FR2517327A1 - METALLIC COMPONENT WITH REDUCED TOTAL FLOWING AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
PIECE METALLIQUE PRESENTANT UN FLUAGE TOTAL REDUIT LORS D'UNE EXPOSITION THERMIQUE. ELLE SE CARACTERISE PAR UN ETAT DE SA MICROSTRUCTURE POUR LEQUEL SA DILATATION PAR FLUAGE SE FAIT, LORS D'UNE EXPOSITION THERMIQUE, DANS SON DOMAINE DE PLUS FAIBLE VITESSE. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.METAL PART SHOWING REDUCED TOTAL CREEP ON THERMAL EXPOSURE. IT IS CHARACTERIZED BY A STATE OF ITS MICROSTRUCTURE IN WHICH ITS EXPANSION BY CREEP TAKES PLACE, DURING THERMAL EXPOSURE, IN ITS LOWEST SPEED AREA. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.
Description
La présente invention concerne l'écrouissage des métaux et, plusThe present invention relates to the hardening of metals and, more
particulièrement, un procédé d'écrouissage des métaux et les pièces ayant une meilleure résistance au grandissement par fluage total pendant une exposition thermique produites à partir particularly, a process for hardening metals and parts having a better resistance to magnification by total creep during heat exposure produced from
de ces métaux écrouis.of these hardened metals.
Des pièces métalliques comme celles utilisées dans les turbomachines ou dans d'autres applications à contrainte et température élevées subissent souvent un grandissement par suite de la dilatation thermique, de la déformation par fluage, ou d'une combinaison des deux On définit la dilatation thermique comme le grandissement d'une pièce métallique par suite d'une augmentation de sa température La déformation par fluage, cependant, est le grandissement dimensionnel subi par une pièce métallique lorsqu'elle est soumise à une contrainte à température élevée Ce grandissement n'est généralement pas souhaitable Par exemple, dans une turbomachine telle qu'un moteur à turbine à gaz le grandissement d'un carter de compresseur provoquera une perte des jeux étroits de tolérance à l'intérieur Metal parts such as those used in turbomachines or in other high temperature and stress applications often experience magnification as a result of thermal expansion, creep deformation, or a combination of the two. Thermal expansion is defined as the growth of a metal part due to an increase in its temperature The creep deformation, however, is the dimensional increase undergone by a metal part when it is subjected to a stress at high temperature This magnification is generally not desirable For example, in a turbomachine such as a gas turbine engine the growth of a compressor housing will cause a loss of narrow tolerance sets inside.
du compresseur, se traduisant par une perte de rende- compressor, resulting in a loss of efficiency
ment du compresseur et exigeant une réparation plus fréquente. La dilatation thermique d'un métal ou d'un alliage est une caractéristique physique Il y a-peu de conditionnement mécanique connu qu'on peut appliquer à un métal ou alliage pour altérer ses caractéristiques de dilatation thermique La dilatation thermique sera généralement récupérable lors du refroidissement car la dilatation a lieu dans la région élastique avant compressor and requiring more frequent repair. The thermal expansion of a metal or alloy is a physical characteristic There is little known mechanical conditioning that can be applied to a metal or alloy to alter its thermal expansion characteristics Thermal expansion will generally be recoverable during cooling because the dilation takes place in the elastic region before
l'établissement d'une déformation plastique ou perma- the establishment of a plastic or permanent deformation
nente Dans toute application à haute température donnée o la dilatation d'un métal ou alliage n'est pas souhaitable, on peut éviter ou réduire les problèmes dus à cette dilatation en choisissant un matériau possédant une résistance inhérente à cette dilatation thermique pour la température de fonctionnement choisie. La déformation par fluage total des alliages métalliques, généralement appelée fluage ou fluage total, présente trois domaines distincts En bref, pour une température et une contrainte données, dans un premier domaine, la pièce métallique subit un In any application at a given high temperature where the expansion of a metal or alloy is undesirable, the problems due to this expansion can be avoided or reduced by selecting a material having a resistance inherent to this thermal expansion for the temperature of the metal. chosen operation. The total creep deformation of metal alloys, generally called creep or total creep, has three distinct domains. Briefly, for a given temperature and stress, in a first domain, the metal part undergoes
fluage rapide à une vitesse qui diminue avec le temps. fast creep at a speed that decreases with time.
Dans un second domaine, la pièce métallique subit un fluage à une vitesse linéaire, faiblement croissante In a second domain, the metal part undergoes creep at a linear velocity, slightly increasing
avec le temps, le domaine de plus basse vitesse. over time, the area of lower speed.
Enfin, un troisième domaine de fluage se traduit par un fluage rapide mais bref de la pièce métallique à une vitesse qui s'accroit avec le temps jusqu'à la rupture Cependant, dans chaque domaine, le fluage se traduit par une augmentation permanente ou non Finally, a third field of creep results in a rapid but brief creep of the metal part at a speed which increases with time until rupture. However, in each domain, the creep results in a permanent increase or not.
recouvrable des dimensions.recoverable dimensions.
