FR2493344A1 - - Google Patents

Abstract

ALLIAGE AYANT UNE SOLUBILITE ACCRUE POUR L'AZOTE. ILS COMPRENNENT ENTRE 19 ET 30 DE MANGANESE, ENTRE 19 ET 25 DE CHROME, JUSQU'A 1,5 D'AZOTE, ENTRE 0,001 ET 0,25 DE CARBONE, ENTRE 0,2 ET 0,5 DE SILICIUM, LE RESTE ETANT DU FER. APPLICATION A LA FABRICATION D'ANNEAUX DE RETENUE POUR GRANDES MACHINES DYNAMOELECTRIQUES.

Description

La présente invention concerne des alliages ferreux austénitiques pour anneaux de retenue de grandes machines dynamoélectriques. En particulier, cette invention concerne un alliage de fer à teneurs élevées en chrome, manganèse et azote et faibles teneurs en carbone et silicium.

Les anneaux de retenue sont utilisés sur les extrêmités des rotors de turbo-générateurs pour empêcher les conducteurs en cuivre et les matériaux isolants de se dilater et entrer en contact avec le stator lorsque l'enroulement de champ tourne.

Ces anneaux sont des cylindres creux et les contraintes s'y développent sous l'action de la force centrifuge exercée par les conducteurs et le matériau isolant comprimant l'anneau, ainsi que sous l'action de la force centrifuge exercée par la masse de l'anneau lui-mAme. Plus la masse volumique du matériau de 1' anneau est élevée, plus grandes sont les contraintes développées dans l'anneau pendant la rotation. Ces anneaux sont les composants qui subissent les contraintes les plus élevées dans les grands turbo-générateurs.

Comme l'acier magnétique conduit à des pertes electriques dues au flux de fuite et à l'échauffement par courants de
Foucauld, il est extrèmement souhaitable d'utiliser du matériau non magnétique pour les anneaux de retenue. Au cours des vingt dernières années, la plupart des anneaux non magnetiques ont été faits d'une alliage ferreux comprenant, par exemple, 18,5% de manganèse, 4,5% de chrome, 0,55t de carbone, 0,50 % de silicium et 0,1 t d'azote, le reste étant du fer. Sauf indication contraire, les pourcentages des constituants des alliages sont exprimés en poids, le complément étant du fer.

Le matériau pour anneau de retenue ci-dessus à une densité d'environ 7,85. Ce matériau est relativement mou et ductile à l'état recuit et doit être écroui à la résistance mécanique voulue par matriçage, écrouissage hydraulique ou formage par explosion. La tendance continue à fabriquer des générateurs plus grands, de puissance nominale plus élevée, à accentuer le besoin en rotors et anneaux de plus grands diamètres ce qui, à son tour, accroît les exigences concernant la résistance mécanique et la qualité des pièces forgées pour anneaux.

On effectue généralement 1 'écrouissage du matériau pour en augmenter les propriétés de traction, à savoir, la résistance à la traction e7le-même et la limite d'élasticité à 0,2 %, c'est-à-dire la contrainte appliquée nécessaire pour produire un allongement rémanent de 0,2% de la longueur du matériau soumis à l'essai. La limite d'élasticité à 0,2% type de ce matériau à l'état recuit est d'environ 41 daN/mm. On obtient des limites d'élasticité plus élevées par écrouissage ; après écrouissage à 45 % la limite d'élasticité à 0,2% est accrue à environ 120,5 daN/mm2, tandis que la ductilité est considérablement diminuée.

On a récemment rencontré des difficultes croissantes pour conférer le degré nécessaire d'écrouissage aux bagues en alliage mentionné ci-dessus afin d'obtenir la limite d'elas ticité voulue. Par exemple, la tenacité de ce matériau est considérablement réduite aux limites a d'élasticité supérieures à 120,5 daN/mm, augmentant ainsi le risque de rupture en cours de fabrication. Récemment, la probabilité globale de fabrication réussie d'un anneau de retenue avec un écrouissage supérieur à 45% était seulement de un pour six. Cependant, en utilisant des lingots, affines par refusion sous laitier (procédé E.S.R.), la probabilité de succès est plus grande qu'avec les lingots classiques fondus dans l'air.De plus, il y a une variation plus grande des propriétés mécaniques suivant l'épaisseur de la paroi de l'anneau de retenue aux limites d'élasticité d'environ 120,64 daN/mm et, par conséquent, des anneaux de retenue en cet alliage présentent des niveaux de résistance mécanique plus bas Par exemple, un anneau ayant une limite d'élasticité de 131 daN/m au milieu de sa paroi aurait une limite d'élasticité supérieure à 138 daN/mm au niveau du diaraètre intérieur. Enfin, l'accroissement de la limite d'élasticité augmente également la sensibilité à la corrosion sous contraintes de l'alliage dans des atmosphères humides ou d'hydrogène humide.

