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REVENDICATIONS
l. Utilisation pour la fabrication d'éléments de machines destinés à être soumis à des vibrations provenant d'un mouvement de rotation à grande vitesse, soit d'un mouvement alternatif. soit de mouvement à vitesse variables, d'un alliage caractérisé par une composition qui contient les éléments ci-après: S Cr S 25 0 Ti 5% le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.
2. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs des éléments ci-après, dans les proportions indiquées:
TiO2 S 4% en volume Y.03 < 4% en volume
MgO S 4% en volume
Al203 S 4% en volume.
3. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre jusqu'à 5% du Mo.
La présente invention se rapporte à l'utilisation d'un alliage métallique pour la fabrication de machines ou éléments de machines soumises à vibrations mécaniques; elle est particulièrement applicable à des éléments de machines qui, telles des aubes de turbines à gaz, sont soumis à haute température à des vibrations mécaniques.
Il est bien connu que, notamment pour les applications mentionnées ci-dessus, on doit faire appel à des alliages possédant des propriétés d'amortissement interne, une forte résistance, ainsi qu'une bonne ductilité à des températures pouvant atteindre 700 "C et parfois plus. Le cas se présente spécifiquement lorsque l'on veut assurer un temps de vie suffisant aux premières rangées d'aubes de turbines qui sont soumises à haute température à des vibrations mécaniques particulièrement intenses.
Dans de nombreuses applications, spécialement celles sollicitant les matériaux aux vibrations mécaniques, la capacité d'amortissement d'un matériau peut être plus importante que des propriétés telles que limite de fatigue . . . La capacité d'amortissement d'un matériau a en fait quatre origines, à savoir la déformation plastique, I'effet thermoélastique, I'effet magnétoélastique et la diffusion atomique. L'effet magnétoélastique est certainement le plus important dans le cas des alliages à finalité technologique.
Il est bien établi que les alliages ferromagnétiques ont, pour certaines applications, des propriétés supérieures à celles mesurées dans le cas d'alliages non magnétiques; il a en effet été établi que les alliages ferromagnétiques présentent une capacité d'amortissement élévée due à un effet d'hystérésis magnétomécanique; I'énergie dissipée pendant un cycle tensiondéformation liée à l'effet magnétomécanique assure la capacité d'amortissement du matériau.
Un matériau à haute capacité d'amortissement sera donc un matériau magnétique ayant une température de Curie aussi élevée que possible, un compromis devant cependant être trouvé entre les diverses propriétés demandées, à savoir: résistance à la température de service, capacité d'amortissement, résistance à l'oxydation et ductilité à l'ambiante.
Sur base de ces considérations se sont imposés, notamment dans le domaine des aubes de turbine, un certain nombre de matériaux technologiques tels que d'une part les aciers du type
AISI 403 (12% Cr) et AISI 422 (12% Cr Mo W V) et d'autre part des alliages cobalt-nickel appelés NiVCo, l'alliage 70 % Mn 30% Cu. Le choix des éléments d'alliage susceptibles de durcir ces matrices ferromagnétiques est en fait limité, car les diverses additions ont en général pour effet d'abaisser le point de Curie de l'alliage et par là, la capacité d'amortissement du matériau.
Pour l'une ou l'autre raison, ces alliages présentent des inconvénients qui en limitent l'intérêt de l'utilisation pour les applications susmentionnées.
Parmi ces inconvénients, on peut citer soit la résistance insuffisante au fluage à haute température, soit la difficulté de mise en oeuvre pour de raisons de dureté ou de fragilité ou d'indéformabilité, soit la diminution d'amortissement sous contraintes dynamiques et statiques élevées, soit encore leur coût élevé.
La présente invention a pour objet de révéler l'intérêt de l'utilisation d'un alliage métallique particulier pour les applications susmentionnées, et en général pour constituer des éléments de machines qui, en service, sont soumis à des vibrations plus ou moins intenses, provenant soit du mouvement de rotation à grande vitesse, soit de mouvements alternatifs ou à vitesses variables.
Ce matériau est caractérisé par une composition vérifiant les relations ci-après: 5% e;Cr S 25%
Tie; 5%
O e;Moe; 5% le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.
On a constaté que le matériau ci-dessus révélé présentait simultanément de bonnes propriétés de résistance à chaud, ductilité, résistance au fluage, amortissement interne, jusqu'à des températures de l'ordre de 700 "C.
A titre d'exemple, les figures 1 et 2 montrent, par voie de comparaison, et à 0,5 Hz, la dépendance de l'amortissement interne vis-à-vis de la déformation dynamique, pour diverses sollicitations statiques.