Des travaux antérieurs pour accroître la résistance au fluage des métaux ou alliages ont comporté l'écrouissage de la surface de la pièce métallique par divers moyens y compris le laminage ou le grenaillage Ces procédés ont eu un succès limité voire aucun dans la réduction du fluage total d'une pièce en service Plus particulièrement, aucun des procédés antérieurs n'a concerné les divers domaines de fluage pour réduire le fluage total pendant Previous work to increase the creep resistance of metals or alloys has involved hardening the surface of the metal part by various means including rolling or shot blasting. These processes have had little or no success in reducing total creep In particular, none of the prior processes have involved the various creep domains to reduce total creep during
le service.the service.
La présente invention a donc pour but: de fournir une pièce métallique manufacturée meilleure dont la dilatation par grandissement par fluage se trouvera dans son domaine de plus faible vitesse; de fournir un procédé qui dilate une pièce métallique dans la totalité de son premier domaine de fluage au cours de sa fabrication; d'accroître la durée de vie et d'améliorer The present invention therefore aims: to provide a better manufactured metal part whose expansion by creep growth will be in its range of lower speed; providing a method that expands a metal part throughout its first creep domain during its manufacture; to increase the lifespan and improve
la performance d'un moteur à turbine à gaz en appli- the performance of a gas turbine engine in application
quant le procédé de l'invention à un carter de the method of the invention to a crankcase
compresseur.compressor.
Brièvement, la présente invention fournit une pièce manufacturée meilleure, telle un carter de compresseur pour des moteurs à turbine à gaz, qui se caractérise par le fait que sa microstructure est dans un état dans lequel la dilatation de la pièce par déformation ou grandissement par fluage pendant l'exposition thermique se trouvera grandement dans son domaine de plus faible vitesse Une telle pièce peut faire partie d'un ensemble d'éléments dont au moins un est conçu pour tourner par rapport à un Briefly, the present invention provides a better manufactured part, such as a compressor casing for gas turbine engines, which is characterized by the fact that its microstructure is in a state in which the expansion of the part by deformation or creep growth during the thermal exposure will be greatly in its area of lower speed Such a piece may be part of a set of elements of which at least one is designed to rotate relative to a
autre grâce à quoi on maintient un intervalle prédéter- other way, by maintaining a predetermined interval
miné entre les éléments.mined between the elements.
La présente invention, dans une autre forme, fournit un procédé pour la production d'une telle pièce The present invention, in another form, provides a method for the production of such a piece
pour lui conférer une résistance accrue à la déforma- to give it increased resistance to deformation
tion par fluage total pendant l'exposition thermique par chauffage de la pièce à une température choisie en-dessous de son point de fusion commençante cependant qu'on applique une force d'intensité suffisante pendant une durée suffisante pour dilater la pièce dans le premier domaine de fluage; ensuite on refroidit la pièce Après quoi, on peut usiner la pièce à une forme by total creep during thermal exposure by heating the workpiece to a selected temperature below its initial melting point, however, a force of sufficient intensity is applied for a time sufficient to expand the workpiece in the first area creep; then we cool the piece After that, we can machine the piece to a shape
qui considère que pratiquement toute dilatation plas- which considers that virtually any plastic dilatation
tique aura lieu dans le second domaine de fluage pendant l'exposition thermique. The tick will occur in the second creep domain during thermal exposure.
La suite de la description se réfère aux The rest of the description refers to
figures annexées qui représentent, respectivement Figure 1, une vue schématique partiellement en coupe d'un moteur à turbine à gaz d'avion comportant un carter de compresseur auquel on peut associer la présente invention; Figure 2, une vue en coupe de la partie arrière d'un compresseur montrant la relation de position existant entre le carter et les aubes de rotor et la relation de position entre les aubes de stator et le rotor; Figure 3, une représentation graphique de la déformation par fluage dans des métaux en fonction du temps pour une température et une contrainte données; Figure 4, une vue en coupe partielle d'un carter de compresseur non usiné disposé autour d'un moyen de dilatation; Figure 5, une représentation graphique du comportement d'une pièce métallique avec et sans l'application du pré-fluage selon l'invention décrite ici; et Figure 6, une représentation graphique du comportement au fluage d'un alliage utile avec la présente invention comparé à deux autres comportements du même alliage après application de la présente invention. Afin de tirer tout le bénéfice d'un matériau choisi pour sa résistance à la dilatation thermique on a selon la présente invention mis en évidence un procédé pour accroître la résistance au fluage total on peut préconditionner dans la pièce le grandissement initial associé au premier domaine de fluage La présente invention de réglage du fluage total d'une pièce de métal ou d'alliage pendant la durée de vie de la pièce, consiste à préconditionner la pièce pour le premier domaine de fluage et à la faire fonctionner dans le second domaine de fluage o la vitesse de attached figures which respectively represent, in FIG. 1, a schematic view partially in section of an airplane gas turbine engine comprising a compressor casing to which the present invention can be associated; Figure 2 is a sectional view of the rear portion of a compressor showing the positional relationship between the housing and the rotor blades and the positional relationship between the stator vanes and the rotor; Figure 3 is a graphical representation of creep deformation in metals as a function of time for a given temperature and stress; Figure 4 is a partial sectional view of a non-machined compressor housing disposed around an expansion means; Figure 5, a graphical representation of the behavior of a metal part with and without the application of pre-creep according to the invention described herein; and Figure 6, a graphical representation of the creep behavior of an alloy useful with the present invention compared to two other behaviors of the same alloy after application of the present invention. In order to reap the full benefit of a material chosen for its resistance to thermal expansion, according to the present invention a method for increasing the total creep resistance can be preconditioned in the workpiece the initial growth associated with the first Creep The present invention of controlling the total creep of a piece of metal or alloy during the service life of the part, consists in preconditioning the part for the first creep domain and in making it work in the second creep area. o the speed of
grandissement est la plus faible.magnification is the weakest.
