Brevet FR2564962A1 — publié le 19851129

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerns des échangeurs de chaleur à ailettes en plaques et plus particulièrement des matériaux de construction à ailettes adaptés pour former des ailettes d'echan- geurs de chaleur fonctionnant à très haute pression et montés inté- gralement par brasage. Par le passé, l'alliage AA 3003 (dans toute la des- cription, les numéros d'alliage d'aluminium représenteront toujours la désignation de l'association de l'aluminium a moins d'être écrits de façon différente) a été largement utilisé pour sa bonne aptitude au brasage comme matériau de construction à ailettes pour des échan- geurs de chaleur à ailettes en plaques construits a partir d'alliage d'aluminium à braser. Pourtant, dans le cas o l'échangeur de chaleur est conçu pour être utilisé sous de très hautes pressicas c'est-à- dire d'au moins 55 bars, l'alliage AA 3003 ne peut donner satisfac- tion dans l'emploi prévu à cause de sa résistance insuffisante à la traction. En conséquence, pour l'utilisation sous de telles pressions, on a plutôt utilisé l'alliage AA 3004 à la place de l'alliage AA 3003 comme matériau de construction à ailettes. L'alliage AA 3004 a une résistance plus élevée d'environ 50 % par rapport à l'alliage AA 3003 et présente une ductilité suffisante pour être utilisé comme matériau de construction à ailettes. On brase habituellement des ailettes faites en alliage AA 3004 dans une gamme de température de 580 a 610 C, en utilisant un alliage à braser aluminium-silicium avec une teneur en silicium d'environ 6,8 à 13 % en poids. En particulier, dans le cas d'échangeurs de chaleur très denses dans lesquels on incorpore des ailettes finement ondulées et plus épaisses en vue d'agrandir leur surface d'échange et d'augmenter leur résitance pour fonctionner sous des pressions plus élevées, il est néces- saire de prévoir une durée très longue comprenant un temps de préchauffage pour chauffer uniformément toutes les parties à braser à la température de brasage. Ainsi, dans les parties qui sont chauffées aux températures de brasage en un temps relative- ment court et qui sont au contact d'alliages à braser en fusion, l'alliage à braser est maintenu à l'état liquide pendant une durée prolongée et, pendant ce temps, une diffusion excessive et défavo- rable dans les ailettes du silicium du matériau de brasage est susceptible de se produire. Si une telle diffusion du silicium se produit, ou la largeur du joint brasé est progressivement réduite ou bien la cohésion diminue sérieusement. Par exemple, dans les assemblages d'échangeurs de chaleur utilisés dans la pratique, la largeur des joints brasés diminue jusqu'à une valeur inférieure de 30 % par rapport à la valeur initiale et certains assemblages ne peuvent pas résister aux pressionsd'essai et une fracture ou une rupture se produit sur la partie o se trouve le joint. De plus, il est bien connu que la quantité d'environ 1 % de Mg présente dans l'alliage AA 3004 accélère la diffusion défavorable du silicium décrite précédemment. En outre, quand le brasage est mis en oeuvre sous vide, l'évaporation de Mg dans les ailettes se produit inévi- tablement et, de ce fait, même si le Mg est présent avec la même quantité que dans l'alliage AA 3004, on ne peut plus s'attendre à un renforcement significatif dans les ailettes ayant subi le brasage à vide. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de procurer un matériau de construction à ailettes perfectionné éliminant les inconvénients rencontrés dans les échangeurs de chaleur classiques à ailettes en plaques adaptés pour fonctionner sous pression très élevée, et de supprimer en particulier la diminution défavorable et destructive de la résistance dans les joints brasés du matériau aileté en alliage AA 3004 qui est due à la diffusion excessive dans les ailettes du silicium comme décrit ci-dessus. Un autre objet de la présente invention est de procurer des matériaux de construction à ailettes possédant - une combinaison de bonne résistance et de ductilité comparable ou supérieure à celle de l'alliage AA 3004. A la lecture de ce qui précède, diverses études et tentatives ont été menées et on a trouvé que les problèmes et les inconvénienrts précédents pouvaient être surmontés en utilisant un alliage d'aluminium (1) ou (2) comme matériau de construction à ailettes, possédant les compositions définies ei-dessous. (1) Un alliage d'aluminium comrprenant essen- tiellement, les pcuYcentages étant en poids, de 0,6 3. 