FR2475577A1 - FORGED PART ALLOY FOR HIGH PRESSURE TURBINE ROTOR - Google Patents

FORGED PART ALLOY FOR HIGH PRESSURE TURBINE ROTOR Download PDF

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Abstract

A steel alloy for forged rotors of high-pressure turbines is proposed which results in better characteristics in the region of the central part of the rotors. The alloy contains, in % by weight, from 0.25 to 0.35 % of C, from 0.15 to 0.35 % of Si, up to 1.00 % of Mn, from 0.90 to 1.50 % of Cr, from 1.00 to 1.50 % of Mo, from 0.20 to 0.30 % of V, up to 0.75 % of Ni, up to 0.015 % of P, no more than up to 0.002 % of S, the remainder essentially being iron.

Description

La présente invention concerne un alliage et plus particulièrement une amélioration dtun alliage pour une pièce forgée pour rotor de turbine haute pression telle qu'on en utilise pour produire de l'énergie à partir dun combustible fossile. The present invention relates to an alloy and more particularly to an alloy improvement for a high pressure turbine rotor forging such as is used to produce energy from a fossil fuel.

A ce jour on a utilisé comme alliages pour pièces forgées pour rotors de turbines à vapeur haute pression, des alliages ayant les compositions chimiques indiquées dans le tableau 1 ou des compositions chimiques semblables et en pratique tous ces alliages contiennent 0,004 à 0,009 % en poids de soufre. To date alloys for forgings for high-pressure steam turbine rotors have been used, alloys having the chemical compositions shown in Table 1 or similar chemical compositions and in practice all these alloys contain 0.004 to 0.009% by weight of sulfur.

TABLEAU 1
Exemple de la composition chimique de l'acier d'une pièce forgée pour rotor de turbine haute pression (% en poids)

Figure img00010001
TABLE 1
Example of the chemical composition of a forged steel for high pressure turbine rotor (% by weight)
Figure img00010001

<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V <SEP> Ni <SEP> P <SEP> S
<tb> 0,23 <SEP> 0,15 <SEP> jus- <SEP> 0,90 <SEP> 1,00 <SEP> 0,20 <SEP> jus- <SEP> jus- <SEP> <SEP> jus- <SEP>
<tb> a <SEP> à <SEP> qu'à <SEP> | <SEP> àqu'à <SEP> qu'à <SEP> qu'à <SEP>
<tb> <SEP> 1,00 <SEP> a <SEP> ,75 <SEP> <SEP> 0,015 <SEP> 0,018
<tb> 0,35 <SEP> 0,35 <SEP> 1,50 <SEP> <SEP> 1,50 <SEP> 0,30 <SEP>
<tb>
Nota t selon la norme "ASTM A470 classe 8".
<tb> C <SEP> If <SEP> Mn <SEP><SEP><SEP> Cr <SEP> V <SEP> N <SEP> P <SEP> S
<tb> 0.23 <SEP> 0.15 <SEP> to <SEP> 0.90 <SEP> 1.00 <SEP> 0.20 <SEP> to <SEP> to <SEP><SEP> jus- <SEP>
<tb> a <SEP> to <SEP> than <SEP> | <SEP> until <SEP> only <SEP> than <SEP>
<tb><SEP> 1.00 <SEP> a <SEP>, 75 <SEP><SEP> 0.015 <SEP> 0.018
<tb> 0.35 <SEP> 0.35 <SEP> 1.50 <SEP><SEP> 1.50 <SEP> 0.30 <SEP>
<Tb>
Note t according to the "ASTM A470 class 8" standard.

Cependant récemment l'industrie de la production d'énergie électrique a présenté les exigences suivantes concernant les rotors de turbines haute pression utilisés à ce jour et ayant les compositions chimiques précitées t
(1) Des inspections des centrales produisant de l'énergie électrique utilisées depuis une durée prolongée ont montré que des fissures se sont produites dans la partie voisine du creux central des rotors de turbines haute pression.On a donc établi que les propriétés de la partie voisine du creux central des rotors de turbines haute pression sont très importantes et qu'on doit prendre des me-sures particulières les concernant; et
(2) comme en particulier au Japon la régulation de lwintensité du courant électrique nécessite un travail cyclique, même dans les centrales électriques de grande capacité, la pièce forgée du rotor doit se prêter à ces conditions d'emploi.
Recently, however, the power generation industry has presented the following requirements for high pressure rotor rotors used to date and having the above-mentioned chemical compositions.
(1) Inspections of power generating plants used for a prolonged period of time have shown that cracks have occurred in the adjacent part of the central hollow of the high pressure turbine rotors. It has therefore been established that the properties of the part close to the central hollow of the high-pressure turbine rotors are very important and one must take special measures concerning them; and
(2) As in Japan in particular the regulation of the intensity of the electric current requires cyclic work, even in large capacity power plants, the forged part of the rotor must lend itself to these conditions of use.

