CH627789A5 - Use of a metal alloy for the manufacture of machine components subjected to mechanical vibrations - Google Patents

Description

  
 

**ATTENTION** debut du champ DESC peut contenir fin de CLMS **.

 



   REVENDICATIONS
   l.    Utilisation pour la fabrication d'éléments de machines destinés à être soumis à des vibrations provenant d'un mouvement de rotation à grande vitesse, soit d'un mouvement alternatif. soit de mouvement à vitesse variables, d'un alliage caractérisé par une composition qui contient les éléments ci-après:   S    Cr   S      25 0       Ti 5%    le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.



   2. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs des éléments ci-après, dans les proportions indiquées:
TiO2   S 4% en volume      Y.03       <     4% en volume
MgO   S    4% en volume
Al203   S    4% en volume.



   3. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre jusqu'à   5%    du Mo.



   La présente invention se rapporte à l'utilisation d'un alliage métallique pour la fabrication de machines ou éléments de machines soumises à vibrations mécaniques; elle est particulièrement applicable à des éléments de machines qui, telles des aubes de turbines à gaz, sont soumis à haute température à des vibrations mécaniques.



   Il est bien connu que, notamment pour les applications mentionnées ci-dessus, on doit faire appel à des alliages possédant des propriétés d'amortissement interne, une forte résistance, ainsi qu'une bonne ductilité à des températures pouvant atteindre 700   "C    et parfois plus. Le cas se présente spécifiquement lorsque   l'on    veut assurer un temps de vie suffisant aux premières rangées d'aubes de turbines qui sont soumises à haute température à des vibrations mécaniques particulièrement intenses.



   Dans de nombreuses applications, spécialement celles sollicitant les matériaux aux vibrations mécaniques, la capacité d'amortissement d'un matériau peut être plus importante que des propriétés telles que limite de fatigue . . . La capacité d'amortissement d'un matériau a en fait quatre origines, à savoir la déformation plastique, I'effet   thermoélastique,    I'effet magnétoélastique et la diffusion atomique. L'effet magnétoélastique est certainement le plus important dans le cas des alliages à finalité technologique.

  Il est bien établi que les alliages ferromagnétiques ont, pour certaines applications, des propriétés supérieures à celles mesurées dans le cas d'alliages non magnétiques; il a en effet été établi que les alliages ferromagnétiques présentent une capacité d'amortissement élévée due à un effet d'hystérésis magnétomécanique; I'énergie dissipée pendant un cycle tensiondéformation liée à l'effet magnétomécanique assure la capacité d'amortissement du matériau.



   Un matériau à haute capacité d'amortissement sera donc un matériau magnétique ayant une température de Curie aussi élevée que possible, un compromis devant cependant être trouvé entre les diverses propriétés demandées, à savoir: résistance à la température de service, capacité d'amortissement, résistance à l'oxydation et ductilité à l'ambiante.



   Sur base de ces considérations se sont imposés, notamment dans le domaine des aubes de turbine, un certain nombre de matériaux technologiques tels que d'une part les aciers du type
AISI 403 (12% Cr) et AISI 422 (12% Cr Mo W V) et d'autre part des alliages cobalt-nickel appelés NiVCo, l'alliage   70 %    Mn 30% Cu. Le choix des éléments d'alliage susceptibles de durcir ces matrices ferromagnétiques est en fait limité, car les diverses additions ont en général pour effet d'abaisser le point de Curie de l'alliage et par là, la capacité d'amortissement du matériau.



   Pour l'une ou l'autre raison, ces alliages présentent des inconvénients qui en limitent l'intérêt de l'utilisation pour les applications susmentionnées.



   Parmi ces inconvénients, on peut citer soit la résistance insuffisante au fluage à haute température, soit la difficulté de mise en oeuvre pour de raisons de dureté ou de fragilité ou d'indéformabilité, soit la diminution d'amortissement sous contraintes dynamiques et statiques élevées, soit encore leur coût élevé.



   La présente invention a pour objet de révéler l'intérêt de l'utilisation d'un alliage métallique particulier pour les applications susmentionnées, et en général pour constituer des éléments de machines qui, en service, sont soumis à des vibrations plus ou moins intenses, provenant soit du mouvement de rotation à grande vitesse, soit de mouvements alternatifs ou à vitesses variables.



   Ce matériau est caractérisé par une composition vérifiant les relations ci-après:   5% e;Cr S 25%   
   Tie;    5%
O   e;Moe;      5%    le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.



   On a constaté que le matériau ci-dessus révélé présentait simultanément de bonnes propriétés de résistance à chaud, ductilité, résistance au fluage, amortissement interne, jusqu'à des températures de l'ordre de 700   "C.   



   A titre d'exemple, les figures 1 et 2 montrent, par voie de comparaison, et à 0,5 Hz, la dépendance de l'amortissement interne vis-à-vis de la déformation dynamique, pour diverses sollicitations statiques.