Ainsi, la présente invention concerne le préconditionnement d'une pièce métallique pour le premier domaine de fluage de sorte que ce fluage n'apparaisse pas en service Le prétraitement pour ce premier domaine de fluage s'effectue en faisant passer la pièce métallique, telle qu'un carter de compresseur de turbomachine, dans le premier domaine de fluage pendant la fabrication et avant l'application au moteur réel La pièce fonctionnera ainsi en service dans le second domaine de fluage seulement On désignera le Thus, the present invention concerns the preconditioning of a metal part for the first creep area so that this creep does not appear in service. The pretreatment for this first creep area is carried out by passing the metal part, such as A turbomachine compressor casing, in the first creep area during manufacture and prior to application to the actual engine. The part will thus operate in service in the second creep range only.
procédé de la présente invention par pré-fluage. method of the present invention by pre-creep.
En se référant maintenant à la figure 1, une vue schématique représente un moteur à turbine à gaz, indiqué d'une manière générale en 10, dans le but d'illustrer une application à laquelle la présente invention se rapporte en général Le moteur 10 se compose en général d'une partie de soufflante 20, d'une partie de compresseur 30, avec lesquelles on décrira spécifiquement l'invention, une partie de combustion 50 et une partie de turbine 55 montées en série Le fonctionnement du moteur à turbine à gaz de la figure 1 est bien connu et par suite une Referring now to FIG. 1, a schematic view shows a gas turbine engine, indicated generally at 10, for the purpose of illustrating an application to which the present invention relates generally. generally comprises a blower portion 20, a compressor portion 30, with which the invention will be specifically described, a combustion portion 50 and a turbine portion 55 mounted in series. The operation of the gas turbine engine of Figure 1 is well known and therefore a
description de ce fonctionnement ne semble pas néces- description of this operation does not seem necessary.
saire.sary.
Dans la description ci-dessous de l'invention, In the description below of the invention,
le terme "direction axiale" désignera la direction parallèle à l'axe horizontal ou axe central du moteur 10 tel que vu sur la figure 1 Le terme "directior radiale" désignera une direction suivant une ligne qui the term "axial direction" will designate the direction parallel to the horizontal axis or central axis of the engine 10 as seen in FIG. 1. The term "radial directior" denotes a direction along a line that
est perpendiculaire et qui coupe le même axe horizon- is perpendicular and cuts the same horizontal axis
tal Le terme "direction tangentielle" désignera une direction suivant une ligne généralement formée par un lieu de points dans le même plan axial et The term "tangential direction" shall mean a direction along a line generally formed by a place of points in the same axial plane and
équidistant du même axe horizontal. equidistant from the same horizontal axis.
On se référera maintenant à la figure 2 qui est une vue en coupe de la partie arrière de compresseur Referring now to FIG. 2 which is a sectional view of the compressor rear section
30 et qui montre le carter arrière 31 du compresseur. 30 and which shows the rear case 31 of the compressor.
