Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
1
Alliage Fe-Ni, destiné notamment au transport et au stockage d'hydrogène
liquide
La présente invention concerne un alliage Fe-Ni destiné en particulier à être
utilisé
dans des applications cryogéniques, notamment pour fabriquer des pièces ou
assemblages destinés à contenir des gaz liquéfiés, et par exemple des tubes de
transport
ou des cuves de transport ou de stockage de gaz liquéfiés. Ces pièces ou
assemblages
sont en particulier adaptés pour recevoir de l'hydrogène liquide.
Les matériaux utilisés actuellement pour le transport de gaz liquéfiés sont
généralement conçus pour le transport et le stockage de méthane liquide, dont
la
température d'ébullition est de -162 C. Or, il devient nécessaire de produire
également
des pièces ou assemblages adaptés pour le transport et le stockage de
l'hydrogène
liquide, dont la température d'ébullition est de -253 C.
Les inventeurs de la présente invention ont constaté que le transport et le
stockage de l'hydrogène liquide avec les matériaux utilisés habituellement
pour le
transport de gaz liquéfiés, par exemple l'Invar M93, est susceptible de poser
des
difficultés compte tenu d'une part de la faible température d'ébullition de
l'hydrogène
liquide et d'autre part du risque de fragilisation de l'alliage par
l'hydrogène.
Plus particulièrement, les inventeurs de la présente invention ont constaté
que les
structures austénitiques comme celles de l'Invar M93 peuvent développer une
transformation martensitique lorsque le matériau est soumis à une déformation
plastique
à température cryogénique. Le taux de martensite est d'autant plus important
que la
déformation est sévère et que la température est basse. Dans le cas de l'Invar
M93, le
risque de transformation martensitique, au sein de la microstructure, en cas
d'incident
mécanique mineur durant l'exploitation d'une ligne ou cuve cryogénique (choc,
écrasement, pliage, etc.), est donc fortement accru à la température de
l'hydrogène
liquide (-253 C). La martensite développée au sein de la microstructure de
l'INVAR M93
et chargée en hydrogène peut alors générer une fragilisation par hydrogène.
Un but de l'invention est donc de fournir un alliage présentant de bonnes
propriétés mécaniques à la température de l'hydrogène liquide (-253 C),
associées à un
faible coefficient moyen de dilatation thermique entre 0 C et ¨ 196 C,
susceptible d'être
utilisé notamment pour la fabrication de pièces destinées au transport et au
stockage
d'hydrogène liquide, par exemple pour la fabrication de tubes ou de cuves
destinés au
transport et au stockage d'hydrogène liquide.
A cet effet, l'invention concerne un alliage fer-nickel présentant la
composition
suivante, en pourcentage en poids :
36,5% Ni 38,5%
0,50% Mn 1,25%
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
2
0,001% 5 Cu 5 0,85%
0,040% 5 C 5 0,150%
0,10% 5 Si 5 0,35%
le reste étant du fer et des impuretés inévitables résultant de l'élaboration.
Selon des caractéristiques particulières de l'alliage selon l'invention :
- la teneur en carbone est comprise entre 0,040% en poids et 0,075% en
poids ;
- les impuretés inévitables résultant de l'élaboration comprennent, en
pourcentage
en poids :
Cr 5 0,5%
Co 5 0,5%
S 5 0,0035%
P 5 0,01%
Mo < 0,5%
O 5 0,0025%
Ca 5 0,0015%
Mg 5 0,0035%
Al 5 0,0085%;
- l'alliage présente un coefficient moyen de dilatation thermique a entre -
196 C et
0 C supérieur ou égal à 2,0.10-60C-1 et inférieur ou égal à 3,0.10-600-1, en
particulier
lorsque l'alliage est sous forme de produit laminé à chaud.
L'invention concerne également une bande à froid réalisée dans l'alliage tel
que
décrit ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une bande à froid
telle
que décrite ci-dessus comprenant les étapes successives suivantes :
- on élabore un alliage tel que défini ci-dessus ;
- on forme un demi-produit dudit alliage ;
- on lamine à chaud ce demi-produit afin d'obtenir une bande à chaud ;
- on lamine à froid la bande à chaud en une ou plusieurs passes pour
obtenir une
bande à froid.