Pour satisfaire ces exigences, l'industrie de la fabrication des rotors de turbines a envisagé diverses mesures telles que des améliorations des tests comparatifs utilisés dans la technologie de la fonte des pièces forgées pour rotors comme c'est le cas aux Etats-Unis, mais à ce jour aucune mesure définitive nga été annoncée ou n'est en vue. To meet these requirements, the turbine rotor manufacturing industry has considered various measures such as improvements in comparative tests used in the technology of casting rotor forgings as is the case in the United States, but To date, no definitive measure has been announced or is in sight.

L'invention a pour objet
un alliage pour pie ce forgée pour rotor de turbine haute pression satisfaisant aux exigences précitées de l'industrie de la production d'énergie électrique, ayant une uniformité métallurgique et physique remarquablement accrue, une ténacité, qui est en relation étroite avec les propriétés mécaniques de rupture, remarquablement améliorée si bien que la pièce forgée peut résister à des conditions d'emploi sévères quelconques et convenant non seulement pour les pièces forgées pour rotors de turbines haute pression mais également pour les pièces forgées de turbines basse pression, les pièces forgées de rotors de générateurs, etc.
The subject of the invention is
a forged alloy for a high-pressure turbine rotor satisfying the aforementioned requirements of the electric power generation industry, having a remarkably increased metallurgical and physical uniformity, toughness, which is closely related to the mechanical properties of breakage, remarkably improved so that the forging can withstand any severe operating conditions and suitable not only for forgings for high-pressure turbine rotors but also for low-pressure turbine forgings, rotor forgings generators, etc.

Selon l'invention un alliage pour pièce forgée pour rotor de turbine haute pression est caractérisé par le fait quil est constitué essentiellement, en pourcentages pondéraux, de 0,23 à 0,33 % de carbone, de 0,15 à 0s35 * de silicium, d'au plus 1,00 * de manganèse, de 0,90 à 1,30 * de chrome, de 1,00 à 1,50 * de molybdène, de 0,20 à 0,30 * de vanadium, dlau plus 0,75 * de nickel, d'au plus 0,015 s de phosphore et d'au plus 0,018 * de soufre, le reste étant pratiquement du fer, la teneur en soufre déterminée par analyse à la coulée étant d'au plus 0,002 *.  According to the invention, a forging alloy for a high-pressure turbine rotor is characterized in that it consists essentially, in percentages by weight, of 0.23 to 0.33% of carbon, from 0.15 to 0s35 * of silicon , not more than 1.00 * manganese, 0.90 to 1.30 * chromium, 1.00 to 1.50 * molybdenum, 0.20 to 0.30 * vanadium, at most 0.75 * of nickel, not more than 0.015 s of phosphorus and not more than 0.018 * of sulfur, the balance being practically iron, the content of sulfur determined by casting analysis being not more than 0.002 *.

D'autres caractéristiques et avantages de ltinven- tion ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 est un histogramme de la relation entre la teneur en soufre (valeur déterminée par analyse à la coulée) et le nombre des défauts (détectés selon le test avec particules magnétiques pour 100 cm2) dans la partie centrale des pièces forgées pour rotors de turbines haute pression.
Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description, made with reference to the accompanying drawings in which
FIG. 1 is a histogram of the relationship between the sulfur content (value determined by casting analysis) and the number of defects (detected by the magnetic particle test per 100 cm 2) in the central part of the rotor forgings. high pressure turbines.

Les figs. 2a et 2b representent des histogrammes exprimant en ordonnées la fréquence (*) du plateau supérieur d'énergie (dans la direction radiale) vEmax (J) à la surface et dans la partie centrale des pièces forgées pour retors. The figs. 2a and 2b show histograms expressing on the ordinate the frequency (*) of the upper energy plateau (in the radial direction) vEmax (J) at the surface and in the central part of the forged pieces for twists.

Les figs. 3a et 3b représentent des hiatogrammes exprimant la fréquence (*) de l'énergie absorbée à la température ordinaire (dans la direction radiale) VERT (J) des pièces forgées pour rotors. The figs. 3a and 3b show hiatograms expressing the frequency (*) of the energy absorbed at the ordinary temperature (in the radial direction) GREEN (J) of the rotor forgings.

Les figs. 4a et 4b représentent des histogrammes exprdmnnt la fréquence (*) de FATT 50 % ( C) (dans la direction radiale) des pièces forgées pour rotors. The figs. 4a and 4b show histograms expressing the frequency (*) of FATT 50% (C) (in the radial direction) of rotor forgings.

La figure 3 représente un diagramme exprimant la relation entre le plateau supérieur d'énergie dans la direction longitudinale (J) en abscisses et le plateau supérieur dtinergie dans la direction radiale (J) en or- données, du rotor. FIG. 3 represents a diagram expressing the relationship between the upper energy plateau in the longitudinal direction (J) as the abscissa and the upper energy plateau in the radial direction (J) in terms of the rotor.