La figure 3 montre que par traitement thermique de l'alliage considéré, et toujours à 0,5 Hz, il est possible de modifier la forme de la courbe observée précédemment, tant la valeur de l'amortissement maximum que celle de la tension correspondante; par traitement thermique de mise en solution et de vieillissement, il s'est ainsi avéré possible d'ajuster la valeur de la capacité d'amortissement de l'alliage ainsi que le montre la figure 3, après divers traitements thermo-mécaniques. Le durcissement de la matrice métallique, basé non plus sur la formation de carbures, mais sur la précipitation d'une phase chi du type Fel7 Cr17 (Ti, Mo)5 permet des utilisations jusqu'à la température de 700 C, en raison de la stabilité de la phase précipitée.
Egalement à titre d'exemple, la figure 4 donne à nouveau l'évolution de la capacité d'amortissement interne à 0,5 Hz, en fonction de la déformation dynamique, pour divers niveaux de charges statiques appliquées, pour l'alliage:
Cr: 13%
Mo: 1,5%
Ti: 3,5%
TiO2: 1%
Fe: solde.
On observe sur cette figure des valeurs d'amortissement particulièrement élevées, à fortes contraintes dynamiques, et une faible sensibilité d'amortissement vis-à-vis de la charge statique appliquée, ce qui représente un second avantage.
La figure 5 montre comment varient les valeurs d'amortissement interne en fonction de la composition de la matrice, pour un seul niveau de charge statique (niveau élevé) de 220 MN/m2.
Sur cette figure, on a également tracé la courbe d'amortissement correspondant à l'alliage austénitique conventionnel AISI 316. On peut constater l'écart important entre cette courbe et
celles correspondant aux autres alliages, dont celui, repéré 818, s'avère spécialement intéressant.
Afin de faciliter l'interprétation des différents diagrammes repris aux figures 1 à 5 ci-dessus, nous donnons ci-après au tableau T,, les différentes compositions des alliages repérés auxdits diagrammes.
Alliages Fe Cr Ni Mo Ti TiO2
% % % % % %
AISI 410 solde 13 - - -
AISI 316 do 16 13 1 -
B 3 E* do 13 - 1,5 2,5 - X16** do 13 - 1,5 3,5 0,5 817** do 13 - 1,5 3,5 1,0 818** do 13 - 1,5 3,5 1,5 819** do 13 - 1,5 3,5 2,0
* extrusion à 11 ()() C ** extrusion à 1100 C, rétreint à 1050-1100 C de 19 à 10 mm
rétreint à 25 C de 10 mm à 8,6 mm
traitement thermique: 1 h sous argon à 1050 C.
Suivant une variante de l'invention et ainsi qu'il a eté montré dans les figures 4 et 5, il a été constaté qu'il était possible d'accroître les propriétés de la matrice métallique ci-dessus révélée.
par l'incorporation d'une phase inerte finement dispersée dans la matrice métallique, en faisant appel aux possibilités de la métallurgie des poudres. Suivant une composition préférentielle, I'addition à la matrice métallique ci-dessus révélée d'un ou plusieurs éléments ci-après dans les proportions indiquées s'est avérée particulièrement intéressante:
TiO2 S 4% en volume Y203 S 4% en volume
MgO S 4% en volume
Al203 S 4% en volume.
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CLAIMS
l. Use for the manufacture of machine elements intended to be subjected to vibrations originating from a high-speed rotational movement, or from a reciprocating movement. either of movement at variable speed, of an alloy characterized by a composition which contains the following elements: S Cr S 25 0 Ti 5% the balance being Fe and manufacturing impurities.
2. Use of an alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises one or more of the following elements, in the proportions indicated:
TiO2 S 4% by volume Y.03 <4% by volume
MgO S 4% by volume
Al203 S 4% by volume.
3. Use of an alloy according to claim 1 or 2, characterized in that it also comprises up to 5% of the Mo.
The present invention relates to the use of a metal alloy for the manufacture of machines or machine elements subjected to mechanical vibrations; it is particularly applicable to machine elements which, such as gas turbine blades, are subjected to high temperature mechanical vibrations.
It is well known that, in particular for the applications mentioned above, use must be made of alloys having internal damping properties, high strength, as well as good ductility at temperatures up to 700 "C and sometimes The case arises specifically when one wants to ensure a sufficient life time for the first rows of turbine blades which are subjected at high temperature to particularly intense mechanical vibrations.
In many applications, especially those stressing materials with mechanical vibrations, the damping capacity of a material can be more important than properties such as fatigue limit. . . The damping capacity of a material has in fact four origins, namely plastic deformation, thermoelastic effect, magnetoelastic effect and atomic diffusion. The magnetoelastic effect is certainly the most important in the case of alloys with a technological purpose.