L'invention concerne également l'utilisation de l'alliage tel que défini ci-
dessus
pour fabriquer des cuves ou des tubes destinés à recevoir un gaz liquéfié.
L'invention concerne également un fil d'apport réalisé dans l'alliage tel que
défini
ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un fil d'apport tel
que
défini ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d'un demi-produit réalisé dans un alliage tel que défini ci-
dessus;
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
3
- transformation à chaud de ce demi-produit pour former un fil
intermédiaire ; et
- transformation du fil intermédiaire en fil d'apport, de diamètre
inférieur à celui du
fil intermédiaire, ladite transformation comprenant une étape de tréfilage.
L'invention concerne également une pièce ou partie de pièce réalisée dans un
alliage tel que défini ci-dessus, ladite pièce ou partie de pièce étant
obtenue par
fabrication additive métallique.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce ou d'une
partie de pièce, comprenant une étape de fabrication de ladite pièce ou partie
de pièce
par un procédé de fabrication additive métallique utilisant, en tant que
matériau d'apport,
un fil d'apport réalisé dans l'alliage tel que défini ci-dessus et/ou une
poudre réalisée dans
l'alliage tel que défini ci-dessus.
L'invention concerne également une utilisation du fil d'apport tel que défini
ci-
dessus comme fil d'apport dans le cadre d'un procédé de fabrication additive
métallique.
L'invention concerne également une poudre métallique réalisée dans un alliage
tel
que défini ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une poudre
métallique
telle que définie ci-dessus, ledit procédé comprenant une étape de fourniture
d'un fil
d'apport tel que défini ci-dessus, ainsi qu'une étape d'atomisation plasma de
ce fil
d'apport pour obtenir la poudre métallique.
L'invention concerne également un tronçon de tube réalisé dans un alliage tel
que
défini ci-dessus, ledit tronçon de tube étant de préférence sans soudure.
Selon des caractéristiques particulières, le tronçon de tube comprend une tôle
repliée en forme de tube et réalisée dans un alliage tel que défini ci-dessus,
la tôle
présentant des bords longitudinaux reliés entre eux par un cordon de soudure.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tronçon de tube
tel
que défini ci-dessus, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'une tôle réalisée dans un alliage tel que défini ci-dessus
et
présentant deux bords longitudinaux ; et
- soudage entre eux des bords longitudinaux de la tôle pour former le
tronçon de
tube.
L'invention concerne également un tube comprenant au moins deux tronçons de
tube tels que définis ci-dessus, deux tronçons de tube successifs étant liés
entre eux par
un cordon de soudure.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tube comprenant
les étapes successives suivantes :
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
4
- fourniture d'un premier tronçon de tube tel que défini ci-dessus et d'un
deuxième
tronçon de tube tel que défini ci-dessus, le premier tronçon de tube et le
deuxième
tronçon de tube s'étendant suivant un axe longitudinal,
- positionnement des premier et deuxième tronçons de tube de telle sorte
qu'une
extrémité longitudinale du premier tronçon de tube soit disposée en regard
d'une
extrémité longitudinale du deuxième tronçon de tube selon l'axe longitudinal
des premier
et deuxième tronçons de tube ; et
- soudage entre elles de deux extrémités longitudinales en regard des
premier et
deuxième tronçons de tube.
L'invention concerne également une partie de cuve comprenant au moins une
partie réalisée dans un alliage tel que défini ci-dessus. Cette partie de cuve
est destinée
au transport ou au stockage de gaz liquéfiés, et notamment d'hydrogène
liquide.
