Brevet FR2547037A1 — publié le 19841207

La présente invention concerne un échangeur de cha- leur à plaques ailettées pour l'emploi à ultra-haute pression Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur à plaques ailettées assemblées par brasage dans lequel on emploie un alliage d'aluminium évitant une diffusion excessive du silicium de l'alliage de brasage dans les ailettes servant de passage à un fluide à ultra-haute pression. De façon classique, on emploie l'alliage AA 3003 ayant une bonne aptitude au brasage comme matériau pour les ailettes des échangeurs de chaleur à plaques ailettées fabriqués par brasage avec un alliage d'aluminium Cependant, lorsque les ailettes sont conçues pour être employées sous des pressions ultra-hautes de 3,8 bars mano- métriques ou plus, l'alliage AA 3003 est inapproprié comme matériau pour les ailettes par suite de sa résistance à la traction insuffi- sante Donc, sous ces pressions ultra-hautes, on a employé l'alliage AA 3004 au lieu de l'alliage AA 3003 L'alliage AA 3004 a une résistance approximativement égale à 1,5-fois celle de l'alliage AA 3003 et une aptitude suffisante au formage pour convenir comme matériau pour les ailettes. Les ailettes faites d'alliage AA 3004 sont normalement brasées à une température de 580 à 610 'C avec un alliage de brasage d'aluminium-silicum contenant en poids environ 6,8 à 13 % de sili- cium Dans la fabrication des échangeurs de chaleur très dense qui comprennent des ailettes avec une épaisseur accrue de la plaque et des ondulations serrées, il est très long de préchauffer les pièces à braser puis d'en chauffer uniformément la totalité à la température de brasage indiquée Donc, dans les parties brasées de l'ailette qui atteignent relativement rapidement la température de brasage et qui sont en contact avec l'alliage de brasage fondu donc en phase liquide pendant une durée prolongée, il tend à se produire une diffusion excessive et indésirable dans les ailettes du silicium contenu dans l'alliage de brasage Par suite de cette diffusion excessive, la largeur du joint brasé diminue progressivement et la force d'union est fortement réduite. En ce qui concerne l'alliage AA 3004 employé comme matériau pour les ailettes, on a indiqué que le magnésium contenu dans l'ailette en une quantité d'environ 1 % en poids, tend à favo- riser la diffusion dans l'ailette du silicium de l'alliage de bra- sage. Un des buts de l'invention est de fournir un matériau amélioré pour les ailettes, supprimant les problèmes précédemment décrits que pose la diffusion excessive du silicium et présentant une combinaison de résistance et d'aptitude au formage semblable ou supé- rieure à celle de l'AA 3004. L'invention a également pour but de fournir un échan- geur de chaleur à plaques ailettées pour l'emploi à ultra-haute pres- sion comprenant des plaques ailettées perfectionnées qui, grâce à l'emploi du matériau pour ailettes précédemment indiqué, suppriment les altérations des joints brasés provoquées par la diffusion du sili- silicium précédemment indiquée. Selon l'invention, un échangeur de chaleur perfec- tionné convenant particulièrement bien mais non exclusivement à l'em- ploi de fluide à ultra-haute pression est fabriqué par brasage avec des plaques ailettées faites d'un alliage d'aluminium constitué essen- tiellement de 0,3 à 1,0 % en poids de Si, 0,05 à 0,25 % en poids de Cu, 0, 6 a 1,5 % en poids de Mn et 0,45 à 099 % en poids de M g, le reste étant de l'aluminium et des impuretés, les impuretés contenant jusqu'à 0,8 % en poids de Fe Egalement, en plus de la composition s- ci-dessus, l'alliage de l'invention peut contenir au moins un compo- sant choisi parmi le groupe constitué de 0,05 à 0,25 % en poids de - Cr, 0,01 à 0,25 % en poids de Ti, 0,03 à 0,25 % en poids de Zr et 0,01 à 0,25 % en poids de V. Le matériau pour ailettes de l'invention présente l'effet surprenant d'éviter la diffusion excessive dans les ailettes du silicium du métal de brasage au cours du brasage et, de plus, a une résistance et une aptitude au formage semblables ou supérieures à celles de l'AA 3004. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective montrant un ensemble d'essai de petite taille comprenant des plaques ailettées selon l'in- vention; - la figure 2 est une élévation montrant une portion caractéristique de l'ensemble d'essai de la figure la figure 3 est une microphotographie avec un gros- sissement de 50 fois de la microstructure d'une portion de joint brasé entre l'alliage de brasage et l'ailette selon l'invention; et la figure 4 est une microphotographie avec un gros- sissement de 50 fois de la microstructure d'une portion de joint brasé entre un alliage de brasage et une ailette comparative. Les modes de réalisation préférés de l'invention vont maintenant être décrits de façon détaillée. Comme précédemment indiqué, l'invention fournit un échangeur de chaleur utile sous une pression ultra-haute dans lequel on emploie comme matériau pour les ailettes un alliage d'aluminium de composition particulière Selon un premier mode de réalisation, l'invention fournit un matériau pour ailettes constitué d'un alliage d'aluminium comprenant essentiellement 0,3 à 1,0 % en poids de Si, 0,05 à 0,25 % en poids de Cu, 0,6 a 1,5 % en poids de Mn et 0,45 à 0,9 % en poids de Mg, le reste étant de l'Al et des impuretés, les impuretés contenant jusqu'à 0,8 7 en poids de Fe Egalement, selon un second mode de réalisation de l'invention, la composition de l'alliage du premier mode de réalisation constituant le matériau pour les ailettes contient au moins un élément choisi parmi le groupe constitué par 0,05 à 0,25 % en poids de Cr, 0,01 à 0,25 % en poids de Ti, 0,03 à 0,25 % en poids de Zr et 0,01 à 0,25 % en poids de V. Dans la pratique de l'invention, les limites de la composition de l'alliage d'aluminium constituant le matériau pour les ailettes décrit ci-dessus doivent être rigoureusement observées pour que les objectifs de l'invention puissent être atteints. Les rôles de chaque composant et la raison pour laquelle la concentration de chaque composant est limitée dans les gammes précitées sont décrits ci-après. 2547037. Le Si a pour effet d'accroître la résistance en com- binaison avec Mg et, de plus, comme le Si dans l'ailette réduit le gradient de concentration de Si entre l'ailette et l'alliage de bra- sage, une diffusion excessive dans l'ailette du Si contenu dans un alliage de brasage est évitée Lorsque le Si est présent en une quan- tité inférieure à 0,3 % en poids, les effets ci-dessus ne sont pas atteints D'autre part, lorsque Si est présent à plus de 1,0 7 en poids, le point de fusion s'abaisse à une valeur inacceptable. Le Cu a pour effet d'améliorer la résistance Cepen- dant, lorsque la teneur en Cu est inférieure à 0,05 % en poids, cet effet ne peut pas être obtenu D'autre part, une teneur en Cu supérieure à 0,25 7 en poids réduit la résistance à la corrosion et l'aptitude au brasage. Le Mn a pour effet d'améliorer non seulement la résis- tance et la résistance à la corrosion mais également l'aptitude au brasage Une teneur en Mn inférieure à 0,6 % en poids ne permet pas d'obtenir suffisamment cet effet D'autre part, pour une teneur en Mn supérieure à 1,5 % en poids, un composé géant de type Al-Mn se forme, ce qui réduit l'aptitude au laminage et rend difficile la fabrication des ailettes. Le Mg est un composant essentiel pour porter la résis- tance à la valeur requise Cependant, lorsque la teneur en Mg est inférieure à 0,45 7 en poids, cet effet ne peut pas être obtenu tandis qu'une teneur en Mg supérieure à 0,9 7 en poids réduit forte- ment dans l'alliage de brasage la concentration en Si nécessaire pour former Mg 2 Si, ce qui réduit l'aptitude au brasage. Le Fe est une impureté et on doit en éviter une teneur excessive Cependant, une teneur en Fe de 0,8 % en poids ou moins améliore la résistance et la résistance au gauchissement aux tempé- ratures élevées. L'emploi de l'alliage d'aluminium ci-dessus comme matériau pour ailettes permet d'obtenir facilement un échangeur de chaleur convenant à l'emploi à ultra-haute pression ayant une résis- tance élevée bien comparable ou supérieure à celle des échangeurs de de chaleur employant des ailettes faites d'alliage AA 3004 et ayant des joints brasés excellents par suite de la bonne aptitude au brasage. Dans le second mode de réalisation