FR2929293A1

FR2929293A1 - Alliage a base de ni pour rotor de turbine a vapeur et rotor de turbine a vapeur le comprenant

Info

Publication number: FR2929293A1
Application number: FR0951960A
Authority: FR
Inventors: Takahiro Kubo; Kiyoshi Imai; Masayuki Yamada; Masafumi Fukuda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2009-10-02
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: DE102009012877A1; JP4585578B2; JP2009242902A; FR2929293B1; US20090257865A1

Abstract

L'invention concerne un alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur qui contient en pourcent en masse : C : 0,05 à 0,15, Cr : 22 à 28, Co : 10 à 22, Mo : 8 à 12, Al : 0,8 à moins de 1,5, Ti : 0,1 à 0,6, B : 0,001 à 0,006, Re : 0,1 à 2,5, et le complément constitué par Ni et des impuretés inévitables, ainsi qu'un rotor de turbine à vapeur constitué au moins en partie par l'alliage à base de Ni ci-dessus.

Description

Alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur et rotor de turbine à vapeur le comprenant

Arrière-plan de l'invention 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un matériau formant un rotor de turbine à vapeur dans laquelle de la vapeur à haute température circule en tant que fluide moteur, et plus particulièrement un alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur ayant une excellente résistance aux hautes températures et analogues, et un rotor de turbine à vapeur constitué par cet alliage à base de Ni.

2. Description de l'état de la technique Pour une centrale thermique incluant une turbine à vapeur, la technologie pour supprimer l'émission de dioxyde de carbone a été étudiée avec intérêt sous l'angle de la protection globale de l'environnement, et les besoins de production d'énergie à haut rendement sont croissants. Pour augmenter le rendement de production d'énergie d'une turbine à vapeur, il est efficace d'augmenter la température de la vapeur à un haut niveau, et, dans les centrales thermiques récentes ayant des turbines à vapeur, la température de la vapeur atteint 600°C ou plus. Il existe une tendance selon laquelle la température de la vapeur atteindra 650°C et même 700°C dans le futur.

Un rotor de turbine comprenant des pales mobiles entraînées par de la vapeur à haute température est soumis à une haute température du fait de la circulation de vapeur à haute température, ce qui produit des contraintes importantes par rotation. De ce fait, le rotor de turbine doit résister aux hautes températures et aux contraintes élevées, et le matériau constituant le rotor de turbine doit avoir une excellente résistante mécanique, une excellente ductilité et une excellente ténacité dans la plage de températures de la température ambiante aux hautes températures. En particulier, si la température de la vapeur dépasse 700°C, un matériau à base de fer conventionnel présente une médiocre résistance aux hautes températures de sorte que l'application d'un alliage à base de Ni est envisagée par exemple dans le document JP-A 7-150 277 (KOKAI). Un alliage à base de Ni a été appliqué largement comme matériau principalement pour les moteurs à réaction et les turbines à gaz du fait qu'il a une excellente résistance aux hautes températures et une excellente résistance à la corrosion. Comme exemple typique, l'alliage Inconel 617 (fabriqué par Special Metals Corporation) et l'alliage Inconel 706 (fabriqué par Special Metals Coporation) ont été utilisés. Comme mécanisme pour augmenter la résistance aux hautes températures d'un alliage à base de Ni, Al et Ti sont ajoutés pour garantir la résistance aux hautes températures par précipitation d'une phase précipitée appelée phase gamma prime (Ni3(Al, Ti)) ou d'une phase gamme seconde, ou de ces deux phases dans le matériau de phase mère de l'alliage à base de Ni. Par exemple, l'alliage Inconel 706 garantit une résistance aux hautes températures par précipitation de la phase gamma prime et de la phase gamma seconde. En même temps, la résistance aux hautes températures de l'alliage Inconel 617 est garantie par renforcement (consolidation par solution solide) de la phase mère à base de Ni par addition de Co et Mo.

