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Étude du recharchement hétérogène avant et après martelage de l'acier E2209 déposé sur l'acier S41500

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Hudon, Jean-Benoît (2020). Étude du recharchement hétérogène avant et après martelage de l'acier E2209 déposé sur l'acier S41500. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente une étude expérimentale de la compatibilité métallurgique et mécanique d’un rechargement hétérogène réalisé par soudage en vue de développer de nouvelles méthodes de réparation des roues de turbine hydrauliques endommagées par fatigue. Le rechargement hétérogène étudié est constitué de l’acier inoxydable duplex E2209 déposé sur l’acier inoxydable martensitique à bas carbone S41500. Le second objectif de cette étude expérimentale porte sur l’effet du martelage de ce rechargement hétérogène sur les contraintes résiduelles de tension générées lors des opérations de rechargement par soudage.

Cette étude est motivée par la problématique de réparer les dommages causés par la fatigue sans recourir au traitement thermique de revenu après soudage. En effet, l’acier inoxydable martensitique à bas carbone UNS S41500 et sa version coulée CA6NM, utilisé pour la fabrication de plusieurs turbines hydrauliques, nécessite un traitement thermique de revenu après soudage afin d’adoucir la martensite nouvellement formée. Les réparations devant être réalisées dans le puits de turbine pour limiter le temps d’arrêt de production d’électricité, rendent difficile la réalisation d’un traitement thermique après soudage (TTAS), donc le recours à un alliage d’apport homogène pour les réparations est proscrit.

Différentes plaques simulant la réparation d’une fissure ont été rechargées en variant l’énergie de soudage ou la composition chimique du gaz de protection afin d’étudier l’effet de ces deux variables sur la microstructure et les propriétés mécaniques du rechargement. De ces plaques, des essais de traction, de résilience et des profils de microduretés ont été réalisés afin d’en caractériser le comportement mécanique. La méthode du contour a été utilisée afin d’évaluer le niveau de contraintes résiduelles longitudinales de la région rechargée. Elle a par ailleurs permis d’évaluer l’effet du parachèvement par martelage sur le niveau de contraintes résiduelles.

Des échantillons métallographiques ont été prélevés des différentes combinaisons de paramètres afin de caractériser la microstructure de la zone fondue (ZF), mais aussi de la zone de liaison (ZL) et de la zone affectée thermiquement du métal de base (ZAT). La proportion d’austénite et de ferrite constituant l’alliage duplex a été évaluée par analyse d’image et par analyse de diffraction d’électron rétrodiffusés (EBSD). Les images obtenues par microscopie optique ont permis de confirmer la solidification ferritique de l’alliage duplex et la transformation à l’état solide de la ferrite en austénite sous différentes morphologies au cours du refroidissement. La présence de nitrures au sein de la matrice ferritique a aussi été observée. Le microscope électronique à balayage (MEB) a été utilisé afin de rechercher la présence de composés intermétalliques dans la zone fondue. Des précipités ont effectivement été observés aux interfaces austénite-ferrite, mais l’analyse de leur composition chimique à l’aide de la spectrométrie par fluorescence des rayons X (EDS) n’a pas permis de confirmer qu’il s’agissait de phase σ.

Titre traduit

Study of hammer peened dissimilar cladding between E2209 duplex and s41500 martensitic stainless steels

Résumé traduit

This master thesis presents an experimental study of the metallurgical and mechanical compatibility of a heterogeneous cladding in order to develop new methods to repair hydraulic turbine runners damaged by fatigue. The heterogeneous cladding studied consists of duplex stainless steel E2209 deposited on S41500 low carbon martensitic stainless steel. The second objective of this experimental study focuses on the effect of the hammer peening process on the tensile residual stresses generated during the deposition of the filler metal.

This study is motivated by the problem of repairing the damage caused by fatigue without resorting to post weld heat treatment. In fact, the S41500 low carbon martensitic stainless steel and its cast version CA6NM, used for the manufacture of several hydraulic turbine runners, requires a post weld heat treatment to soften the freshly formed martensite. The repairs to be made in the turbine pit to limit the downtime of electricity production, make it difficult to achieve a post weld heat treatment, so the use of a homogeneous filler metal for repairs is proscribed.

Various plates simulating the repair of a crack have been cladded by varying the heat input or the chemical composition of the shielding gas in order to study the effect of these two variables on the microstructure and the mechanical properties of the cladding. From these plates, tensile tests, toughness tests and microhardness profiles were carried out in order to characterize their mechanical behavior. The contour method was used to evaluate the level of residual stresses in the cladded region. This technique also allowed evaluating the effect of hammer peening on the residual stresses level.

Metallographic samples were taken from the different combinations of parameters to characterize the fusion zone microstructure, but also the fusion line and the heat affected zone of the base metal. The proportion of austenite and ferrite constituting the duplex alloy was evaluated by image analysis and backscattered electron diffraction analysis (EBSD). Images obtained by optical microscopy confirmed the ferritic solidification of the duplex alloy and the solid-state transformation of ferrite into austenite under different morphologies during cooling. The presence of nitrides within the ferritic matrix has also been observed. The scanning electron microscope (SEM) was used to investigate the presence of intermetallic compounds in the fusion zone. Precipitates were indeed observed at the austenite-ferrite interfaces, but the analysis of their chemical composition using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) could not confirm that it was σ-phase.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 73-81).
Mots-clés libres: acier inoxydable duplex, acier inoxydable martensitique à bas carbone, soudage, contraintes résiduelles, martelage, rechargement hétérogène
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Pham, Tan
Codirecteur:
Codirecteur
Godin, Stéphane
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 25 févr. 2020 16:50
Dernière modification: 25 févr. 2020 16:50
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2462

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