En conséquence, l'alliage actuel pour anneaux de retenue apparaît limité au niveau supérieur des limites d'élasticité (120,5 daN/mm2), et par la sensibilité à la corrosion sous contraintes. On a donc besoin dsun alliage qui nécessite moins d'écrouissage en fonction de sa capacité totale de déformation pour obtenir la résistance voulue et qui simultanément posséde une tenacité (KIC) et une résistance à la corrosion sous contraintes azeptables.

Des études des aciers 18 Mn-SCr décrits ci-dessus ont montré qu'une augmentation de 0,01% de la teneur en azote au-dessus de la teneur moyenne de 0,12% tend à augmenter la limité d'élasticité de 0,62 daN/mm2. Cependant, la teneur maximale en azote de la limite de solubilité des solides est d'environ 0, 16%, ce qui limite la quantité d'azote que l'on peut ajouter. On peut accroître la solubilité de azote par fusion sous pression et sous azote pour produire l'accroissement voulu de la limite d'élasticité, mais la fusion sous pression est un procédé qui est limité par les procédures de fabrication et dans sa possibilité de mise en pratique. Cette limite d'élasticité des alliages à teneur élevée en azote s'accroît avec 1 'écrouissage pratiquement au même taux pour chaque alliage.Par exemple, on obtient la limite d'élasticité de 120, 5 daN/mm après écrouissage de 22,5% pour un alliage à 0,48% d'azote comparé à l'écrouissage de 45% pour l'alliage classique contenant 0,11% d'azote. Cependant, comme décrit ci-dessus, il peut être très difficile d'accroitre la solubilité de l'azote.

L'alliage de la présente invention est également utile pour d'autres usages que les anneaux de retenue des grandes machines dynamoélectriques. On a également trouvé qu'il présentait un degré inhabituellement élevé de résistance à l'érosion, ce qui la rend utile pour la fabrication de composants de grandes turbines à vapeur qui sont soumis à de la vapeur à grande vitesse, à des gouttes d'eau et des corps étrangers tels que le tartre des bouilleurs. Présentement, ces composants, tels que des aubes de turbine, des cloisons et pièces de vanne, sont faits d'alliage au cobalt ou d'acier fortement allié, durci, au moins aux endroits où ces composants sont sujet à l'attaque par érosion. Les alliages de cobalt, bien que possédant une excellente résistance à l'érosion sont difficiles à transformer en composants de turbine et à souder.

De nombreuses personnes ont étudié les alliages de fer-manganèse-chrome, non seulement pour la fabrication d'anneaux de retenue de générateur, mais aussi dans un grand nombre d'autres applications nécessitant des alliages hautement résistants qui résistent à la corrosion sous contraintes.

Le tableau 1 du brevet des Etats Unis d'Amérique nO 4 121 953 résume ces recherches. Ce brevet décrit lui-même un alliage de fer comprenant 17 à 23% de manganèse, entre 6 et 10% de chrome, entre 0,35 et 0,8% de carbone, jusqu'à 1,5% de silicium, jusqu'à 0,82 d'azote et jusqu'à 2,75 de nickel, le reste étant du fer et des métaux tels que le molybdène, le vanadium et le niobium. De plus, cet alliage se caractérise par le fait que la somme des pourcentages de manganèse et de chrome est supé- rieure à 24% et inférieure à 31,5% et la somme des pourcentages d'azote et de carbone est comprise entre 0,35% et 0,8%.En conséquence, c'est la faible teneur en chrome et la forte teneur en carbone qui le distinguent de l'alliage de la présente invention décrit en détail ci-dessous.

Néanmoins, le tableau 1 du brevet mentionné ci-dessus donne d'autres alliages de fer-manganèse-chrome similaires mais toutefois différents de l'alliage de la présente invention.

Par exemple, l'alliage décrit par Delong ne contient pas plus de 19% de manganèse et contient en plus du nickel qui agit à l'encontre d'une solubilité accrue de l'azote. Selon le brevet cité, les alliages de Delong sont décrits dans les brevets des Etats Unis d'Amérique nO 2 789 048 ; 2 789 049 et 2 711 959.

Le tableau 1 du brevet mentionne également un alliage de Hsiao et Dulis. Cet alliage se distingue de celui de la présente invention en ce sens qu'il contient des quantités de nickel qui nuisent à la solubilité de l'azote. Selon le brevet cité, cet alliage est décrit dans le volume 49, pages 655-685 de "Transactions of the Americain Society of Metallurgy (1957)" et dans le volume 50, pages 773-802 du même ouvrage en 1958.

Le tableau 1 du brevet cité décrit aussi l'alliage de
Linnert apparemment divulgué dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 2 894 833. Les données du tableau pour cet alliage de Linnert montrent claireetellt 'e fait que la composition comprend de grandes quantités de nickel et aucune indication quelqu'elle soit qu'il y a de l'azote dissous. Ceci confirme la déclaration ci-dessus que la présence de nickel nuit à la solubilité de l'azote C'estcettesolubilite de l'azote qui est souhaitée pour réduire le degré d'écrouissage nécessaire pour produire un alliage ayant une limite d'élasticité donnée.