Par exemple, JP-A 2002-88455 (KOKAI) et JP-A 2001-247942 (KOKAI) décrivent un alliage à base de Ni dont les caractéristiques de résistance aux hautes températures sont améliorées par ajustement de composants ajoutés sur la base des composants d'alliage Inconel. L'alliage à base de Ni de JP-A 2002-88455 (KOKAI) est amélioré concernant la corrosion par sulfuration aux hautes températures. JP-A 2001-247942 (KOKAI) décrit un arbre de rotor en alliage à base de Ni dans lequel un composé intermétallique fragile formé lors d'une utilisation de longue durée est supprimé. Comme les alliages à base de Ni conventionnels décrits ci- dessus ont une médiocre productivité, ils ont été utilisés uniquement pour des pièces relativement petites destinées aux hautes températures. De ce fait, dans le cas où un alliage à base de Ni conventionnel est utilisé, par exemple, pour des éléments de moteur à réaction ou de turbine à gaz, les pièces dans lesquelles l'alliage à base de Ni est utilisé sont limitées aux pales de petites dimensions ayant une longueur inférieure à 1 m, aux pièces de type disque ayant un poids brut inférieur à 1 tonne et analogues.

Bref résumé de l'invention Ainsi, la présente invention fournit un alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur dont l'aptitude à la mise en forme comme la forgeabilité est excellente et permettant de produire un rotor de turbine forgé de grande taille, et un rotor de turbine à vapeur comprenant un tel alliage.

Selon un aspect de l'invention, il est fourni un alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur qui contient en pourcent en masse : C : 0,05 à 0,15, Cr : 22 à 28, Co : 10 à 22, Mo : 8 à 12, Al : 0,8 à moins de 1,5, Ti : 0,1 à 0,6, B : 0,001 à 0,006, Re : 0,1 à 2,5, et le complément constitué par Ni et des impuretés inévitables.

Selon un aspect de l'invention, il est fourni aussi un rotor de turbine disposé dans une turbine à vapeur dans laquelle de la vapeur à haute température est introduite, où au moins une partie prédéterminée est constituée par l'alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur décrit ci-dessus.

Description détaillée de l'invention Des modes de réalisation de l'invention vont être décrits ci-dessous. Un alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur dans un mode de réalisation selon la présente invention est composé des plages de composants montrées ci-dessous. Dans la description suivante, les pourcentages indiquant les composants constitutifs sont en masse sauf indication contraire. (Ml) alliage à base de Ni qui contient : C : 0,05 % à 0,15 %, Cr: 22%à28%,Co: 10 % à 22 %, Mo : 8 % à 12%, Al :0,8%à moins de 1,5 %, Ti : 0,1 % à 0,6 %, B : 0,001 % à 0,006 %, Re : 0,1 % à 2,5 %, et le complément constitué par Ni et des impuretés inévitables. Concernant les impuretés inévitables contenues dans les alliages à base de Ni (Ml) ci-dessus, celles-ci sont réduites de préférence de telle manière qu'au moins Si représente 1 % ou moins, et Mn représente 1 % ou moins.

