TITRE : Pièce massive métallique et son procédé de fabrication

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

La présente invention se situe dans le domaine générai de la fabrication de pièces métalliques massives.

Cette invention trouve une application non exclusive pour la fabrication de pièces métalliques de grandes dimensions et de forte épaisseur telles que par exemple celles que l’on rencontre dans la partie basse des générateurs de vapeur des centrales nucléaires, dites "plaques tubulaires".

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un tel générateur de vapeur a pour fonction de transférer les calories de l'eau - source chaude - issue d’un réacteur d’une centrale nucléaire via des milliers de tubes en forme de "U" en contact d’une eau d’alimentation qui sera mise à l’état de vapeur pour être transmise en sortie à un circuit {dit "secondaire") qui actionnera des turbines entraînant le rotor d’un alternateur pour produire de l’électricité. Après avoir cédé ses calories dans le générateur de vapeur, l’eau repart vers l’entrée du réacteur.

Lesdits milliers de tubes ont de très grandes dimensions dans leur longueur, et sont maintenus à des hauteurs régulières par des entretoises soudées dans une plaque tubulaire laissant apparaître des trous assurant la libre circulation de l’eau en entrée et sortie. En partie basse de la plaque tubulaire, une cloison est aménagée dans ce que l’on appelle une "boîte à eau" pour séparer les différentes eaux en circulation.

La plaque tubulaire des générateurs de vapeur des centrales à eau sous pression est une pièce forgée épaisse (50 à 60 cm) de grand diamètre, percée de milliers de trous pour le passage des tubes d’échange. Fortement sollicitée mécaniquement du fait de la différence de pression de part et d’autre, sa rigidité est obtenue par son épaisseur et par les propriétés mécaniques du matériau dont elle est constituée, à savoir un acier faiblement allié de la catégorie carbone manganèse.

La nature extrêmement massive de cette pièce est à l’origine de deux difficultés de fabrication principales :

- héritée de la taille du lingot nécessaire et du faible taux de corroyage demandé par l’épaisseur finale, l’homogénéité chimique et métallurgique au sein de la pièce est assez mauvaise, ce qui conduit à des propriétés mécaniques variables dans la masse de celle-ci ;

- la conjonction de la très grande épaisseur et de la trempabîlité limitée de l'acier utilisé ne permet pas d'obtenir dans le cœur de la plaque après traitement thermique de qualité, une microstructure de martensite ou bainite revenue, qui est le gage du meilleur compromis résistance / ténacité.

Typiquement, à cœur de la pièce, la limite d'élasticité, la résistance à la traction et le palier ductile sont abaissés tandis que la température de transition de la résilience est augmentée de plus de 50 °C.

Améliorer ces propriétés médiocres permettrait soit de concevoir des plaques moins massives et donc plus faciles à fabriquer, soit de disposer de marges de sûreté encore plus grandes.

De façon connexe, un gain en délai et en liberté d'approvisionnement sont aussi des attentes fortes.

Les fonctions élémentaires demandées à cette plaque tubulaire sont essentiellement :

- la tenue en flexion sous l'effort de pression différentielle ;

- sa stabilité mécanique en fabrication et en fonctionnement pour recevoir et maintenir le faisceau tubulaire ;

- sa capacité à être soudée sur les viroles et le bol du générateur de vapeur ;

- sa capacité à être revêtue par soudage d'acier inoxydable ou d’alliage à base nickel.

Ainsi, en simplifiant, le compromis à rechercher porte sur trois propriétés :

- limite d’élasticité et résistance en traction ;

- ténacité et résilience ;

- soudabilîté.

Pour cette dernière propriété (soudabilîté), on notera que le Carbone équivalent (C*) de l'acier, calculé selon EN 10028-2, est d'environ 0.52 % (valeur typique) à 0.62 % (pour l'acier "18 AAND 5", lequel est optimisé pour le traitement thermique), ce qui représente une valeur cible à ne pas trop dépasser, sous peine de remettre en cause les températures de préchauffage des différents soudages, mais surtout de prendre des risques de fissuration à froid. L'état de l'art de telles fabrications indique que pour le premier défaut mentionné plus haut (mauvaise homogénéité), la coulée du lingot, le chutage des zones de ségrégation et le forgeage de la plaque sont délicats à réaliser et que le risque de rebut existe.

Il montre également qu'il n'existe aucune parade à la seconde difficulté (trempabilité limitée) du fait du nécessaire compromis entre propriétés mécaniques, trempabilité et soudabilité, en dehors d'un changement de nuance d'acier.

La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients.