De plus, il est noté particulièrement que l'alliage de Linnert possède des concentrations en silicium inacceptablement élevées qui tendent à rendre l'alliage fragile et impropre à la fabrication d'anneaux de retenue.

Enfin, ce tableau 1 mentionne un alliage de Korchynsky, décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nb 2 955 034.

A nouveau, l'alliage de Korchynsky, comme certains des alliages mentionnés ci-dessus, renferme des teneurs en nickel inacceptablement élevées (4-18%) ce qui réduit la solubilité élevée voulue de l'azote. En outre, l'alliage de Korchynsky contient seulement des quantités minimes de manganèse et inacceptablement élevées de carbone.

On remarquera immédiatement, à la vue de la dimension du tableau 1 cité, le large domaine des expérimentations entreprises en ce qui concerne ces alliages. Le tableau illustre également le fait que de légères variations de composition se traduisent par des alliages ayant des propriétés très différente
Ce fait justifie de la prolifération des variétés d'alliages trouvées dans le tableau.

En conséquence, de légères variations d'un ou plusieurs des eléments alliants peuvent produire des alliages très différents dont les propriétés dépendent de façon critique de la quantité et du type des additifs utilisés.

La détermination d'un alliage de ce type ayant les propriétés voulues,en particulier lorsque ces propriétés sont dictées par les exigences strictes des anneaux de retenue i générateur, est un tour de force notable. il est encore plus significatif lorsque d'autres personnes de la spécialité ont déjà considéré cette voie impraticable et qu'elle devient plus tard souhaitable. En particulier le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 4 121 953 décrit plus particulièrement que la résistance à la corrosion sous contraintes est mauvaise lorsqu'on utilise des teneurs élevées en chrome et manganèse.

Ce brevet enseigne en outre que la large gamme d'inclusion de l'azote va de 0 à 0,8 % mais exige en plus que la gamme du pourcentage de l'azote plus celui du carbone aille de 0,35 a 0,8 . Au contraire, on a trouvé selon la présente invention que la teneur élevée en azote est souhaitable en même temps qu'une teneur très réduite en carbone, car le carbone réduit la solubilité de l'azote dans l'acier De plus, on a encore trouvé selon l'-invention que de Faibles quantités de silicium sont également nécessaires pour les alliages souhaites.Des teneurs en silicium elevées diminuent la résilience Charpy et la tenacité de ces alliages augmentant le risque de rupture pendant l'ecrouissage et l'utilisation.

Enfin, le brevet des états Unis d'Amérique n 3 820 980 décrit un autre alliage d'acier austénitique. Ce brevet enseigne l'inclusion jusqu'à 1 2 de carbone et jusqu'à 2% de silicium. Cependant, on a trouve que de tels inclusions relativement importantes de ces deux éléments ne sont pas compatibles avec la présente invention.

Selon une réalisation recommandée de la présente invention, un alliage particulièrement utile pour des anneaux de retenue de grandes machines dynamoélectriques comprend essentiellement entre environ 19 et 30% de manganèse, entre environ 19 et 25% de chrome, jusqu'à environ 1,5% d'azote, entre environ 0,001 et 0,25 % de carbone et entre environ 0,2 et 0,5 % de silicium. On a en outre trouvé que la quantité de carbone présente dans l'alliage de la présente invention est de préférence comprise entre environ 0,05 et 0,12 et que la gamme recommandée de teneur en silicium va jusqu'à environ 0,3%.

De plus, l'alliage de la présente invention peut encore comporter jusqu'à environ 22 de molybdène, jusqu'à environ 2% de vanadium et juscu l à environ 0,001 de bore. Le nickel est exclu oor,me élément alliant dans la présente invention. On doit également noter, que peuvent être présentes de petites quantités (moins de 0,01%) de phosphore et de soufre, en tant qu'impuretés, la présence de l'un ou de l'autre n'étant pas souhaitable mais néanmoins, pratiquement évitable.

La présente invention concerne également un procédé pour accroître la solubilité de l'azote dans les alliages de ferchrome-manganèse et les anneaux de retenue faits de ces alliages selon la présente invention.

La présente invention a donc pour but de fournir un alliage non magnétique, de résistance mécanique élevée et résistant à la corrosion sous contraintes.

L'invention a aussi pour but de fournir un alliage destiné à être utilisé dans des aubes de turbine à vapeur et autres composants qui sont soumis à des conditions érosives.

L'invention a enfin pour but de fournir un alliage destiné à être utilisé dans des anneaux de retenue de générateur.

