Brevet FR2475577A1 — publié le 19810814

La présente invention concerne un alliage et plus particulièrement une amélioration dtun alliage pour une pièce forgée pour rotor de turbine haute pression telle qu'on en utilise pour produire de l'énergie à partir dun combustible fossile. A ce jour on a utilisé comme alliages pour pièces forgées pour rotors de turbines à vapeur haute pression, des alliages ayant les compositions chimiques indiquées dans le tableau 1 ou des compositions chimiques semblables et en pratique tous ces alliages contiennent 0,004 à 0,009 % en poids de soufre. TABLEAU 1 Exemple de la composition chimique de l'acier d'une pièce forgée pour rotor de turbine haute pression (% en poids) C Si Mn Cr Mo V Ni P S 0,23 0,15 jus- 0,90 1,00 0,20 jus- jus- jus- a à qu'à | àqu'à qu'à qu'à 1,00 a ,75 0,015 0,018 0,35 0,35 1,50 1,50 0,30 Nota t selon la norme "ASTM A470 classe 8". Cependant récemment l'industrie de la production d'énergie électrique a présenté les exigences suivantes concernant les rotors de turbines haute pression utilisés à ce jour et ayant les compositions chimiques précitées t (1) Des inspections des centrales produisant de l'énergie électrique utilisées depuis une durée prolongée ont montré que des fissures se sont produites dans la partie voisine du creux central des rotors de turbines haute pression.On a donc établi que les propriétés de la partie voisine du creux central des rotors de turbines haute pression sont très importantes et qu'on doit prendre des me-sures particulières les concernant; et (2) comme en particulier au Japon la régulation de lwintensité du courant électrique nécessite un travail cyclique, même dans les centrales électriques de grande capacité, la pièce forgée du rotor doit se prêter à ces conditions d'emploi. Pour satisfaire ces exigences, l'industrie de la fabrication des rotors de turbines a envisagé diverses mesures telles que des améliorations des tests comparatifs utilisés dans la technologie de la fonte des pièces forgées pour rotors comme c'est le cas aux Etats-Unis, mais à ce jour aucune mesure définitive nga été annoncée ou n'est en vue. L'invention a pour objet un alliage pour pie ce forgée pour rotor de turbine haute pression satisfaisant aux exigences précitées de l'industrie de la production d'énergie électrique, ayant une uniformité métallurgique et physique remarquablement accrue, une ténacité, qui est en relation étroite avec les propriétés mécaniques de rupture, remarquablement améliorée si bien que la pièce forgée peut résister à des conditions d'emploi sévères quelconques et convenant non seulement pour les pièces forgées pour rotors de turbines haute pression mais également pour les pièces forgées de turbines basse pression, les pièces forgées de rotors de générateurs, etc. Selon l'invention un alliage pour pièce forgée pour rotor de turbine haute pression est caractérisé par le fait quil est constitué essentiellement, en pourcentages pondéraux, de 0,23 à 0,33 % de carbone, de 0,15 à 0s35 * de silicium, d'au plus 1,00 * de manganèse, de 0,90 à 1,30 * de chrome, de 1,00 à 1,50 * de molybdène, de 0,20 à 0,30 * de vanadium, dlau plus 0,75 * de nickel, d'au plus 0,015 s de phosphore et d'au plus 0,018 * de soufre, le reste étant pratiquement du fer, la teneur en soufre déterminée par analyse à la coulée étant d'au plus 0,002 *. D'autres caractéristiques et avantages de ltinven- tion ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est un histogramme de la relation entre la teneur en soufre (valeur déterminée par analyse à la coulée) et le nombre des défauts (détectés selon le test avec particules magnétiques pour 100 cm2) dans la partie centrale des pièces forgées pour rotors de turbines haute pression. Les figs. 2a et 2b representent des histogrammes exprimant en ordonnées la fréquence (*) du plateau supérieur d'énergie (dans la direction radiale) vEmax (J) à la surface et dans la partie centrale des pièces forgées pour retors. Les figs. 3a et 3b représentent des hiatogrammes exprimant la fréquence (*) de l'énergie absorbée à la température ordinaire (dans la direction radiale) VERT (J) des pièces forgées pour rotors. Les figs. 4a et 4b représentent des histogrammes exprdmnnt la fréquence (*) de FATT 50 % ( C) (dans la direction radiale) des pièces