PRESENTATION DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention concerne en premier lieu une pièce massive métallique caractérisée par le fait qu'elle comporte un cœur et une enveloppe externe qui ceinture ledit cœur dans toutes les directions, ces cœur et enveloppe étant en aciers de nuances différentes, l'acier dudit cœur présentant des vitesses critiques de trempes martensitique et bainitique inférieures à celles de l'acier ou des aciers de ladite enveloppe.

Grâce à ces caractéristiques de l'invention, la pièce obtenue présente des caractéristiques mécaniques particulièrement homogènes. C'est particulièrement le cas de la dureté. Par ailleurs, la résilience et la ténacité sont élevées.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de cette pièce, ledit cœur est lui-même ceinturé par au moins une enveloppe interne, cette enveloppe interne étant ceinturée par ladite enveloppe externe, l ^' acier dudit cœur présentant des vitesses critiques de trempes martensitique et bainitique inférieures à celles de l'acier de ladite enveloppe interne, ces vitesses de ladite enveloppe interne étant elles-mêmes inférieures à celles de ladite enveloppe externe.

L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une telle pièce.

Ce procédé est remarquable en ce qu'il comporte une étape consistant à déposer lesdits aciers par fabrication additive ou soudage, sur une embase préalablement fabriquée, de manière à former en même temps ledit cœur et le reste de ladite enveloppe, respectivement desdites enveloppes. Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de ce procédé :

- la nuance d’acier du reste de ladite enveloppe externe est la même que celle de ladite embase ;

- la nuance d'acier du reste de ladite enveloppe externe est différente de celle de ladite embase, ces deux nuances présentant des vitesses critiques de trempes martensitique et bainitique identiques ou quasi-identiques ;

- ladite embase est réalisée par forgeage ou laminage ;

- ladite embase est réalisée par fabrication additive ou soudage.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, différents modes de réalisation possibles.

Sur ces dessins :

[Fig. 1] est une vue schématique, selon un plan de coupe vertical, d’une pièce conforme à la présente invention ; [Fig. 2] est une vue schématique illustrant une étape de fabrication de la pièce de la figure 1 ;

[Fig. 3] est une vue schématique illustrant le procédé de fabrication de la pièce, à un stade plus avancé que celui qui apparaît à la figure 2 ;

[Fig. 4] est un schéma montrant la variation de la dureté d’une pièce conforme à l’invention, au centre de celle-ci, après trempe et revenu, en faisant usage des matériaux indiqués dans le tableau I auquel il sera fait référence ci- après.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Ainsi qu’on le constatera à la lecture de ce qui suit, la présente invention repose sur une combinaison de matériaux judicieusement organisés et d’un procédé de fabrication qui confèrent, après traitement de qualité, des propriétés mécaniques élevées et homogènes dans toute l’épaisseur de la pièce ainsi générée. Dans l'ensemble de la présente description, y compris les revendications, on entend par le terme "pièce" aussi bien une plaque, c'est à dire un objet dont l'épaisseur est plus petite que ses longueur et largeur, que tout autre objet tridimensionnel, par exemple parallélépipédique ou cylindrique, dont l'épaisseur serait supérieure à ses autres dimensions.

Selon l'invention et comme montré à la figure 1, on a affaire à une plaque métallique massive 1 en forme de disque.

Elle est représentée alors qu'elle est positionnée sur une épaisseur 2 d'acier inoxydable ou d'un alliage connu sous la marque déposée inconel. Contrairement à ce qui apparaît aux figures 2 et 3, cette épaisseur est préférentiellement rapportée à la plaque 1, après fabrication de cette dernière.

Quand la plaque est une plaque de fond de générateur de vapeur (comme expliqué plus haut), l'épaisseur 2 est en contact avec l'eau primaire et constitue ainsi une barrière à la corrosion pour le reste de la plaque 1. Cette plaque 1 comporte un cœur 5 et une enveloppe externe 3 qui ceinture ledit cœur 5 dans toutes les directions. Ce cœur 5 et cette enveloppe 3 sont en aciers de nuances différentes.

Plus précisément, dans l'exemple représenté ici, le cœur 5 est lui- même ceinturé par une enveloppe interne 4, cette enveloppe interne 4 étant ceinturée par ladite enveloppe externe 3.

Dans un mode de réalisation non représenté, on pourrait avoir affaire à une seule enveloppe externe 3 en contact direct avec le cœur ou, au contraire, un nombre d'enveloppes supérieur à deux.

En tout état de cause et selon l'invention, les nuances d'acier du cœur 5 et de chaque enveloppe 3 et 4 sont différentes, et l'acier dudit cœur 5 présente des vitesses critiques de trempes martensitique et bainitique inférieures à celles de l'acier de l'enveloppe 4 qui le ceinture, et ainsi de suite pour chaque enveloppe qui ceinture l'enveloppe précédente.