La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement
Figure 1, un graphe de la résistance à la traction, la limite d'élasticité à 0,2 %, la striction et l'allongement en fonction du pourcentage d'écrouissage d'un acier 18 Mn-5Cr
Figure 2, un graphe de l'élasticite à 0,2% en fonction du pourcentage d'écrouissage d'un acier 18 Mn - 5 Cr contenant diverses quantités d'azote
Figure 3, un graphe de la résistance àlatraction, la limite d'élasticité à 0,2%, la striction et l'allongement en fonction du pourcentage d'écrouissage pour un acier 19 Mn 19 Cr - 0,6 N
Figure 4, un graphe de la résistance à la traction, la limite d'élasticité à 0,2%.La striction et l'allongement en fonction du pourcentage d'écrouissage pour un acier 26 Mn 23 Cr
Figure 5, un graphe de la résilience Charpy en fonction de la limite d'élasticité pour des aciers de l'art anterieur et des aciers de la présente invention ;
Figure 6, un graphe de la vitesse d'érosion en fonction du temps pour deux alliages de la présente invention et deux alliages de l'art antérieur
Figure 7, un graphe de la profondeur d'érosion en fonction du temps pour les mêmes matériaux que pour la figure 6 et,
Figure 8, un graphe de la résistance relative à l'érosion de deux alliages de la présente invention comparés à un alliage de l'art antérieur.

La figure 1 représente l'amélioration des propriétés de traction associée à divers pourcentages d'écrouissage pour un acier 18 Mn - 5 Cr. Cette figure montre particulièrement que pour obtenir une limite d'élasticité à 0,2% voisine de 124 daN/mm2 il est nécessaire de faire subir à l'alliage un écrouissage dépassant 50 %. D'un autre côté, un écrouissage d'environ 45% se traduit par des limites d'élasticité de seulement 110 daN/mm2 environ. Pour l'utilisation dans des anneaux de retenue de générateur, des limites d'élasticité à 0,2% d'environ 124 daN/mm apparaissent comme la valeur minimale acceptable. Cependant, il est également bien connu que l'accrois- sement de la limite d'élasticité se traduit par des résiliences
Charpy notablement réduites. L'alliage de la présente invention est moins sensible à cette réduction.La figure 1 montre également le grand allongement subi par l'alliage de l'art antérieur, en particulier aux pourcentages élevés d'écrouissage.

La figure est très significative pour la presente invention car elle illustre le fait que des augmentations de la teneur en azote produisent des alliages ayant des limites d'élas ticité nettement plus élevées. Les courbes de la figure 2 illustrent l'augmentation de la limite d'élasticité en fonction de l'écrouissage pour des aciers 18 Mn- 5 Cr contenant 0,11%, 0,38 % et 0,48 e d'azote. On notera plus particulièrement que pour l'alliage à 0,48% d'azote le taux d'augmentation de la limite d'élasticité en fonction du pourcentage d'écrouissage est très élevé , c'est-à-dire, est représenté par la courbe la plus élevée de la figure 2.

La figure 3 indique en outre les avantages obtenus avec une teneur en azote relativement élevée, dans le cas présent, 0,62 De plus, l'alliage dont les propriétés sont indiquées figure 3 contient également un pourcentage relativement élevé (192) à la fois de chrome et de manganèse. Une telle concentration élevée à la fois en chrome et en manganèse est présentée spécifiquement comme un critère négatif dans le brevet des
Etats Unis d'Amérique nO 4 121 953.Cependant, une comparaison des figures I et 3 montre que l'acier à teneurs élevées en chrome, manganèse et azote présente des limites d'élasticité d'environ 138 daN/mm pour un écrouissage de 408 seulement alors que l'acier 18 Mn-5Cr plus ancien illustré à la figure 1 nécessite un écrouissage de 6096 pour présenter les mêmes limites d'élasticité. Ceci est un des aspects souhaités les plus significatifs de l'alliage de la présente invention. En particulier, les alliages de la présente invention nécessitent un écrouissage moindre pour acquérir les mêmes nivaux élevés de résistance à la traction et de limite d'élasticité à 0,2%.

Ce fait apparait encore de façon plus frappante à la figure 4 qui illustre la résistance à la traction etla limite d'élasticité à 0,2% pour un acier à 26% Mn, 23 % Cr et 1% N, alliage entrant dans le cadre de la présente invention. Par exemple, dans un cas avec un écrouissage de 40% seulement on a produit un alliage présentant une resistance à la traction de 163 daN/mm2 et une limite d'élasticité à 0,2% de 158,5 daN/mm2.

Ceci est une augmentation exceptionnelle par rapport aux résistances à la traction des alliages de l'art antérieur. De plus, cette résistance à la traction s'obtient avec un écrouissage de 40% seulement. La figure 4 montre également l'intérêt de teneurs élevées en manganèse, chrome et azote qui constituent 11 essence de la présente invention. De même, les teneurs en carbone et silicium de l'alliage représenté figure 4 sont maintenues basses.

La figure 5 illustre d'autres avantages obtenus avec les alliages de la présente invention. En particulier, on sait d'une manière genérale que l'augmentation de la limite d'élasticite, par écrouissage par exemple, diminue la résilience
Charpy. La figure 5 montre cette tendance pour 3 alliages.