La figure 6 illustre un diagramme exprimant la relation entre la diminution de la surface (,') dans la dire ce tion longitudinale en abscisses et la diminution de la surface (,') dans la direction radiale en ordonnées des pièces forgées pour rotors. FIG. 6 illustrates a diagram expressing the relationship between the decrease in the area (, ') in the longitudinal direction in the abscissa and the decrease in the area (,') in the radial direction in the ordinate of the forged rotor parts.

La figure 7 représente un histogramme exprimant la fréquence (*) de la différence # # entre les valeurs de l'analyse à la coulée et les valeurs de analyse de contre des pièces forgées pour rotors. FIG. 7 represents a histogram expressing the frequency (*) of the difference # # between the values of the analysis at casting and the counter analysis values of forged parts for rotors.

La figure 8 illustre un diagramme exprimant la relation entre la teneur en soufre selon l'analyse à la coulée et la résistance au choc dans la direction radiale (énergie absorbée à la température ordinaire exprimée en
J) de la partie centrale des pièces forgées pour rotors.
FIG. 8 illustrates a diagram expressing the relationship between the sulfur content according to the casting analysis and the impact resistance in the radial direction (energy absorbed at the ordinary temperature expressed in
J) of the central part of the forgings for rotors.

La figure 9 est un diagramme illustrant de façon semblable la relation entre la teneur en soufre selon ltanalyse à la coulée et le plateau supérieur d'énergie (J); et
La figure 10 représente un diagramme exprimant une relation semblable entre la teneur en soufre selon l'ana- lyse à la coulée et FATT 30 * (OC),
Pour atteindre les objectifs de l'inven-tion, on a étudié en détail les propriétés de pièces forgées. pour rotors de turbines classiques et de rotors de turbines fabriqués selon un procédé mis au point pour que la teneur en soufre soit réduite à une valeur aussi faible que 0,001 * en poids ou moins.On a pu confirmer que si la teneur en soufre est réduite en dessous de 0,002 * en poids -(valeur de l'analyse à la coulée), les propriétés do la partie centrale des pièces forgées pour rotors de turbines peuvent être remarquablement améliorées. Selon l'invention pour conférer à la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor les diverses caractéristiques qui lui manquent et pour qui conférer des caractéristiques métallurgiques et physiques uniformes et amélicrées, on prépare un alliage ayant une teneur en soufre de 0,002 % en poids ou moins (valeur de l'analyse à la coulée).
Fig. 9 is a diagram similarly illustrating the relationship between the melt analysis sulfur content and the upper energy plateau (J); and
Figure 10 shows a diagram expressing a similar relationship between the sulfur content according to casting analysis and FATT 30 * (OC),
In order to achieve the objectives of the invention, the properties of forgings have been studied in detail. for conventional turbine rotors and turbine rotors manufactured by a process developed to reduce the sulfur content to as low as 0.001% by weight or less. It has been confirmed that if the sulfur content is reduced below 0.002% by weight (casting analysis value), the properties of the central part of turbine rotor forgings can be remarkably improved. According to the invention, in order to impart to the central part of a rotor forgings the various characteristics which are lacking and for which to confer uniform and improved metallurgical and physical characteristics, an alloy having a sulfur content of 0.002% by weight is prepared. or less (value of the analysis at casting).

On sait de façon générale que le soufre a un effet indésirable sur les propriétés de l'acier. Cependant l'accroissement de la précision des critères des tests avec des particules magnétiques a récemment révélé, vers la partie centrale d'unepièce forgée pour rotor, des défauts dont on ignorait an préalable l'existence, ce qui montre que l'on avait partiellement me'connu l'influence du soufre sur une pièce forgee pour rotor et notamment l'influence de la-teneur en soufre.Par conséquent en plus do la nécessité d'établir la relation quantitative entre la teneur on soufre et les propriétés de la partie centrale d'une pièe forgée pour roter, on a mis au point une technique pour réduire à une valeur extrOmement faible la teneur en soufre dtune pièce forgée pour rotor et effectué diverses recherches et études portant sur despièces forgées pour rotors fabriquées selon cette technique nouvellement mise au point. L'invention découle des résultats ainsi obtenus.  It is generally known that sulfur has an undesirable effect on the properties of steel. However, the increase of the accuracy of the criteria of the tests with magnetic particles has recently revealed, towards the central part of a piece forged for rotor, defects whose existence was not previously known, which shows that we had partially the influence of sulfur on a piece forged rotor and, in particular, the influence of the sulfur content. Consequently, in addition to the need to establish the quantitative relationship between the sulfur content and the properties of the part In the center of a forged part for burting, a technique has been developed to reduce the sulfur content of a rotor forging to an extremely low value and has carried out various researches and studies on forged parts for rotors made using this newly developed technique. on point. The invention follows from the results thus obtained.

L'invention va maintenant entre décrite de façon détaillée en se référant aux dessins et photographies annexés. The invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings and photographs.

Tout d'abord vont être exposés les résultats d'une étude effectuée sur des alliages classiques pour pièce. First of all, the results of a study on classical alloys for parts will be exposed.

forgées pour rotors de turbines haute pression.forged for high pressure turbine rotors.