Ainsi, dans le cas de la figure 1, lesdites vitesses de l'enveloppe interne 4 sont inférieures à celles de l'enveloppe externe 3.

Cette plaque 1 peut être fabriquée selon la méthodologie détaillée ci -après.

On commence par forger ou laminer une tôle forte ou embase 30, d'épaisseur typique généralement comprise entre 10 à 15 cm. De telles épaisseurs garantissent une très bonne qualité métallurgique sans macro-ségrégation. Optionnellement, cette tôle 30 peut être fabriquée selon la même méthodologie que celle qui sera décrite ci-dessous.

Le reste de la plaque 1 est dite "déposée", et est obtenue par fabrication additive ou soudage. Cela signifie que l'on procède à l'élévation progressive de l’ensemble de l’épaisseur de la plaque 1.

Si l’on se réfère à la figure 2, cela signifie qu’après avoir formé l’embase 30, on érige simultanément sur celle-ci, non seulement la partie inférieure de l’enveloppe 4, mais également la paroi latérale 31 de l’enveloppe 3 {cette dernière étant constituée à terme de la réunion de l’embase 30 et de la paroi latérale 31).

Cette opération est mise en oeuvre préférentiellement au moyen d’un des procédés suivants ou d’une combinaison de ceux-ci :

- Soudage à l’arc avec métal ("GMAW" pour "Gaz Metal Arc Welding" ou "M!G / MAG" pour "Métal Inert Gaz/Active inert Gaz") ; - Soudage à l'arc sous flux ("SAW" pour "Submerged Arc Welding") ou soudage à l’arc sous flux solide C'ASF") ou encore fil ou feuiltard sous flux ;

- Soudage sous laitier électroconducteur ("ESW" pour "Electroslag Welding") ou soudage (vertical) sous laitier.

Dans ces procédés de dépôt, les variantes considérées de façon préférentielle sont les apports de métal suivants qui ont pour point commun des taux de dépôt {kg/ h) élevés :

- Tandem (deux fils ou feuillards avec alimentation électrique propre à chacun) ;

- Multi-fils (plusieurs fils avec alimentation électrique propre à chacun) ;

- Jumelés (2 fils ou feuillards sur la même alimentation électrique)

- Co-apport sans alimentation électrique ;

- Des combinaisons des techniques ci-dessus ; - Des apports en métal chaud (c’est-à-dire préchauffé).

Les matériaux d’apport sont préférentiellement choisis avec un carbone équivalent inférieur à 0.65 %, typiquement 0.62 %, et présentant de très faibles taux d'hydrogène diffusible, afin de se prémunir de la fissuration à froid, avec des températures de préchauffage aussi basses que possible. Les flux utilisés dans les procédés SAW et ESW seront préférentiellement des flux basiques qui permettent de meilleures propriétés des zones fondues.

Le principe du choix de nuances d'acier au regard des dimensions et des possibilités de traitement thermiques de la plaque est de sélectionner des nuances d'autant plus "trempantes" (c'est à dire aptes à être trempées) que l'on se situe à cœur de la pièce finale.

Le gradient de trempabilité ainsi généré est destiné à contrebalancer la diminution de la vitesse de refroidissement lors de la trempe entre l'enveloppe et le cœur.

Pour cela, on considère les propriétés finales après trempe et revenu, obtenues pour diverses analyses chimiques et vitesse de refroidissement local. Des modèles de transformations métallurgiques associés à une estimation des vitesses de refroidissement local peuvent être utilement employés pour y parvenir de façon prédictive.

Pour les plaques tubulaires de générateurs de vapeur actuels, on choisira préférentiellement les nuances de la façon suivante :

- La nuance de l'embase 30 est idéalement le "18 MND 5”, conforme à la spécification actuelle, mais dans une version optimisée pour le traitement thermique. Son analyse type en pourcentage massique est C 0.2, Mn 1.3, Mo 0.5, Ni 0.65.

- Les nuances des métaux déposés pour constituer le reste de la plaque 1 doivent présenter des vitesses critiques de trempe martensitique et bainitique inférieures à celles de la couche précédente plus à l'extérieur, de manière à maintenir une microstructure très majoritairement bainitique avec des teneurs en ferrite perlite aussi limitée que possible (< 10 %) sans pour autant dépasser 0.65 % en carbone équivalent.

Exemple

Un exemple basé sur des produits du commerce est présenté Tableau 1 ci-dessous (dénommé "table 1", avec les analyses chimiques typiques, les valeurs de carbone équivalent, ainsi que les vitesses critiques de trempe martensitique (VcM) et bainitique (VcB). Ces dernières valeurs sont à comparer aux faibles vitesses de refroidissement obtenue du fait de la très forte épaisseur de la plaque : Vitesse de refroidissement à 700 X Vr700 (K/h) = 5400, 3300, 1700, 770, 475 respectivement à 0, 5, 12, 20, 25 cm de profondeur.