forgées pour rotors. La figure 3 représente un diagramme exprimant la relation entre le plateau supérieur d'énergie dans la direction longitudinale (J) en abscisses et le plateau supérieur dtinergie dans la direction radiale (J) en or- données, du rotor. La figure 6 illustre un diagramme exprimant la relation entre la diminution de la surface (,') dans la dire ce tion longitudinale en abscisses et la diminution de la surface (,') dans la direction radiale en ordonnées des pièces forgées pour rotors. La figure 7 représente un histogramme exprimant la fréquence (*) de la différence # # entre les valeurs de l'analyse à la coulée et les valeurs de analyse de contre des pièces forgées pour rotors. La figure 8 illustre un diagramme exprimant la relation entre la teneur en soufre selon l'analyse à la coulée et la résistance au choc dans la direction radiale (énergie absorbée à la température ordinaire exprimée en J) de la partie centrale des pièces forgées pour rotors. La figure 9 est un diagramme illustrant de façon semblable la relation entre la teneur en soufre selon ltanalyse à la coulée et le plateau supérieur d'énergie (J); et La figure 10 représente un diagramme exprimant une relation semblable entre la teneur en soufre selon l'ana- lyse à la coulée et FATT 30 * (OC), Pour atteindre les objectifs de l'inven-tion, on a étudié en détail les propriétés de pièces forgées. pour rotors de turbines classiques et de rotors de turbines fabriqués selon un procédé mis au point pour que la teneur en soufre soit réduite à une valeur aussi faible que 0,001 * en poids ou moins.On a pu confirmer que si la teneur en soufre est réduite en dessous de 0,002 * en poids -(valeur de l'analyse à la coulée), les propriétés do la partie centrale des pièces forgées pour rotors de turbines peuvent être remarquablement améliorées. Selon l'invention pour conférer à la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor les diverses caractéristiques qui lui manquent et pour qui conférer des caractéristiques métallurgiques et physiques uniformes et amélicrées, on prépare un alliage ayant une teneur en soufre de 0,002 % en poids ou moins (valeur de l'analyse à la coulée). On sait de façon générale que le soufre a un effet indésirable sur les propriétés de l'acier. Cependant l'accroissement de la précision des critères des tests avec des particules magnétiques a récemment révélé, vers la partie centrale d'unepièce forgée pour rotor, des défauts dont on ignorait an préalable l'existence, ce qui montre que l'on avait partiellement me'connu l'influence du soufre sur une pièce forgee pour rotor et notamment l'influence de la-teneur en soufre.Par conséquent en plus do la nécessité d'établir la relation quantitative entre la teneur on soufre et les propriétés de la partie centrale d'une pièe forgée pour roter, on a mis au point une technique pour réduire à une valeur extrOmement faible la teneur en soufre dtune pièce forgée pour rotor et effectué diverses recherches et études portant sur despièces forgées pour rotors fabriquées selon cette technique nouvellement mise au point. L'invention découle des résultats ainsi obtenus. L'invention va maintenant entre décrite de façon détaillée en se référant aux dessins et photographies annexés. Tout d'abord vont être exposés les résultats d'une étude effectuée sur des alliages classiques pour pièce. forgées pour rotors de turbines haute pression. A. Dans un alliage classique (teneur en soufre supérieure à 0,004 * en poids), comme il existe une concentration par ségrégation du soufre dans la partie centrale haute du lingot, lorsquton forge le lingot pour en faire un rotor, un défaut (inclusion non métallique) peut être détecté dans la partie centrale de la pièce forgée par un test avec des particules magnétiques (voir figure 1 et photographie ne 1), un défaut dans la partie centrale étant considéré comme une des causes des fissures de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor.La figure 1 est un histogramme montrant la relation entre la teneur en soufre (valeur de l'analyse à la coulée) et le nombre des défauts (inclusions non métalliques de type sulfure) de la partie centrale de la pièce forgée pour rotor, la teneur en soufre (* pondéral) étant représentée en abscisses et le nombre des défauts (pour 