Brevet FR2708886A1 — publié le 19950217

L'invention est relative à la fabrication ou à la réparation de pièces métalliques destinées à être soumises à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides. Certains équipements et notamment les turbines des centrales hydro-électriques sont soumis à des circulations d'eau très vigoureuses qui tendent à les détériorer. Pour résister à cette usure, ces équipements sont réalisés sous forme de pièces massives en acier inoxydable martensitique ou en acier au manganèse. Souvent, ces pièces sont réparées localement par rechargement par soudure à l'aide d'alliages à base cobalt ou à base nickel éventuellement chargés de particules très dures telles que des carbures ou des borures, ou à l'aide de fontes au chrome ( > 25 * de Cr) ou de fontes blanches. Cependant, dans certaines régions du monde l'eau qui alimente les centrales est très chargée en particules solides très abrasives (quartz, silice, ...) ou arrive aux turbines après des chutes très importantes (plus de l000m) de dénivelée, et la durée de vie des équipements est très réduite. Dans ces régions il est nécessaire de changer très fréquemment les turbines, ce qui conduit à des surcoûts d'exploitation très élevés. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen de fabriquer ou de réparer des pièces d'équipements hydrauliques soumises à une forte abrasion qui aient une résistance à l'usure beaucoup plus élevée que la résistance à l'usure des pièces fabriquées ou réparées à l'aide des techniques connues. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication ou de réparation de pièces métalliques destinées à être soumises à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides selon lequel on réalise sur au moins une partie desdites pièces un revêtement constitué d'une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, de 0 à 10 % de chrome, de 0 à 10 % de nickel et au moins l'un des éléments molybdène, manganèse, azote et bore dans une propostion pondérale au plus égale à 5 % et éventuellement l'un au moins des éléments W, V, Nb, Ti et Ta dans une proportion pondérale au plus égale à 5 %, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration et on soumet la pièce ainsi revêtue à un traitement thermique par chauffage entre 200"C et 700"C. De préférence, la fonte constituant le revêtement contient en poids 2 % à 5 % de carbone 1 % à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,2 % à I % de manganèse 2 % à 6 % de nickel et le traitement thermique est réalisé par chauffage entre 400"C et 500 C. Plus préférentiellement encore, la fonte constituant le revêtement contient en poids 2 % à 3,7 % de carbone 1,5 % à 3,5 % de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à I % de manganèse 2 t à 6 % de nickel, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Le revêtement est notamment réalisé par dépôt par soudure et il est préférable d'ajuster l'énergie et la vitesse de soudage pour que la vitesse de refroidissement du dépôt, mesurée au passage à 700"C, soit comprise entre 500ces et 400"C/s de telle façon qu'il se forme sur le revêtement un faïençage contrôlé libèrant les contraintes L'invention concerne également des pièces métalliques d'équipements hydrauliques et notamment des pièces de conduites forcées, des aubes directrices, des roues Francis, Kaplan ou Pelton pour centrales hydroélectriques, des groupes bulbes, des corps et des rotors de pompes qui sont au moins partiellement revêtues d'un rechargement en une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, au moins l'un des éléments chrome, nickel, molybdène et manganèse, dans une proportion pondérale au plus égale à 10 % pour le chrome, à 10 % pour le nickel, à 5 % pour le molybdène et à 5 % pour le manganèse ainsi qu'éventuellement l'un des éléments W, V, Nb, Al, Ti, N et B dans une proportion pondérale égale à 5 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. De préférence, la fonte du revêtement de la pièce contient en poids, 2 % à 5 % de carbone 1 % à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,2 % à 1 % de manganèse 2,5 % à 6 % de nickel. Plus préférentiellement encore, la fonte de revêtement de la pièce contient en poids 2 * à 3,7 % de carbone 1,5 % à 3,5 % de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Il est préférable que le revêtement en fonte de la pièce comporte un faïençage et que la taille caractéristique de la microstructure du revêtement soit inférieure à la taille moyenne des particules solides transportées par le fluide. En particulier, il est souhaitable que le fin réseau de fissures du revêtement ait une densité de fissure comprise entre 0,1 et 10 fissures par centimètre carré et une longueur cumulée de fissures comprise entre 0,5 et 5 cm de fissure par centimètre carré. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative. Pour fabriquer des pièces d'équipements hydrauliques pour centrales hydro-électriques telles que pièces de conduite forcée, aubes directrices, roue Francis, Kaplan ou Pelton, groupes bulbes ou des corps ou des rotors de pompes soumises à l'érosion par un fluide chargé en particules solides, on commence par réaliser un squelette de la pièce en acier inoxydable ou en acier au carbone ou faiblement allié. Le squelette de la pièce est une pièce dont la forme se déduit de la forme de la pièce qu'on veut fabriquer en enlevant localement ou sur toute la surface une certaine épaisseur. Sur le squelette de la pièce on dépose par soudage, métallisation ou autre procédé thermique, par exemple par soudage au fil fourré sous gaz, une fonte alliée contenant en poids - 2 % à 5 % de carbone pour obtenir une fonte et de préférence 2 % à 3,7 % de carbone, - de 0 % à 10 % de chrome pour assurer une certaine résistance à la corrosion et de préférence de 1 % à 5 % de chrome, et mieux encore de 1,5 % à 3,7 % de chrome, - de O % à 10 % de nickel pour obtenir une structure martensitique ; la teneur en nickel sera choisie de préférence entre 2 % et 6 %, - de O % à 5 % de molybdène pour durcir par solution solide, - de 0,5 % à 2,5 %, de préférence 0,5 % à 1,5 % et mieux de 0,8 à 1,5 % de silicium pour durcir par solution solide. - de O % à 5 % et de préférence de 0,4 % à 1 % de manganèse pour durcir également par solution solide. A ces éléments principaux on peut ajouter de O % à 5 % d'au moins un élément pris parmi W, V, Nb, Al, Ti, N et B afin d'augmenter les propriétés mécaniques et la résistance à l'usure par abrasion/érosion. Le reste de la composition étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. L'énergie et la vitesse de soudage utilisées pour faire le dépôt sont ajustées pour obtenir une taille caractéristique de la structure de la fonte, c'est-à-dire la dimension moyenne des espaces interdendritiques, qui soit inférieure à la taille moyenne des particules solides transportées par le fluide qui provoque l'érosion et pour qu'il se forme sur le revêtement un fin réseau de fissures n'atteignant pas le substrat (ou squelette de la pièce) de façon à relaxer les contraintes résiduelles du substrat. En particulier, l'énergie et la vitesse de soudage sont choisies de telle sorte que la vitesse de refroidissement du dépôt mesurée au passage à la température de 700"C soit comprise entre 200ces et 50"C/s. Ceci permet en particulier d'obtenir un réseau de fissures caractérisé par un nombre de fissures par centimètre carré compris entre 0,1 et 10 et une longueur cumulée de fissures par centimètre carré comprise entre 0,5 et 5 cm. On peut alors usiner la pièce pour lui donner sa forme définitive, puis on lui fait subir un traitement thermique par chauffage entre 200"C et 700"C et de préférence entre 400"C et 500"C pour provoquer un durcissement secondaire de la fonte. Ce traitement est ajusté en fonction de l'acier du squelette de la pièce de façon à ne pas détériorer ses caractéristiques mécaniques. A titre d'exemple on a fabriqué une roue Francis dont le squelette a été fabrique en acier inoxydable martensitique 13Cr-4Ni et les aubes ont été revêtues d'une couche de fonte de 6 mm d'épaisseur dont la composition moyenne était la suivante C : 3 % Cr : 2,5 % Si : 0,9 % Mn : 0,5 * Ni : 3,5 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1 'élaboration. Le dépôt a été fait par soudage en utilisant un fil fourré et la technique de l'open arc à froid avec une énergie de 0,36 kJ/mm. Le dépôt a été suivi d'un traitement thermique par maintien à 450"C et suivi d'un refroidissement à l'air. La taille moyenne de la structure obtenue, estimée par l'espace moyen entre les dendrites primaires est d'en moyenne 50 um. Après traitement thermique, les dendrites primaires sont martensitiques et les espaces interdendritiques sont constitués d'un mélange eutectique globularisé. La dureté moyenne est de 53 HRC. La