Impact of Controlled Oxygen Content and Microstructure on the Mechanical Behavior of 13Cr-4Ni Steel

13Cr-4Ni stainless steel hydraulic turbines are critical components of hydroelectric power stations. They are exposed to challenging operating conditions (i.e. cyclic loads in a freshwater environment) which requires optimal material design and manufacturing process. More specifically, these turbines experience strong vibrations and noise that may lead to fatigue and premature failure. The massive freshwater flow also induces a dynamic aqueous environment that promotes cavitation and pitting corrosion. These surface macroscopic defects act as stress concentrators and crack initiators at the origin of accelerated fatigue phenomena. However, there is a lack of understanding about the contribution of the production process of this alloy and other factors related to it (such as impurities and different production methods) affecting the performance of machinery produced with CA6NM.

Résumé

Les turbines hydrauliques en acier inoxydable 13Cr-4Ni sont des composantes critiques des centrales hydro-électriques. Ces pièces sont exposées à des contraintes sévères en service (chargement cyclique dans un environnement d'écoulement d'eau douce). Ces conditions requièrent un design de matériau optimal ainsi qu'une méthode de mise en oeuvre précise. Plus spécifiquement, ces turbines subissent de fortes vibrations qui peuvent mener à de la fatigue et à un bris catastrophique de l'équipement. Le débit d'eau douce élevé mène à un environnement dynamique aqueux propice à la cavitation et à la corrosion par piqûres. Ces défauts macroscopiques de surface agissent comme des concentrateurs de contraintes et comme des sites d'initiation de fissure menant à un phénomène de fatigue accéléré. À l'heure actuelle, il y a un manque fondamental de connaissances quant à la contribution du procédé de mise en oeuvre de l'alliage et d'autres facteurs qui y sont liés (tels les niveaux d'impuretés et la méthode de fusion utilisée pour faire la synthèse – maintien en température). Cette étude vise à quantifier l'impact de 1) la présence d'impuretés critiques comme l'oxygène et 2) la microstructure de l'acier 13Cr-4Ni (acier CA6NM) sur sa résilience Charpy et sa dureté.