100 cm) détectés selon le test avec des particules magnétiques étant représenté en ordonnées, et la photographie ne 1 est un exemple d'un défaut (on considère qu'il s'agit d'une inclusion non métallique de type sulfure) détecté avec des particules magnétiques. B. Dans les alliages classiques, les différences des propriétés de résistance au choc entre la partie centrale et la surface d'une pièce forgée pour rotor sont importantes. Voir les figures 2 à 4. En particulier la figure 2 est un histogramme où le plateau d'énergie supérieur (direction radiale) yEmax (J) est représenté en abscisses et la fréquence (%) est représentée en ordonnées, qui montre que le plateau supérieur d'énergie est de 102 J en moyenne pour la partie centrale tandis que la moyenne à la surface est de 122 J.Comme le montre la figure 3 qui est un histogramme où l'énergie absorbée a la température ordinaire (direction radiale) VERT (J) est représentée en abscisses et la fréquence (*) est représentée en ordonnées, lténergie absorbée à la température ordinaire est de 9,5 J en moyenne pour la partie centrale tandis qutà la surface elle est de 14,2 J en moyenne. Donc les figures 2 et 3 montrent que la partie centrale a considérablement moins d'énergie que la surface dans les deux cas. De plus comme le montre la figure 4, qui est un histogramme où FATT 50 * (direction radiale) (OC) est représenté en abscisses et la fréquence (*) est re présent en ordonnées, le FATT 50 ffi pour la partie centrale est de +105C en moyenne et de +87 C en surface, la valeur de la partie centrale étant considérablement inférieure à celle de la surface. Comme ces propriétés sont en relation étroite avec la ténacité à la rupture, dans le cas de la formation de fissures au niveau du creux central d'une pièce forgée pour rotor, on peut en déduire qu'elles sont en rapport avec l'éclatement du rotor d'une turbine. C. Dans la partie centrale dune pièce forgée pour rotor, la différence de la diminution de la surface et des propriétés de résistance au choc entre la direction radiale et la direction longitudinale est importante. Voir les figures 5 et 6. Comme le montre la figure 5 qui est un histogramme sur lequel le plateau supérieur d'éner gie (direction longitudinale) (J) et le plateau supérieur d'énergie (direction radiale) (J) sont respectivement représentés en abscisses et en ordonnées, le plateau supérieur d'énergie dans la direction radiale est d1envi- ron 95 J tandis que dans la direction longitudinale il est d'environ 122 J.De plus comme le montre la figure 6 qui est un diagramme de la relation entre la diminution de surface dans la direction radiale et la diminution de surface dans la direction longitudinale, où ces diminutions de surface exprimées en pourcentage sont respectivement représentées en abscisses et en ordonnées, la diminution de surface dans la direction radiale est par exemple dtenviron 50 % tandis que la diminution de surface dans la direction longitudinale est d'environ 58 *. Comme le montrent les figures 5 et 6, les valeurs dans la direction radiale sont nettement inférieures aux valeurs dans la direction longitudinale. A partir de ce résultat, on considère que pour une fissure au niveau du creux central d'une pièce forgée pour rotor, la force de résistance à la contrainte dans la direction principale (direction radiale) qui est associée à la formation des fissures et à leur propagation est faible et que la résistance à la fatigue à bas cycle décrite ci-après est altérée. D. En ce qui concerne la seconde exigence précitée, la résistance à la fatigue à bas cycle a été envisagée. Comme la gamme des tensions de la résistance à la fatigue à bas cycle et le nombre des cycles à la rupture sont influencés par la diminution de la surface, une amélioration de la diminution de la surface est indispensable, mais comme la déjà montré la figure 6, la diminution de la surface dans la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor a une valeur inférieure dans la direction radiale, mais également cette valeur de la diminution de la surface est faible, si bien que l'on considère que la diminution de la surface de la partie centrale dune pièce forgée pour rotor classique est défavorable en ce qui concerne la résistance à la fatigue à bas cycle.A cet égard, on connatt