A. Dans un alliage classique (teneur en soufre supérieure à 0,004 * en poids), comme il existe une concentration par ségrégation du soufre dans la partie centrale haute du lingot, lorsquton forge le lingot pour en faire un rotor, un défaut (inclusion non métallique) peut être détecté dans la partie centrale de la pièce forgée par un test avec des particules magnétiques (voir figure 1 et photographie ne 1), un défaut dans la partie centrale étant considéré comme une des causes des fissures de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor.La figure 1 est un histogramme montrant la relation entre la teneur en soufre (valeur de l'analyse à la coulée) et le nombre des défauts (inclusions non métalliques de type sulfure) de la partie centrale de la pièce forgée pour rotor, la teneur en soufre (* pondéral) étant représentée en abscisses et le nombre des défauts (pour 100 cm) détectés selon le test avec des particules magnétiques étant représenté en ordonnées, et la photographie ne 1 est un exemple d'un défaut (on considère qu'il s'agit d'une inclusion non métallique de type sulfure) détecté avec des particules magnétiques. A. In a conventional alloy (sulfur content greater than 0.004% by weight), as there is a segregation concentration of sulfur in the upper central portion of the ingot, when forging the ingot into a rotor, a defect (non-inclusion) metal) can be detected in the central part of the forged part by a test with magnetic particles (see figure 1 and photograph no 1), a defect in the central part being considered as one of the causes of the cracks of the central part of the forged part. Figure 1 is a histogram showing the relationship between the sulfur content (value of the casting analysis) and the number of defects (non-metallic sulfide inclusions) of the central part of the part. forged rotor, the sulfur content (* by weight) being represented on the abscissa and the number of defects (per 100 cm) detected according to the test with magnetic particles being represented in order and photograph 1 is an example of a defect (considered to be a sulfide-type non-metallic inclusion) detected with magnetic particles.

B. Dans les alliages classiques, les différences des propriétés de résistance au choc entre la partie centrale et la surface d'une pièce forgée pour rotor sont importantes. Voir les figures 2 à 4. En particulier la figure 2 est un histogramme où le plateau d'énergie supérieur (direction radiale) yEmax (J) est représenté en abscisses et la fréquence (%) est représentée en ordonnées, qui montre que le plateau supérieur d'énergie est de 102 J en moyenne pour la partie centrale tandis que la moyenne à la surface est de 122 J.Comme le montre la figure 3 qui est un histogramme où l'énergie absorbée a la température ordinaire (direction radiale) VERT (J) est représentée en abscisses et la fréquence (*) est représentée en ordonnées, lténergie absorbée à la température ordinaire est de 9,5 J en moyenne pour la partie centrale tandis qutà la surface elle est de 14,2 J en moyenne. B. In conventional alloys, the differences in impact resistance properties between the center portion and the surface of a rotor forging are important. See FIGS. 2 to 4. In particular FIG. 2 is a histogram where the upper energy plateau (radial direction) yEmax (J) is represented on the abscissa and the frequency (%) is represented on the ordinate, which shows that the plateau higher energy is 102 J on average for the central part while the average on the surface is 122 J. As shown in Figure 3 which is a histogram where the energy absorbed at ordinary temperature (radial direction) GREEN (J) is plotted on the abscissa and the frequency (*) is shown on the ordinate, the energy absorbed at the ordinary temperature is 9.5 J on average for the central part while on the surface it is 14.2 J on average.

Donc les figures 2 et 3 montrent que la partie centrale a considérablement moins d'énergie que la surface dans les deux cas. De plus comme le montre la figure 4, qui est un histogramme où FATT 50 * (direction radiale) (OC) est représenté en abscisses et la fréquence (*) est re présent en ordonnées, le FATT 50 ffi pour la partie centrale est de +105C en moyenne et de +87 C en surface, la valeur de la partie centrale étant considérablement inférieure à celle de la surface.Thus Figures 2 and 3 show that the central part has considerably less energy than the surface in both cases. Moreover, as shown in FIG. 4, which is a histogram where FATT 50 * (radial direction) (OC) is represented on the abscissa and the frequency (*) is present on the ordinate, the FATT 50 ffi for the central portion is + 105C on average and +87 C on the surface, the value of the central part being considerably lower than that of the surface.

Comme ces propriétés sont en relation étroite avec la ténacité à la rupture, dans le cas de la formation de fissures au niveau du creux central d'une pièce forgée pour rotor, on peut en déduire qu'elles sont en rapport avec l'éclatement du rotor d'une turbine. Since these properties are closely related to fracture toughness, in the case of crack formation at the central recess of a rotor forging, it can be inferred that they are related to the bursting of the rotor. rotor of a turbine.

C. Dans la partie centrale dune pièce forgée pour rotor, la différence de la diminution de la surface et des propriétés de résistance au choc entre la direction radiale et la direction longitudinale est importante. C. In the central portion of a rotor forging, the difference in surface reduction and impact resistance properties between the radial direction and the longitudinal direction is important.