Le carter arrière 31 du compresseur se coiftpose d'une surface extérieure 32, une surface intérieure 34, une bride avant 36, une bride arrière 38 et une rainure arrière 39 La bride avant 36 comporte un ensemble de trous équidistants 37 a disposés circulairement pour recevoir une série de dispositifs de fixation pour fixer la partie avant du carter arrière 31 à la partie arrière du carter avant, non représenté pour des raisons de simplification De même, la bride arrière 38 comporte The rear casing 31 of the compressor is equipped with an outer surface 32, an inner surface 34, a front flange 36, a rear flange 38 and a rear groove 39. The front flange 36 comprises a set of equidistant holes 37 a arranged circularly to receive a series of fasteners for fixing the front portion of the rear case 31 to the rear portion of the front case, not shown for reasons of simplification Similarly, the rear flange 38 comprises
un ensemble de trous équidistants 37 b disposés circulai- a set of equidistant holes 37 b arranged circula-
rement pour recevoir une série de dispositifs de fixation pour fixer la partie arrière du carter arrière 31 au châssis du compresseur arrière, non représenté pour des raisons desimplification La rainure arrière 39 fournit un alignement concentrique entre le carter arrière 31 et le rotor 44 du compresseur Les trous de fixation dans la bride avant 31 et la bride arrière 38 ont des tolérances étroites et sont conçus pour The rear groove 39 provides a concentric alignment between the rear case 31 and the compressor rotor 44 of the compressor. The rear groove 39 provides a concentric alignment between the rear case 31 and the compressor rotor 44. fixing holes in the front flange 31 and the rear flange 38 have close tolerances and are designed to
coopérer avec des dispositifs de fixation et des sur- cooperate with fasteners and overrides
faces d'accouplement pour réduire le glissement tangentiel du carter pendant le fonctionnement du moteur. En se référant toujours à la figure 2, la partie de compresseur 30 comporte un ensemble d'aubes de stator alignées axialement 40 montées à glissement, circulairement, dans le carter 31 de compresseur, et un ensemble d'aubes de rotor alignées axialement 42 montées à glissement, circulairement, dans un coupling faces to reduce tangential sliding of the housing during engine operation. Referring still to FIG. 2, the compressor portion 30 includes a plurality of axially aligned stator vanes 40 slidably mounted, circularly, in the compressor housing 31, and a set of axially aligned rotor vanes 42 mounted therein. sliding, circularly, in a
rotor 44 de compresseur.compressor rotor 44.
Le rendement d'un compresseur et par suite la performance du moteur sont directement liés au jeu The performance of a compressor and consequently the performance of the engine are directly related to the game
radial 48 entre les bouts radialement les plus exté- radial 48 between the radially outermost ends
rieurs des aubes de rotor 42 et de la surface intérieure 34 du carter, et le jeu radial 46 entre les bouts radialement les plus intérieurs des aubes de stator 40 rotor blade 42 and inner surface 34 of the housing, and the radial clearance 46 between the radially innermost ends of the stator vanes 40
et la surface intérieure 43 du rotor de turbine 44. and the inner surface 43 of the turbine rotor 44.
On obtient une amélioration notable dans la performance et le rendement, telle que, sans y être limité, des améliorations dans la consommation spécifique de carburant et le fait d'éviter la détérioration de la marge de décrochage, en maintenant des jeux 46 et 48 aussi petits que possible pendant tout fonctionnement donné du moteur et pendant la vie du moteur Ainsi le grandissement du carter de compresseur par dilatation thermique ou par fluage n'est pas souhaitable et doit Significant improvements in performance and performance are achieved, such as, but not limited to, improvements in specific fuel consumption and avoiding the deterioration of the stall margin, by maintaining games 46 and 48 as well. as small as possible during any given operation of the engine and during the life of the engine Thus the enlargement of the compressor housing by thermal expansion or by creep is not desirable and must
être évité.to be avoided.
La présente invention, dans une forme, fournit une pièce de métal appropriée pour être utilisée comme un carter de compresseur qui ne fluera pas à un point tel que les jeux 46 et 48 s'accroisseraient jusqu'à des limites qui se traduiront par une détérioration du The present invention, in one form, provides a piece of metal suitable for use as a compressor casing that will not flow to such a point that the sets 46 and 48 would grow to limits which will result in deterioration of
rendement du compresseur ou des performances du moteur. compressor performance or engine performance.
L'invention est obtenue en tirant bénéfice de la forme caractéristique de la courbe de fluage d'un métal ou The invention is achieved by taking advantage of the characteristic shape of the creep curve of a metal or
d'un alliage métallique La figure 3 est une représen- of a metal alloy Figure 3 is a representation
tation graphique de la déformation par fluage observée dans des alliages métalliques en fonction du temps pour une température et une contrainte données, comme indiqué précédemment Comme le montre la courbe, il apparaît un fluage important en un court instant dans le premier graphical representation of the creep deformation observed in metal alloys as a function of time for a given temperature and stress, as indicated previously As the curve shows, a large creep appears in a short instant in the first
domaine de fluage.creep area.