L'alliage à base de Ni ayant les plages de composants constitutifs décrites ci-dessus est approprié comme matériau constituant le rotor d'une turbine à vapeur qui est exposée à une température dans la plage de 680 à 750°C pendant son fonctionnement. Toutes les parties du rotor de turbine à vapeur peuvent être constituées par l'alliage à base de Ni, et certaines parties, qui sont soumises à une température particulièrement élevée, du rotor de la turbine à vapeur peuvent être constituées par cet alliage à base de Ni. Comme parties du rotor de turbine à vapeur qui sont exposées à une haute température, on trouve spécifiquement toutes les régions d'une section de turbine à vapeur à haute pression, ou les régions allant d'une section de turbine à vapeur à haute pression à certaines parties d'une section de turbine à vapeur à pression intermédiaire. Les alliages à base de Ni ayant les plages de composants constitutifs décrites ci-dessus peuvent améliorer l'aptitude à la mise en forme comme la forgeabilité. En d'autres termes, l'alliage à base de Ni est utilisé pour constituer le rotor de turbine à vapeur de sorte que l'aptitude à la mise en forme comme la forgeabilité du rotor peut être améliorée, et qu'il est possible de produire un rotor de turbine ayant une grande fiabilité sans fissuration au cours de la fabrication. Les raisons pour lesquelles les plages de composants constitutifs individuels de l'alliage à base de Ni selon l'invention décrit ci-dessus sont limitées vont être présentées ci-dessous. (1) C (carbone) C est utile comme élément constitutif d'un carbure de type M23C6 qui constitue une phase consolidante, et en particulier, la résistance au fluage de l'alliage est maintenue par précipitation d'un carbure de type M23C6 pendant le fonctionnement de la turbine à vapeur dans un environnement à haute température de 650°C ou plus. Il a aussi pour effet d'assurer la fluidité d'un métal fondu lors de la coulée. Si la teneur en C est inférieure à 0,05 %, une quantité de précipitation de carbure suffisante ne peut pas être garantie, de sorte que la résistance mécanique est dégradée, et que la fluidité du métal fondu lors de la coulée diminue considérablement. D'autre part, si la teneur en C dépasse 0,15 %, la tendance à la ségrégation des composants augmente lors de la production d'un lingot de grande taille, la formation d'un carbure de type M6C, qui constitue une phase de fragilisation, est favorisée, et la résistance mécanique est améliorée, mais la forgeabilité et dégradée. De ce fait, la teneur en C est déterminée comme étant de 0,05 % à 0,15 %. (2) Cr (chrome) Cr est un élément indispensable pour améliorer la résistance à l'oxydation, la résistance à la corrosion et la résistance mécanique de l'alliage à base de Ni. En outre, il est indispensable comme élément constitutif d'un carbure de type M23C6, et en particulier, la résistance au fluage de l'alliage est maintenue par précipitation d'un carbure de type M23C6 pendant le fonctionnement de la turbine à vapeur dans un environnement à haute température de 650°C ou plus. En outre, Cr améliore la résistance à l'oxydation dans un environnement de vapeur à haute température. Si la teneur en Cr est inférieure à 22 %, la résistance à l'oxydation diminue. D'autre part, si la teneur en Cr dépasse de 28 %, la précipitation d'un carbure de type M23C6 est considérablement accélérée, ce qui conduit à une augmentation de la tendance au grossissement. De ce fait, la teneur en Cr est déterminée comme étant de 22 % à 28 %. (3) Co (cobalt) Dans l'alliage à base de Ni, Co améliore la résistance mécanique d'une phase mère en. formant une solution solide dans la phase mère. Cependant, si la teneur en Co dépasse 22 %, il se forme une phase de composé intermétallique qui dégrade la résistance mécanique, et la forgeabilité est dégradée. D'autre part, si la teneur en Co est inférieure à 10 %, l'aptitude à la mise en forme est dégradée, et la résistance mécanique est abaissée. De ce fait, la teneur en Co est déterminée comme étant de 10 % à 22 %. (4) Mo (molybdène) Mo procure un effet de formation d'une solution solide dans une phase mère de Ni ce qui améliore la résistance mécanique de la phase mère, et sa substitution partielle dans un carbure de type M23C6 améliore la stabilité du carbure. Si la teneur en Mo est inférieure à 8 %, l'effet ci-dessus ne peut pas être exercé, et si la teneur en Mo dépasse 12 %, la tendance à la ségrégation des composants augmente quand un lingot de grande taille est produit, et la formation d'un carbure de type M6C, qui constitue une phase de fragilisation, est accélérée. De ce fait, la teneur en Mo est déterminée comme étant de 8 % à 12 %.