Premièrement, les triangles pleins illustrent la variation. de la résilience Charpy en fonction de la limite d'élasticité pour l'alliage de l'art antérieur contenant 1896 de manganèse et 5% de chrome. La tendance à la diminution avec l'augmentation de la limite d'élasticité est évidente. Les cercles représentent 3 mesures faites avec un acier à 19 96 de manganèse et 19% de chrome et là encore les résultats sont semblables à ceux du premier alliage en termes de diminution de la résilience
Charpy.Cependant, les quarres systoles "x" representent des mesures de la résilience Charpy en fonction de la limite d'élasticité pour un alliage de la présente invention comprenant 26 % de Mn et 23 % de Cr En ce qui concerne cet alliage la figure 5 montre clairement que cet alliage présente généralement une résilience Charpy beaucoup plus élevée pour la totalité de la gamme de limites d'élasticité Sur cette gamme, la résilience Charp-z est g-éralement supérieure de 20 J au moins aux résiliences correspondantes pour les autres alliages illustrés.

Des figures ci-dessus, il est clair que les alliages de la présente invention présentent des résistances à la traction et des limites d'élasticité à 0,2 plus grandes pour des niveaux beaucoup plus faibles d'écrouissage. Les alliages de l'invention présentent aussi des résiliences Charpy nettement plus grandes avec encorde comme avantage qu'il n'y a pas de diminution de l'amélioration par rapport aux autres alliages lors de l'écrouis- sage pour obtenir des limites d'élasticité élevées.

Dans la mise en oeuvre de la présente invention, on a préparé divers lingots pesant 11,3 kg ou 45,35 kg. On a fondu ces lingots et on les a coulés sous une atmosphère de 60% d'azote et 40 - s d'argon à une pression de 105Pa. On a produit 15 échantillons avec les diverses compositions d'alliage du
Tableau 1.

TABLEAU I

<tb> Echantillon <SEP> Poids <SEP> du
<tb> <SEP> n <SEP> lingot <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> V
<tb> <SEP> (kg) <SEP>
<tb> <SEP> 11,3 <SEP> 0,11 <SEP> 0,3 <SEP> 19,0 <SEP> 25,0 <SEP>
<tb> <SEP> 2 <SEP> 11,3 <SEP> 0,11 <SEP> 0,30 <SEP> 12,0 <SEP> I <SEP> 25,0 <SEP> 0,5 <SEP> 0,82 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 3 <SEP> 11,3 <SEP> 0,09 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> 0,5 <SEP> 0,66 <SEP> 0,005
<tb> <SEP> 4 <SEP> 11,3 <SEP> 0,10 <SEP> 0,30 <SEP> 25,0 <SEP> 25,0 <SEP> 0,5 <SEP> 1,07 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 5 <SEP> 11,3 <SEP> 0,10 <SEP> 0,30 <SEP> 25,0 <SEP> 25,0 <SEP> 1,3 <SEP> 1,1 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 6 <SEP> 45,35 <SEP> 0,10 <SEP> ;<SEP> 0,30 <SEP> 28,0 <SEP> 20,0 <SEP> - <SEP> <SEP> 1,0 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 7 <SEP> 45,35 <SEP> 0,11 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 25,0 <SEP> 0,5 <SEP> 0,87 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 8 <SEP> 45,35 <SEP> 0,10 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> <SEP> 0,5 <SEP> ~
<tb> <SEP> 9 <SEP> 45,35 <SEP> 0,10 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 10 <SEP> 45,35 <SEP> 0,05 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> 0,55 <SEP>
<tb> <SEP> Il <SEP> 45,35 <SEP> 0,10 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> 0,55 <SEP>
<tb> <SEP> 12 <SEP> 45,35 <SEP> 0,15 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> 0,45 <SEP>
<tb> <SEP> 13 <SEP> 45,35 <SEP> 0,25 <SEP> 0,30 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> 0,55 <SEP>
<tb> <SEP> 14 <SEP> 45,35 <SEP> 0,12 <SEP> 0,40 <SEP> 19,0 <SEP> 19,0 <SEP> - <SEP> 0,64 <SEP>
<tb> <SEP> 15 <SEP> 45,35 <SEP> 0,14 <SEP> 0,48 <SEP> 26,0 <SEP> 23,0 <SEP> - <SEP> <SEP> 1,22 <SEP>
On a forgé ces lingots en éprouvettes. Pour les lingots de 11,3 kg on a effectué un forgeage initial à une température de 12000C et on les forgeait d'environ 63,5 mm à une section droite de 31,75 mm. Pour ces lingots de 11,3 kg les sections forgées ci-dessus étaient à nouveau chauffées à 1.050 C et enfin forgées à un carré de 25,4 mm de côté sans réchauffage pour le réglage de la taille des grains. Ces éprouvettes de section carrée de 25,4 mm ont été traitées en solution à 10500C pendant 2 heures et refroidis dans l'air jusqu'à la température ambiante.

