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

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.

Date	26 mai 2016
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Henri Champliaud (Directeur(-trice)), Zhaoheng Liu (Codirecteur(-trice)) & Jacques Lanteigne (Codirecteur(-trice))