Mo et Co décrits ci-dessus ont en commun qu'ils ont pour effet d'améliorer la résistance mécanique de la phase mère, et, pour présenter effectivement cette caractéristique commune et leurs autres caractéristiques, quand la teneur en Mo est, par exemple, de 8 à moins de 10 %, il est souhaitable que la teneur en Co soit supérieure à 15 % et pas supérieure à 22 %, et quand la teneur en Mo est, par exemple, de 10 à 12 %, il est souhaitable que la teneur en Co soit de 10 à 15 %.

(5) AI (aluminium) Al forme une phase ~ (phase gamma prime : Ni3AI) avec Ni et améliore la résistance mécanique de l'alliage à base de Ni sur la base de la précipitation. Si la teneur en Al est inférieure à 0,8 %, la résistance mécanique n'est pas améliorée par rapport à un acier conventionnel, et si la teneur en Al est 1,5 % ou plus, la résistance mécanique est améliorée mais la forgeabilité est dégradée. De ce fait, la teneur en Al est déterminée comme étant de 0,8 % à moins de 1,5 %.

(6) Ti (titane) De manière similaire à Al, Ti forme une phase (phase gamma prime : Ni3Ti) avec Ni et améliore la résistance mécanique de l'alliage à base de Ni. Si la teneur en Ti est inférieure à 0,1 %, l'effet ci-dessus n'est pas exercé, et si la teneur en Ti dépasse 0,6 %, l'aptitude à la mise en forme à chaud est dégradée, et la sensibilité aux entailles devient élevée. De ce fait, la teneur en Ti est déterminée comme étant de 0,1 % à 0,6 %. (7) B (bore) B présente une ségrégation dans les joints de grains, ce qui affecte les caractéristiques aux hautes températures. En outre, B a un effet d'amélioration de la résistance mécanique d'une phase mère de Ni en précipitant dans la phase mère. Si la teneur en B est inférieure à 0,001 %, l'effet d'amélioration de la résistance mécanique de la phase mère n'est pas exercé, et si la teneur en B dépasse 0,006 %, les joints de grains peuvent être fragilisés. De ce fait, la teneur en B est déterminée comme étant de 0,001 % à 0,006 %.

(8) Re (rhénium) Re a un effet d'amélioration de la résistance mécanique d'une phase mère de Ni en formant une solution solide dans la phase mère. Si la teneur en Re est inférieure à 0,1 %, l'effet d'amélioration de la résistance mécanique de la phase mère n'est pas exercé, et si la teneur en Re dépasse 2,5 %, il se forme une phase fragile. De ce fait, la teneur en Re est déterminée comme étant de 0,1 % à 2,5 %. De manière similaire à Re, Co et Mo ont un effet d'amélioration de résistance mécanique de la phase mère de Ni en formant une solution solide dans la phase mère. Cependant, quand la teneur est la même, Re est plus efficace pour améliorer la résistance mécanique et peut améliorer la résistance mécanique sans modifier dans une large mesure la composition chimique du métal de base.

(9) Si (silicium), Mn (manganèse), Cu (cuivre), Fe (fer) et S (soufre) Si, Mn, Cu, Fe et S sont classés comme étant des impuretés inévitables dans l'alliage à base de Ni selon la présente invention. Les teneurs résiduelles en les impuretés inévitables sont diminuées de manière souhaitable jusqu'à 0 % dans la mesure du possible. En outre, il est souhaitable qu'au moins Si et Mn dans les impuretés inévitables soient réduits à 1 % ou plus bas. Si est ajouté à l'acier ordinaire pour augmenter la résistance à la corrosion. Cependant, comme l'alliage à base de Ni a une grande teneur en Cr pour garantir une résistance à la corrosion suffisante, la teneur résiduelle de Si dans l'alliage à base de Ni selon la présente invention est déterminée comme étant 1 % ou moins, et il est souhaitable que la teneur résiduelle soit réduite jusqu'à 0 % dans la mesure du possible. Dans l'acier ordinaire, Mn empêche la fragilité, qui résulte de S (soufre), en formant MnS. Cependant, comme la teneur en S de l'alliage à base de Ni est très faible, il n'est pas nécessaire d'ajouter Mn. De ce fait, la teneur résiduelle de Mn dans l'alliage à base de Ni selon la présente invention est déterminée comme étant 1 % ou moins, et il est souhaitable

