Investigating the Durability of Stellitte Hardfacing Components Used in the Power Generation Industry

Dans le secteur de la production d'énergie, les valves jouent un rôle essentiel dans la gestion du flux de vapeur à haute température et à haute pression. Elles sont utilisées pour démarrer et arrêter le flux, réguler le flux ou contrôler le sens du flux. Le fonctionnement des valves telles que l'ouverture et la fermeture peut provoquer l'usure des matériaux de la valve. Les progrès de la technologie des matériaux et des techniques de fabrication permettent aux valves de fonctionner à haute température. Par exemple, en appliquant l'alliage de surfaçage dur S6 sur les surfaces d'étanchéité des valves, un faible frottement est garanti et la résistance à l'oxydation et à la corrosion est également améliorée. Cependant, la délamination des alliages de surfaçage dur des valves représente un défi majeur pour le monde de la production d'électricité. Dans ce contexte, nous cherchons en premier lieu les causes de la délamination ; d'autre part, nous proposons des solutions pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur Stellite. Afin d'accomplir ces objectifs, une étude de l'évolution de la microstructure et des propriétés méchaniques du surfaçage dur durant la fabrication et le service des composants. Un traitement thermique après soudage (PWHT) à 760 °C d'une durée de 2 h fût performé sur les composants de surfaçage dur durant le processus de fabrication. Les conditions de service du surfaçage dur furent étudiées par vieillissement à des températures variant entre 550 et 700 °C pour des durées variant entre 1008 et 8760 heures. La microstructure fût caractérisée par OM, SEM, EDS et EBSD. La caractérisation mécanique fût effectuée par micro et nano-indentation, tests d'impact Charpy et par test de tension. Les contraintes résiduelles ont été testées par diffraction de neutrons. Premièrement nous avons exploré l'effet du PWHT sur la microstructure, la dureté et les contraintes résiduelles des composants de surfaçage dur. Il a été observé que le PWHT diminue significativement la dureté du HAZ dans l'acier dû à la formation d'une microstructure en martensite revenue. De plus, il peut réduire substantiellement les contraintes résiduelles dans l'acier et homogénéiser les contraintes dans les composants de surfaçant dur. Après la fabrication, nous avons étudié l'évolution de la microstructure interfaciale F91/S21 des composants de surfaçage dur. Les résultats ont montré que l'interface F91/S21 est instable lors du vieillissement en raison de la formation d'une couche interfaciale dure. En étudiant sa cinétique de croissance, il a été constaté que cette couche interfaciale suit un taux de croissance parabolique. En appliquant des méthodes de caractérisation complémentaires, trois phases, à savoir une phase FexCoy de type BCC, un carbure de type M23C6 riche en Cr et une phase σ de type (Fe,Co) (Cr,Mo) ont été identifiées dans cette couche interfaciale. D'après les cartographies de nano-indentation obtenues sur l'interface F91/S21, les carbures M23C6 et la phase σ sont nettement plus durs que les autres phases. De plus, il a été constaté que les carbures M23C6 grandissaient avec la température et la durée de vieillissement, alors que la quantité de phase σ diminuait avec la température. Pour donner suite à l'exploration de l'évolution de la microstructure interfaciale F91/S21, nous avons étudié les effets de la microstructure interfaciale F91/21 sur les propriétés mécaniques des composants de surfaçage dur au moyen de tests d'impact Charpy. Une géométrie innovante de l'encoche en U Charpy a été conçue, c'est-à-dire que l'interface F91/S21 était centrée dans l'encoche. Une diminution considérable de l'énergie après le vieillissement est attribuée à la couche interfaciale formée, où les craques primaires se propagent. Les composants de surfaçage dur vieillis présentent des défaillances par fissures fragiles. Il a été trouvé que les carbures M23C6 jouent un rôle plus important que la phase σ dans la dégradation de la ténacité lors des tests d'impact. Il est proposé que les facteurs microstructuraux contribuant au délaminage des alliages de surfaçage dur des soupapes à haute température soient la formation de ces phases dures. Ensuite, nous avons