L'invention concerne également une bande à chaud réalisée dans l'alliage tel
que
décrit ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une bande à chaud
telle que décrite ci-dessus comprenant les étapes successives suivantes :
- on élabore un alliage tel que défini ci-dessus ;
- on forme un demi-produit dudit alliage ;
- on lamine à chaud ce demi-produit afin d'obtenir une bande à chaud.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,
donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins
annexés, sur
lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un tronçon de tube
selon un
premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un tronçon de tube
selon un
deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique de dessus d'une tôle utilisée lors de
la mise
en oeuvre du procédé de fabrication d'un tronçon de tube selon le deuxième
mode de
réalisation;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un tube selon
l'invention ; et
- la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une pièce obtenue
par
fabrication additive selon l'invention.
Dans toute la description, les teneurs sont données en pourcentage massique.
L'alliage selon l'invention est un alliage à base de fer comprenant, en
pourcentage
en poids :
36,5% Ni 38,5%
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
0,50% Mn 1,25%
0,001% Cu 0,85%
0,040% C 5 0,150%
0,10% Si 0,35%
5 le reste étant du fer et des impuretés inévitables résultant de
l'élaboration.
Par impuretés inévitables résultant de l'élaboration, on entend des éléments
qui
sont présents dans les matières premières utilisées pour élaborer l'alliage ou
qui
proviennent des appareils utilisés pour son élaboration, et par exemple des
réfractaires
des fours. Ces impuretés n'ont pas d'effet métallurgique sur l'alliage.
Les impuretés résultant de l'élaboration comprennent notamment, en pourcentage
en poids :
Cr 5 0,5%
Co 0,5%
S 0,0035%
P 0,01%
Mo 0,5%
0,0025%
Ca 0,0015%
Mg 0,0035%
Al 0,0085%.
L'alliage selon l'invention présente en particulier un coefficient moyen de
dilatation
thermique cc entre -196 C et 0 C supérieur ou égal à 2,0.10-6 C-1 et inférieur
ou égal à
3,0.10-6 C.
Dans l'alliage selon l'invention, les teneurs en Ni, Mn, C et Cu, à savoir Ni
36,5%, Mn 0,50%, C 0,040% et Cu 0,001%, améliorent la stabilité de l'alliage à
la
transformation martensitique à -253 C (20K), c'est-à-dire à la température de
l'hydrogène
liquide, et permettent ainsi à l'alliage de conserver une structure
austénitique lors d'un
incident mécanique mineur (choc, écrasement, pliage, etc.) survenant à la
température de
l'hydrogène liquide.
Les inventeurs de la présente invention ont constaté que si les teneurs en Ni,
Mn,
C et Cu sont inférieures aux bornes inférieures décrites ci-dessus, l'alliage
présente un
risque accru de fragilisation par hydrogène en cas d'incident mécanique mineur
(choc,
écrasement, pliage, etc.) survenant à la température de l'hydrogène liquide,
caractérisé
par un faible allongement à rupture A (A 10%) et une striction Z trop faible
(Z% 50%).
L'allongement à rupture A est déterminé au moyen de la norme ASTM
A370 Juillet 2019.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
6
La striction Z est déterminée au moyen de la norme NF EN ISO 6892-1 Décembre
2019.
D'autre part, les bornes supérieures choisies pour Ni, Mn et Cu, à savoir Ni
38,5%, Mn < 1,25% et Cu < 0,85% permettent de conserver un coefficient moyen
de
dilatation thermique a entre -196 C et 0 C inférieur ou égal à 3,0.10-6 C-1,
ce qui permet
de limiter les contraintes thermiques à une valeur critique évaluée à 110 MPa.
Cette
contrainte critique vaut approximativement 15% de la limite d'élasticité de
l'alliage à la
température de l'hydrogène liquide (Rp(-253 C) - 800 MPa).
Les inventeurs de la présente invention ont constaté que si les teneurs en Ni,
Mn
et Cu sont supérieures aux bornes supérieures décrites ci-dessus, le
coefficient moyen de
dilatation thermique a entre -196 C et 0 C présente une valeur supérieure à
3,0.10-6 C-1,
et par suite trop élevé pour les applications visées.
En outre, lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,150%, l'alliage perd
en
soudabilité par formation de porosités lors du soudage TIG sans fil d'apport.