de l'invention, en plus de la composition ci-dessus du premier mode de réalisation, le matériau pour ailettes contient au moins un composant choisi parmi le groupe constitué par 0,05 à 0,25 % en poids de Cr, 0,01 à 0,25 % en poids de Ti, 0,03 à 0, 25 % en poids de Zr et 0,01 à 0,25 % en poids de V. Les teneurs en Cr et V comprises dans la gamme précitée ont pour effet d'améliorer la résistance Lorsque les teneurs de ces composés sont en dessous des limites indiquées, cet effet ne peut pas être obtenu D'autre part, des teneurs en Cr et V dépassant les limites supérieures forment des composés géants et, par conséquent, un matériau pour ailettes défectueux. Ti a pour effet d'affiner la structure du lingot et d'accroître la résistance Cependant, lorsque la teneur en Ti est inférieure à 0,01 % en poids, ces effets ne peuvent pas âtre obtenus. D'autre part, une teneur en Ti supérieure à 0,25 % en poids provoque des défauts superficiels du matériau en alliage d'aluminium pour ailettes. Zr a pour effet d'améliorer la résistance et plus par- ticulièrement la résistance à température élevée et la résistance au gauchissement Cet effet est particulièrement important dans le cas d'un matériau pour ailettes destiné à être chauffé à une température voisine mais inférieure à son point de fusion avec application d'une charge Lorsque la teneur en Zr est inférieure à 0,03 % en poids, cet effet n'est pas obtenu et lorsque la teneur est supérieure à 0,25 % en poids, il se forme au cours de la coulée des composés intermétal- liques géants indésirables qui réduisent les propriétés du matériau pour ailettes. Dans le second mode de réalisation de l'invention, on obtient une résistance élevée (résistance à la traction de 157 m Pa ou plus) et une aptitude au formage suffisante en ailettes par addition d'au moins un composant choisi parmi le groupe constitué par Cr, V, Ti et Zr, à la composition du premier mode de réalisation, sans aucune diminution de la résistance à la corrosion et de l'aptitude au bra- sage De plus, les éléments du second mode de réalisation, Cr, V, Ti et Zr, servent à empocher la diffusion excessive dans l'ailette 2547037. du silicium de la matière de brasage en phase liquide et enpechent la diminution de la résistance des joints brasés provoquée par une durée de brasage prolongée, comme c'est le cas avec un matériau classique pour ailettes. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants Dans le tableau 1 ci-après, des compositions d'alliages constituant des matériaux pour ailettes selon l'invention figurent ainsi que des compositions d'alliages comparatifs ne contenant pas de Cu qui est un composant essentiel de la composition de l'invention. On prépare des ensembles d'essai de petite taille constituant des échangeurs de chaleur de type plaque ailettée c '::re illustré dans les figures 1 et 2 avec des plaques ailettées cons- tituées des alliages du tableau 1 La figure 1 est une perspective d'un ensemble d'essai et la figure 2 est une élévation d'une partie importante d'un tel ensemble Pour préparer un tel ensemble d'essai, on brase une plaque ondulée constituant les ailettes 2, dont les ondulations ont une hauteur de 6,35 mm et dont l'épaisseur est de 0,61 mm, avec un taux de perforation de 2,5 7, comportant 18 ailettes -sur 2,54 cm, entre des plaques de séparation 1 faites d'une feuille de brasage portant une couche 3 d'alliage de brasage, en employant une température du flux de 5950 C et une durée d'immersion dans le flux de 120 minutes Les références 4, 5 et 6 désignent respective- ment une barre d'espacement, un passage de fluide d'essai et un pas- sage de fluide factice Après fabrication de chaque ensemble d'essai par brasage au bain de flux, on examine la résistance à la rupture sous l'effet de la pression interne et les résultats obtenus figurent dans le tableau 2 ci-après Egalement, à titre comparatif, on soumet à des essais un échangeur de chaleur fabriqué avec l'alliage pour ailettes AA 3004 et les résultats obtenus figurent également dans le tableau 2. Comme-le montrent nettement ces résultats, dans le cas de l'invention, les joints brasés des ensembles d'essai ont tous une résistance