1,3 t de Mn, de 0, 1 à 1,0 % de Cu, de 0,1 0,75 % de Mg, et de 0,05 à moins de 0,30 %O de Si, et le restant étant de l'aluminium et des impuretés aléatoires, le fer dans lesdites impuretés étant limité à 0,8 %. (2) Un alliage d'aluminium comprenant essen- tiellement, les pourcentages étanlt en poids, de 0,6 à 1,5 % de Mn, 0,1 & 1,0 % de Cu, 0,1 & 0,75 % de Mg, 0,05 à moins de 030 7. de Si, et au moins un composé choisi parmi le groupe, 0,05 b 0,25 %Z de Zr, 0,01 à 0,25 % de Ti, 0,05 à 0,25 de Cr et 0,01 & 0,25 % de V, et le restant étant de l'atluminium et des impur.tés aléatoires, le fer dans lesdites impuretés étant limité à 0 8 % Brève description des dessins - la figure i est une perspective montrant un assemblage d'essai d'un écehageur de chaleur comprenart des ailettes obtenues par brasage selon la présente nvention; et - la figpre 2 est une 4l&vaiun à plus grende échelle dNie partie importante de l'assemblage d'easai présenté sur la figure i. Description détaillée des réalisations préférées Selon la présente invention, on obtient des matériaux de construction à ailettes fabriqués à pt -tir des alliages d'aluminium suivants (1) ou (2). (1) Un alliage d'aluminium comprenant essen- tiellement, les pourcentages étant en poids, 0é à 1,5 % de Mn, 0,1 a 1,0 % de Cu, 0,1 à 0,75 Z de g1, et 0,05 à moins de 0,30 % de Si, et le restant étant de l'aluminium et Ges iupretês aléa- toires, le fer dans lesdites impuretés étant lilité 0,3 %. (2) Un alliage d'aluminium comprenant essen- tiellement, les pourcentages étant en poids, 0,5 à 1,5. de M.i, 0,1 a 1,0 % de Ou, 0,1 à 0,75 7% de Mg, 0,05 à moins de 0,30 7 de Si, et au moins un composé choisi parmi le groupe suivant, e,05 à 0,25 de Zr, 0,01 à 0,25 % de Ti, 0,05 à 0,25 %. de Cr et 0,01 à 0,25 %7. de V, et le restant étant de l'aluminium et des impu- retés aléatolres, le fer dans lesdites impuretés étant limité 0,8%. La fonction de chaque composant défini ci-dessus et la raison pour laquelle sa quantité est limitée aux teneurs mentionnées précédemment sont décrites ci- dessous en détail. Mn: Mn a pour effet d'améliorer non seule- ment la solidité et la résistance & la corosion, mais égale- ment l'aptitude au brasage. Mn en quantité de moins de 0,6 7. en poids ne produira pas suffisamment ces effets. D'un autre - c8té, avec une teneur en hMn de plus de 1,5 % en poids, il se forme un composé grossier et ginant AI-Mn qui entraîne une baisse de l'aptitude au laminage rendant la fabrication des ailettes difficile. Cu: Cu a pour effet d'améliorer la soli- dité. Pourtant, avec une teneur de Cu de moins de 0,1 7' en poids, l'effet désiré ne peut être obtenu. D'un autre côté, avec une quantité de plus de 1,0 % en poids de Cu, il se forte des com- posés intermétalliques grossiers qui dégradent le matériau de construction aileté résultant.. Mg: Mg a un effet important en augmentant la solidité. Pourtant, avec une teneur en Mg de moins de 0,1 % an poids, l'effet ne peut être obtenu, tandis que Hg en une quantité de plus de 0,75 % en-poids se combine avec le silicium du matériau de brasage pour former Mg2Si, ce qui réduit de façon sensible la concentration de silicium dans le matériau de brasage et entraîne une baisse considérable de l'aptitude au brasage. Si: Si combiné avec Mg a pour effet d'augmenter la solidité et de plus, puisque Si dans les ailettes réduit le gradient de concerntraticn en silicium entre l'alliage des ailettes et celui du brasage3 une diffusion excessive dans l'ailette du silicium présent dans le matérieu de brasage est efficacement évitée. Lorsque le silicium est présent 64962 en une quantité de moins de 0,05 % en poids, les effets précités ne peuvent être obtenus. D'un autre c8té, avec 0,3 % en poids ou plus de silicium, le point de fusion est abaissé jusqu'à une valeur inacceptable. Fe: Fe est l'une des impuretés et un excès doit être