Les températures de service élevées subies par le carter arrière 31 se traduiront par une dilatation thermique du carter Comme indiqué précédemment, cette dilatation sera généralement récupérable lors du refroidissement car la dilatation a lieu dans le The high operating temperatures experienced by the rear casing 31 will result in a thermal expansion of the casing As indicated above, this expansion will generally be recoverable during cooling because the expansion takes place in the housing.
domaine élastique avant l'établissement de la déforma- elastic domain before the establishment of deformation
tion plastique ou permanente Le choix d'un matériau à faible coefficient de dilatation thermique se traduira par une moindre dilatation thermique et des rendements accrus de fonctionnement Un tel alliaae à faible coefficient de dilatation thermique, qui a été choisi pour le carter arrière 31, est l'alliage du commerce à base de fer connu sous la dénomination M 152 quia pour composition nominale Cr: 11,9 %, Ni: 2,5 %, Mo: 1,8 %, V: 0,3 %, Mn: 0,7 %, C: 0,5 %, le reste étant du fer et des impuretés éventuelles Dans la The selection of a material with a low coefficient of thermal expansion will result in less thermal expansion and increased operating efficiencies. Such a low thermal expansion coefficient alloy, which has been chosen for the rear case 31, is the commercial iron-based alloy known under the name M 152 which has a nominal composition Cr: 11.9%, Ni: 2.5%, Mo: 1.8%, V: 0.3%, Mn: 0 , 7%, C: 0.5%, the balance being iron and possible impurities In the
présente description, sauf indication contraire, tous this description, unless otherwise indicated, all
les pourcentages de composition sont des pourcentages en poids On a choisi cet alliage de préférence aux alliages utilisés auparavant ayant un coefficient de dilatation thermique plus élevé Cependant, on a trouvé qu'il était sujet à un grand fluage total Pour une utilisation efficace des caractéristiques bénéfiques de faible coefficient de dilatation thermique de cet alliage à base de fer, il est nécessaire de réduire the percentages of composition are percentages by weight This alloy was chosen in preference to the previously used alloys having a higher coefficient of thermal expansion. However, it was found to be subject to a large total creep for efficient use of the beneficial characteristics. low thermal expansion coefficient of this iron-based alloy, it is necessary to reduce
ou d'éliminer l'apparition du fluage pendant le service. or eliminate the appearance of creep during service.
L'analyse a montré que la majorité de la défor- The analysis showed that the majority of the defor-
mation par, fluage pendant la vie d'un carter de-compres- by creep during the life of a crankcase
seur fait d'un tel alliage à base de fer a lieu en fonctionnement dans le premier domaine de fluage En appliquant le procédé de la présente invention à une telle pièce, elle subira, en service, un fluage seulement dans le second domaine Le fluage dans le premier domaine aura été éliminé par pré-fluage pendant la fabrication de la pièce, selon l'invention Le fluage qui alors apparaît pendant le service ne se traduira pas par le type de Such an iron-based alloy is in operation in the first creep range. By applying the process of the present invention to such a part, it will, in use, undergo creep only in the second range. the first domain has been removed by pre-creep during the production of the part, according to the invention The creep which then appears during the service will not result in the type of
grandissement rapide du carter de compresseur qui con- rapid increase of the compressor casing which
duit à la détérioration des rendements ou performances du moteur. La présente invention comprend le traitement thermomécanique de la pièce, par exemple, on peut utiliser le carter non usiné dans la fabrication du carter final 31 du compresseur arrière La figure 4 est une vue en coupe partielle d'un carter de compresseur non usiné 61, par exemple sous la forme d'une pièce forgée, moulée, d'une feuille laminée et soudée, d'une plaque, etc Le carter de compresseur non usiné 61 est disposé autour d'un moyen de dilatation 60 Dans cette réalisation, le moyen de dilatation 60 consiste en un mandrin ayant un coefficient de dilation thermique supérieur au carter du compresseur disposé autour du moyen de dilatation Le moyen de dilatation derives from the deterioration of engine performance or performance. The present invention comprises the thermomechanical treatment of the part, for example, the unmachined casing can be used in the manufacture of the final casing 31 of the rear compressor. FIG. 4 is a partial sectional view of a non-machined compressor casing 61. for example in the form of a molded forged part, a rolled and welded sheet, a plate, etc. The unmachined compressor housing 61 is arranged around an expansion means 60. In this embodiment, the means Expansion 60 consists of a mandrel having a coefficient of thermal expansion greater than the compressor casing disposed around the expansion means. Expansion means
aura également une température de fusion commen- will also have a melting temperature
çante supérieure à la température choisie pour dilater le carter de compresseur non usiné dans le premier domaine de fluage pendant l'application de la présente invention, comme cela sera discuté plus en détail plus loin Le mandrin du moyen de dilatation 60 peut être plein ou annulaire Le matériau du mandrin peut être du type caractérisé par la composition nominale représentant l'alliage du commerce A-286: Ni: 26 %, Cr: 15 %, Ti: 2,1 %, Mn: 1,5 %, Mo: 1,3 %, Si 0,7 %, Al: 0,3 %, V: 0,3 %, C 0,04 %, B: 0,005 %, greater than the temperature chosen to expand the unmachined compressor casing in the first creep range during the application of the present invention, as will be discussed in more detail below. The mandrel of the expansion means 60 may be solid or annular The mandrel material may be of the type characterized by the nominal composition representing the commercial alloy A-286: Ni: 26%, Cr: 15%, Ti: 2.1%, Mn: 1.5%, Mo: 1 , 3%, Si 0.7%, Al: 0.3%, V: 0.3%, C 0.04%, B: 0.005%,
le complément étant du fer et des impuretés éventuelles. the balance being iron and possible impurities.