En effet, la
présence de carbone à des teneurs supérieures à 0,150% génère de
l'effervescence
durant les opérations de soudage TIG sans fil d'apport. Dans ce cas, la
soudabilité de
l'alliage est donc dégradée.
De préférence, la teneur en carbone est comprise entre 0,040% et 0,075% en
poids. Dans ce cas, la soudabilité de l'alliage est encore améliorée.
De préférence, la teneur en Mn est supérieure ou égale à 0,7% en poids. Une
telle
teneur en manganèse améliore encore la stabilité de l'alliage à la
transformation
martensitique à -253 C (20K).
Dans l'alliage selon l'invention, la teneur en silicium est comprise entre
0,10% et
0,35% en poids. Le silicium à ces teneurs permet la désoxydation de l'alliage.
A une
teneur supérieure à 0,35% en poids, le taux de dilatation thermique entre -196
C et 0 C
risque d'être trop élevé lorsque les teneurs en Ni, Mn et Cu sont ajustées
conformément à
l'invention.
L'alliage selon l'invention peut être élaboré par toute méthode adaptée connue
de
l'homme du métier. A titre d'exemple, il est élaboré dans un four électrique à
arc ou en
four à induction, puis est affiné en poche par des méthodes habituelles,
comprenant en
particulier une étape d'affinage en poche de type VOD suivie d'une étape de
métallurgie
en poche chauffante de type ASV. En variante, l'alliage suivant l'invention
est élaboré en
four à induction sous vide à partir de matières premières à bas résiduels.
La méthode d'élaboration de l'alliage est donnée uniquement à titre d'exemple.
Toutes autres méthodes d'élaboration de l'alliage connues de l'homme du métier
peuvent
être utilisées à cet effet.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
7
L'invention concerne également une bande à froid présentant la composition
définie ci-dessus. Cette bande à froid présente en particulier une épaisseur
comprise
entre 0,5 et 10 mm. L'épaisseur de la bande à froid est avantageusement
comprise entre
2 mm et 10 mm dans le cas où la bande à froid est destinée à être utilisée
pour la
fabrication d'un tube cryogénique. Elle est avantageusement comprise entre 0,5
mm et 2
mm dans le cas où la bande à froid est destinée à être utilisée pour la
fabrication d'une
cuve de transport ou de stockage de gaz liquéfié.
A titre d'exemple, on utilise le procédé suivant pour fabriquer de telles
bandes à
froid.
On coule l'alliage tel que décrit ci-dessus sous forme de demi-produits tels
que
des lingots, des électrodes de refusion, des brames, notamment des brames
minces
d'épaisseur inférieure à 180 mm, ou des billettes.
Lorsque l'alliage est coulé sous forme d'électrode de refusion, celle-ci est
avantageusement refondue sous vide ou sous laitier électro-conducteur afin
d'obtenir une
meilleure pureté et des demi-produits plus homogènes.
Le demi-produit ainsi obtenu par coulée directe est ensuite laminé à chaud à
une
température comprise entre 950 C et 1300 C pour obtenir une bande à chaud.
L'épaisseur de la bande à chaud est notamment comprise entre 2 mm et 20 mm,
et plus particulièrement comprise entre 2 mm et 10 mm.
Dans le cas où l'on fabrique une tôle pour cuve de transport ou de stockage de
gaz liquéfié, l'épaisseur finale après laminage à chaud est par exemple
environ égale à
3,5 mm.
Selon un mode de réalisation, le laminage à chaud est précédé d'un traitement
thermique d'homogénéisation chimique réalisé sur le demi-produit à une
température
comprise entre 950 C et 1300 C pendant une durée comprise entre 30 minutes et
24
heures.
La bande à chaud est refroidie à température ambiante pour former une bande
refroidie, puis enroulée en bobines.
La bande refroidie est ensuite laminée à froid pour obtenir une bande à froid
présentant une épaisseur finale avantageusement comprise entre 0,5 mm et 10
mm. Le
laminage à froid est effectué en une passe ou en plusieurs passes successives.