ITable 11

A la Figure 3 sont présentés les résultats de dureté calculée au travers de la plaque, au centre de celle-ci, après une trempe à l’eau depuis 865 ° C, puis revenu à 635 X, en utilisant les nuances indiquée au Tableau 1. Les segments visibles sur la figure portent la référence numérique de la partie de la plaque 1 à laquelle ils se rapportent.

On constate que la dureté est extrêmement homogène.

Par ailleurs, les teneurs en ferrite perlite restent inférieures à 10 % dans tout le métal déposé, ce qui indique indirectement pour ces aciers C - Mn - Ni, que la résilience et la ténacité seront élevées.

En effet, si le réel critère de qualité de la microstructure est la quantité relative de bainite et de martensite, on s'attache également à la quantité de ferrite et de perlite. Une microstructure présentant de bonnes propriétés mécaniques contient préférentiellement plus de 90 % de bainite + martensite et donc moins de 10 % de ferrite + perlite.

En conséquence la vitesse de transformation conduisant précisément à 10 % de ferrite + perlite (en abrégé "VIOFP" (en K/h)) est également signifiante.

Ainsi le Tableau ci-dessus pourrait être complété de la manière suivante:

- pour l’embase 30 : V10FP = 1900 ;

- pour l'enveloppe interne 4 : V10FP = 590 ; - pour le cœur 5 : V10FP = 335 ;

- pour la partie 31 de l'enveloppe 3 : V10FP = 640.

Dans l'exemple décrit ci-dessus, on fait usage de trois à quatre compositions chimiques différentes. Elle peut valablement être déclinée en seulement deux nuances différentes. Il convient dans ces variantes de respecter l’évolution croissante de la trempabilité des enveloppes vers le cœur.

La géométrie de la plaque 1 étant circulaire, les dépôts sont facilement mais pas obligatoirement effectués avec des têtes de soudage mobiles uniquement radialement et soudant circonférentiellement.

Cela évite l'utilisation plus coûteuse d'un robot aux dimensions de cette fabrication.

Plusieurs têtes de soudage peuvent utilement être employées simultanément ou séquentiellement, par exemple pour réaliser les passes extérieures et intérieures, ou tout simplement pour réduire le temps de fabrication.

Des dispositifs de contrôle de la température sont avantageusement utilisés afin de garantir les températures de préchauffage (supérieures à 150 °C), d'inter-passe et de post soudage (supérieure à 250 °C pendant 24 h).

Pour une meilleure stratégie de fabrication, on peut procéder ainsi a) On part utilement mais pas obligatoirement de l'embase corroyée qui sera bridée avant soudage sur un vireur. b) Un feuillard périphérique peut être utilisé afin de limiter les épaisseurs devant être usinées après le soudage. c) La construction se fait de façon additive, couche par couche, de la face inférieure vers la face supérieure. d) Des traitements thermiques intermédiaires peuvent être réalisés afin de limiter les déformations et les contraintes résiduelles (traitement de détensionnement au-dessus de 550 °C), limiter les risques dus à l'hydrogène (traitement de précaution), et restaurer les propriétés du matériau sous-jacent. e) Des opérations de forgeage intermédiaires peuvent être réalisées pour améliorer encore les propriétés finales. De même un forgeage final peut aisément être réalisé. f) Traitement de détensionnement / première austénitisation / refroidissement à l'air. g) Usinage de type ébauchage. h) Traitement de qualité avec austénitisation à basse température (AC3 + 40 °C), trempe à l’eau, revenu en fonction des nuances utilisées (dans l'exemple donné ci-dessus : vers 635 °C). AC3 est la désignation conventionnelle de la fin de transformation alpha /gamma au chauffage.

Le procédé selon l'invention permet d'obtenir les avantages suivants

Avantages principaux - Suppression des macro-ségrégations.

- Homogénéité des propriétés mécaniques dans toute l'épaisseur de la plaque.

- Propriétés mécaniques globales meilleures, en particulier un excellent compromis résistance / ténacité. Avantages secondaires

- Grande liberté de choix de fournisseur qui n'a plus besoin de disposer de très grande capacité de coulée de lingot.

- Délai de fabrication globale potentiellement raccourci.

- Possibilité de réparation locale en cours de fabrication. - Possibilité de traitements thermiques intermédiaires.

- Possibilité de forgeages intermédiaires et finaux.

- installation plus économique qu'une grosse forge.

Les utilisateurs d'une telle technique sont potentiellement les fabricants de générateur de vapeur, les forgerons de pièces massives, les chaudronniers, les forgerons, les fabricants de matériels et de produits de soudage.