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ELEMENTS ROTATIFS A GRANDE RESISTANCE MECANIQUE ET ME-
THODE DE FABRICATION.
L'invention concerne la construction de pièces à grande résistan- ce mécanique et en particulier, celle de roues, par exemple, des rotors de turbines, tournant à au moins 20. 000 t/m et, dans certains cas, à 60. 000 t/m.
Le problème fondamental qui se pose dans la construction des roues à aubes est celui de leur éclatement prématuré, aux grandes vitesses.
On a étudié divers alliages et essayé de leur conférer des propriétés phy- siques adéquates; mais, jusqu'à présent, sans succès complet.
La présente invention est fondée sur le fait que le défaut des . volants en acier forgé était dû à la faible ductilité de la partie centrale par rapport à celle des autres parties. Cette différence est inhérente à la méthode de fabrication et elle est pratiquement indépendante de l'alliage utilisé. L'invention a, par conséquent, pour objet essentiel de conférer aux volants une résistance mécanique meilleure, et aussi d'en perfectionner le forgeage, de manière à leur donner une plus grande ductilité et une plus grande résistance dans la partie centrale et dans les régions voisines.
Elle sera mieux comprise par la lecture de la description qui suit et par l'examen des dessins annexés où les figures 1, 2 et 3 représen- tent les divers stades du forgeage, et les figures 4 à 6 les phases essen- tielles de la mise en pratique de l'invention.
On rappellera tout d'abord les méthodes antérieures. En se ré- férant aux dessins, on voit qu'elle consistent à partir d'un tronçon 1 cou- pé dans une .billette 2 à section carrée d'environ 10 x 10 cm, laminée à chaud et possédant.une structure fibreuse longitudinale. Ces billettes d'environ 32 cm de long sont refoulées suivant leux axe longitudinal, c'est-à-dire pa- rallèlement aux fibres, à l'aide de matrices plates sur une longueur d'envi- ron 16 cm. comme l'indique la figure 2.
Les flèches indiquent la direction du forgeage; les fibres résul- tant du laminage sont également indiquées sur chaque figure. Ce forgeage est effectué vers l.000 C. On forge ensuite dans la matrice usuelle, à chaud tout
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d'abord (1.000 C) jusqu'à. ce que le bord du moyeu ait une épaisseur de près de 4 cm, on réchauffe les pièces forgées à 1180 C. et on les refroi- dit à l'air, puis on forge finalement l'ébauche jusqu'à ce que l'épaisseur du bord soit de 30 mm environ, et, vers 650 C.
On recuit ensuite le moyeu (figure 3). à 650 C pendant huit heures, pour détruire les tensions inté- rieures, puis on laisse refroidi avant usinage.,
Suivant cette méthode, on constate que, du fait du laminage des billettes à chaud, il existe au centre et quelle que soit la section droite une partie longitudinale 3 qui n'a subi aucun travail et qui, de plus, con- centré les soufflures ou toutes sortes d'inclusions existant normalement au centre du lingot? De plus, par cette méthode de forgeage à partir de bil- lettes, ces parties "mortes" ont subi le minimum de travail.
Au détriment futur de la pièce forgée, la partie cnetrale 3 non travaillée constitue la partie centrale ou axiale 4, où les propriétés'phy- siques sont les plus critiques.. A titre d'exemple, on indiquera que des éprouvettes prélevées dans cette partie centrale, ont des limites de ré- sistance inférieures à 42 Kg/mm2 et des allongements inférieurs à 3%. L'al- liage utilisé titrait environ 16% de chrome, 25% de nickel, 6% de molybdène.
0,7% de silicium, 1,35% de manganèse, 0,1% de carbone, le reste de fer.
Aux essais à grande vitesse, avant fixation des ailettes, l'éclatement se produisait entre 48.000 et 50,000 t m.
La présente invention concerne une méthode grâce à laquelle on peut obtenir des pièces plus tenaces et plus ductiles, et elle confère la certitude que la partie centrale sera complètement travaillée et que se- ra supprimée cette partie "morte" de la pièce forgée.
La billetce laminée à chaud,dans laquelle on prélève le métal qui doit constituer la pièce finie, est de plus grandes dimensions que cel- les utilisées jusqu'alors, et la surface de sa section droite est telle qu'on y puisse prélever plusieurs billettes élémentaires. 'Chacune de ces dernières comporte le long d'un de ses bords, une partie de la région cen- trale, non travaillée, ce qui permet de faire subir à cette dernière toute la suite des opérations. La méthode de prélèvement de ces billettes élémen- taires est parfaitement comprise d'après la figure 4, représentant 'une bil- lette initiale laminée à chaud, dont la section droite est quatre fois celle de la figure 1. et dont on voit également la partie centrale non travaillée.