On a forgé les lingots de 45,35 kg jusqu'à une section droite de 50,8 mm par 50,8 mm en utilisant un procédé à deux étapes pour le régalage de la taille des grains. La première étape s'effectuait à 12000C et elle réduisait le lingot d'une épaisseur de 101,6 mm à une épaisseur de 63,5 mm. La seconde étape utilisait une température de forgeage de 10500C et assurait un forgeage final à une section carrée de 50,8 mm. Ces éprouvettes de section carrée de 50,8 mm de côté étaient traitées en solution à 10500C pendant 2 heures et refroidies par air forcé jusqu'à température ambiante.

Les éléments principaux des alliages réglant la solubilité de l'azote dans ces alliages sont le chrome et, dans une moindre mesure, le manganèse. La solubilité de l'azote est seulement de 0,162 pour l'acier 18 Mn - 5 Cr, mais s'accroît à environ 0,6 % et à plus de 1 lorsque la teneur en chrome est accrue de 19% et 25%, respectivement. Néanmoins, il est recommandé que pour obtenir une meilleure structure austénitique avec un acier à forte teneur en chrome, manganèse, azote et faible teneur en carbone, la teneur en manganèse soit égale ou supérieure à la teneur en chrome.On doit noter qu'il est difficile de prédire si une structure métallurgique sera ou non austénitique, lorsque des quantités élevées d'élements intersticiels,tel que le carbone, et dans le cas présent l'azote, sont présentes. Par exemple les échantillons 1 et 2 du tableau 1 contiennent de la ferrite et par conséquent seraient inacceptables pour des anneaux de retenue, au moins lorsque les pertes par courant de Foucault oblige l'usage d'un alliage non magnétique.

Cependant, d'autres alliages testés ne présentaient pas de tendance magnétique, même après des taux d'écrouissage élevés.

De plus, tous les alliages de l'invention présentent un degré élevé de résistance à la fissuration par corrosion sous contraintes. Des essais électrochimiques ont établi que ces alliages sont notablement moins sensibles à la fissuration par corrosion sous contraintes que les alliages 18 Mn-SCrde l'art antérieur.

Ces essais électrochimiques consistaient en une analyse potentiodynamique comme décrit par N. Novak, R. Stefec et F. Franz dans le volume 31 pages 334-347 de "corrosion"(1975). Cette analyse fournit des courbes d'intensitéenfonctiondela tension qui présentent des pics associés à la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contraintes. L'alliage particulier testé comprenait 282 de manganèse, 20 o de chrome, 0,1% de carbone et 1,0% d'azote et avait une résistance à la traction de 125,5 daN/mm2, une limite d'élasticité à 0,2% de 115 daN/mm2 après écrouissage de 202. On a mesuré la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contraintes par rapport Allalliage 18 Mn - 5Cr décrit ci-dessus.Cet alliage présentait une sensibilité à la fissu ration par corrosion sous contraintes de seulement 42 % de celle de l'alliage 18Mn-5Cr dans l'eau du robinet et de seulement 40% de celle de l'alliage 18 Mn -5 Crdans une solution de chlorure de sodium à 0,05%. Ces résultats montrent clairement que les aciers à fortes teneurs en chrome et manganès sont moins sensibles à la fissuration par corrosion sous contraintes que le matériau pour anneau de retenue de-l'art antérieur.

La ténacité KIC de l'alliage 18Mn-5Cr a été comparée à celle des échantillons 8 et 9 (du tableau I). On a determiné ces tenais selon la norme ASTM E-399-72 T. L'alliage 18 Mn 5 5 Cr présentait une limite d'élasticité à 0,2 % de 144, 1 daN/mm2 et une valeur de KIC de 80,73 N.cm 3/2. L'échantillon de la présente invention avait une limite d'élasticité de 0,2% de 137,9 daN/mm2 et une valeur de KIC de 98,72 N.cm32. Deux échantillons de l'alliage 9 de la présente invention avaient une limite d'élasticité à 0,28 de 141,3 daN/mm etdes valeurs de KIC
-3/3 de 85,85 et 100,12 N.cm , respectivement.On peut donc voir que la tenacité des alliagesdel'invention dépasse celle du ma tériau de 1'art antérieur utilisé pour les anneaux de retenue.

D'autres essais ont montré que la ductilité des deux échantillons 8 et 9 est bonne et que lorsque la limite d'élasticité s'accroît la ductilité diminue, comme prévu. En ce qui concerne la résilience Charpy des alliages de la présente invention, il apparaît que cette résilience est réduite si la teneur en silicium est relativement élevée, c'est-a-dire, au-dessus de 0,3 % environ.

On a fabriqué par le procédé classique un anneau de retenue en alliage suivant la présente invention. Un tel anneau de retenue type est décrit, par exemple, dans le brevet des
Etats Unis d'Amérique n 3 349 264. On coule et forge un lingot de l'alliage. Comme cela est de pratique courante,on poinçonne un trou dans la pièce forgée pour produire une pièce forgée brute de forme toroïdale qui est ensuite usinée et traitée thermiquement. On effectue alors l'écrouissage de l'anneau.