évité. Pourtant, une quantité de 0,8 % en poids de fer ou moins améliore la solidité et la tenue au gondolement à tempéra- tures élevées dépendant de la teneur en fer, sans dégrader de façon sensible ile matériau résultant. De plus le second matériau aileté de la pré- sente invention contient en plus des premiers composants au moins un composant choisi parmi le groupe Zr, Ti, Cr et V en quantités respectivement spécifiées. Zr: Zr a pour effet d'améliorer la solidité, et,plus particulièrcment, la solidité à une température élevée, et la tenue au gondolement. La tenue au gondolement est un facteur particulièrement important, puisque les matériaux ailetés sont brasés à une température de brasage justa en dessous du point de fusion des ailettes et sous l'application d'une charge. Lorsque la teneur en Zr est inférieure a 0,05 % en poids, l'effet désiré ne peut pas être obtenu, et lorsque la teneur excède 0,25 % en poids, des composés intermétalliques grossiers et indésirables se forment durant la coulée, abaissant les qualités du matériau aileté. Ti: Ti a pour effet d'affiner la structure du lingot et de prévenir la formation de gros grains, etpar ce moyen,d'améliorer la solidité. Cependant, lorsque la quantité de Ti est inférieure à 0,01% en poids, cet effet ne peut atre obtenu. D'un autre c6té, une quantité supérieure à 0,25 % en poids de Ti entraîne des défauts sur la surface du matériau de construction aileté en alliage d'aluminium. Cr et V: Cr et V ont pour effet d'améliorer la solidité dans la gamme des teneurs définie précédenment. Avec des teneurs de ces composés en dessous des limites inférieures respectives mentionnées c-.dessus, cet effet ne peut être obtenue 2 5 6 4962. D'un autre c8té, avec des quantités de Cr et V excédant les limites supérieures, il se forme des composés intermétalliques grossiers qui rendent la surface imparfaite. La présente invention va maintenant 8tre décrite en détail en se référant aux réalisations préférées et aux exemples comparatifs suivants. Exemple Dans le tableau 1 ci-dessous, des compositions d'alliage pour matériaux de construction b ailettes selon la présente invention sont données avec des compositions d'alliage AA 3003 et AA 3004 comme témoins. Tableau 1 Composition chimique (Z en poids) Alliage Mn Cu Mg Si Fe Zr Ti Cr V 'Ai N 1 1,35 0,21 0,72 0,28 0,12 Teneur totale de Zr, reste Ti, Cr et V 2 1,10 0,42 0,35 0,18 0,17 " " 3 1,05 0.70 C,41 0115 0,23 " " 4 0,72 0,90 0,15 0,07 0,45 " " 1,03 0,45 0,33 0,12 0,21 0,15 0,05 6 0,78'0,71 0,43 0,19 0,18 7 1,21 0,31 0,52 0,21 0,24 0,10 8 1,12 0,38 0,71 0,27 0,31 0.17 9 1,15 0,15 0,01 0,23 0,58 (AA 3003) 1,15 0,15 1,15 0,15 0,39 (M 3004) N 1 à 8: Alliages du matériau de base aileté-selon la présente invention. N 9 et 10: Alliages du matériau de base aileté de référence. On prépare des échantillons d'essais, d'épais- seur 0,5 mm et de 70 mm sur 70 mm, à partir des alliages respectifs du tableau 1 ci-dessus et de matière de brasage (10 % - Ai, 1,5 % - Si, Mg, désigné comme alliage AA 4004) ayant un diamètre de 15 mm ?564962 et une épaisseur de 1,5 mm qua l'on place sur chaque ïchantilln. Par la suite, on réalise un essai de diffusman sur ehaque âchan- tillon d'essai en chauffant A 6000C pendant 4 h sous un vide poussé de 267x10 5 Pa et on étudie la profondeur maxiîum de iffu- sion de la matière de brasage dans chaque àprouvatte. Après ce test, afin d-'étudier la rsistance à la rupture, on effectue un essai de traction sur chaque échan- tillon préalablement chauffé à 600'C peidant 4 h et sous un vide -5 poussé de 267x105 Pa. Les résultats des essais pr&cédents sont présentés dans le tableau 2 Tableau 2 Alliage Profondeur maximum de diffusion Résistance ê la rupture N de la matière de brasage dans après chauffage à haute chaque éprouvette. température (6D00C x 4 h (fm) sous vi-de pouns. (kI/mri') 1 80 15,2 2 43 16,0 3 85 16,5 4 73 17,2 40 16,5 6 53 17,7 7 72 17,3 8 78 16,8 9 68 12 Plus de 500 13 Par la suite, on prépare des ailettes ún utilisant les alliages respectifs du tableau I eue lVn Izor- pore dans des modèles réduits pour essais d'échangeurs dae haleur à ailettes en plaques représentés par les iïVeras 1 et 2. La figure i est une perspective