En tronçonnant suivant la ligne pointillée 7, on obtient une billette élémen- taire, ayant la longueur convenable, par exemple la même que celle de l'élé- ment 1. On coupe ensuite suivant 8 & 9, et on obtient 4 bilettes élémentai- res comportant' chacune, sur un de ses bords, la partie centrale non travail- lée de la billette initiale.
- @ On les refoule ensuite et on les forge comme précédemment.
Toutefois, au cours des phases successives, on forge la partie initialement morte qui' est alors entièrement travaillée en particulier au cours de la période où la pièce rétreinte 10 (figure 5) est transformée en moyeu for- gé 11 (figure 6). Ce travail affine la pièce et réduit les soufflures qui se sont formées au cours du refroidissement du lingot sur lequel la billette laminée à chaud a été prélevée. En fait, comme on le voit à l'examen de la pièce finale .(figure 6) les bords font partie des régions des bilettes élémentaires qui ont subi le maximum de travail pendant le forgeage. Par conséquent, comme la partie "morte" constitue un bord de chacune des billet- tes utilisées, dans la pratique de l'invention, on en peut travailler effi- cacement cette partie suspecte.
De plus, cette partie critique-centrale 12 du moyeu ainsi forgé est constituée par une matière exempte des ségrégations : et soufflures qui existaient dans le lingot-, et elle subit également un tra- vail important pendant le laminage de la billette, ce qui améliore les pro- priétés physiques de la région centrale.
L'invention a pour autre avantage important de permettre l'exa- men du centre de la billette initiale et d'y reconnaître les principaux dé- fauts que selon la pratique antérieure, on forgeait sans en soupçonner l'im- portance.. ' .' @
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Les pièces forgées conformément à la présente invention, sont ma- nifestement de meilleure qualité que celles traitées par les méthodes anté- rieures, ainsi qu'on peut le voir par l'examen du tableau suivant. Les va- leurs qui y figurent sont des valeurs moyennes concernant des moyeux forgés de mêmes dimensions les aillettes qui y sont fixées ayant un diamètre d'en- viron 24 cm., la vitesse de rotation étant de 30.000 tm.
EMI3.1
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Méthode <SEP> usuelle <SEP> ' <SEP> Méthode <SEP> conforme <SEP> à
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<tb> l'invention.
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49 <SEP> Kgs <SEP> mm2 <SEP> Limite <SEP> de <SEP> résistance <SEP> (allt <SEP> 51,1 <SEP> Kgs <SEP> mm2
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<tb> 11,65 <SEP> % <SEP> Allongement <SEP> 20,35 <SEP> %
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<tb> 14,50 <SEP> % <SEP> Striction <SEP> 25,17 <SEP> %
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Ces valeurs moyennes établies par un grand nombre d'essais de moyeux forgés suivant les deux méthodes indiquent clairement les avantages de l'invention en ce qui concerne ces quatre caractéristiques.
De plus, les essais d'éclatement à grande vitesse, effectués sur des pièces de mêmes di: mensions, avant montage des ailettes, ont démontré que l'on pouvait atteindre 60.000 tm., sans éclatement, alors que celles forgées par les méthodes an- térieures éclataient entre 48.000 et 50,000 tm.
La présente invention permet donc; de satisfaire'les conditions qu'exige la fabrication des rotors de turbines à très grande vitesse, de supprimer les défauts et de n'avoir que le minimum de rebuts.
Bien que l'invention ait été décrite comme application à un moyeu de turbine forgé dans un alliage particulier, on conçoit qu'elle soit applica- ble à la fabrication de tous éléments rotatifs en tous alliages appropriés, et pour lesquels la résistance à l'éclatement est une condition primordiale.
Il est également évident que, bien.que ces perfectionnements aient pu être réalisés par la division en quatre de la billette, l'invention n'est pas li- mitée à cette modalité, puisque les conditions préconisées peuvent être réa- lisées par une subdivision quelconque de cette billette, pourvu qu'elle per- mette de mettre à jour.la partie centrale adjacente à une portion visible de la ou des billettes utilisées pour le forgeage.
-R
Perfectionnement de fabrication de pièces rotatives pour grandes @ vitesses, par exemple, consistant à prélever la bilette à forges sur une autre de plus grandes dimensions, de façon à localiser, sur un des bords de l'ébau- che, la région axiale de la grosse billette d'origine, avec des inclusions ou des soufflures, puis à effectuer les opérations de forgeage suivant les techniques connues.
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