très élevée à la rupture dépassant la résis- tance à la rupture des ailettes et, par conséquent, les ruptures se produisent initialement dans les ailettes. On examine de plus au microscope la diffusion dans les ailettes du silicium contenu dans l'alliage de brasage sur l'ensemble d'essaicomportant des ailettes fabriquées avec l'alliage pour ailettes N O 18 et on obtient la photomicrographie au grossissement de 50 fois illustrée par la figure 3 Comme le montre la figure 3, on obtient une microstructure souhaitable dans laquelle le silicium de l'alliage de brasure a diffusé modérément dans les ailettes Au con- traire, dans le cas o on emploie comme matériau des ailettes l'al- liage AA 3004, le silicium de l'alliage de brasage diffuse de façon excessive dans l'ailette comme le montre la figure 4. Dans la fabrication réelle d'un échangeur de chaleur, le brasage nécessite plus de temps que dans la fabrication de l'en- semble d'essai ci-dessus et, par conséquent, on observera une dif- fusion plus nette du silicium. Les exemples précédents montrent que l'échangeur de chaleur selon l'invention a une résistance très élevée dans les joints brasés et les ailettes-par rapport à un échangeur de chaleur classique pour lequel on emploie l'alliage AA 3004 Donc, l'invention fournit un échangeur de chaleur dont la résistance a la pression est supérieure â cele d'un échangeur de chaleurclassique et la valeur élevée de la rupture sous pression dépassant 34,5 bars manométriques qu'on obtient dans l'invention permet de produire un échangeur de chaleur résistant aux pressions élevées pouvant être utilisé dans des appli- cations à ultra-haute pression. Bien entendu, diverses modifications peuvent être ap- portées par l'homme-de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortit du cadre de l'invention. Tableau 1 Composition chimique (Y en poids) Cr Ti Zr V Fe Al no si Cu Mn Mg 1 0,89 0,22 0 $ 82 0368 oj()l ment Il if fi il Tl Ir si 1 If A 2 c Il il 0,75 0,7 0.15 0.166 0,66 il le if 0,15 M O 0,18 0.* 10 if il il 01173 1 315 0164 1.13 Oe 52 1:2 O > 75 1 > 4 0382 1,2 O $ 7 fi 0365 Il il fi If il il 1 f 1 -1 il fi Il il if il il 1 1 1 1 il il il fi 0140 si fi il il 0320 il il If si 0338 )$ 08 if If fi O J 40 "Ol il 0, 08 il il Il ^ ^r /M e%-l le fi il il il 1 -V r% "O c Ir %VV L If O Ol 0. 170 OI 09 0.108 0.115 OO 1 Vàvi 0,0 l il il 0 P 10 0.108 0 > 08 0 $ 08 0,07 O Ol Of O 7 il il il Il il il if 91 1 1 if il il 0375 0,20 if il à.1 L il V 21 O il O $ 10 fi 0,09 fi il if MO et if si 0,5 0.18 if il, il Tt Il 0.108 0 JO 5 0307 Oi> 01 fi O $ 05 0,0 l Deoi si il il 1 3 3 0,50 if 19 il 0 j 15 il il il il il il il 1 1 1 f OP 33 0 $ 28 0,01 1,2 fi l'i 0.16 O 4 il Nota -Les alliages n'1 à 18 sont conformes à l'invention Les alliages n'19 et 20 sont des alliages comparatifs. Tableau 2 Matêriau pour ailettes (alliage n') 3- il AA 3004 Pression manométrique Première portion de rupture rompue (bars) 36,2 ,7 , 5 36,0 e-8 36,2 ,8 36,0 ,8 36,1 w 36,2 36,> 4 if i i 36,$ 5 36,19 31,7 32,0 O 31 $ O ailette Il I' w i' w, w i i' If i fi i' il f i' w f joint i' il brasd 2547037. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur à plaques ailettées pour l'emploi à ultra-haute pression fabriqué par brasage, caractérisé en ce qu'il comporte des plaques ailettées ( 2) faites d'un alliage constitué essentiellement de 0, 3 à 1,0 % en poids de Si, 0,05 à 0,25 % en poids de Cu, 0,6 à 1,5 % en poids de Mn et 0,45 à 0,9 % en poids de Mg, le reste étant de l'aluminium et des impuretés, lesdites impuretés contenant au plus 0,8 % en poids de Fe. 2 Echangeur de chaleur à plaques ailettées pour l'emploi à ultra-haute pression fabriqué par brasage, caractérisé en ce qu'il comporte des plaques ailettées ( 2) faites d'un alliage constitué essentiellement de 0, 3 à 1,0 % en poids de Si, 0,05 à 0,25 % en poids de Cu, 0,6 à 1,5 % en poids de Mn, 0,45 à 0,9 % en poids de Mg, et au moins un composant choisi parmi le groupe constitué par 0,05 à 0,25 % 7 en poids de Cr, 0,01 à 0,25 % en poids de Ti, 0,03 à 0,25 % 7 en poids de Zr et 0,01 à 0,25 % en poids de V, le reste étant de l'alu- minium et de S impuretés, lesdites impuretés contenant au plus 0,8 % 7. en poids de Fe.