Voir les figures 5 et 6. Comme le montre la figure 5 qui est un histogramme sur lequel le plateau supérieur d'éner gie (direction longitudinale) (J) et le plateau supérieur d'énergie (direction radiale) (J) sont respectivement représentés en abscisses et en ordonnées, le plateau supérieur d'énergie dans la direction radiale est d1envi- ron 95 J tandis que dans la direction longitudinale il est d'environ 122 J.De plus comme le montre la figure 6 qui est un diagramme de la relation entre la diminution de surface dans la direction radiale et la diminution de surface dans la direction longitudinale, où ces diminutions de surface exprimées en pourcentage sont respectivement représentées en abscisses et en ordonnées, la diminution de surface dans la direction radiale est par exemple dtenviron 50 % tandis que la diminution de surface dans la direction longitudinale est d'environ 58 *. See FIGS. 5 and 6. As shown in FIG. 5 which is a histogram in which the upper energy plateau (longitudinal direction) (J) and the upper energy plateau (radial direction) (J) are respectively represented. on the abscissa and on the ordinate, the upper energy plateau in the radial direction is about 95 J while in the longitudinal direction it is about 122 J. Moreover, as shown in FIG. 6 which is a diagram of the the relationship between the radial directional area decrease and the longitudinal directional area decrease, where these percentage area decreases are respectively plotted on the abscissa and the ordinate, the radial directional area decrease is, for example, about 50% in the radial direction; % while the area decrease in the longitudinal direction is about 58 *.

Comme le montrent les figures 5 et 6, les valeurs dans la direction radiale sont nettement inférieures aux valeurs dans la direction longitudinale. A partir de ce résultat, on considère que pour une fissure au niveau du creux central d'une pièce forgée pour rotor, la force de résistance à la contrainte dans la direction principale (direction radiale) qui est associée à la formation des fissures et à leur propagation est faible et que la résistance à la fatigue à bas cycle décrite ci-après est altérée.As shown in Figures 5 and 6, the values in the radial direction are significantly lower than the values in the longitudinal direction. From this result, it is considered that for a crack in the central recess of a rotor forged part, the stress resistance force in the main direction (radial direction) which is associated with crack formation and their propagation is weak and the low-cycle fatigue resistance described below is impaired.

D. En ce qui concerne la seconde exigence précitée, la résistance à la fatigue à bas cycle a été envisagée. D. With regard to the second requirement above, low cycle fatigue resistance has been considered.

Comme la gamme des tensions de la résistance à la fatigue à bas cycle et le nombre des cycles à la rupture sont influencés par la diminution de la surface, une amélioration de la diminution de la surface est indispensable, mais comme la déjà montré la figure 6, la diminution de la surface dans la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor a une valeur inférieure dans la direction radiale, mais également cette valeur de la diminution de la surface est faible, si bien que l'on considère que la diminution de la surface de la partie centrale dune pièce forgée pour rotor classique est défavorable en ce qui concerne la résistance à la fatigue à bas cycle.A cet égard, on connatt la formule suivante

Figure img00070001

où AE t gamme des tensions;
N t nombre des cycles à la rupture;
t t diminution de la surface;
e-w : résistance à la traction/2; et
E t module d'Young. Since the range of low-cycle fatigue strength and the number of cycles at break are influenced by the decrease of the surface, an improvement in the reduction of the surface is essential, but as already shown in Figure 6 , the decrease in the area in the central part of a rotor forging has a lower value in the radial direction, but also this value of the decrease in the area is small, so that it is considered that the decrease in the surface of the central part of a conventional rotor forging is unfavorable with regard to the low-cycle fatigue strength. In this respect, the following formula is known
Figure img00070001

where AE t range of voltages;
N t number of cycles at break;
tt decrease in area;
ew: tensile strength / 2; and
Young's modulus.

I1 ressort de l'exposé précddent qu'un alliage classique pour pièces forgées pour rotors de turbines haute pression pose de nombreux problèmes relatifs aux proprié- tés de sa partie centrale. It is apparent from the preceding discussion that a conventional alloy for forgings for high-pressure turbine rotors poses numerous problems relating to the properties of its central part.


Par conséquent, selon l'invention, on est intéres- sé à la teneur en soufre de l'alliage et l'alliage de l'invention est caractérisé par le fait que sa teneur en soufre est inférieure à 0,002 * en poids selon l'analyse à la coulée. Le fait que tous les problèmes propres aux alliages classiques puissent entre entièrement résolus grâce à une teneur en soufre conforme à l'invention va être expliqué relativement à des modes de réalisation de l'invention et à des résultats expérimentaux.

Consequently, according to the invention, the sulfur content of the alloy is of interest and the alloy of the invention is characterized in that its sulfur content is less than 0.002% by weight according to the invention. casting analysis. The fact that all the problems typical of conventional alloys can be entirely solved by virtue of a sulfur content according to the invention will be explained in relation to embodiments of the invention and to experimental results.