It is well established that ferromagnetic alloys have, for certain applications, properties superior to those measured in the case of non-magnetic alloys; it has in fact been established that ferromagnetic alloys have a high damping capacity due to a magnetomechanical hysteresis effect; The energy dissipated during a tension-deformation cycle linked to the magnetomechanical effect ensures the damping capacity of the material.
A material with high damping capacity will therefore be a magnetic material having a Curie temperature as high as possible, a compromise having however to be found between the various properties requested, namely: resistance to operating temperature, damping capacity, resistance to oxidation and ductility to the environment.
On the basis of these considerations, a certain number of technological materials have been imposed, in particular in the field of turbine blades, such as steels of the type
AISI 403 (12% Cr) and AISI 422 (12% Cr Mo W V) and on the other hand cobalt-nickel alloys called NiVCo, the alloy 70% Mn 30% Cu. The choice of alloying elements capable of hardening these ferromagnetic matrices is in fact limited, since the various additions generally have the effect of lowering the Curie point of the alloy and thereby the damping capacity of the material.
For one or the other reason, these alloys have drawbacks which limit the advantage of using them for the abovementioned applications.
Among these drawbacks, there may be mentioned either the insufficient resistance to creep at high temperature, or the difficulty of implementation for reasons of hardness or brittleness or non-deformability, or the reduction in damping under high dynamic and static stresses, or their high cost again.
The object of the present invention is to reveal the advantage of using a particular metal alloy for the abovementioned applications, and in general for constituting machine elements which, in service, are subjected to more or less intense vibrations, arising either from high-speed rotational movement, or from alternating or variable speed movements.
This material is characterized by a composition verifying the following relationships: 5% e; Cr S 25%
Tie; 5%
O e; Moe; 5% the balance being Fe and manufacturing impurities.
It has been found that the above material revealed simultaneously exhibits good properties of heat resistance, ductility, creep resistance, internal damping, up to temperatures of the order of 700 "C.
By way of example, FIGS. 1 and 2 show, by way of comparison, and at 0.5 Hz, the dependence of the internal damping with respect to the dynamic deformation, for various static stresses.
FIG. 3 shows that by heat treatment of the alloy considered, and still at 0.5 Hz, it is possible to modify the shape of the curve observed previously, both the value of the maximum damping and that of the corresponding voltage; by heat treatment for dissolution and aging, it has thus been found possible to adjust the value of the damping capacity of the alloy as shown in FIG. 3, after various thermo-mechanical treatments. The hardening of the metal matrix, based no longer on the formation of carbides, but on the precipitation of a chi phase of the Fel7 Cr17 (Ti, Mo) 5 type allows uses up to the temperature of 700 C, due to the stability of the precipitated phase.
Also by way of example, FIG. 4 again gives the evolution of the internal damping capacity at 0.5 Hz, as a function of the dynamic deformation, for various levels of applied static loads, for the alloy:
Cr: 13%
MB: 1.5%
Ti: 3.5%
TiO2: 1%
Fe: balance.
This figure shows particularly high damping values, with high dynamic stresses, and low damping sensitivity vis-à-vis the static load applied, which represents a second advantage.
Figure 5 shows how the internal damping values vary according to the composition of the matrix, for a single level of static load (high level) of 220 MN / m2.
In this figure, we have also drawn the damping curve corresponding to the conventional austenitic alloy AISI 316. We can see the significant difference between this curve and
those corresponding to other alloys, including that, identified 818, is particularly interesting.
In order to facilitate the interpretation of the different diagrams shown in Figures 1 to 5 above, we give below in Table T, the different compositions of the alloys identified in said diagrams.
Alloys Fe Cr Ni Mo Ti TiO2
%%%%%%%
AISI 410 balance 13 - - -
AISI 316 do 16 13 1 -
B 3 E * do 13 - 1.5 2.5 - X16 ** do 13 - 1.5 3.5 0.5 817 ** do 13 - 1.5 3.5 1.0 818 ** do 13 - 1.5 3.5 1.5 819 ** do 13 - 1.5 3.5 2.0
* extrusion at 11 () () C ** extrusion at 1100 C, constricted at 1050-1100 C from 19 to 10 mm
shrunk to 25 C from 10 mm to 8.6 mm
heat treatment: 1 h under argon at 1050 C.
According to a variant of the invention and as has been shown in Figures 4 and 5, it has been found that it was possible to increase the properties of the metal matrix above revealed.
by the incorporation of an inert phase finely dispersed in the metallic matrix, making use of the possibilities of powder metallurgy. According to a preferred composition, the addition to the metal matrix above revealed of one or more elements below in the proportions indicated has proved to be particularly advantageous:
TiO2 S 4% by volume Y203 S 4% by volume
MgO S 4% by volume
Al203 S 4% by volume.