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A mesure que l'on cherche à accroître la puissance d'une turbine à gaz en faisant usage de températures plus élevées des gaz, on constate que les aubes rotatives ainsi que les nervures guides de tuyères ou palet- tes fixes, établies en alliages de formules connues, voient non seulement diminuer leur durée utile au fluage, mais encore leur résistance à la tem- pérature, du fait de la montée trop brusque et trop rapide de celle-ci, au point que des craquelures peuvent apparaître après un nombre limité de cycles thermiques bien avant que l'on ait atteint le terme de la durée uti- le statique de fluage à ces températures plus élevées et ce, du fait que les changements brusques de température, tant lors du chauffage que lors du refroidissement, provoquant chez les aubes et palettes des efforts très intenses dans le cas de ces turbines de fortes puissances.
Ce dernier aspect des efforts internes produits par ce que l'on désigne communément par "choc thermique", est devenu un problème très sé- rieux. Les bords des aubes ou palettes, dans une turbine à gaz moderne, lors de la mise en route, peuvent passer en quelques secondes de la tempé- rature ambiante à celles de 900 C sur les aubes et 1200 C sur les palettes, alors que les parties centrales restent encore relativement froides et, lors de l'arrêt du moteur, ce sont les borda qui se refroidissent presque avec la même vitesse, alors que les parties centrales restent encore rela- tivement chaudes.
Un alliage qui résiste bien au fluage résiste en général moins bien au choc thermique et vice-versa et, jusqu'à présent, on ne connaissait aucun alliage qui résistât aussi bien au fluage qu'au choc thermique dans la zone de température d'environ 850 à 1200 C.
Il est d'usage courant de se servir, pour la construction d'aubes et de palettes, d'alliages à base de chrome-nickel, auxquels on incorpore certains éléments de durcissement ; dansla plupart des alliages du commerce, on trouve de l'aluminium et du titanium, ajoutés dans ce but en proportions variables.
La présente invention est basée sur la découverte assez inattendue, du fait que si, à un alliage ternaire simple de chrome-nickel-molybdène- dans lequel les proportions de chrome et de molybdène sont maintenues dans des limites bien définies-, on ajoute du cobalt et du carbone, également en proportions déterminées, et que l'on exclut complètement l'aluminium et le titanium, sauf à titre d'impuretés limitées à un maximum, il est possi- ble d'établir un alliage aisé à couler et qui, tant sous la forme de pièce fondue que sous celle de pièce forgée, présente une bonne résistance sous l'effet de choc thermique du genre ci-dessus décrit, en même temps qu'une bonne résistance au fluage dans la zone d'environ 825 à 1225 C.
Lorsque, dans la présente invention, il est question d'"impuretés", il s'agit tout aussi bien de traces résiduelles de produits de nettoyage et de désoxydants que d'impuretés en tant qu'éléments constitutifs des allia- ges.
Suivant l'invention, on établit un alliage à base de nickel-chrome en choisissant les éléments suivants dans les proportions indiquées :
Carbone 0,20 à 0,85 pour cent
Cobalt 5,0 à 15,0 pour cent
Chrome 18,0 à 25,0 pour cent
Molybdène 8,5 à 12,0 pour cent
Nickel le restant sous la réserve d'autres éléments se présentant sous la forme d'impuretés et dont le total ne doit pas dépasser 2%.
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En établissant des alliages selon la présente invention, on a con- staté que les impuretés susceptibles d'être présentes comprennent l'alu- minium, qui ne devrait pas dépasser 0,2%, et du titane, qui ne devrait pas dépasser 0,3%, du fer qui ne devrait pas dépasser 0,75% et des traces ré- siduelles de silicium et de manganèse pouvant provenir des produits de net- tôyage, en quantité ne dépassant pas 1%. Il est entendu que les impuretés mentionnées ne devraient pas toutes se trouver aux teneurs maxima indiquées.
Ces impuretés, jointes à d'autres susceptibles d'être présentes, ne doivent pas au total faire plus de 2% et il est préférable qu'elles soient mainte- nues à 1%.
