Brevet FR2380349A1 — publié le 19780908

La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés à 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 mecaniques. I1 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 7000C et parfois plus. Le cas se présente spécifiquement lorsque l'on veut assurer un temps de vie suffi- sant 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, l'effet thermoélastique, l'effet magné toélastique 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 élevée due à un effet d'hystérésis magnétomécanique ; l'énergie dissipée pendant un cycle tension-déformation liée à l'effet magnéto mécanique assure la capacité d'amortissement du matériau. Un matériau à haute capacité d'amortissement sera donc un matériau magnétiaue 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 i Cr) et AISI 422 (12 ss 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'in béret de l'utilisation d'un matériau métallique particulier pour les applications susmentionnées, et en général pour constituer des éléments de machines qui, en sevice, sont soumis à des vibrations plus ou moins intenses, provenant soit du mouvement de rotation à grande vitesse, soit de mouvements alternatifs ou à vitesse variables. Ce matériau est caractérisé par une composition vérifiant les relations ci-après 5 % # Cr # 25 % Ti # 5 % O Mo # 5 5 solde Fe et ses impuretés usuelles 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'd des températures de l'ordre de 700 C. A titre d'exemple, les figures I 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 Fe 17 Cr17 (Ti, Mo)5 permet des utilisations jusqu'à la température de 7000C, en raison de la stabilité de la phase précipitée. également 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 : 13 % Mo : 1,5 ffi Ti : 3,5 % TiO2 : 1 % Fe : solde. On observe sur cette figure des valeurs d'amortis- sement particulièrement élevées, à fortes contraintes dynami ques, 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 2 MN/tn * Sur cette figure, on a également tracé la courbe dlamortissement 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 un Tableau T1, les différentes compositions des alliages repérés auxdits diagrammes. Fe Cr Ni Mo Ti TiO2 Alliages % % % % % % AISI 410 solde 13 -- -- -- - AISI 316 16 13 1 -- - B 3 E* " 13 -- 1,5 2,5 - 816 ** " 13 -- 1,5 3,5 0,5 817 ** " 13 -- 1,5 3,5 1,0 818 ** " 13 -- 1,5 3,5 1,5 819 ** " 13 -- 1,5 3,5 2,0 extrusion à 1100 C * t extrusion à 1100 C, rétreint à 1050 - 1100 C de 19 à 10 mm rétreint à 250C de 10 mm à 8,6 mm traitement thermique : 1 h sous argon à 10500C. Suivant une variante de l'invention et ainsi qu'il a été montré dans les figures 4 et 5, il a été constaté qu'il était possible d'accroitre les propriétés de la matrice métal lique 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, l'addition à la matrice métallique ci-dessus révélée d'un ou plusieurs éléments ci-après dans les proportions indiquées s'est avérée particulièrement intéres- sante : TiO2 # 4 % en volume Y2O3 # 4 % en volume MgO # 4 % en volume Al2O3 # 4 % en volume REVENDICATIONS 10/ Perfectionnement à la fabrication de machines ou éléments de machines soumises à des vibrations mécaniques comme des organes en alliage soumis à un mouvement de rotation à grande vitesse, soit à un mouvement alternatif, soit à des mouvements à vitesse variables, c a r a c t é r i s é par le fait que l'alliage 2 une composition vérifiant les relations ci-après 5 % # Cr # 25 % -T1 K 5 % 0 # Mo # 5 % le solde étant du Fe et ses impuretés usuelles de fabrication. 20/ Alliage suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs des éléments ci-après, dans les proportions indiquées TiO2 # 4 % en volume Y203 # 4 i en volume MgO 4 4 % en volume Al2O3 # 4 % en volume.