que la teneur résiduelle soit réduite jusqu'à 0 % dans la mesure du possible. L'alliage à base de Ni selon la présente invention qui est décrit ci-dessus est produit par fusion des composants constitutifs formant l'alliage à base de Ni au moyen d'un four de fusion par induction sous vide, exposition du lingot obtenu à un traitement de recuit, forgeage du lingot et mise en oeuvre d'un traitement de mise en solution. Il est préférable que le traitement de recuit soit réalisé dans une plage de températures de 1 050 à 1 250°C pendant 5 à 72 h, et que le traitement de mise en solution soit réalisé dans une plage de températures de 1 100 à 1 200°C pendant 4 à 5 h. Dans ce cas, la température du traitement de mise en solution est déterminée pour former une solution solide homogène des précipités de phase et si la température est inférieure à 1 100°C, une solution solide n'est pas formée de manière adéquate. Si la température dépasse 1 200°C, les grains cristallins sont rendus plus grossiers et la résistance mécanique est dégradée. En outre, le forgeage est réalisé dans une plage de températures de 950 à 1 150°C. Dans le cas où l'alliage à base de Ni selon la présente invention qui est décrit ci-dessus est utilisé pour constituer un rotor de turbine à vapeur, par exemple, dans un procédé (double fusion), la matière première est soumise à une fusion par induction sous vide (FIV) et à une refusion sous laitier électroconducteur (RLE) puis déversée dans un moule prédéterminé. Ensuite, un traitement de forgeage et un traitement thermique sont réalisés pour produire le rotor de turbine. Dans un autre procédé (double fusion), la matière première est soumise à une fusion par induction sous vide (FIV) et à une refusion à arc sous vide (RAV) puis déversée dans un moule prédéterminé. Ensuite, un traitement de forgeage et un traitement thermique sont réalisés pour produire un rotor de turbine. Dans un autre procédé encore, (triple fusion), la matière première est soumise à une fusion par induction sous vide (FIV), à une refusion sous laitier électroconducteur (RLE) et à une refusion à arc sous vide (RAV) puis déversée dans un moule prédéterminé. Ensuite, un traitement de forgeage et un traitement thermique sont réalisés pour produire un rotor de turbine. Les rotors de turbine produits par les procédés ci-dessus sont inspectés par inspection aux ultrasons ou analogue.

Il est indiqué ci-dessous que l'alliage à base de Ni selon la présente invention a une excellente forgeabilité.