Dans le cas où l'on fabrique une tôle pour tube cryogénique, l'épaisseur
finale
après laminage à froid est avantageusement comprise entre 2 mm et 10 mm.
Dans le cas où l'on fabrique une tôle pour cuve de transport ou de stockage de
gaz liquéfié, l'épaisseur finale après laminage à froid est avantageusement
comprise
entre 0,5 et 2 mm.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
8
Optionnellement, la bande à chaud est décapée chimiquement puis grenaillée
pour enlever la calamine avant laminage à froid.
Optionnellement, les tôles décapées et grenaillées sont polies afin d'enlever
les
pénétrations oxydées aux joints de grains avant laminage à froid, la rugosité
Ra
recherchée étant en particulier inférieure à 50 pm selon la norme ISO 4287.
A l'épaisseur finale, la bande à froid est optionnellement soumise à un
traitement
thermique de recristallisation dans un four statique pendant une durée allant
de 10
minutes à plusieurs heures et à une température supérieure à 700 C. En
variante, elle est
soumise à un traitement thermique de recristallisation dans un four de recuit
continu
pendant une durée allant de quelques secondes à 1 minute environ, à une
température
supérieure à 800 C dans la zone de maintien du tour, et sous atmosphère
protégée de
type N2/H2 (30 /0/70%) avec une température de givre comprise entre -50 C et -
15 C. La
température de givre définit la pression partielle de vapeur d'eau contenue
dans
l'atmosphère de traitement thermique. Un tel traitement est en particulier mis
en oeuvre
après mise en oeuvre des étapes de décapage, grenaillage, et polissage
décrites plus
haut.
Un traitement thermique de recristallisation est optionnellement réalisé, dans
les
mêmes conditions que le traitement thermique de recristallisation décrit ci-
dessus, en
cours de laminage à froid, à une épaisseur intermédiaire entre l'épaisseur
initiale
(correspondant à l'épaisseur de la bande à chaud) et l'épaisseur finale.
L'épaisseur
intermédiaire est par exemple choisie égale à 1,5 mm lorsque l'épaisseur
finale de la
bande à froid est de 1,0 mm.
La méthode de fabrication de bandes à froid en cet alliage est décrite
uniquement
à titre d'exemple. Toutes autres méthodes de fabrication de bandes à froid
connues de
l'homme du métier peuvent être utilisées à cet effet.
L'invention concerne également un tronçon de tube cryogénique réalisé dans
l'alliage décrit ci-dessus. Le tronçon de tube est notamment destiné au
transport de gaz
liquéfiés, et en particulier de l'hydrogène liquide.
Un tronçon de tube 1 selon un premier mode de réalisation est représenté sur
la
figure 1. Ce tronçon de tube 1 ne comprend pas de soudure longitudinale. Il
s'agit donc
d'un tronçon de tube sans soudure. Ce tronçon de tube 1 est par exemple obtenu
par
extrusion de billettes réalisées dans l'alliage décrit ci-dessus.
Un tronçon de tube 7 selon un deuxième mode de réalisation est représenté sur
la
figure 2. Le tronçon de tube 7 comprend une tôle 9, réalisée dans l'alliage
tel que décrit
précédemment, et repliée en forme de tube, dont les bords longitudinaux 12
sont liés
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
9
entre eux par un cordon de soudure 15. La paroi du tronçon de tube 7 présente
par
exemple une épaisseur comprise entre 2 mm et 10 mm.
Le cordon de soudure est en particulier obtenu par soudure autogène, c'est-à-
dire
en utilisant un fil d'apport réalisé dans l'alliage décrit précédemment.
En variante, un fil d'apport de composition différente de celle décrite ci-
dessus est
utilisé, la composition du fil d'apport étant choisie en fonction des
propriétés recherchées,
et notamment afin d'obtenir une soudure présentant une dilatation thermique a,
entre -
196 C et 0 C inférieure ou égale à 5,5.10-6 C-1 et des propriétés mécaniques
supérieures
à celles de la tôle.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel tronçon
de
tube 7.