Le carter non usiné 61 placé autour du moyen de dilatation 60 est placé dans un four et chauffé pendant une durée et à une température suffisantes pour obliger le moyen de dilatation 60 à se dilater suffisamment contre le carter non usiné 61 Lorsque The unmachined casing 61 placed around the expansion means 60 is placed in an oven and heated for a time and at a temperature sufficient to cause the expansion means 60 to expand sufficiently against the unmachined casing 61.
le carter est en alliage M 152, cette dilatation provo- the casing is in alloy M 152, this expansion provoking
quera le fluage du carter au-delà de 0,115 %, ce qui sera suffisant pour faire traverser au carter le premier domaine de fluage par suite des contraintes circulaires induites dans le carter par le moyen de dilatation Le carter non usiné 61 est ensuite traité the crankcase creep beyond 0.115%, which will be sufficient to cause the casing to pass through the first creep area as a result of the circular stresses induced in the casing by the expansion means. The unmachined casing 61 is then treated.
dans le cycle de fabrication d'une manière normale. in the manufacturing cycle in a normal way.
On a mis en évidence le traitement thermo- The heat treatment has been highlighted.
mécanique désigné par pré-fluage sur deux pièces forgées de carter arrière de compresseur Dans cette évaluation de la présente invention, on a utilisé comme moyen de dilatation un acier inoxydable du commerce A.I S I 321 ayant pour composition nominale Cr: 18 %, Ni 9,5 %, Mn 2 %, Si: 0, 75 %,-Cu: 0,5 %, Mo: 0,5 %, Ti 0,1 %, C 0,08 %, le reste étant du fer et des impuretés éventuelles On a utilisé l'agencement physique représenté à la figure 4: La pièce forgée de carter arrière de compresseur 61 était disposée autour d'un moyen de dilatation 60 On chauffait ensuite uniformément l'ensemble dans un four à air forcé et on maintenait à 565, 50 C 140 C pendant 4 heures 15 minutes A la fin du chauffage, on enlève l'ensemble du four et on le laisse refroidir à l'air jusqu'à la température ambiante Une série de mesures diamétrales faites à la température ambiante a montré que la pièce forgée de carter arrière de compresseur avait dépassé une déformation par fluage de 0,115 %, Pre-creep Mechanical Design on Two Compressor Sump Forgings In this evaluation of the present invention, a commercially available stainless steel AI SI 321 having a nominal composition Cr: 18%, Ni 9, was used as the expansion means. 5%, Mn 2%, Si: 0, 75%, - Cu: 0.5%, Mo: 0.5%, Ti 0.1%, C 0.08%, the remainder being iron and any impurities The physical arrangement shown in FIG. 4 was used: The compressor rear case forging 61 was disposed around an expansion means 60 Then the unit was heated uniformly in a forced air oven and maintained at 565 , 50 C 140 C for 4 hours 15 minutes At the end of heating, remove the whole oven and let it cool in air to room temperature A series of diametric measurements made at room temperature showed the forged compressor crankcase had exceeded a deformat creep ion of 0.115%,
indiquant que l'on avait amorcé un fluage secondaire. indicating that a secondary creep had begun.
On a entrepris une évaluation des effets du procédé de pré-fluage de l'invention sur d'autres propriétés mécaniques de la pièce pré-fluée On a comparé les résultats avec ceux obtenus pour un carter arrière de compresseur identique qui n'a pas été soumis au procédé de pré-fluage de la présente invention Les résultats des essais de fluage sont indiqués dans le An evaluation of the effects of the pre-creep method of the invention on the other mechanical properties of the pre-flowed part was performed. The results were compared with those obtained for an identical compressor rear case which was not subject to the pre-creep process of the present invention The results of the creep tests are indicated in FIG.
1732717327
tableau I, de fatigue oligocyclique (LCF) dans le tableau II, et de traction dans le tableau III Dans les tableaux, DI représente le diamètre intérieur, DE le diamètre extérieur et "PC" l'état de pré-fluage associé à la présente invention et "NPC" représente un état de non pré-fluage ou l'état "brut de réception" Table I, Oligocyclic fatigue (LCF) in Table II, and tensile in Table III In the tables, DI represents the inside diameter, OD and the "PC" pre-creep state associated with this invention and "NPC" represents a state of non-pre-creep or the state "raw reception"
de la pièce forgée.of the forged part.