Les limites de composition auxquelles on donne la préférence sont les suivantes:
Carbone 0,3 à 0,6 %
Cobalt 9,0 à 11,0 %
Chrome 20,0 à 23,0 %
Molybdène 9,5 à 11,0 %
Nickel le restant, sous réserve des impuretés ne devant pas dépasser 2,0% au total.
Les essais de durée de résistance à la fracture ont été faits à 1050 C sous la pression de 315 kg/cm2 sur un alliage de base à 21% de chrome et 10% de molybdène, le reste étant du nickel, auquel du carbone et du cobalt avaient été ajoutés, en remplacement de nickel, selon les diverses proportions indiquées dans la table.
Essais de durée de résistance à la fracture à 1050 C sous efforts de 315 kg/cm2
EMI2.1
<tb> Carbone <SEP> % <SEP> Cobalt <SEP> % <SEP> Durée <SEP> jusque <SEP> Allongement <SEP> en <SEP> %
<tb>
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<tb> fracture, <SEP> en <SEP> au <SEP> bout <SEP> de <SEP> 100 <SEP> heures
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<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> heures.
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(1) <SEP> 0,14 <SEP> 4,8 <SEP> 15,5 <SEP> -
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<tb>
<tb>
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<tb> (2) <SEP> 0,14 <SEP> 8,6 <SEP> 28,0 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (3) <SEP> 0,29 <SEP> 5,0 <SEP> 78,0 <SEP> -
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (4) <SEP> 0,33 <SEP> 10,0 <SEP> 357,5 <SEP> 0,79
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (5) <SEP> 0,58 <SEP> 9,72 <SEP> 133,3 <SEP> 4,25
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (6) <SEP> 0,75 <SEP> 9,55 <SEP> 40,0
<tb>
On constate que les alliages 1 et 2 ont des compositions se trou- vant en dehors des limites des alliages selon l'invention. Dans l'alliage 1, tant le carbone que le cobalt sont en proportions trop faibles et,dans l'alliage 2, la proportion de carbone est trop faible.
Les autres alliages se trouvent dans les limites de l'invention et, parmi eux, les alliages 4 et 5 se trouvent dans la gamme à laquelle on donne la préférence.
Dans le but de montrer les effets du titane et de l'aluminium, des additions de ces métaux ont été faites à la composition 5 ci-dessus, donnant l'analyse suivante: Carbone % Cobalt % Titane % Aluminium % Durée en heures (7) 0,56 9,9 2,04 0,93 22
La supériorité du présent alliage en comparaison de quatre autres alliages résistant à la température a été démontrée en soumettant des é- prouvettes à l'essai suivant.
Dans cet essai, un alliage coulé exactement à la dimension voulue et présentant une section en forme de losange est chauffé rapidement ( en
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55 secondes environ) depuis la température ambiante jusqu'à une température maxima sous contrôle qui peut se situer entre 800 et 1200 C, cette tempé- rature étant maintenue pendant 5 secondes; l'éprouvette est alors refroi- die depuis le maximum de température sous contrôle jusqu'à 50 en 20 se- condes environ par un jet d'eau et d'air comprimé, qui est encore appliqué pendant 40 autres secondes afin d'amener la température à 15 .
Le chauffa- ge et le refroidissement sont orientés principalement en direction d'un bord aigu présenté par le coupe, dont l'épaisseur est d'environ 1,57mm, l'indice de "choc thermique" étant donné par le nombre de cycles de tempé- rature-depuis 15 jusqu'au maximum sous contrôle suivi d'un retour à 15 - qui provoque une fente traversant complètement le bords en angle aigu.
On notera que ce bord est comparable au bord menant d'une aube fixe de turbine qui reçoit les produits de combustion venant de la chambre de combustion d'une turbine à gaz, et que le cycle de température répond à ce qui se produit lorsqu'on fait démarrer et qu'on arrête la turbine.