réalisé une étude comparative sur l'évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques des composants de surfaçage dur en utilisant l'IN82 comme alternative à la couche tampon S21. Comparativement aux composant de surfaçage dur S21, aucune couche interfaciale nuisible fût observée à l'interface F91/S21 après le vieillissement. La diminution de la ténacité des composants de surfaçage dur IN82 s'est avérée beaucoup moins importante que celle de S21, et, de plus, serait reliée à la formation grossière et à la précipitation des carbures intergranulaires/interdendritiques dans le IN82 plutôt qu'à l'interface F91/IN82. En plus du IN82, les composants de surfaçage dur IN625 furent étudiés en raison du bas prix. L'interface F91/IN625 et le matériel massif IN625 se sont démontrés comme moins stables que les composants de surfaçage dur IN82 dû aux précipités formés durant le vieillissement. Bien que l'interface F91/IN625 ne soit pas le lien le plus faible durant les tests de tension, certains spécimens Charpy présentent des défaillances le long de l'interface F91/IN625, résultant possiblement des précipités parallèles à l'interface. La perte d'énergie d'impact est significative (88%) après un vieillissement de 650 °C pour 8760 h. Il n'est pas recommandé d'utiliser la couche tampon IN625. Finalement, l'étude d'un composant d'ex-service a validé notre étude en laboratoire sur les composants de surfaçage dur S21. La fissure de délamination s'est propagée dans les zones riches en phases σ de la couche de S21. Cela s'explique par le fait que la phase σ s'est formée loin de l'interface, profondément dans le S21 via le chemin de diffusion aux limites de grain après plusieurs années de service. Le temps de service réel et la température concorde avec le temps et la température équivalente attendue par extrapolation. Lors du service des valves, il existe également d'autres facteurs tels que le cyclage thermique et les contraintes induites par le fonctionnement (ouverture et fermeture des valves), en plus du vieillissement. Ils n'ont pas été pris en compte pour l'expérimentation. Cependant, nous pensons que les objectifs de ce travail ont été atteints. À savoir, les causes des défaillances prématurées ont été identifiées et les solutions alternatives pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur ont été validées. Pour relever le défi du délaminage d'alliages de surfaçage dur provenant de valves haute température, la couche tampon IN82 constitue une bonne alternative pour remplacer la couche tampon problématique S21, qui peut améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur. Néanmoins, en raison de la dilution plus élevée de Fe et de Ni, la dureté de la couche supérieure de S6 déposée sur la couche tampon IN82 est compromise par rapport au S6 déposé sur la couche tampon de S21. Par conséquent, il est proposé que davantage de couches de S6 puissent être déposées pour maintenir sa dureté en fonction des applications. De plus, les paramètres de soudure utilisés durant la fabrication peuvent être optimisés pour réduire la dilution et maintenir la dureté du S6. Pendant le service des valves, il y a aussi d'autres facteurs comme le cycle thermique et le stress induit par les opérations (ouverture et fermeture des valves) qui s'additionnent au vieillissement. Ces paramètres n'ont pas été pris en compte durant les expérimentations. D'autre part, nous croyons fortement que les objectifs établis dans le Chapitre 1 ont été atteints. Notamment, les causes d'échecs prématurés ont été identifiées et les solutions alternatives pour améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur ont été validées. Afin de répondre au défi de la délamination des alliages de surfaçage dur dans les valves hautes-températures, la couche tampon de IN82 est une bonne alternative à celle problématique de S21, car elle peut améliorer la durabilité des composants de surfaçage dur. Néanmoins, due à une plus grande dilution de Fe et de Ni, la dureté de la couche supérieure de S6 déposée sur la couche tampon de IN82 est compromise quand elle est comparée avec le S6 déposé sur la couche tampon de S21. Donc, il est proposé que plus de couches de S6 peuvent être déposées afin de maintenir la dureté dans les applications où la résistance à l'usure est critique.