la formule suivante où AE t gamme des tensions; N t nombre des cycles à la rupture; t t diminution de la surface; e-w : résistance à la traction/2; et E t module d'Young. I1 ressort de l'exposé précddent qu'un alliage classique pour pièces forgées pour rotors de turbines haute pression pose de nombreux problèmes relatifs aux proprié- tés de sa partie centrale. Par conséquent, selon l'invention, on est intéres- sé à la teneur en soufre de l'alliage et l'alliage de l'invention est caractérisé par le fait que sa teneur en soufre est inférieure à 0,002 * en poids selon l'analyse à la coulée. Le fait que tous les problèmes propres aux alliages classiques puissent entre entièrement résolus grâce à une teneur en soufre conforme à l'invention va être expliqué relativement à des modes de réalisation de l'invention et à des résultats expérimentaux. Tout d'abord on a fondu dans un four électrique des alliages pour pièces forgées pour rotors do turbines haute pression ayant des compositions chimiques conformes à l'invention et après avoir désulfuré dans une poche de coulée, on les a coulés sous vide en lingots. Les lingots ont été soumis à une opération classique do forgeage et de traitement thermique et on a fabriqué des pièces forgées pour rotors de turbines haute pression qui ont été soumises à différents essais. Par eses- ple les résultats de l'analyse à la coulée d'un alliage de l'invention et d'un alliage classique figurent dans les tableaux 2 et 3. TABLEAU 2 Exemple do résultat d'analyse à la coulée , (% pondéral) G Si Mn Cr No V Ni P Alliage de L'invention 0,31 0,230,78 1,13 1,15 0,24 0,33 0,007 classique 0,30 0,28 0,75 1,15 1,10 0,24 0,33 0,005 TABLEAU 3 Teneur en soufre (% pondéral) Analyse à la Analyse de contrôle coulée à la partie supé rieure du lingot Alliage t de l'invention 0,002 0,002 Alliage classique 0,006 0,008 Nota : En général les résultats des analyses présentent de légères différences selon la méthode d'analyse. Comme le montre le tableau 3, par rapport à un alliage classique, dans l'alliage de l'invention, la teneur en soufre (% pondéral) correspondant à l'analyse à la coulée a une valeur très faible de 0,002 * et l'homogénéité est également très bonne, les valeurs analytiques ne présentant pratiquement pas de dispersion discernable. Ce fait ressort également de l'examen de la figure 7 qui représente un histogramme montrant la relation entre l'importance des différences entre les valeurs de l'analyse à la coulée et les valeurs de l'analyse de contrôle et la fréquence correspondante. Ce fait apparat également à l'examen des photographies ne 2 à 3, qui sont des em- preintes du soufre respectivement d'une coupe longitudinale dune pièce forgée pour rotor classique (dont la teneur en soufre est de o,oo6 * en poids selon l'analyse à la coulée), d'une coupe longitudinale du lingot selon l'invention (dont la teneur en soufre est de 0,002 * en poids selon l'analyse à la coulée), d'une coupe transversale de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor classique et d'une coupe transversale de la partie centrale de la pièce forgée pour rotor selon l'invention. L'examen des tableaux 2 et 3 et des photographies 2 à 5 montre que dans l'alliage selon l'invention, il n'y a pas de ségrégation du soufre ce qui suggère que dans cet alliage les défauts de la partie centrale que l'on observe dans une pièce forgée pour rotor classique sont éliminés, c'est-a-dire que la formation de fissures au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor est rendue difficile. Bien qu'un seul exemple de résultats expérimentaux correspondant à un lingot de l'alliage selon l'invention par rapport à un lingot de l'alliage classique ait été précédemment décrit, l'alliage selon l'invention et l'alliage classique entre lesquels il existe des différences importantes en ce qui concerne la teneur en soufre et la ségrégation du soufre comme précédemment indiqué, ont été respectivement utilisés pour fabriquer des pièces forgées pour rotors selon un procédé de forgeage et un trai tement thermique classique puis les pièces forgées ont été soumises à différents essais. Les résultats des essais sont illustrés par les figures 2 à 6 qui permettent de les comparer aux essais obtenus avec un alliage classique comme précédemment indiqué. Ces