Tout d'abord on a fondu dans un four électrique des alliages pour pièces forgées pour rotors do turbines haute pression ayant des compositions chimiques conformes à l'invention et après avoir désulfuré dans une poche de coulée, on les a coulés sous vide en lingots. First of all, alloys for forgings for rotors of high pressure turbines having chemical compositions in accordance with the invention were melted in an electric furnace and after having desulfurized in a ladle, were cast under vacuum into ingots.

Les lingots ont été soumis à une opération classique do forgeage et de traitement thermique et on a fabriqué des pièces forgées pour rotors de turbines haute pression qui ont été soumises à différents essais. Par eses- ple les résultats de l'analyse à la coulée d'un alliage de l'invention et d'un alliage classique figurent dans les tableaux 2 et 3. The ingots were subjected to a conventional forging and heat treating operation and forgings were made for high pressure turbine rotors which were subjected to various tests. By way of example, the results of the casting analysis of an alloy of the invention and a conventional alloy are shown in Tables 2 and 3.

TABLEAU 2 Exemple do résultat d'analyse à la coulée
, (% pondéral)

Figure img00080001
TABLE 2 Example of analysis result at casting
, (% by weight)
Figure img00080001

<tb> <SEP> G <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> No <SEP> V <SEP> Ni <SEP> P
<tb> Alliage <SEP> de <SEP>
<tb> L'invention <SEP> 0,31 <SEP> 0,230,78 <SEP> 1,13 <SEP> 1,15 <SEP> 0,24 <SEP> 0,33 <SEP> 0,007 <SEP>
<tb> classique <SEP> 0,30 <SEP> 0,28 <SEP> 0,75 <SEP> 1,15 <SEP> <SEP> 1,10 <SEP> 0,24 <SEP> 0,33 <SEP> 0,005 <SEP>
<tb>
TABLEAU 3 Teneur en soufre (% pondéral)

Figure img00090001
<tb><SEP> G <SEP> If <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> No <SEP> V <SEP> Ni <SEP> P
<tb> Alloy <SEP> of <SEP>
<tb> The invention <SEP> 0.31 <SEP> 0.230.78 <SEP> 1.13 <SEP> 1.15 <SEP> 0.24 <SEP> 0.33 <SEP> 0.007 <SEP>
<tb> classical <SEP> 0.30 <SEP> 0.28 <SEP> 0.75 <SEP> 1.15 <SEP><SEP> 1.10 <SEP> 0.24 <SE> 0.33 <SEP> 0.005 <SEP>
<Tb>
TABLE 3 Sulfur Content (% by Weight)
Figure img00090001

<tb> <SEP> Analyse <SEP> à <SEP> la <SEP> Analyse <SEP> de <SEP> contrôle
<tb> <SEP> coulée <SEP> à <SEP> la <SEP> partie <SEP> supé
<tb> <SEP> rieure <SEP> du <SEP> lingot
<tb> Alliage <SEP> <SEP> t <SEP> de
<tb> l'invention <SEP> 0,002 <SEP> 0,002 <SEP>
<tb> Alliage
<tb> classique <SEP> 0,006 <SEP> 0,008
<tb>
Nota : En général les résultats des analyses présentent
de légères différences selon la méthode d'analyse.
<tb><SEP> Scan <SEP> to <SEP><SEP> Scan <SEP> of <SEP> Control
<tb><SEP> casting <SEP> to <SEP> the <SEP> part <SEP> supe
<tb><SEP> upper <SEP> of the <SEP> ingot
<tb> Alloy <SEP><SEP> t <SEP> from
<tb> the invention <SEP> 0.002 <SEP> 0.002 <SEP>
<tb> Alloy
<tb> classical <SEP> 0.006 <SEP> 0.008
<Tb>
Note: In general the results of the analyzes present
slight differences depending on the method of analysis.

Comme le montre le tableau 3, par rapport à un alliage classique, dans l'alliage de l'invention, la teneur en soufre (% pondéral) correspondant à l'analyse à la coulée a une valeur très faible de 0,002 * et l'homogénéité est également très bonne, les valeurs analytiques ne présentant pratiquement pas de dispersion discernable. As shown in Table 3, with respect to a conventional alloy, in the alloy of the invention, the sulfur content (% by weight) corresponding to the casting analysis has a very low value of 0.002 * and the homogeneity is also very good, the analytical values showing practically no discernible dispersion.