   La figure 3 montre que par traitement thermique de l'alliage considéré, et toujours à 0,5 Hz, il est possible de modifier la forme de la courbe observée précédemment, tant la valeur de l'amortissement maximum que celle de la tension correspondante; par traitement thermique de mise en solution et de vieillissement, il s'est ainsi avéré possible d'ajuster la valeur de la capacité d'amortissement de l'alliage ainsi que le montre la figure 3, après divers traitements thermo-mécaniques. Le durcissement de la matrice métallique, basé non plus sur la formation de carbures, mais sur la précipitation d'une phase chi du type   Fel7      Cr17    (Ti,   Mo)5    permet des utilisations jusqu'à la température de 700   C,    en raison de la stabilité de la phase précipitée.



   Egalement à titre d'exemple, la figure 4 donne à nouveau l'évolution de la capacité d'amortissement interne à 0,5 Hz, en fonction de la déformation dynamique, pour divers niveaux de charges statiques appliquées, pour l'alliage:
Cr: 13%
Mo:   1,5%   
Ti:   3,5%   
TiO2:   1%   
Fe: solde.

 

   On observe sur cette figure des valeurs d'amortissement particulièrement élevées, à fortes contraintes dynamiques, et une faible sensibilité d'amortissement vis-à-vis de la charge statique appliquée, ce qui représente un second avantage.



   La figure 5 montre comment varient les valeurs d'amortissement interne en fonction de la composition de la matrice, pour un seul niveau de charge statique (niveau élevé) de 220 MN/m2.



   Sur cette figure, on a également tracé la courbe d'amortissement correspondant à l'alliage austénitique conventionnel AISI 316. On peut constater l'écart important entre cette courbe et  



  celles correspondant aux autres alliages, dont celui, repéré 818, s'avère spécialement intéressant.



   Afin de faciliter l'interprétation des différents diagrammes repris aux figures 1 à 5 ci-dessus, nous donnons ci-après au tableau T,, les différentes compositions des alliages repérés auxdits diagrammes.



  Alliages Fe Cr Ni Mo Ti TiO2
 % % % % % %
AISI 410 solde 13 - - - 
AISI 316 do 16 13 1 - 
B 3 E* do 13 - 1,5 2,5    -      X16**    do 13 - 1,5 3,5 0,5 817** do 13 - 1,5 3,5 1,0 818** do 13 - 1,5 3,5 1,5 819** do 13 - 1,5 3,5 2,0
   * extrusion à 11 ()()     C ** extrusion à   1100     C, rétreint à 1050-1100  C de 19 à 10 mm
 rétreint à 25  C de 10 mm à 8,6 mm
 traitement thermique: 1 h sous argon à 1050  C.

 

   Suivant une variante de l'invention et ainsi qu'il a   eté    montré dans les figures 4 et 5, il a été constaté qu'il était possible d'accroître les propriétés de la matrice métallique ci-dessus révélée.



  par l'incorporation d'une phase inerte finement dispersée dans la matrice métallique, en faisant appel aux possibilités de la métallurgie des poudres. Suivant une composition préférentielle,   I'addition    à la matrice métallique ci-dessus révélée d'un ou plusieurs éléments ci-après dans les proportions indiquées s'est avérée particulièrement intéressante:
TiO2   S 4% en volume      Y203      S    4% en volume
MgO   S      4%    en volume
Al203   S      4%    en volume. 

Claims (3)

1. REVENDICATIONS l. Utilisation pour la fabrication d'éléments de machines destinés à être soumis à des vibrations provenant d'un mouvement de rotation à grande vitesse, soit d'un mouvement alternatif. soit de mouvement à vitesse variables, d'un alliage caractérisé par une composition qui contient les éléments ci-après: S Cr S 25 0 Ti 5% le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.
2. 2. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs des éléments ci-après, dans les proportions indiquées: TiO2 S 4% en volume Y.03 < 4% en volume MgO S 4% en volume Al203 S 4% en volume.
3. 3. Utilisation d'un alliage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre jusqu'à 5% du Mo.

   La présente invention se rapporte à l'utilisation d'un alliage métallique pour la fabrication de machines ou éléments de machines soumises à vibrations mécaniques; elle est particulièrement applicable à des éléments de machines qui, telles des aubes de turbines à gaz, sont soumis à haute température à des vibrations mécaniques.

   Il est bien connu que, notamment pour les applications mentionnées ci-dessus, on doit faire appel à des alliages possédant des propriétés d'amortissement interne, une forte résistance, ainsi qu'une bonne ductilité à des températures pouvant atteindre 700 "C et parfois plus. Le cas se présente spécifiquement lorsque l'on veut assurer un temps de vie suffisant aux premières rangées d'aubes de turbines qui sont soumises à haute température à des vibrations mécaniques particulièrement intenses.