résultats vont maintenant être expliqués. A. La figure 2 montre que le plateau supérieur d'énergie dans le cas d'un alliage selon l'invention est de 136 J en moyenne à la surface et de 126,8 J en moyenne pour la partie centrale. Donc lorsquZon compare avec les valeurs correspondantes de l'alliage classique, il apparait que dans l'alliage de l'invention la différence entre les deux valeurs est réduite et que le niveau de l'énergie est supérieur. De façon semblable comme le montre la figure 3,P'é- nergie absorbée à la température ordinaire dans la dire ce tion radiale est de 14,1 J en moyenne à la surface et de 11,4 J en moyenne pour la partie centrale. Donc par rapport à l'alliage classique, il est évident que dans l'acier de lsinvention,la différence entre les valeurs moyennes de la surface et de la partie centrale ainsi que le niveau de ces valeurs sont améliorés. De plus comme le montre la figure 4 qui représente FATT 50 * dans la direction radiale, il est apparent que la valeur de la partie centrale est améliorée avec une élévation atteignant 97,4eu et que celle de la surface atteint 84,5 C, ces valeurs étant meilleures que celles de l'alliage classique. Donc, le fait que les propriétés de résistance au choc de la partie centrale d'une pièce forgée pour roter sont remarquablement améliorées et qu'en même temps le niveau des propriétés de résistance au choc de la pièce forgée pour roter est accru dans leur ensemble révèle que même si une fissure se forme au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor, le risque de rupture est faible. B. Egalement comme les plateaux supérieurs d'énergie de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor dans la direction longitudinale et dans la direction radiale sont respectivement comme le montre la figure 5 de 122 J et de 118 J, on voit que l'amélioration dans la direction radiale est remarquable et que le niveau d'énergie est amélioré dans son ensemble Ceci signifie que la résistan- ce à la rupture du rotor est accrue. C. Enfin comme le montre la figure 6, les diminutions de la surface de la partie centrale d'une pièce forgée pour rotor dans la direction radiale et dans la direction longitudinale sont respectivement de 38 * et de 37 %, ce qui montre que l'accroissement dans la direction radiale est remarquable et que le niveau des valeurs dans les deux directions est fortement accrus si bien que la résistance à la fatigue à faible fréquence est accrue par rapport à l'alliage classique. Il convient également ici de se reporter à l'équation concernant A t précédemment indiquée. Les figures 9 et 10 sont des diagrammes représentant la relation entre les propriétés de résistance au choc et la teneur en soufre résultant des divers résultats précé- demment exposés. Ces diagrammes montrent que si la teneur en soufre (valeur de analyse à la coulée) s'abaisse en dessous de 0,002 % en poids, les propriétés de résistance au choc sont considérablement accrues. Dans l'inv-ntion les raisons pour lesquelles la teneur en soufre déterminée par l'analyse à la coulée est limitée à un maximum de 0,002 * en poids découlent des résultats ci-dessus, car, à ce jour, pour une pièce forgée pour rotor, la relation entre cette teneur extrêmement faible en soufre et les propriétés de résistance au choc n'avait jamais été envisagée quantitativement, et l'invention montre pour la première fois que cette limitation de la teneur en soufre est une condition indispensable pour supprimer dans un rotor des défauts tels que ceux observés au niveau du creux central de la pièce forgée pour rotor, par exemple des inclusions non métalliques et f'anisotsopie de la diminution de la surface et améliorer considérablement les valeurs de divers essais. REVENDICATION Alliage pour pièce forgée pour rotor de turbine haute pression, caractérisé par le fait qu'il est constitué, en pourcentages pondéraux, de 0,25 à 0,35 % de carbone, de 0,15 à 0,35 % de silicium, d'au plus 1,00 % de manganèse, de 0,90 à 1,50 % de chrome, de 1,00 à 1,50 % de molybdène, de 0,20 à 0,30 * de vanadium, d'au plus 0,75 % de nickel, d'au plus 0,015 % de phosphore et d'au plus 0,018 * de soufre, le reste étant constitue essentiellement de fer, la teneur en soufre de cet alliage, déterminée par l'analyse à la coulée, étant d'au plus 0,002 %.