pièce ainsi obtenue a une résistance à l'usure par abrasion augmentée de 100 % par rapport à une pièce non rechargée et d'au moins 20 % par rapport à une pièce rechargée avec de la stellite. Des essais de résistance à l'abrasion ont été faits à l'aide d'un banc d'essai constitué d'une boucle hydraulique comprenant notamment une pompe et une buse de projection en utilisant des particules de SiC de 500 um de diamètre véhiculées par un courant d'eau ayant une vitesse de 10 cm/s et projetées sous un angle de 45C sur les maté riaux à tester La résistance à l'abrasion est mesurée par un indice d'autant plus grand que la résistance à l'abrasion est grande. On a obtenu les résultats suivants Indice résistance abrasion Acier inoxydable martensitique 13.4 1 Stellite GR 12 - rechargement MIG 1,7 Stellite GR6 + Carbures de W Soudobrasage au chalumeau à poudre 1,55 Fonte selon l'invention - rechargement par soudobrasage open arc - fil fourré 2,25 REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication ou de réparation d'une pièce métallique destinée à être soumise à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides caractérisé en ce que - on réalise sur au moins une partie de ladite pièce un revêtement constitué d'une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, de 0 à 10 * de chrome, de O à 10 % de nickel et au moins l'un des éléments molybdène, manganèse, azote et bore dans une proportion pondérale au plus égale à 5 % et éventuellement l'un au moins des éléments W, V, Nb, Ti et Ta dans une proportion pondérale au plus égale à 5 %, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration, - et on soumet la pièce ainsi revêtue à un traitement thermique par chauffage entre 200"C et 700"C. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonte constituant le revêtement contient en poids 2 % à 5 % de carbone 1 * à 5 * de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel et en ce que le traitement thermique est réalisé par chauffage entre 400"C et 500"C suivi d'un refroidissement à l'air. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonte constituant le revêtement contient en poids 2 * à 3,7 % de carbone 1,5 * à 3,5 * de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 * à 1 t de manganèse 2 * à 6 % de nickel le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1 'élaboration. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement est réalisé par dépôt par soudure. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie et la vitesse de soudage sont ajustées pour que la vitesse de refroidissement du dépôt, mesurée au passage à 700"C soit comprise entre 500ces et 400"C/s de telle façon qu'il se forme sur le revêtement un faïençage contrôlé libérant les contraintes. 6.- Pièce métallique d'équipement hydraulique et notamment pièce de conduites forcées, aube directrice, roue Francis, Kaplan ou Pelton pour centrales hydro-électriques, groupe bulbe, corps et rotor de pompe, caractérisée en ce qu'elle est au moins partiellement revêtue d'un rechargement en une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, au moins l'un des éléments chrome, nickel, molybdène et manganèse, dans une proportion pondérale au plus égale à 10 % pour le chrome, à 10 % pour le nickel, à 5 % pour le molybdène et à 5 d pour le manganèse ainsi qu'éventuellement l'un des élé- ments W, V, Nb, Al, Ti, N et B dans une proportion pondérale égale à 5 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 7.- Pièce selon la revendication 6, caractérisée en ce que la fonte du revêtement contient en poids 2 % à 5 % de carbone 1 * à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,4 * à 1 * de manganèse 2 % à 6 % de nickel. 8.- Pièce selon la revendication 7 caractérisée en ce que la fonte du revêtement contient en poids 2 % à 3,7 * de carbone 1,5 % à 3,5 * de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 9.- Pièce selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le revêtement en fonte comporte un faïençage et en ce que la taille caractéristique de la microstructure du revêtement est inférieure à la taille moyenne des particules solides transportées par le fluide. 10.- Pièce selon la revendication 9 caractérisée en ce que le fin réseau de fissures du revêtement a une densité de fissure de 0,1 à 10 fissures par centimètre carré et une longueur cumulée de fissures de 0,5 à 5 cm de fissures par centimètre carré.