance du joint est la migration du cqrbone de l'acier ferritique dans l'acier austénitique, accompagnée par le grossissement du grain dans la zone décarburée.
Les caractéristiques de cette zone en sont affectées: la résistance à froid et à chaud est sensiblement diminuée, le métal devient fragile et très sensible à la .corrosion-fatigue.
La migration du carbone est due principalement à la haute teneur en chrome de l'acier austénitique qui a une grande affinité pour le carbone.
Le troisième phénomène nocif est -La corrosion-fatigue qui se manifeste surtout dans la zone décarburée de l'acier ferritique près de la Ligne de fusion. Il en résulte des fissures partant de la surface et longeant la ligne de fusion de la soudure où les tensions dues aux différents coefficients de dilatation sont les plus fortes.
Plusieurs modes de réalisation de joints sont connus qui réduisent, a des degrés divers, -Les trois phénomènes nocifs décrits plus haut.
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Parmi les joints qui diminuement les ,tensions dues aux différents coefficients de dilatation on peut citer ceux décrits dans le brevet jurande Bretagne n 716.116 .
Selon ce brevet, le joint comporte trois pièces internédia,ires dont les ' coefficients de dilatation sont respectivement
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15.10-b, 16.10" et j17.1(. Les soudures njre ces pièces intermédiaires ont des lcoeffic,ients de dil4gg pp correspondants.
Un autre joint décrit dans le dit brevet anglais compose une soudure composée de 5 couches déposées par 5 électrodes dont les coefficients de dilatation sont 14.10-6,
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15.10-.j lb.l0 b, 17.10', 15.10^6e
Ces deux joints selon le brevet anglais susdit réduisent à 25% les tensions dues aux différents coefficients de dilatation par rapport à un joint simple entre l'acier ferritique et l'acier austénitique.
Toutefois, ces deux joints présentent les inconvénients suivants :
Le premier nécessite quatre soudures avec quatre électrodes différentes: c'est un procédé compliqué et peu pratique.
Le deuxième joint avec soudure comportant 5 couches, déposées avec 5 électrodes différentes présente une difficulté technologique considérable.
La décarburation de l'acier ferritique est empêchée en intercalant entre l'acier ferritique et l'acier àusténitique le métal d'apport ou une pièce intermédiaire en acier ferritiquestabilisé. (Brevet Grande Bretagne n 628.936). Cette méthode a l'inconvénient qu'elle ne permet-: pas de réduire en même temps les tensions dues aux différents coefficients de dilatation.
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Il est connu que la corrosion-fatigue peut @ être réduite par un rechargement protecteur déposé'sur le joint terminé, à cheval sur la ligne de séparation entre l'acier ferritique et l'acier austénitique.
Le métal de recouvrement a généralement un coefficient de dilatation intermédiaire) entre ceux de l'acier ferritique et de l'acier austénitique et possède une grande résistance à l'oxydation.
Cette méthode ne réduit pas les tensions dues aux différents coefficients de dilatation et n'empêche pas la décarburation de l'acier ferritique.
Le joint suivant la présente invention permet d'éliminer les trois phénomènes nocifs signalés, à savoir: tensions dues aux différents coefficients de dilatation, décarburation de l'acier ferritique et la corrosion-fatigue dans la zone décarburée.
Ces résultats sont obtenus par l'emploi d'une pièce de transition à composition variable, élaborée par exemple par la métallurgie des poudres, dont le coefficient de dilatation croit de manière progressive et continue à partir d'une extrémité de 14.10-6 (coefficient de l'acier ferritique), vers la valeur 18.10-6 (coefficient de l'acier austénitique) atteinte à l'autre extrémité de la pièce de transition.
Les principes de la pièce de transition, selon l'invention, et ses avantages apparaîtront dans la description qui suit et en se reportaitaux dessins oi-joints, qui sont donnés uniquement à titre d'exemple.
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La figure 1 est une coupe longitudinale à travers ia pièce de transition accompagnée des diagrammes suivants : - diagramme de la variation du coefficient de dilatation dans la pièoe de transition (en haut) - diagramme de la variation de la composition de la pièce de transition (en bas).
La figure 2 montre le mélange de la poudre A ayant un coefficient de dilatation 14.10-6 , avec une poudre B ayant le coefficient de dilatation 15.10-6.
En se reportant à la figure 1.la pièce de transition 1 présente une forme conique. Elle comporte un trou cylindrique et est terminée aux deux extrémités par deschanfreins pour la soudure, Cette pièce pourrait éventuellement être cylindrique ou avoir une autre forme.
La forme conique de la pièce, dont l'épaisseur diminue d'une extrémité vers l'autre, tient compte des résistances à chaud,respectives de l'acier ferritique et de l'acier austénitique, ce dernier étant deux fois plus résistant que le premier. C'est donc une pièce d'égale résistance.
Le diagramme en-dessous de la pièce 1 dans la figure 1, montre la variation de la composition de l'alliage austénitique du joint suivant sa longueur,
A l'extrémité gauche de la pièce 1, c'est-à-dire du côté de la soudure avec l'acier ferritique, les teneurs en éléments spéciaux de l'alliage sont les suivants : nickel 50%, chrome 10%, cobalt 10%.
Cette composition, qui est égalementcelle de la soudure avec l'acier ferritique, a trois buts :
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- Assurer à l'alliage un coefficient de dilatation égal à celui de l'acier ferritique (14.10-6) et éliminer ainsi les tensions dangereuses dues aux différents coefficients de dilatation.
- Eviter tout danger de la décarburation de l'acier ferritique dans la soudure et la pièce de transition en incorporant dans le métal d'apport et le métal de la pièce de transition une haute teneur en nickel (minimum 50%), élément ayant une très faible affinité pour le carbone et qui empêche ainsi la migration de cet. élément, - Donner à la soudure et au métal à cet endroit, une forte résistance mécanique et chimique à haute température.
