Brevet FR2439309A1 — publié le 19800516

ROTOR DE TURBINE HYDRAULIQUE ET SON PROCEDE DE FABRICATION. La présente invention se rapporte à un rotor de turbine hydraulique ou à un rotor de turbo-pompe réversible, et elle a trait plus particulièrement à un rotor de turbine hydraulique de grande capacité ou de turbo-pompe réversible qui est formé d'acier inoxydable moulé ayant une résistance et une ténacité particulièrement grandes, l'invention concernant également un procédé de fabrication dudit rotor. Par le passé, on a utilisé de l'acier moulé à 13% de chrome comme acier inoxydable de coût pour produire des rotors de turbines hydrauliques. Cependant, puisque cet acier moulé à 13% de chrome ne possède pas une soudabilité suffisamment bonne, on effectue parfois le soudage en utilisant des électrodes en acier inoxydable austénitique, bien qu'on sache que cela se traduit par une réduction de résistance. Pour satisfaire au besoin d'augmentation de la puissance d'un rotor de turbine hydraulique et de son rendement, on a mis au point des matériaux possédant de meilleures propriétés mécaniques et une meilleure soudabilité que l'acier moulé à 13% de chrome. Ces matériaux ont été obtenus en ajoutant à l'acier moulé à 13% de chrome de 4 à 6% de nickel et de molybdène. Une demande de plus en plus grande d'énergie électrique, à la fois pour la consommation domestique et la consommation industrielle, a porté l'attention des experts techniques sur les centrales hydrauliques qui contribuent à augmenter la génération de courant électrique et qui permettent d'utiliser efficacement l'énergie électrique en effectuant un pompage avec emmagasinage d'énergie en utilisant un excès de courant électrique pendant les périodes nocturnes, de sorte que l'impératif d'équilibrer l'augmentation des besoins en énergie avec la fourniture d'énergie nouvelle peut être satisfait en augmentant la participation des centrales hydrauliques dans ce domaine, ces centrales constituant des auxiliaires pour les centrales à combustibles fossiles et les centrales nucléaires.Dans une centrale de génération d'énergie opérant par pompage et emmagasinage, on rencontre une tendance à l'augmentation de la hauteur de pompage. Si cette hauteur de pompage est de 800 à 1000 m, par exemple, il est nécessaire de faire intervenir dans les rotors de turbo-pompes des matériaux ayant une résistance d'environ 100 kg/cm2. I1 en résulte que tous les materiaux disponibles à l'heure actuelle pour la fabrication de rotors de turbines hydrauliques ou de rotors de turbo-pompes réversibles ne peuvent pas être utilisés du fait de leur résistance insuffisante. En conséquence, on enregistre un accroissement des besoins en matériaux de plus haute résistance que les matériaux connus pour pouvoir fabriquer des rotors de turbo-pompes hydrauliques destinées à fonctionner avec une grande hauteur de pompage. L'invention a en conséquence pour but de fournir un rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible de grande capacité, qui soit formé d'acier inoxydable moulé de grande résistance et de haute ténacité et qui permette de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. La présente invention est basée sur la découverte que, lorsque de l'acier inoxydable martensitique contenant, en pourcentage en poids, de 10 à 15% de chrome et de 2 à 7% de nickel, est soumis à un revenu, l'austénite qui est formée, à raison de 10 à 40% en volume, dans l'acier pendant le processus de revenu a pour effet d'augmenter la ténacité de l'acier, une addition de vanadium à l'acier en présence de l'austénite formée augmente de façon appropriée la résistance de la matrice, et que le niobium, le zirconium et l'hafnium constitue des éléments utiles pour coopérer avec le vanadium lorsqu'on désire augmenter la résistance de l'acier; c'est en fonction de cette découverte que la présente invention a été mise au point. Ainsi, la présente invention concerne un rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible, qui est formé d'acier inoxydable moulé contenant, en pourcentage en poids, de 0,01 à 0,15% de carbone, de 0,1 à 1,0% de silicium, de 0,1 à 2,0% de manganèse, de 10 à 15% de chrome, de 2 à 7% de nickel, de 0,1 à 3,0% de molybdène, de 0,05 à 0,5% de vanadium et le complément de fer et d'impuretés inévitables, cet acier ayant été soumis à un traitement de trempe et de revenu. En outre, la microstructure du rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible qui est formé d'acier inoxydable moulé conforme à l'invention est caractérisée en ce que, après que le rotor a subi la trempe et le revenu, cette microstructure est principalement composée de martensite et d'austénite retenue, la quantité d'austénite retenue étant comprise entre 10 et 40% en volume, et la quantité de ferrite delta étant inférieure à 10% par unité de section. On va maintenant définir les raisons pour lesquelles la composition chimique de l'acier inoxydable moulé qui est utilisé dans la présente invention est limitée aux plages indi quées ci-dessus. Le carbone, lorsqu'il intervient avec une teneur supérieure à 0,15%, réduit en particulier la soudabilité de l'acier, de sorte que sa limite supérieure est établie à 0,15% et que sa limite inférieure est établie à 0,01%, en vue d'obtenir une résistance suffisante et de faciliter la fusion de l'acier. De préférence, la teneur en carbone est limitée à une plage comprise entre 0,03 et 0,08%. Le silicium doit intervenir en quantité supérieure à 0,01% comme désoxydant dans la production de l'acier, mais une teneur inférieure à 1,0% convient du point de vue de l'augmentation de la ténacité du produit. De préférence, on limite la teneur en silicium dans une plage comprise entre 0,2 et 0,6%. Le manganèse est également utilisé comme désoxydant et il contribue également à augmenter la ténacité de l'acier comme élément formateur d'austénite, de sorte qu'il est approprié d'ajouter du manganèse en quantité jusqu'à 2,0%. De préférence, on limite la teneur en manganèse dans une plage comprise entre 0,3 et 0,9%. Le chrome est le constituant le plus important de l'acier inoxydable pour augmenter la résistance à la corrosion et, dans ce but, la quantité nécessaire est supérieure à 10%. Cependant, une augmentation de la teneur en chrome augmente la formation de ferrite delta, qui rend l'acier fragile, de sorte que la limite supérieure est établie à 15. De préférence, on limite la teneur en chrome dans une plage comprise entre 12 et 14%. Le nickel est un élément formateur d'austénite bien con firmé et il est nécessaire d'ajouter du nickel dans une plage comprise entre 2 et 7% pour améliorer la soudabilité et pour obtenir une quantité efficace d'austénite retenue. En particulier, la plage préférée est comprise entre 4 et 6%. Cependant, la présence de cet élément en quantité supérieure à 7% diminue notablement la résistance du fait qu'il se forme un excès d'austénite retenue. Le molybdène constitue un élément qui a pour effet d'augmenter la résistance à la corrosion en même temps que la résistance mécanique et, en outre, il convient très bien pour éviter une fragilité au revenu. Cependant, lorsque sa teneur dépasse 3%, on enregistre une réduction sensible de ténacité bien que la résistance mécanique augmente. En conséquence, on limite la teneur en molybdène dans une plage comprise entre 0,1 et 3,0%, la plage préférée étant comprise entre 1 et 2%. Le vanadium, qui est un élément formateur de carbure, supprime la précipitation du carbure et du nitrure de chrome et évite la création d'une fragilité par refroidissement lent. En même temps, cet élément a pour fonction d'augmenter la résistance par un durcissement secondaire se produisant au cours du processus de revenu. Cependant, si la teneur en vanadium dépasse 0,5%, il se pose un problème de ségrégation et la ténacité est réduite, de sorte que la quantité de vanadium doit être inférieure à 0,5%. I1 est à noter que, pour exploiter l'avantage de l'addition du vanadium, sa teneur doit être supérieure à 0,05%, et il en résulte qu'on limite la quantité de vanadium dans une plage comprise entre 0,05 et 0,5% (de préférence, entre 0,1 et 0,3%). De même que le vanadium, chacun des éléments constitués par le niobium, le zirconium et l'hafnium sont des formateurs de carbures et jouent le roule d'auxiliaires pour le vanadium. On ajoute avantageusement au moins un desdits éléments en quantité comprise entre 0,005 et 0,5%. Lorsqu'on ajoute plus de deux desdits éléments, la quantité totale est avantageusement maintenue dans une plage comprise entre 0,005 et 0,5%. En plus des éléments précités, il est possible d'ajouter comme désoxydants, des composés d'aluminium et de titane, intervenant en petites quantités. Le rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe selon l'invention, qui est formé d'acier inoxydable moulé, est utilisé après