Ce fait ressort également de l'examen de la figure 7 qui représente un histogramme montrant la relation entre l'importance des différences entre les valeurs de l'analyse à la coulée et les valeurs de l'analyse de contrôle et la fréquence correspondante. Ce fait apparat également à l'examen des photographies ne 2 à 3, qui sont des em- preintes du soufre respectivement d'une coupe longitudinale dune pièce forgée pour rotor classique (dont la teneur en soufre est de o,oo6 * en poids selon l'analyse à la coulée), d'une coupe longitudinale du lingot selon l'invention (dont la teneur en soufre est de 0,002 * en poids selon l'analyse à la coulée), d'une coupe transversale de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor classique et d'une coupe transversale de la partie centrale de la pièce forgée pour rotor selon l'invention.This fact also emerges from the examination of FIG. 7 which represents a histogram showing the relationship between the importance of the differences between the values of the analysis at casting and the values of the control analysis and the corresponding frequency. This fact also arises from the examination of the photographs Nos. 2 to 3, which are sulfur inserts respectively of a longitudinal section of a forged piece for a conventional rotor (the sulfur content of which is 0.006% by weight according to the casting analysis), a longitudinal section of the ingot according to the invention (whose sulfur content is 0.002% by weight according to the casting analysis), a cross-section of the central portion of a conventional rotor forging and a cross section of the central portion of the rotor forging according to the invention.

L'examen des tableaux 2 et 3 et des photographies 2 à 5 montre que dans l'alliage selon l'invention, il n'y a pas de ségrégation du soufre ce qui suggère que dans cet alliage les défauts de la partie centrale que l'on observe dans une pièce forgée pour rotor classique sont éliminés, c'est-a-dire que la formation de fissures au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor est rendue difficile.Examination of Tables 2 and 3 and Photographs 2 to 5 shows that in the alloy according to the invention, there is no segregation of sulfur which suggests that in this alloy the defects of the central portion that the In a conventional rotor forging are removed, that is, crack formation at the central recess of the rotor forging is made difficult.

Bien qu'un seul exemple de résultats expérimentaux correspondant à un lingot de l'alliage selon l'invention par rapport à un lingot de l'alliage classique ait été précédemment décrit, l'alliage selon l'invention et l'alliage classique entre lesquels il existe des différences importantes en ce qui concerne la teneur en soufre et la ségrégation du soufre comme précédemment indiqué, ont été respectivement utilisés pour fabriquer des pièces forgées pour rotors selon un procédé de forgeage et un trai tement thermique classique puis les pièces forgées ont été soumises à différents essais. Les résultats des essais sont illustrés par les figures 2 à 6 qui permettent de les comparer aux essais obtenus avec un alliage classique comme précédemment indiqué. Ces résultats vont maintenant être expliqués. Although only one example of experimental results corresponding to an ingot of the alloy according to the invention with respect to an ingot of the conventional alloy has previously been described, the alloy according to the invention and the conventional alloy between which There are important differences in the sulfur content and segregation of sulfur as previously indicated, were respectively used to manufacture rotor forging according to a forging process and a conventional thermal treatment and then the forgings were subjected to different tests. The results of the tests are illustrated in FIGS. 2 to 6 which make it possible to compare them with the tests obtained with a conventional alloy as previously indicated. These results will now be explained.

A. La figure 2 montre que le plateau supérieur d'énergie dans le cas d'un alliage selon l'invention est de 136 J en moyenne à la surface et de 126,8 J en moyenne pour la partie centrale. Donc lorsquZon compare avec les valeurs correspondantes de l'alliage classique, il apparait que dans l'alliage de l'invention la différence entre les deux valeurs est réduite et que le niveau de l'énergie est supérieur. A. Figure 2 shows that the upper energy plateau in the case of an alloy according to the invention is 136 J on the average surface and 126.8 J average for the central part. Therefore, when comparing with the corresponding values of the conventional alloy, it appears that in the alloy of the invention the difference between the two values is reduced and that the level of the energy is higher.

De façon semblable comme le montre la figure 3,P'é- nergie absorbée à la température ordinaire dans la dire ce tion radiale est de 14,1 J en moyenne à la surface et de 11,4 J en moyenne pour la partie centrale. Donc par rapport à l'alliage classique, il est évident que dans l'acier de lsinvention,la différence entre les valeurs moyennes de la surface et de la partie centrale ainsi que le niveau de ces valeurs sont améliorés. Similarly, as shown in FIG. 3, the energy absorbed at the ordinary temperature in the radial direction is 14.1 J on average at the surface and 11.4 J on average for the central portion. Thus with respect to the conventional alloy, it is evident that in the steel of the invention, the difference between the average values of the surface and the central portion as well as the level of these values are improved.

De plus comme le montre la figure 4 qui représente
FATT 50 * dans la direction radiale, il est apparent que la valeur de la partie centrale est améliorée avec une élévation atteignant 97,4eu et que celle de la surface atteint 84,5 C, ces valeurs étant meilleures que celles de l'alliage classique.
Moreover, as shown in Figure 4 which represents
FATT 50 * in the radial direction, it is apparent that the value of the central part is improved with an elevation reaching 97,4eu and that of the surface reaches 84,5 C, these values being better than those of the conventional alloy .