TABLEAU ITABLE I
RESULTATS DE L'ESSAI DE FLUAGERESULTS OF THE FLOWING TEST
TYPE SPECTYPE SPEC
NPC (DI)NPC (DI)
PC(DI)PC (DI)
NPC(DI)NPC (DI)
PC (DI)PC (DI)
NPC (DE)NPC (DE)
PC (DE)PC (DE)
NPC (DE)NPC (DE)
PC(DE)PC (DE)
TEMPERATURETEMPERATURE
D'ESSAITEST
( C) 537,7 537,7 537,7 537,7 537,7 537,7 537,7 537,7 (C) 537.7 537.7 537.7 537.7 537.7 537.7 537.7 537.7
CONTRAINTECONSTRAINT
(da N/mm 2)(da N / mm 2)
13,78813.788
13,78813.788
17,23517.235
17,23517.235
13,78813.788
13,78813.788
17,23517.235
17,23517.235
RESULTATSRESULTS
TYPE SPEC NPC PC NPC PC NPC PC RO =TYPE SPEC NPC PC NPC PC NPC PC RO =
TABLEAU IITABLE II
DE L'ESSAI DE FATIGUE OIOF FATIGUE OI TEST
A 537,70 C Kt = 1,0At 537.70 C Kt = 1.0
PSEUDO-CONTRAINTEPseudo-STRESS
ALTERNEE Ci (da N/mm)ALTERNATE Ci (da N / mm)
63,42463.424
63,42463.424
48,25848.258
48,25848.258
41,36441.364
41,36441.364
LIGOCYCLIQUELIGOCYCLIQUE
YCLES JUSQU'AYCLES UNTIL
RUPTUREBREAKING
3.600 5.2003.600 5.200
12.00012,000
19.00019,000
24.50024,500
000 (RO)::000 (RO) ::
hors norme TEMPSout of time standard
JUSQU'AUNTIL
UNA
FLUAGECREEP
DE 0,1 %0.1%
47,0 158,0 21,5 47,0 16,5 63,0 6,5 14,0 TEMPS 47.0 158.0 21.5 47.0 16.5 63.0 6.5 14.0 TIME
JUSQU'AUNTIL
UNA
FLUAGECREEP
DE 0,2 %0.2%
221,5 519,0 131,0 221,5 106,0 314,0 81,4 106,0 221.5 519.0 131.0 221.5 106.0 314.0 81.4 106.0
TABLEAU IIITABLE III
MOYENNE DES RESULTATS DE L'ESSAI DE TRACTION. AVERAGE RESULTS OF THE TRACTION TEST.
LIMITELIMIT
TEMPERA LIMITE D'ELASTI-TEMPERA LIMIT OF ELASTI-
TURE D'ELASTI CITE ALLON-TURE OF ELASTI CITE ALLON-
TYPE D'ESSAI CITE 2 A 0,2 % 2 GEMENT STRICTION TYPE OF TEST ISCED 2 TO 0.2% 2 GEMENT STRICTION
SPEC (OC) (da N/mu) (da N/mm) (%) (%) SPEC (OC) (da N / mu) (da N / mm) (%) (%)
NPC 21,1 115,82 95,516 17 66NPC 21.1 115.82 95.516 17 66
PC 21,1 110,30 90,311 16 65PC 21.1 110.30 90.311 16 65
NPC 537,7 72,387 63,424 24 81NPC 537.7 72.387 63.424 24 81
PC 537,7 68,94 62,735 20 77PC 537.7 68.94 62.735 20 77
En se référant au tableau I, on a indiqué la remarquable amélioration de la résistance au fluage par la mise en oeuvre de l'invention pour chaque niveau de contrainte, à la fois pour le diamètre intérieur et le diamètre extérieur des éprouvettes traitées, aux niveaux de pourcentage de fluage mesuré De même, le tableau II montre l'amélioration notable de la durée de vie en fatigue oligocyclique par l'utilisation de la présente invention par rapport aux éprouvettes non traitées à chaque niveau testé Les résultats du tableau III montrent que les propriétés de traction ne sont pas notablement affectées par la mise en oeuvre Referring to Table I, the remarkable improvement in creep resistance was shown by the practice of the invention for each stress level, both for the inside diameter and the outside diameter of the treated specimens, at the same time. Similarly, Table II shows the significant improvement in the fatigue life of oligocyclic fatigue by the use of the present invention compared to untreated test pieces at each tested level. The results in Table III show that the tensile properties are not significantly affected by the implementation
de l'invention.of the invention.