avoir été trempé à une température de 900 à 11000C après coulée, et après avoir subi ensuite un revenu à une température comprise entre 500 et 6500C. Dans cette condition, la microstructure obtenue est composée principalement de martensite et d'austénite retenue.On règle les constituants respectifs et les conditions de traitement thermique de manière que la quantité d'austénite retenue soit comprise entre 10 et 40% en volume. I1 est préférable que la quantité d'austénite retenue soit supérieure à 10% en volume, du point de vue de l'augmentation de la ténacité, et inférieure à 40% en volume du point de vue de l'augmentation de résistance. I1 se forme de la ferrite delta en petite quantité quand la composition chimique de l'acier inoxydable utilisé dans la présente invention est conforme à ce qui a été défini ci-dessus. Cependant, la présence de ferrite delta ne pose aucun problème en ce qui concerne la résistance et la ténacité, à condition qu'elle intervienne en quantité inférieure à 10% par unité de surface et qu'elle ait un profil allongé, en précipitant le long des lisières de grains. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe schématique du rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible agencé con formément à la présente invention; et la Fig. 2 est une représentation graphique donnant la relation entre la contrainte d'épreuve, correspondant à la limite élastique à 0,2%, et la résilience pour différentes qualités d'aciers. On va maintenant décrire l'invention de façon plus détaillée en référence au mode de réalisation représenté sur les dessins. La Fig. 1 est une vue en coupe d'un rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible conformé à la présente invention, et dans lequel plusieurs aubes 3 sont disposées entre une couronne 2 et un bandage annulaire 4. La couronne 2 est destinée à être reliée à un arbre d'entrainement (nonvisible) par sa partie centrale, qui a une épaisseur accrue, comme indiqué en 1, et qui est appelé un moyeu de couronne. On fabrique des rotors de turbines hydrauliques (ou des rotors de turbo-pompes réversibles) par l'un des deux procédés suivants: un premier procédé consiste à couler le rotor d'un seul bloc, tandis que l'autre procédé consiste à couler différentes parties du rotor, puis à assembler ces parties par soudage. Le Tableau I donne la composition des échantillons d'aciers moulés qui sont utilisés pour produire le rotor de turbine hydraulique ou le rotor de turbo-pompe réversible représenté sur la Fig. 1, tandis que le Tableau II donne leurs propriétés mécaniques. Les échantillons 1-3 ont la composition typique de l'acier inoxydable utilisé dans la présente invention, tandis que chacun des échantillons 4 à 8, donnés pour une comparaison avec les échantillons 1 à 3, a une composition qui ne rentre pas dans celle des aciers inoxydables utilisés dans la présente invention. Tous les échantillons ont été réalisés par coulée, puis ils ont subi une trempe et un revenu.Les échantillons 1 à 5, contenant des formateurs de carbures tels que le molybdène, le vanadium et le niobium, et l'échantillon 8, ayant un point de transformation thermique élevé, ont été chauffés pendant 1 heure à 10000C et ont subi une trempe par refroidissement dans l'air. Les échantillons 6 et 7, qui sont des aciers moulés à 13% de chrome contenant du nickel, ont été chauffés pendant 1 heure à 9600C, et ont subi une trempe par refroidissement dans l'air. On a effectué le revenu des échantillons de la manière suivante. Seul l'échantillon 8 a été chauffé à 6800C pendant 5 heures, puis a été refroidi par air (dans cette condition, il ne s'est pas formé d'austénite retenue), tandis que les autres échantillons ont été chauffés à 5700C pendant 5 heures, puis ont été refroidis dans l'air.On a constaté que les échantillons autres que le Numéro 8, contenaient de l'austénite retenue à raison de 10 à 15% en volume. TABLEAU I (unité : % en poids) Echantillon C Si Mn P S Ni Cr Mo V Remarques No. 1 0,03 0,41 0,69 0,024 0,012 5,27 13,52 1,54 0,20 2 0,03 0,42 0,64 0,025 0,015 5,24 13,40 1,69 0,15 Zr 0,01 # selon linvention 3 0,04 0,41 0,71 0,026 0,015 5,17 13,58 1,69 0,16 Hf 0,01 4 0,03 0,39 0,69 0,025 0,013 5,25 13,36 1,55 - Nb 0,20 5 0,03 0,41 0,70 0,024 0,012 5,31 13,23 1,56 - 6 0,04 0,43 0,61 0.020 0,011 4,92 13,10 0,13 - - # pour 7 0,07 0,37 0,50 0,024 0,009 3,82 12,41 0,27 - - comparaison 8 0,08 0,44 0,64 0,029 0,009 0,51 11,73 - - TABLEAU II Résistance Contrainte Résiliente Echentillon à la d'épreuve Allongement Striction (Charpy-V-2 mm) Remarque No. traction 0,2% (%) (%) (kgm/cm, 0 C) (kg/mm) (kg/mm) 1 102,5 95,3 21,5 61,3 11,6 2 101,3 95,9 21,7 63,2 10,0 selon 3 100,4 93,3 22,5 62,5 10,6 # l'invention 4 102,5 97,4 21,5 61,5 2,4 5 98,2 83,6 23,0 62,7 14,1 6 83,0 73,3 26,0 65,3 16,5 # pour 7 85,5 77,0 23,0 66,0 13,3 comparaison 8 70,0 55,5 27,3 65,0 1,8 La trempe d'un rotor de turbine hydraulique ou d'un rotor de turbo-pompe réversible est effectuée de la manière suivante: après que ce rotor a été chauffé pendant une période prédéterminée à une température prédéterminée, on effectue le refroidissement en pulvérisant de l'eau atomisée ou en projetant un jet d'air en correspondance au volume ou à la capacité thermique dudit rotor. De préférence, le rotor de turbine hydraulique est soumis à un recuit avec diffusion (par chauffage pendant 20 à 40 heures, à une température d'environ 10000C), avant d'être soumis au traitement de trempe, afin d'éviter des difficultés telles qu'une ségrégation. Sur les Tableaux I et II, l'échantillon 8 indiqué à titre de comparaison correspond à un acier à 13% de chrome classique, qui a une résistance, une ductilité et une ténacité faibles. L'échantillon 7 donné à titre de comparaison, qui a une teneur en nickel d'environ 4%, présente une nette amélioration de résistance et de ténacité par rapport à l'échantillon 8, mais il est encore insuffisant dans ce domaine. L'échantillon No. 6, indiqué également à titre de comparaison, et qui a une teneur en nickel supérieure, à savoir d'environ 5%, a donné une résilience légèrement supérieure à celle de l'échantillon No. 7, mais l'augmentation du pourcentage d'austénite retenue, du fait de l'augmentation de la teneur en nickel, a conféré à cet échantillon une nette augmentation de la sensibilité à la fissuration au soudage. Cependant, cet échantillon n'a pas une résistance mécanique suffisamment grande. L'échantillon No. 5 correspond à l'échantillon No. 6 en ce qui concerne l'addition de molybdène, et on a trouvé qu'il avait une résistance à la traction d'environ 100 kg/cm2.Cependant, on a trouvé une contrainte d'épreuve à 0,2% d'environ 80 kg/cm2, cette valeur n'étant pas suffisamment grande et nécessitant d'etre encore augmentée. L'échantillon No. 4 contient en outre 0,2% de niobium, et il a donné une résistance à la traction de l'ordre de 100 kg/cm2 et une contrainte d'épreuve à 0,2% de l'ordre de 90 kg/cm2. La résistance mécanique de cet échantillon a franchi le niveau défini par les échantillons connus, mais sa valeur de résilience, de 2,5 kgm/cm2, est considérée comme trop faible pour permettre l'utilisation appropriée de cet échantillon. Par comparaison aux échantillons donnés à titre de comparaison et définis ci-dessus, les échantillons 1 à 3, qui correspondent à des aciers moulés conformes à la présente invention, ont présenté une résistance et une ténacité bien supérieures à celle des échantillons de comparaison, et leurs résistances à la traction et leurs contraintes d'épreuve à 0,28 ont dépassé les niveaux respectifs de 100 kg/cm2 et 90 kg/cm2, tandis que leurs résiliences ont atteint le niveau de 10 kgm/cm2. On n'a pas pu obtenir par le passé d'aussi bons résultats avec les aciers moulés utilisés pour la fabrication des rotors connus de turbines hydrauliques et de turbo-pompes réversibles.Bien que celanesoit pas indiqué dans les tableaux, on a déterminé que les échantillons des aciers moulés conformes à l'invention possédaient une plus grande résistance à la fatigue par corrosion que les échantillons de comparaison. La Figure 2 donne la relation entre la résistance mécanique (contrainte d'épreuve correspondant à la limite élastique à 0,2â) et la ténacité (valeur de résistance aux chocs ou de résilience) pour les échantillons indiqués dans le Tableau I. Sur cette figure, les points blancs représentent les aciers moulés conformes à l'invention et les points noirs les aciers de comparaison. Bien qu'il soit généralement connu que les propriétés de résistance et de ténacité vont en sens contraire l'une de l'autre et que, lorsque l'une a une valeur élevée, l'autre a une valeur faible, il apparat que, en considérant le graphique de la Figure 2, les échantillons d'aciers moulés conformes à l'invention sont supérieurs aux échantillons de comparaison à la fois en ce qui concerne la résistance et la