Le procédé comprend la fourniture d'une tôle 9 réalisée dans l'alliage tel que
décrit
ci-dessus. Une telle tôle 9 est représentée sur la figure 3. Elle s'étend
selon une direction
longitudinale L et présente des bords longitudinaux 12 sensiblement parallèles
à la
direction longitudinale L. Elle présente par exemple une épaisseur comprise
entre 2 mm
et 10 mm.
Le procédé comprend en outre une étape consistant à replier cette tôle 9 de
manière à amener les deux bords longitudinaux 12 en regard, suivie d'une étape
consistant à souder entre eux les deux bords longitudinaux 12 au moyen d'un
fil d'apport
adapté, et en particulier au moyen d'un fil d'apport réalisé dans l'alliage
décrit ci-dessus.
La soudure réalisée au cours de cette étape est une soudure longitudinale. De
préférence, il s'agit d'une soudure bout à bout.
A l'issue de ce procédé, on obtient un tronçon de tube 7, tel qu'illustré sur
la figure
2, dans lequel la tôle 9 est repliée en forme de tube, et les bords
longitudinaux 12 de la
tôle 9 sont liés entre eux par un cordon de soudure 15.
L'invention concerne également un tube cryogénique 20 réalisé par l'assemblage
de tronçons de tube cryogéniques 1, 7 selon l'invention. Le tube 20 est
notamment
destiné au transport de gaz liquéfiés, et en particulier de l'hydrogène
liquide.
A titre d'exemple, le tube cryogénique 20 comprend au moins deux tronçons de
tube 1, 7 tels que décrits précédemment, reliés entre eux par un cordon de
soudure 22.
Le cordon de soudure 22 s'étend le long de la circonférence du tube 20 de
sorte à relier
entre eux les tronçons de tube 1, 7.
Le cordon de soudure 22 est en particulier obtenu par soudure autogène, c'est-
à-
dire en utilisant un fil d'apport présentant la composition décrite ci-dessus.
La soudure est en particulier une soudure bout à bout, de préférence une
soudure
orbitale. Par soudure orbitale, on entend une soudure réalisée en faisant
tourner l'outil de
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
soudage, à savoir en particulier les torches de soudage, par rapport aux
tronçons de tube
1, 7 à souder.
La paroi du tube cryogénique 20 présente par exemple une épaisseur comprise
entre 2 mm et 10 mm.
5 On a représenté sur la figure 4 un tube cryogénique 20 obtenu par
assemblage de
tronçons de tube 7 selon le deuxième mode de réalisation tels que décrits plus
haut en
regard de la figure 2.
En variante, le tube 20 est obtenu par assemblage de tronçons de tube 1 selon
le
premier mode de réalisation tels que décrits plus haut en regard de la figure
1.
10 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un
tube
cryogénique 20 tel que décrit ci-dessus.
Au cours de ce procédé, on fournit au moins deux tronçons de tube 1, 7. Chaque
tronçon de tube 1, 7 est sensiblement cylindrique d'axe M, et présente deux
extrémités
longitudinales 24, espacées entre elles selon la direction de l'axe M.
On positionne alors les deux tronçons de tube 1, 7 de manière à ce que leurs
extrémités longitudinales 24 soient disposées en regard selon la direction de
l'axe M de
ces tronçons de tube 1, 7, puis on soude entre elles les extrémités
longitudinales 24 en
regard des deux tronçons de tube 1, 7 en utilisant un fil d'apport, et en
particulier un fil
réalisé dans l'alliage décrit ci-dessus.
Avantageusement, on réalise lors de cette étape une soudure bout à bout entre
les extrémités longitudinales 24 en regard des tronçons de tube 1, 7. La
soudure est de
préférence une soudure orbitale.
De préférence, l'étape de soudage comprend, préalablement à la solidarisation
entre eux des tronçons de tube 1, 7, une étape d'usinage de chanfreins aux
extrémités 24
des tronçons de tube 1, 7 à souder entre elles.