C'est à ce stade de la formation de l'anneau de retenue que les propriétés de l'alliage de la présente invention sont les plus avantageuses. On soumet ensuite l'anneau à une operation d'usinage finale.

Une propriété inattendu de l'alliage de l'invention est son excellente résistance à la corrosion. On pense présentement que cette excellente résistance à la corrosion est liée à son aptitude e! se consolider à une grande vitesse pendant sa déformation, ce qui est microstructurellement lié à la facilité de mâclage ou faible énergie des défauts d'empilement. C'est dire, plus il est facile de former des macles pendant la défor- mation de cet alliage, plus grande est la consolidation qui a lieu et l'intensité de la force necessaire pour poursuivre la déformation. Les teneurs en azote et carbone, en partie, règlent l'aptitude à la consolidation des alliages à teneurs élevées en
Mn et Cr L'azote a un effet supérieur au carbone de ce point de tue. D'un autre côté, la solubilité de ces éléments dans l'acier est fortement dépendante de ces teneurs en chrome et manganèse.

La résistance à l'érosion de l'alliage de l'invention le rend particulièrement approprié pour des composants de grandes turbines a vapeur, en particulier comme matériau d'écran pour des pièces soumises à de la vapeur à haute vitesse, des gouttes d'eau et du tartre de bouilleur. On a illustré cette résistance à l'érosion aux figures 6 à 8 dans lesquelles deux éprouvettes constituées d'alliages de la présente invention sont comparées avec de la Stellite 6B R qui est couramment utilisée comme matériau d'écran dans des composants de turbine à vapeur.

L'éprouvette F494 se compose essentiellement de 0,14% de carbone, 0,48% de silicium, 26,05 de manganèse, 23,15% de chrome et 1,22% d'azote, le reste etant du fer. L'éprouvette F495 se compose essentiellement de 0,12% de carbone, 0,0252; de silicium, 19,0 de manganèse, 18,0 e de chrome, et 0,64% d'azote, le reste étant du fer. Tous ces pourcentaves sont exprimés en poids.

Les deux éprouvettes ont subi un traitement thermique de deux heures à 11000 et une trempe à l'eau. L'éprouvette F494 présentait une résistance à la traction de 102 daN/mm2 et l'éprouvette F495 une resistance à la traction de 86,86 daN/mm.

L'éprouvette F494 présentait une dureté de 303 sur l'échelle de dureté Brille et le F495 une dureté de 265 sur cette échelle.

Les figures 6 à 8 illustrent à la fois des données absolues pour les éprouvettes F494 et F495 et également des données comparatives indiquant les propriétés de résistance à 1 'érosion
par rapport au Stellite 6B. On a placé les e > -rouvettes d'essai dans un dispositif d'essai d'érosion à roue et on les soumet à une percussion par de la vapeur humide à une vitesse de 457,2 m/s, qui est la vitesse typique rencontrée dans le dernier étage des turbines à vapeur fonctionnant à 3600 t/mn. La roue et les éprouvettes montées sur elle sont contenues dans une enceinte mise sous vide pendant l'essai pour réduire les turbulences et l'échauffement.La vitesse de rotation de la roue est choisie pour produire la vitesse de percussion voulue entre l'éprouvette et les gouttes d'eau produites par plusieurs buses de pulvérisation situées autour de la periphérie de l'enceinte. Sur ces 3 figures, les résultats pour l'éprouvette F494 sont indiqués par des triangles, pour l'éprouvette F495 par des carrés et pour les deux éprouvettes de Stellite 6B par des cercles et des plus.

La figure 6 est un graphique de la vitesse d'érosion en fonction du temps pour les éprouvettes F494 et F495 et une éprouvette de Stellite 6B. La vitesse de pénétration P en mm par heure est enregistrée en fonction du temps. L'axe des ordonnées est donc appelé dP/dt et est divisé en mm/h. On voit que bien que la vitesse d'érosion pour l'éprouvette F495 soit initialement supérieure aux autres, cette éprouvette présente aussi une vitesse d'érosion qui diminue à une valeur asymptotique stable équivalente à celle des autres alliages. On notera également en particulier que l'éprouvette F494 est légèrement supérieure en ce qui concerne sa caractéristique de vitesse d'érosion au Stellite 6B.

La figure 7 est un graphique de la profondeur d'érosion réelle P, en mm, en fonction du temps. Ce graphique montre que l'éprouvette F495 est quelque peu inférieure au Stellite 6B mais lui est toutefois comparable. D'un autre côté, l'éprouvette
F494 présente des caractéristiques de profondeur d'érosion supérieures. Il apparait que pour l'éprouvette F495, c'est la vitesse initiale, élevée, d'érosion qui est responsable de
La plus grande profondeur d'érosion qu'elle présente après 40 heures d'essai.