Les résultats obtenus sont consignés dans le tableau qui suit: De 15 C jusqu'à la Indice de choc thermique .température réglée à: 850 C 950 1050 1150 C Alliage (1) A 10 10 5 4 (2) B 85 60 17 8 (3) C 5 6 12++ 5 (4) D 25 37++ 20- (5) E (conforme à l'invention)125+ 70 25 10 + Essai arrêté avant fracture ++ Aux températures indiquées, la ductilité de ces deux alliages a été accrue.
L'alliage A est celui que l'on trouve dans le commerce sous la marque déposée "H.R. Crown Max" et possède la composition suivantes
Carbone 0,15 à 0,30 %
Silicium 0,75 à 2,0 %
Manganèse 1,00 % au maximum
Nickel 10,0 à 15,0 %
Chrome 20,0 à 25,0 %
Tungstène 2,5 à 3,5 %
Fer le restant
Les alliages B et 0 sont ceux que l'on trouve dans le commerce sous la marque déposée "Stellite" et ils ont les compositions suivantes:
Stellite 21 -Alliage B
Composition en %
Carbone 0,2 - 0,3
Manganèse 1, 0 au maximum
Silicium 1, 0 au maximum
Bore 0,007 au maximum
Fer 3, 0 au maximum
Chrome 25,0 - 29,0
Nickel 1,75 - 3,75
Molybdène 5,0 - 6,0
Cobalt le restant
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Stellite 31 - Alliae C
Composition en %
Carbone 0,45 - 0,55
Manganèse 1,0 au maximum
Silicium 1,0 au maximum
Phosphore 0,04 au maximum
Soufre 0,04 au maximum
Fer 2, 0 au maximum
Chrome 24,5 - 26,5
Nickel 9,5 - 11,5
Tungstène 7,0 - 8,0
Cobalt le restant
L'alliage D, qui est forgé, est connu sous le nom de D.T.D. 747 (N90) et mis dans le commerce sous le nom de la marque déposée "Nimonic";
sa composition varie dans les limites suivantes:
Composition en %
Carbone pas plus de 0,1
Silicium pas plus de 1,5
Manganèse pas plus de 1,0
Fer pas plus de 5,0
Aluminium pas moins de 0,8 et pas plus de 2,0
Titane pas moins de 1,8 et pas plus de 3,0
Chrome pas moins de 18,0 et pas plus de 21,0
Cobalt pas moins de 15,0 et pas plus de 21,0
Nickel le restant
L'alliage désigné par E a la composition suivante:
Composition en %
Carbone 0,35
Cobalt 10,0
Molybdène 9,6
Chrome 21,0
Nickel le restant
L'alliage selon l'invention peut être préparé par l'un quelconque des procédés bien connus de fusion au four électrique.
Le molybdène, sous forme de poudre ou de petits morceaux, est ajouté au début à la charge en même temps que le nickel et le cobalt, alors que l'addition de chrome et de carbone se fait à la fin lorsque la charge est fondue.
L'alliage peut être utilisé venu de fonte ou après forgeage, c' est-à-dire après un traitement mécanique de la masse coulée de manière à obtenir une réduction de sa surface en coupe. Les aubes et palettes sta- tionnaires seront, de préférence, établies en pièces coulées et les aubes motrices de préférence en pièces forgées; l'invention porte également sur des aubes et palettes coulées ainsi que sur des aubes forgées en alliages conformes aux compositions choisies et décrites.
Lors du forgeage , un traitement thermique approprié consiste en un maintien en fusion entre 1200 et 1280 C pendant 1 à 4 heures, suivi d'un refroidissement à l'air, puis d'un revenu d'une durée de 1 à 8 heures à une température comprise entre 750 et 1000 C, suivi d'un nouveau refroi- dissement à l'air. Lorsque l'alliage est utilisé sous la forme de pièces cou- lées, il n'exige normalement aucun traitement thermique.
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Tous les pourcentages indiqués dans le texte sont des pourcentages en poids par rapport à l'ensemble de l'alliage.