L'étape de soudage est réalisée un nombre de fois égal au nombre de tronçons
de
tube 1, 7 à souder pour former le tube 20 diminué de un.
Selon un mode de réalisation, les tronçons de tube sont des tronçons de tube 1
selon le premier mode de réalisation décrit plus haut. En variante, les
tronçons de tube
sont des tronçons de tube 7 selon le deuxième mode de réalisation décrit plus
haut.
A l'issue de cette ou de ces étapes de soudage, on obtient le tube cryogénique
20.
Ce tube cryogénique 20 comprend au moins deux tronçons de tube 1, 7 successifs
assemblés entre eux par un cordon de soudure 22.
L'invention concerne également une partie de cuve de transport ou de stockage
de
gaz liquéfiés réalisée dans l'alliage décrit ci-dessus.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
11
L'invention concerne également un fil d'apport réalisé dans l'alliage tel que
décrit
ci-dessus.
Un tel fil d'apport est en particulier destiné à être utilisé dans le cadre
d'un procédé
de fabrication additive ou en tant de fil d'apport pour le soudage entre elles
de deux
pièces ou parties de pièce, les pièces ou parties de pièce étant par exemple
réalisées
dans l'alliage décrit ci-dessus.
Un tel fil d'apport est en particulier réalisé par la mise en uvre du procédé
suivant.
Ce procédé comprend, dans une première étape, la fourniture d'un demi-produit
réalisé dans l'alliage tel que décrit ci-dessus.
A cet effet, l'alliage, élaboré selon les méthodes décrites plus haut, est
soit coulé
en lingots, soit coulé directement sous forme de billettes, notamment au moyen
d'une
coulée continue, en particulier rotative. Les demi-produits obtenus à l'issue
de cette étape
sont donc avantageusement des lingots ou des billettes, et présentent par
exemple un
diamètre compris entre 130 et 230 mm, et plus particulièrement égal à environ
150 mm.
Ensuite, on transforme les demi-produits par transformation à chaud pour
former
un fil intermédiaire.
En particulier, au cours de cette étape de transformation à chaud, les demi-
produits, c'est-à-dire notamment les lingots ou billettes, sont réchauffés, en
particulier en
four à gaz, jusqu'à une température comprise entre 1150 C et 1250 C.
Ils sont ensuite soumis à un ébauchage à chaud, suivi d'un laminage à chaud,
en
particulier sur un train à fil, à une température comprise entre 950 C et 1150
C, puis
d'une hypertrempe en sortie de train de laminage. Le fil intermédiaire peut
être en
particulier un fil machine. Il présente par exemple un diamètre compris entre
5 mm et 21
mm, et en particulier environ égal à 5,5 mm.
L'hypertrempe est en particulier une hypertrempe en piscine à 20 C, après un
traitement thermique dans un four à gaz, à une température comprise entre 1050
C
1150 C pendant une durée comprise entre 20 minutes et 120 minutes.
Le fil intermédiaire est ensuite décapé, puis enroulé sous forme de bobine.
Optionnellement, le fil intermédiaire ou fil machine ainsi obtenu est tréfilé
au
moyen d'une installation de tréfilage de type connu pour obtenir le fil
d'apport. Ce fil
d'apport présente un diamètre inférieur à celui du fil de départ. Son diamètre
est
notamment compris entre 0,5 mm et 3,5 mm. Il est avantageusement compris entre
0,8
mm et 2,4 mm.
L'étape de tréfilage comprend, en fonction du diamètre final à atteindre, une
ou
plusieurs passes de tréfilage, avec, de préférence, un recuit entre deux
passes de
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
12
tréfilage successives. Ce recuit est par exemple réalisé au défilé sous
atmosphère
réductrice à une température de l'ordre de 1150 C.
L'étape de tréfilage est, de préférence, suivie d'un nettoyage de la surface
du fil
tréfilé, puis d'un bobinage du fil.
Les passes de tréfilage sont réalisées à froid.