représentant le znntage epériumntal et la figure 2 une vue en dldvation d'une parlie iMportante de ce montage, La plaque ailetée 2, qui possède Ize hauraur dludu- lation de 6 mm, une épaisseur de tôle de 0:5 et un taux de perforation de 2,5 1, et a 670 ailettes par m, es braSéa entre des plaques séparatrices 1 faites en t8le brasée avec une couche d'alliage de brasage 3,t 590'C pendant 30 vin sous une pression de 267x10'5 Pa. Les numéros de référence 4, 5 et 6 désîignent respectivement une barre d'espacement, un passage pour liquide d'essai et un faux passage. On examine des ruptures dues à la presstn interne sur chaque montage expérimental ainsi fabrique en uti- lisant les ailettes faites avec les alliages respectifs du tableau 1. Les résultats de ltexpérience sont présents sur 1a tableau 3 dans lequel les numéros d'ailettes correspmndent res- pectivement aux numéros d'alliages donnés dans le tableam 1. Tableau 3 n d'ailette Pression de rupture Premiere partie xrpue (bars) 1 465 ailette 2 460 ailette 3 505 ailette 4 515 ailette 5 475 ailette 6 507 ailette 7 467 ailette 8 490 ailette 9 360 ailette 10 320 joint brasé Il est clair d'après le tableau 2 que, dans l'alliage des matériaux de construction à ailettes selon la présente invention et comparativement è l'alliage Au 3OO4, la diffusioe du silicium Intervenant pendant le brasage est bien inúférleure et-que sa résistance à la traction arès chauffage à haute température est plus élevée. On s'aperçoit à la lecture du tableau 3 que les assemblages d'échangeurs de chaleur obtenus par brasageen employant le matériau aileté de la présente invention, présentent une solidité plus importante dans les parties brasées' qui est nettement supérieure 2564962 - è la résistance a la rupture dans les parties ailetées et c'est la raison pour laquelle les ruptures se produisent en dehors des brasures. Même si on maintient la mattyre de brasage en fusion pendant une longue durée, le matériau de construction à ailettes de la présente invention évite de manière importante une diffusion excessive dans l'ailette du silicium de la matière de brasage et, par-làélimine toute diminution nuisible de la solidité au niveau de la brasure due du brasage de longue durée. Ainsi, l'échangeur de chaleur comprenant les ailettes de la présente invention a une très grande solidité à la fois dans les brasures et dans les parties alletles, par eompa- raison avec des échangeurs de chaleur classiques utilisant les ailettes faites en alliage AA 3004. En particulier, puisque l'échangeur de chaleur utilisant le matériau à ailettes de la présente invention a une très haute pression de rupture d'au moins 460 bars, les &chan- geurs de chaleur à ailettes en plaques adaptés pour une applica- tion à très haute pression par exemple jusqu'à et au-dessus de 90 bars, peuvent être fabriqués par un proffdé de brasage, tel que brasage sous vide, brasage sans flux dans une atmosphère de gaz inerte comme l'azote. REVENDICATIONS 1. Matériau de construction à ailettes pour emploi dans un échangeur de chaleur à ailettes en plaques adapté pour fonctionner sous très haute pression fabriqué par brasage, ledit matériau de construction à ailettes étant constitué d'un alliage d'aluminium, caractérise en ce qu'il comprend essentiellement, les pourcentages étant en poids, 0,6 à 1,5 % de Mn, 0,1 à 1,0 % de Eu, 0,1 à 0,75 T' de Mg, et de 0,05 à moins de 0,30 % de Si, et le reste étant de l'aluminium et des impuretés accidentelles, le fer dans lesdites impuretés étant limité à 0,8 %. 2. Matériau de construction à ailettes pour emplin dans un échangeur de chaleur a ailettes en plaques adapte pour fonctionner à très haute pression fabriqué par brasage, ledit matériau de construction à ailettes étant fait d'un alliage d'alu- minium, caractérise en ce qu'il comprend essentiellement, les pourcentages étant en poids, 0,6 a 1,5 7% de Mn, 0,1 & 1,0 % de1u 0,1 à 0, 75deM de 0,05 à moins de 0,30 % de Si, et au moins un composé choisi parmi le groupe comprenant, 0,05 à 0,25 % de Zr, 0,01 à 0,25 % de Ti, 0, 05 à 0,25 % de Cr et 0,01 à 0,25 Zde v, et le reste étant de l'aluminium et des impuretés accidentel!es, le fer dans lesdites impuretés étant limité à 0,8 %.