En se référant maintenant à la figure 5, on a représenté graphiquement les résultats du fluage radial à la position de la bride arrière (indiquée en 38 sur la figure 2) pour une pièce forgée de carter arrière de compresseur avec et sans application des procédés de pré-fluage de la présente invention A titre d'exemple, les résultats montrent que pour un service choisi de moteur de 3 000 heures, le matériau qui n'a pas subi de pré-fluage subirait une croissance radiale d'environ 0,28 mm cependant que du matériau soumis au procédé de pré-fluage de la présente invention subira seulement une croissance radiale d'environ 0,114 mm Si une croissance radiale maximale d'environ 0,23 mm est permise avant que n'apparaisse une détérioration du rendement du compresseur ou des performances du moteur, le matériau n'ayant pas subi de pré-fluage aura une vie attendue d'environ 800 heures Par comparaison, le matériau soumis au procédé de pré-fluage de la présente invention aura une vie attendue d'environ 15 000 heures, une amélioration Referring now to FIG. 5, the results of radial creep at the position of the back flange (shown at 38 in FIG. 2) are graphically represented for a compressor rear case forging with and without application of the Pre-creep of the present invention By way of example, the results show that for a selected engine service of 3000 hours, the material which has not undergone pre-creep would undergo a radial growth of about 0.28. However, only material subjected to the pre-creep process of the present invention will only experience radial growth of about 0.114 mm. If maximum radial growth of about 0.23 mm is allowed before deterioration in the yield of the compressor or engine performance, the material not having undergone pre-creep will have an expected life of about 800 hours By comparison, the material subjected to the pre-creep process of the present inventio n will have an expected life of approximately 15,000 hours, an improvement
très marquée.very marked.
Le procédé utilisé et décrit est efficace pour obliger une pièce métallique à fluer dans le premier domaine Comme dans tout procédé de ce type, on introduit certaines contraintes résiduelles, qui seront relaxées ou récupérables pendant certaines The method used and described is effective in forcing a metal part to flow in the first domain As in any process of this type, some residual stresses are introduced, which will be relaxed or recoverable during certain
opérations de chauffage ou de relaxation des contrain- heating or relaxation of the contrain-
tes, par exemple, dans des cycles de fabrication ultérieurs tels que le revêtement, le soudage ou des traitements thermiques de relaxation des contraintes, for example, in subsequent manufacturing cycles such as coating, welding or heat stress relieving treatments,
seuls ou en combinaison L'alliage M 152 décrit ci- alone or in combination The alloy M 152 described above
dessus a été soumis à un cycle de trempe de 565,50 C pendant 4 heures après l'application du procédé de pré-fluage de l'invention La pièce métallique n'était pas fixée, c'est-à-dire, était à l'état libre, This was subjected to a quenching cycle of 565.50 C for 4 hours after application of the pre-creep method of the invention. The metal part was not fixed, i.e., was the free state,
et on a observé une certaine récupération anélastique. and some anelastic recovery has been observed.
La figure 6 est une représentation graphique de la déformation par fluage en fonction du temps pour une température et une contrainte données pour un matériau de base n'ayant pas subi de pré-fluage, un matériau FIG. 6 is a graphical representation of creep versus time deformation for a given temperature and stress for a pre-creep base material, a material
pré-flué et trempé et un matériau pré-flué seulement. pre-cured and tempered and pre-cured material only.
On observera que le matériau pré-flué et trempé présente une amélioration importante de la résistance au fluage total par rapport au matériau n'ayant pas It will be observed that the pre-cured and quenched material has a significant improvement in the total creep resistance compared to the non-cured material.
subi de pré-fluage.undergone pre-creep.
De ce qui précède, il est clair qu'on a trouvé un moyen efficace de faire passer une pièce métallique dans le premier domaine de fluage pendant le cycle de fabrication Un tel procédé prolongera la vie de la pièce et dans l'application à un carter de compresseur de moteur à turbine à gaz, contribuera au maintien du rendement du compresseur et des performances du moteur pendant une plus longue période de temps Le procédé est bien adapté pour satisfaire From the foregoing, it is clear that an effective way has been found to pass a metal piece into the first creep range during the manufacturing cycle. Such a process will prolong the life of the part and in the application to a crankcase. gas turbine engine compressor, will help maintain compressor efficiency and engine performance for a longer period of time The process is well suited to meet
aux objectifs mentionnés ci-dessus. to the objectives mentioned above.
Le procédé de pré-fluage de la présente invention est particulièrement utile pour réduire le fluage total d'un carter de compresseur à base de fer pendant des expositions thermiques On peut aussi appliquer le procédé décrit sous diverses formes à d'autres pièces (de forme annulaire, circulaire ou The pre-creep method of the present invention is particularly useful for reducing the total creep of an iron-based compressor casing during thermal exposures. The method described in various forms can also be applied to other pieces of ring, circular or
linéaire) et/ou d'autres métaux ou alliages métalli- linear) and / or other metals or metal alloys
ques Le procédé est applicable au Co, Fe, Ni, Ti, Al et aux alliages renfermant ces éléments, tels que les superalliages à base de nickel, les aciers inoxydables, les aciers faiblement alliés ou autres utilisés dans des The process is applicable to Co, Fe, Ni, Ti, Al and alloys containing these elements, such as nickel-based superalloys, stainless steels, low alloyed steels or others used in
applications à haute température et contraintes élevées. high temperature applications and high stresses.
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