Comment les contraintes résiduelles dans les pièces moulées de la roue à aubes affectent-elles la durée de vie à long terme de la roue

Pièces moulées de turbine à pales , le cœur des machines fluidiques, fonctionnent souvent dans des environnements impliquant des vitesses élevées, des pressions élevées, des milieux corrosifs et des températures fluctuantes. Pendant le service, les roues sont soumises à des charges complexes, notamment des contraintes centrifuges, hydrauliques et thermiques. Cependant, en plus de ces charges externes, une menace cachée se cache au sein du moulage : les contraintes résiduelles. La contrainte résiduelle est un système de contrainte auto-équilibré généré en interne par un retrait inégal ou des changements de volume lors des transitions de phase et des processus de traitement thermique. Pour les pièces moulées de turbine géométriquement complexes, la présence de contraintes résiduelles a un impact crucial sur la durée de vie à long terme et l'intégrité structurelle de la turbine.

Le lien direct entre contrainte résiduelle et risque de fissuration

Induction de fissures de coulée

Des niveaux élevés de contraintes résiduelles de traction sont la principale force motrice derrière la fissuration à chaud et à froid des pièces moulées. Dans les pièces moulées de turbines à pales, l'interface épaisse entre la pale et le moyeu (moyeu/carénage) et les changements géométriques brusques constituent des zones à haut risque de concentration de contraintes résiduelles.

Contrainte résiduelle de traction : Si cette contrainte de traction interne dépasse la limite d'élasticité ou la résistance à la traction du matériau, elle peut conduire à des macrofissures immédiates ou retardées, même à l'état statique après la coulée.

Fissuration retardée : En particulier pour certains alliages, comme l'acier inoxydable martensitique ou certains alliages à base de nickel, des contraintes résiduelles combinées à une fragilisation par l'hydrogène peuvent provoquer une fissuration retardée. Ce défaut est souvent difficile à détecter lors de l'inspection en usine, mais peut entraîner une défaillance soudaine au début de la durée de vie de la roue.

Effet de superposition de contraintes

Après la mise en service de la roue, les contraintes de traction résiduelles se superposent aux contraintes de fonctionnement externes.

Concentration de contraintes : La contrainte centrifuge générée par la roue lors de la rotation à grande vitesse atteint son maximum au pied de la pale. S'il existe également une contrainte de traction résiduelle de coulée importante dans cette zone, la contrainte totale locale qui en résulte peut dépasser de loin la limite de sécurité du matériau.

Flexion et déformation : des contraintes superposées peuvent faire entrer prématurément un matériau localisé dans la phase de déformation plastique, entraînant une distorsion géométrique de la roue, perturbant son équilibre dynamique et, finalement, provoquant de graves vibrations et des dommages aux roulements.

Impact des contraintes résiduelles sur la durée de vie en fatigue et le comportement à la corrosion

Réduction significative de la durée de vie en fatigue

Les pièces moulées de turbine à pales fonctionnent principalement sous des charges alternées, et leur durée de vie en fatigue est un indicateur clé de la fiabilité à long terme.

Initiation accélérée de fissures de fatigue : la contrainte résiduelle de traction augmente efficacement la contrainte moyenne du cycle de contrainte. Selon les critères de fatigue de Goodman ou Haigh, l'augmentation de la contrainte moyenne raccourcit considérablement la limite de fatigue du matériau, accélérant l'initiation des fissures de fatigue au niveau du défaut.

Force motrice pour la croissance de la fatigue : les contraintes de traction résiduelles fournissent une force motrice supplémentaire pour les microfissures initiées, les obligeant à se propager à travers les zones porteuses critiques de la roue à un rythme plus élevé, conduisant à une défaillance prématurée par fatigue.

Fissuration par corrosion sous contrainte accélérée (SCC)

De nombreuses pièces moulées de turbine, en particulier celles en acier inoxydable ou en acier duplex, doivent fonctionner dans des milieux corrosifs (tels que des solutions de chlorure).

Susceptibilité au SCC : La fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) est un mode de défaillance provoqué par les effets combinés de la corrosion et des contraintes de traction. La contrainte de traction résiduelle suffit à elle seule à constituer la condition de contrainte nécessaire au CSC.

Effet anodique local : les joints de grains ou les microstructures dans les zones de contraintes résiduelles élevées peuvent devenir plus activées, formant des anodes locales. Cela accélère la corrosion électrochimique et provoque l’apparition rapide de fissures fragiles à des températures bien inférieures à la limite d’élasticité du matériau. Ceci est extrêmement dangereux pour les roues en alliages résistants à la corrosion utilisées dans les applications pétrochimiques et marines.

Contrôle critique des contraintes résiduelles dans le processus de coulée

Le contrôle des contraintes résiduelles dans les pièces moulées des turbines à aubes est l’une des principales tâches des ingénieurs de moulage.

Nécessité d'un traitement thermique : un recuit de détente ou des traitements de solution spécifiques sont généralement utilisés pour libérer ou redistribuer les contraintes résiduelles. Un contrôle précis de la vitesse de chauffage, du temps et de la température de maintien ainsi que de la vitesse de refroidissement est crucial pour éviter d'introduire de nouvelles contraintes thermiques ou d'affecter la microstructure du matériau.

Optimisation de la solidification et du refroidissement : en optimisant la conception du moule et les taux de refroidissement, par exemple en utilisant des refroidissements ou en contrôlant la température chaude du moule, une solidification simultanée et un refroidissement uniforme peuvent être obtenus sur tous les composants de la turbine, minimisant ainsi les contraintes résiduelles à leur source.