En éliminant les tensions dues aux différents coefficients de dilatation ainsi que la décarburation de l'acier ferritique, on élimine automatiquement la corrosion-fatigue de l'acier ferritique,
La composition du métal de la pièce 1 à l'extrémité de droite, c'est-à-dire du côté de l'acier austénitique est-semblable à celle de l'acier austénitique 18/8 (Chrome 18%- nickel 8%) et du métal d'apport employé de ce côté.
(en bas de la figure 1)
En plus des éléments spéciaux indiqués dans le diagramme, l'alliage comporte dans toutes ses parties une teneur de 0,05 à 0,1% de carbone et de 0,5 à 1% de niobium, élément stabilisant.
Des éléments spéciaux tels que molybdène, vanadium, tungstène peuvent être incorporés dans l'alliage pour augmenter sa résistance à chaud.
La métallurgie des poudres permet de faire dans le même but des additions non-métalliques, comme des oxydes, par exemple le thorine, (l'oxyde de thorium).
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La composition du métal dans les différentes sections de la pièce de transition peut donc s'éoarter de celle indiquée dans le diagramme fig. 1, en bas.
Néanmoins, les additions.spéciales doivent être faites de manière à ce que le coefficient de dilatation dans les différentes sections de la pièces de transition change progressivement, sans aucune discontinuité, suivant le diagramme de la fig. 1,' en haut.
Dans ces conditions, la différence entre les coefficients de-dilatation de deux sections voisines devient tellement faible que les tensions en résultant sont pratiquement supprimées.
C'est l'un des avantages de la pièce de transition suivant la présente invention.
La réalisation de la pièce de transition par la, métallurgie des poudres comporte la compression de la poudre métallique dans un moule à la forme requise suivie d'un frittage à haute température dans des conditions appropriées.
Four la fabrication des pièces alliées, les métaux entrant dans la composition pourront être introduits en mélangeant les poudres individuelles ou bien on peut partir d'un alliage réduit en poudre.
Ces deux méthodes peuvent être utilisées pour la fabrication de la pièce de transition à composition variable suivant la présente invention.
Suivant la première méthode, les poudres des éléments entrant dans la composition sont introduites dans un moule vertical, après avoir été soigneusement mélangées dans des proportions qui varient dans les différentes sections suivant le diagramme fig. 1 ou de manière analogue. L'introduction des poudres individuelles des métaux
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tels que le fer, le nickel, le cobalt, ne présente pas de difficultés.
Par contre, les métaux comme le chrome et l'aluminium qui forment une pellicule d'oxyde non réductible empêchant la diffusion de ces métaux au cours de frittage, peuvent être introduits dans le mélange d'un alliage sous forme de poudre/binaire (par exemple composé intermétallique Co2.Cr3) de la composition 57% de chrome ét 43% de cobalt. quant au carbone, il peut être introduit sous forme de poudre de graphite ou d'un carbure, par exemple carbure de tungstène.
Les poudres mélangées sont ensuite comprimées à une pression entre 40 et 80 kg/mm2 suivant la composition. Les comprimés sont frittés, dans une atmosphère protectrice,, dans un four approprié. Pour atteindre une densité se rapprochant de celle du métal massif (sans porosité), pour s'assurer des propriétés mécaniques requises, on peut remplacer le simple frittage, par la compression à chaud, ou par le frittage en plusieurs fois avec compression intermédiaire.
On peut également soumettre la pièce après le frittage aux opérations de forgeage ou de laminage suivi des traitements thermiques appropriés pour obtenir des caractéristiques mécaniques optimum.
La deuxième méthode, employant les alliages de compositions différentes réduits en poudre, présente l'avantage d'éliminer les difficultés d'introduction des éléments facilement oxydables, tels que le chrome et l' aluminium.
La composition varibale de la pièce de transition est obtenue par cette méthode de la manière suivante :
On prépare les poudres d'un certain nombre d'alliages ayant des coefficients de dilatation suffisamment proches
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par exemple 14.10 6, 15.106, 16.106, 19.106, 18.10" et ayant les compositions correspondantes suivant la fig. 1
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Les poudres de deux compositions voisines sont introduites dans le moule soigneusement mélangées dans des proportions telles que la composition passe progressivement d'une composition à l'autre. La fig. 2 montre le mélange de la poudre A ayant un coefficient de dilatation de 14.10-6 avec la poudre B ayant le coefficient de 'dilatation de 15.10-6. Lq composition de la poudre A sera:50% Ni, 10% Ci et 10% Co.
La composition de la poudre B sera: 40% Ni,
12% Cr et4% Co.
En mélangeant les poudres suivant le diagramme 2 en bas de la fig, 2, la composition du métal entre les sections A-A et B-B (voir figs. 1 et 2) change progressivement et le coefficient de dilatation change également progressivement comme le montre le diagramme à la partie supérieure de la figure 1.
Pour les autres parties de la pièce de transition, le processus est le même.
Le frittage des comprimés et les autres opérations sont les mêmes que dans la première méthode.
La pièce de transition réalisée dans la métallurgie des poudres présente les avantages complémentaires suivants : - Dimensions aux tolérances réduites'.
- Suppression de l'usinage.
- Suppression des pertes de matières.
- Prix de revient intéressant.
La méthode en question convient tout particulièrement pour la fabrication en grande série - par exemple des joints de transition pour les surchauffeurs haute température, qui constituent une application fort intéressante de la présente invention.
Ces pièces de transition se prêtent facilement à la standaridsation, ce qui permet de réduire davantage leur prix de revient.