La figure 8 est un graphique du rapport PF(t)/PS(t) en fonction du temps t où PF(t) est la profondeur d'érosion des alliages de la présente invention en fonction du temps t. PS(t) est la profondeur d'érosion du Stellite 6B. Les courbes donnent le rapport PF(t)/PS(t) pour les deux alliages G494 et F495 La ligne horizontale, d'ordonnée 1 est une ligne de référence par rapport à laquelle on peut mesurer les deux autres alliages. Comme indique, l'éprouvette F494 présentait seulement environ 80% de la profondeur d'érosion du Stellite 6B. L'éprouvette F495 présentait une profondeur d'érosion plus élevée d'environ 50% mais reste encore à un niveau acceptable.

Les quatre éprouvettes testées présentaient la caractéristique d'érosion communément observée qui se compose de trois phases distinctes ; une période d'incubation, une phase intermédiaire avec une vitesse élevée d'enlèvement de matériau, puis une phase tertiaire tendant vers un niveau de pénétration fixe.

On doit particulièrement noter que l'alliage de la présente invention peut être utilisé à la fois comme matériau d'écran pour aubes de turbine et également comme matériau d'aube de turbine lui-même. Lorsqu'on l'utilise comme matériau d'aube de turbine il est préférable de forger l'aube plutôt que la couler.

Lorsqu'on l'utilise comme écran il est préférable de fabriquer l'alliage de l'invention sous forme d'une structure distincte que l'on soude sur le composant à protéger. Néanmoins, l'alliage de l'invention est coulable et peut être utilisé pour la fabrication de pièces par moulage de précision. De plus, l'alliage de l'invention est plus compatible avec les aciers alliés utilisés par les fabricants de turbine que les alliages de cobalt mentionnés ci-dessus, et les alliages de l'invention sont soudables même si la teneur en azote excède 1,2% en poids.

On a représenté dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 3 561 886 une aube type de turbine à vapeur. Cependant, les alliages de l'invention conviendraient également pour des aubes de turbines hydrauliques.

De ce qui precède, on notera-que les alliages-de l'invention conviennent exceptionnellement bien pour des anneaux de retenue de grandes machines dynamoélectriques. On voit également que ces alliages sont capables de présenter des résistances à la traction et des limites d'élasticité beaucoup plus élevées après un écrouissage très inférieur par rapport aux alliages de l'art antérieur r On remarquera aussi que, contrairement à ce qu'annonce l'art anterieur, on peut fabriquer des alliages à teneurs élevées en chrome et manganèse qui sont à la fois non magnétiques et capables de renfermer de grandes quantités d'azote dissous ce qui est particulièrement efficace pour accroître la résistance à la traction et la limite d'élasticité sans écrouissage excessif. Les alliages de l'invention présentent une resistance supérieure à la fissuration par corrosion sous contraintes, ce qui peut être une propriété extrêmement souhaitable lorsqulils sont utilisés dans des générateurs installés dans des environnements marins ou côtiers. Les alliages de la présente invention présentent également une excellente résistance à l'érosion ce qui les rend utile pour des composants de turbine à vapeur soumis à de la vapeur à haute vitesse. En outre, les alliages de la présente invention présentent une tenacité et une ductilité supérieures. Enfin, des essais de divers alliages, y compris ceux de la présente invention, ont clairement montre que de faibles teneurs en carbone et silicium sont nécessaires pour obtenir les caractéristiques souhaitables pour des anneaux de retenue.

Claims (2)

REVENDICATIONS

1 Alliage de fer caractérisé en ce qu'il comprend en poids

entre 19 et 30 % de manganèse, entre 19 et 25% de chrome, jusqu'à 1,5% d'azote, entre 0,001 et 0,25 % de carbone, entre 0,2 et 0,5 % de silicium, le reste étant du fer.

,usqu'a 2 de molybdène, jusqu'à 2% de vanadium et jus qu'à 0,001 t de bore.

2. Alliage selon la revendication 1, caractérise en ce que le carbone est présent en quantité allant jusqu'à 0,3 % 3 1 age selon la revendication 1, caractérise en ce qu'il comprend en outre, en poids

4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'azote est présent au moins à raison de 0,3 %.

5. Alliage selon la revendication 1 caracterisé en ce que le carbone est présent au plus à raison de 0,15 t.

6. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de manganèse présente égale ou excède la quantité de chrome présente.

entre 19 et 30 % de manganèse, entre 19 et 25 % de chrome, moins de 0,13 Ó de carbone, et moins de 0,3 % de silicium, le reste étant du fer ; et à solidifier c melange.

7. Procédé de production d'alliages ayant une solubilité accrue vis à-vis de l'azote, caractérise en ce qu'il consiste à former un melange fondu comprenant en poids

8. Anneau de retenue fait de l'alliage de la revendication 1.

9. Aube de turbine faite de l'alliage de la revendication 1.