ténacité, du fait que leurs contraintes d'épreuve à 0,2% et leurs valeurs de résilience sont respectivement supérieures à 90 kg/cm2 et 10 kgm/cm2. L'acier inoxydable moulé, de haute résistance et de haute ténacité, qui est utilisé conformément à la présente invention, peut être commodément fondu et coulé à l'aide d'un four à arc électrique classique ou bien, dans certains cas, à l'aide d'un four à induction à haute fréquence, etc., et il ne faut prévoir aucun procédé et équipement spécial pour fabriquer un rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe. La description faite ci-dessus montre que l'invention permet d'obtenir un rotor de turbine hydraulique, ou un rotor de turbo-pompe réversible, formé à partir d'un acier inoxydable moulé, ayant une résistance et une ténacité particulièrement élevées; une grande résistance à la fatigue par corrosion et une bonne soudabilité. En particulier, le rotor selon l'invention peut entre utilisé dans des turbines hydrauliques ou des turbo-pompes réversibles intervenant dans une centrale de génération d'énergie opérant par pompage et emmagasinage. REVENDICATIONS 1. Rotor de turbine hydraulique ou de turbo-pompe réversible, caractérisé en ce qu'il est formé d'acier inoxydable moulé contenant, en pourcentage en poids, de 0,01 à 0,15 % de carbone, de 0,1 à 1,0 % de silicium, de 0,1 à 2,0 % de manganèse, de 10 à 15 % de chrome, de 2 à 7 % de nickel, de 0,1 à 3,0 % de molybdène, de 0,05 à 0,5 % de vanadium, éventuellement de 0,005 à 0,5 % d'au moins un élément choisi dans le groupe comprenant le niobium, le zirconium et l'hafnium, et le complément de fer et d'impuretés inévitables, et en ce qu'il est soumis, après moulage, à un traitement de trempe et de revenu. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est formé d'acier inoxydable moulé contenant, en pourcentage en poids, de 0,01 à 0,15 % de carbone, de 0,1 à 1,0 % de silicium, de 0,1 à 2,0 % de manganèse, de 10 à 15 % de chrome, de 2 à 7 % de nickel, de 0,1 à 3,0 % de molybdène, de 0,05 à 0,5 % de vanadium et le complément de fer et d'impuretés inévitables, en ce qu'il comporte une microstructure mixte, composée principalement de martensite et d'austénite retenue (ou résiduelle), et en ce que la quantité de ladite austénite retenue est comprise entre 10 et 40 % en volume et la quantité de ferrite delta est inférieure à.10 % par unité de section. 3. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est formé d'acier inoxydable moulé contenant, en pourcentage en poids, de 0,01 à 0,15 % de carbone, de 0,1 à 1,0 % de silicium, de 0,1 à 2,0 % de manganèse, de 10 à 15 % de chrome, de 2 à 7 % de nickel, de 0,1 à 3,0 % de molybdène, de 0,05 à 0,5 % de vanadium, de 0,005 à 0,5 % d'au moins un élément choisi dans le groupe comprenant le niobium, le zirconium et l'hafnium, et le complément de fer et d'impuretés inévitables, en ce qu'il comporte une microstructure mixte, composée principalement de martensite et d'austénite retenue, et en ce que la quantité de ladite austénite retenue est comprise entre 10 et 40 % en volume et la quantité de ferrite delta est inférieure à 10 % par unité de section. 4. Procédé de fabrication d'un rotor de turbine hydraulique ou d'un rotor de turbo-pompe réversible, caractérisé en ce qu'on effectue la coulée du rotor de turbine hydraulique ou du rotor de turbo-pompe réversible en faisant fondre de l'acier inoxydable contenant, en pourcentage en poids, de 0,01 à 0,15 % de carbone, de 0,1 à 1,0 % de silicium, de 0,1 à 2,0 % de manganèse, de 10 à 15 % de chrome, de 2 à 7 % de nickel, de 0,1 à 3,0 % de molybdène, de 0,05 à 0,5 % de vanadium, éventuellement de 0,005 à 0,5 % d'au moins un élément choisi dans le groupe comprenant le niobium, le zirconium et l'hafnium, et le complément de fer et d'impuretés inévitables; et en ce qu'on soumet le rotor de turbine hydraulique ou le rotor de turbo-pompe réversible, en premier lieu, à un traitement de trempe et, en second lieu, à un traitement de revenu. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue le traitement de trempe à une température comprise entre 900 et 11000 C, et le traitement de revenu à une température comprise entre 500 et 6500 C. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue le traitement de trempe en chauffant le rotor moulé à une température de trempe appropriée, puis en assurant son refroidissement par pulvérisation d'eau atomisée ou par soufflage d'air.