   Dans de nombreuses applications, spécialement celles sollicitant les matériaux aux vibrations mécaniques, la capacité d'amortissement d'un matériau peut être plus importante que des propriétés telles que limite de fatigue . . . La capacité d'amortissement d'un matériau a en fait quatre origines, à savoir la déformation plastique, I'effet thermoélastique, I'effet magnétoélastique et la diffusion atomique. L'effet magnétoélastique est certainement le plus important dans le cas des alliages à finalité technologique.

   Il est bien établi que les alliages ferromagnétiques ont, pour certaines applications, des propriétés supérieures à celles mesurées dans le cas d'alliages non magnétiques; il a en effet été établi que les alliages ferromagnétiques présentent une capacité d'amortissement élévée due à un effet d'hystérésis magnétomécanique; I'énergie dissipée pendant un cycle tensiondéformation liée à l'effet magnétomécanique assure la capacité d'amortissement du matériau.

   Un matériau à haute capacité d'amortissement sera donc un matériau magnétique ayant une température de Curie aussi élevée que possible, un compromis devant cependant être trouvé entre les diverses propriétés demandées, à savoir: résistance à la température de service, capacité d'amortissement, résistance à l'oxydation et ductilité à l'ambiante.

   Sur base de ces considérations se sont imposés, notamment dans le domaine des aubes de turbine, un certain nombre de matériaux technologiques tels que d'une part les aciers du type AISI 403 (12% Cr) et AISI 422 (12% Cr Mo W V) et d'autre part des alliages cobalt-nickel appelés NiVCo, l'alliage 70 % Mn 30% Cu. Le choix des éléments d'alliage susceptibles de durcir ces matrices ferromagnétiques est en fait limité, car les diverses additions ont en général pour effet d'abaisser le point de Curie de l'alliage et par là, la capacité d'amortissement du matériau.

   Pour l'une ou l'autre raison, ces alliages présentent des inconvénients qui en limitent l'intérêt de l'utilisation pour les applications susmentionnées.

   Parmi ces inconvénients, on peut citer soit la résistance insuffisante au fluage à haute température, soit la difficulté de mise en oeuvre pour de raisons de dureté ou de fragilité ou d'indéformabilité, soit la diminution d'amortissement sous contraintes dynamiques et statiques élevées, soit encore leur coût élevé.

   La présente invention a pour objet de révéler l'intérêt de l'utilisation d'un alliage métallique particulier pour les applications susmentionnées, et en général pour constituer des éléments de machines qui, en service, sont soumis à des vibrations plus ou moins intenses, provenant soit du mouvement de rotation à grande vitesse, soit de mouvements alternatifs ou à vitesses variables.

   Ce matériau est caractérisé par une composition vérifiant les relations ci-après: 5% e;Cr S 25% Tie; 5% O e;Moe; 5% le solde étant du Fe et des impuretés de fabrication.

   On a constaté que le matériau ci-dessus révélé présentait simultanément de bonnes propriétés de résistance à chaud, ductilité, résistance au fluage, amortissement interne, jusqu'à des températures de l'ordre de 700 "C.

   A titre d'exemple, les figures 1 et 2 montrent, par voie de comparaison, et à 0,5 Hz, la dépendance de l'amortissement interne vis-à-vis de la déformation dynamique, pour diverses sollicitations statiques.

   La figure 3 montre que par traitement thermique de l'alliage considéré, et toujours à 0,5 Hz, il est possible de modifier la forme de la courbe observée précédemment, tant la valeur de l'amortissement maximum que celle de la tension correspondante; par traitement thermique de mise en solution et de vieillissement, il s'est ainsi avéré possible d'ajuster la valeur de la capacité d'amortissement de l'alliage ainsi que le montre la figure 3, après divers traitements thermo-mécaniques. Le durcissement de la matrice métallique, basé non plus sur la formation de carbures, mais sur la précipitation d'une phase chi du type Fel7 Cr17 (Ti, Mo)5 permet des utilisations jusqu'à la température de 700 C, en raison de la stabilité de la phase précipitée.

   Egalement à titre d'exemple, la figure 4 donne à nouveau l'évolution de la capacité d'amortissement interne à 0,5 Hz, en fonction de la déformation dynamique, pour divers niveaux de charges statiques appliquées, pour l'alliage: Cr: 13% Mo: 1,5% Ti: 3,5% TiO2: 1% Fe: solde.

   On observe sur cette figure des valeurs d'amortissement particulièrement élevées, à fortes contraintes dynamiques, et une faible sensibilité d'amortissement vis-à-vis de la charge statique appliquée, ce qui représente un second avantage.

   La figure 5 montre comment varient les valeurs d'amortissement interne en fonction de la composition de la matrice, pour un seul niveau de charge statique (niveau élevé) de 220 MN/m2.

   Sur cette figure, on a également tracé la courbe d'amortissement correspondant à l'alliage austénitique conventionnel AISI 316. On peut constater l'écart important entre cette courbe et **ATTENTION** fin du champ CLMS peut contenir debut de DESC **.