Donc, le fait que les propriétés de résistance au choc de la partie centrale d'une pièce forgée pour roter sont remarquablement améliorées et qu'en même temps le niveau des propriétés de résistance au choc de la pièce forgée pour roter est accru dans leur ensemble révèle que même si une fissure se forme au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor, le risque de rupture est faible. Thus, the fact that the impact strength properties of the central part of a forged part for burping are remarkably improved and at the same time the level of impact resistance properties of the forgings for burping is increased as a whole reveals that even if a crack is formed in the central recess of the rotor forging, the risk of rupture is low.

B. Egalement comme les plateaux supérieurs d'énergie de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor dans la direction longitudinale et dans la direction radiale sont respectivement comme le montre la figure 5 de 122 J et de 118 J, on voit que l'amélioration dans la direction radiale est remarquable et que le niveau d'énergie est amélioré dans son ensemble Ceci signifie que la résistan- ce à la rupture du rotor est accrue. B. Also as the upper energy plateaus of the central part of a rotor forging piece in the longitudinal direction and in the radial direction are respectively as shown in Figure 5 of 122 J and 118 J, we see that the The improvement in the radial direction is remarkable and the energy level is improved as a whole. This means that the breaking strength of the rotor is increased.

C. Enfin comme le montre la figure 6, les diminutions de la surface de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor dans la direction radiale et dans la direction longitudinale sont respectivement de 38 * et de 37 %, ce qui montre que l'accroissement dans la direction radiale est remarquable et que le niveau des valeurs dans les deux directions est fortement accrus si bien que la résistance à la fatigue à faible fréquence est accrue par rapport à l'alliage classique. Il convient également ici de se reporter à l'équation concernant A t précédemment indiquée.  C. Finally, as shown in FIG. 6, the decreases in the area of the central portion of a rotor forgings in the radial direction and in the longitudinal direction are respectively 38 * and 37%, which shows that Increasing in the radial direction is remarkable and the level of values in both directions is greatly increased so that low frequency fatigue resistance is increased over the conventional alloy. It is also appropriate here to refer to the equation concerning A t previously indicated.

Les figures 9 et 10 sont des diagrammes représentant la relation entre les propriétés de résistance au choc et la teneur en soufre résultant des divers résultats précé- demment exposés. Ces diagrammes montrent que si la teneur en soufre (valeur de analyse à la coulée) s'abaisse en dessous de 0,002 % en poids, les propriétés de résistance au choc sont considérablement accrues. Dans l'inv-ntion les raisons pour lesquelles la teneur en soufre déterminée par l'analyse à la coulée est limitée à un maximum de 0,002 * en poids découlent des résultats ci-dessus, car, à ce jour, pour une pièce forgée pour rotor, la relation entre cette teneur extrêmement faible en soufre et les propriétés de résistance au choc n'avait jamais été envisagée quantitativement, et l'invention montre pour la première fois que cette limitation de la teneur en soufre est une condition indispensable pour supprimer dans un rotor des défauts tels que ceux observés au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor, par exemple des inclusions non métalliques et f'anisotsopie de la diminution de la surface et améliorer considérablement les valeurs de divers essais.  Figures 9 and 10 are diagrams showing the relationship between the impact properties and the sulfur content resulting from the various results previously discussed. These diagrams show that if the sulfur content (casting value) falls below 0.002% by weight, the impact properties are considerably increased. In the invntion the reasons for which the sulfur content determined by the analysis to the casting is limited to a maximum of 0.002 * by weight derive from the above results, because, so far, for a piece forged for rotor, the relationship between this extremely low sulfur content and the properties of impact resistance had never been considered quantitatively, and the invention shows for the first time that this limitation of the sulfur content is an essential condition to remove in a rotor defects such as those observed at the central recess of the rotor forging, for example non-metallic inclusions and anisotsopie the decrease in the surface and significantly improve the values of various tests.

Claims (1)

REVENDICATION CLAIM Alliage pour pièce forgée pour rotor de turbine haute pression, caractérisé par le fait qu'il est constitué, en pourcentages pondéraux, de 0,25 à 0,35 % de carbone, de 0,15 à 0,35 % de silicium, d'au plus 1,00 % de manganèse, de 0,90 à 1,50 % de chrome, de 1,00 à 1,50 % de molybdène, de 0,20 à 0,30 * de vanadium, d'au plus 0,75 % de nickel, d'au plus 0,015 % de phosphore et d'au plus 0,018 * de soufre, le reste étant constitue essentiellement de fer, la teneur en soufre de cet alliage, déterminée par l'analyse à la coulée, étant d'au plus 0,002 %.  Forging alloy for a high-pressure turbine rotor, characterized in that it consists, in percentages by weight, of 0.25 to 0.35% of carbon, of 0.15 to 0.35% of silicon, not more than 1.00% manganese, 0.90 to 1.50% chromium, 1.00 to 1.50% molybdenum, 0.20 to 0.30% vanadium, not more than 0.75% of nickel, of not more than 0.015% of phosphorus and not more than 0.018% of sulfur, the balance being essentially of iron, the sulfur content of this alloy, determined by the casting analysis, being at most 0.002%.
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