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Étude de l'effet du martelage sur la vie en fatigue de l'acier E309L utilisé pour la réparation de turbines en acier 13Cr-4Ni

Curtat, Jean-Loup (2016). Étude de l'effet du martelage sur la vie en fatigue de l'acier E309L utilisé pour la réparation de turbines en acier 13Cr-4Ni. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’acier inoxydable austénitique E309L est fréquemment employé pour effectuer des réparations sur les aubes de turbines d’acier inoxydable martensitique 13 %Cr-4 %Ni du parc de production d’Hydro-Québec. Les contraintes résiduelles de tension sont toutefois très élevées après soudage ce qui peut nuire à la durée de vie des réparations. Le martelage est un procédé prometteur pour contrer ce problème. Ses effets sur la vie en fatigue de l’acier inoxydable austénitique E309L déposé sur des plaques d’acier inoxydable martensitique UNS-S41500 ont été étudiés. Les plaques sont fabriquées selon une procédure similaire à celle qui est utilisée lors de la réparation in situ d’une aube de turbine hydroélectrique. Les mesures par la méthode du contour ont confirmé que le soudage multipasse FCAW du E309L crée d’importantes contraintes résiduelles de tension à la surface du dépôt, de l’ordre de la limite ultime du matériau. Le martelage de la surface des dépôts inverse ces contraintes et induit des contraintes de compression de l’ordre de 500 MPa à la surface du métal d’apport, et ce, jusqu’à une profondeur de près de 3 mm. Le dépôt du métal d’apport 410 NiMo, utilisé lors de la fabrication des aubes, crée également de fortes contraintes de compression près des derniers cordons déposés. Ces contraintes sont moins uniformément réparties que dans le E309L martelé et la microstructure du 410 NiMo nécessite un revenu d’adoucissement.

En variant la séquence de fabrication des plaques, on constate que l’ajout du procédé de martelage dans la procédure a permis d’améliorer la vie en fatigue des dépôts de E309L à tous les niveaux de contrainte testés. À 330 MPa, une augmentation moyenne de 585% de la vie en fatigue a été constatée lorsque la surface du dépôt est initialement surfacée afin que le martelage soit effectué sur une surface plane. Le procédé est tout de même bénéfique si le cordon n’est pas surfacé. L’ajout de passes successives de martelage n’est pas recommandé puisque les gains en endurance diminuent avec le nombre de passes. Les passes additionnelles de martelage abaissent le niveau des contraintes résiduelles de compression à la surface. Le martelage augmente la dureté des surfaces traitées jusqu’à une profondeur de 4mm, mais la séquence de fabrication affecte peu les profils de dureté obtenus. Des essais de fatigue sur des échantillons d’acier UNS-S41500 martelés ont indiqué que les performances de cet acier pourraient également être bonifiées par le procédé de martelage.

Les observations qualitatives effectuées lors des essais ont indiqué que les gains en fatigue permis par le martelage sont plus attribuables à une augmentation de la durée de la phase de propagation de fissures qu’à un allongement de la phase d’initiation. Le martelage semble donc augmenter la tolérance aux dommages des surfaces traitées.

Titre traduit

Influence of hammer peening on fatigue life of E309L steel used for 13%Cr-4%Ni blade runner repairs

Résumé anglais

Austenitic stainless steel E309L is frequently used for repairs on 13 %Cr-4 %Ni martensitic stainless steel blade runners. However, very high residual stresses are found at the surface of the welds, thus reducing their fatigue resistance. The use of hammer peening to increase the fatigue life of E309L welded on UNS-S41500 base metal plates is investigated. The welds used in this research are designed to replicate those found in an in situ blade runner repair. Residual stress measurements using the contour method have confirmed the high stresses caused by FCAW welding of E309L, finding stresses near the ultimate tensile strength of the material. Hammer peening of the surface beads effectively creates high compressive stresses at the weld’s surface up to 3 mm depth. High compressive stresses were also found at the surface of welds using 410 NiMo filler metal, the metal used for blade runner fabrication. The stresses are however not as uniformly distributed as in the hammer peened E309L. This type of filler metal requires a post welding temper which greatly reduces the residual stresses.

At all stress levels of alternate bending fatigue testing, the hammer peened specimen showed great improvement over non hammer penned samples. At 330 MPa, peened spécimens showed an average life increase of 585%. Even after peening, the fatigue life of E309L is much lower than the UNS-S41500 base metal. It could however be greater than the fatigue life of CA6NM steel also used for blade runners. For fatigue testing, the welds surfaces were milled and hammer peened to represent a blade runner repair. Those processes were done in varying sequences to see the potential effect on residual stresses, hardness and fatigue life. It was shown that peening the weld surface once after having milled the weld flush with the base metal allows for the best fatigue results. Not milling the surface beforehand still increases the fatigue life over non peened samples. Peening the surface multiple times reduces the near-surface compressive stresses and offers diminishing returns on fatigue life. It is therefore not recommended. Hammer peening increases hardness up to about 4 mm under the surface, regardless of the sequence. Hammer peened UNS-S41500 samples have shown that this material could benefit from peening.

Observations while testing have indicated that hammer peening seems to increase total fatigue life by slowing down crack propagation and not by inhibiting crack initiation.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 121-127.
Mots-clés libres: Acier inoxydable austénitique Usinage. Acier inoxydable austénitique Fatigue. Contraintes résiduelles. Turbines Aubes Entretien et réparations. Turbines hydrauliques Entretien et réparations. martelage, acier E309L, endurance
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Liu, Zhaoheng
Lanteigne, Jacques
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 juill. 2016 13:57
Dernière modification: 20 juill. 2016 13:57
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1690

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