Evaluation de la forgeabilité Il est indiqué ci-dessous que l'alliage à base de Ni ayant les plages de composition chimique de la présente invention a une excellente forgeabilité. Le tableau 1 ci-dessous montre les compositions chimiques des échantillons 1 à 5 utilisés pour l'évaluation de la forgeabilité. Les échantillons 1 à 4 sont des alliages à base de Ni ayant les plages de composition chimique de la présente invention, et l'échantillon 5 est un alliage à base de Ni dont la composition n'est pas située dans les plages de composition chimique de la présente invention et qui est utilisé comme exemple comparatif. L'échantillon 5 a une composition chimique correspondant à un acier conventionnel Inconel 617. L'alliage à base de Ni ayant les plages de composition chimique de la présente invention contient Fe (fer), Cu (cuivre) et S (soufre) à titre d'impuretés inévitables, en plus de Si et Mn. Tableau 1 (% en masse) Ni C Si Mn Cr Fe Al Mo Co Cu Ti B S Re Echantillon 1 complément 0,099 0,55 0,57 23,0 1,56 1,21 8,9 19,6 0,24 0,36 0,0039 0,0010 0,12 Exemple Echantillon 2 complément 0,099 0,55 0,57 27,4 1,56 1,21 8,9 14,5 0,24 0,36 0,0039 0,0010 2,48 Echantillon 3 complément 0,096 0,53 0,57 25,7 1,55 1,20 10,3 12,2 0,24 0,35 0,0041 0,0009 0,13 Echantillon 4 complément 0,096 0,53 0,57 23,2 1,55 1,20 11,9 12,2 0,24 0,35 0,0040 0,0009 2,47 Exemple comparatif Echantillon 5 complément 0,076 0,51 0,55 22,9 1,57 1,21 8,9 12,2 0,25 0,36 0,0038 0,0009 0 Pour évaluer la forgeabilité, les alliages à base de Ni des échantillons 1 à 5 ayant les compositions chimiques montrées dans le tableau 1, chacun en une quantité de 10 kg, ont été fondus dans un four de fusion par induction sous vide, et des éprouvettes en forme de lingots cylindriques ayant un diamètre de 87 mm et une longueur de 140 mm ont été produites. Puis, les lingots ont été soumis à un traitement de recuit à 1 050°C pendant 5 h. Ils ont ensuite été forgés par une machine de forgeage par martelage de 4 900 N (500 kgf) dans une plage de température de 950 à 1 100°C (réchauffage à 1 100°C). Pour la forgeabilité, le traitement de forgeage décrit ci-dessus a été réalisé jusqu'à ce que les éprouvettes aient un diamètre de 30 mm. La forgeabilité a été évaluée sur la base du rapport de forgeage dans le traitement ci-dessus et de la présence éventuelle de criques de forgeage. Le rapport de forgeage est défini comme étant le quotient de la longueur de l'éprouvette qui est un objet forgé étiré par le traitement de forgeage et de la longueur de l'éprouvette qui est l'objet forgé avant le traitement de forgeage. Selon le traitement de forgeage, si la température de l'éprouvette diminue, c'est-à-dire si l'éprouvette devient durcie, le traitement de forgeage est répété par réchauffage jusqu'à une température de réchauffage de 1100°C. En outre, concernant la présence éventuelle de criques de forgeage, les éprouvettes qui ont subi le traitement de forgeage sont vérifiées visuellement. S'il n'y a pas de criques, ceci est indiqué par "aucune", et la forgeabilité est évaluée comme étant "0", ce qui indique que la forgeabilité est excellente. D'autre part, s'il y a des criques, ceci est indiqué par "oui", et la forgeabilité est évaluée comme étant "X", ce qui indique que la forgeabilité est inférieure. Le tableau 2 ci-dessous montre les résultats obtenus en évaluant la forgeabilité des échantillons respectifs.

Tableau 2 rapport de criques forgeabilité forgeage exemple échantillon 6,6 aucune 0 1 échantillon 6,3 aucune 0 2 échantillon 6,7 aucune O 3 échantillon 6,4 aucune 0 4 exemple échantillon 5,4 oui X comparatif 5 Comme le montre le tableau 2, on a constaté que les 5 échantillons 1 à 4 ont une excellente forgeabilité quand on les compare à l'échantillon 5. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en se référant aux modes de réalisation de l'invention, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Il convient de comprendre que des 10 modifications et variantes peuvent être apportées aux modes de réalisation sans s'écarter du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur caractérisé en ce qu'il contient en pourcent en masse : C : 0,05 à 0,15, Cr :22à28,Co: 10à22,Mo:8à12,AI:0,8àmoins de1,5,Ti:0,1à 0,6, B : 0,001 à 0,006, Re : 0,1 à 2,5, et le complément constitué par Ni et des impuretés inévitables.
2. Alliage à base de Ni pour rotor de turbine à vapeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les impuretés inévitables sont réduites en pourcent en masse à Si : 1 ou moins et Mn : 1 ou moins.
3. Rotor destiné à être disposé dans une turbine à vapeur dans laquelle de la vapeur à haute température est introduite caractérisé en ce qu'au moins une partie prédéterminée du rotor est constituée par l'alliage à base de Ni selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2.