En particulier, pour la fabrication d'un fil d'apport de diamètre environ égal
à 1,6
mm, deux passes de tréfilage sont utilisées, la deuxième passe de tréfilage
aboutissant
au diamètre final d'environ 1,6 mm.
Pour la fabrication d'un fil d'apport de diamètre environ égal à 1,2 mm, trois
passes de tréfilage sont par exemple utilisées, la deuxième passe de tréfilage
aboutissant
à un diamètre d'environ 1,6 mm et la troisième passe de tréfilage au diamètre
final de 1,2
MM.
La méthode de fabrication de fil d'apport est décrite uniquement à titre
d'exemple.
Toutes autres méthodes de fabrication de fils d'apport connues de l'homme du
métier
peuvent être utilisées à cet effet.
L'invention concerne également une poudre métallique pour fabrication additive
réalisée dans l'alliage tel que décrit ci-dessus, dont la granulométrie après
tamisage est
avantageusement comprise entre 10 m et 200 m.
Une telle poudre est par exemple fabriquée par atomisation plasma à partir
d'un fil
réalisé dans un alliage tel que décrit ci-dessus, le fil présentant en
particulier un diamètre
d'environ 3 mm.
La granulométrie de la poudre est en particulier déterminée par la méthode de
mesure suivante. Les lots de poudre sont séparés en plusieurs distributions de
tailles de
poudres au moyen de tamis en acier inoxydable à vibration ultrasonique.
L'analyse de la
distribution des tailles de poudres issues des tamisages est réalisée selon la
norme
ASTM B214-07. Le tamisage permet d'obtenir 5 classes de tailles : < 20 m - 20
m à
45 m - 45 m à 75 m - 7511m à 10511m - >1051Jm.
Le procédé d'atomisation plasma est connu en soi, et n'est donc pas décrit en
détail.
Le fil d'apport est par exemple également destiné à être utilisé comme fil
d'apport
dans le cadre d'un procédé de fabrication additive métallique.
Le procédé de fabrication additive est par exemple un procédé de fabrication
additive utilisant un arc électrique, un faisceau laser et/ou un faisceau
d'électrons en tant
que source d'énergie pour réaliser la fusion du fil d'apport.
Le procédé de fabrication additive est en particulier un procédé de
fabrication
additive par dépôt sous énergie dirigée ( Directed Energy Deposition en
anglais). Au
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
13
cours de ce procédé, le matériau d'apport est déposé, notamment par une buse,
et
immédiatement fusionné par une énergie thermique concentrée, en particulier
par un
faisceau laser, un faisceau d'électrons et/ou un arc électrique.
A titre d'exemple, le procédé de fabrication additive est un procédé arc-fil
( VVAAM ou Wire Arc Additive Manufacturing en anglais), Laser-fil,
faisceau
d'électrons-fil ( Electron Beam Free Form Fabrication ou Electron Beam
Additive
Manufacturing en anglais) ou un procédé de fabrication additive hybride
combinant les
technologies arc-fil et Laser-poudre ou arc-fil et Laser-fil.
Le fil utilisé dans le cadre de ces procédés est le fil d'apport tel que
décrit plus
haut.
Dans le cas d'un procédé hybride arc-fil et Laser-poudre, la poudre utilisée
présente la même composition que le fil.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce 40 telle
que
représentée schématiquement sur la figure 5 ou d'une partie de pièce, réalisée
dans un
alliage tel que décrit ci-dessus, comprenant :
- la fourniture d'un fil d'apport réalisé dans cet alliage ; et
- la fabrication de la pièce 40 ou partie de pièce par un procédé de
fabrication
additive métallique utilisant, en tant que matériau d'apport, un fil d'apport
réalisé dans
l'alliage tel que décrit ci-dessus et/ou une poudre réalisée dans l'alliage
tel que décrit ci-
dessus.
Le procédé de fabrication additive est par exemple un procédé de fabrication
additive utilisant un arc électrique, un faisceau laser et/ou un faisceau
d'électrons en tant
que source d'énergie pour réaliser la fusion du matériau d'apport.
Le procédé de fabrication additive est en particulier un procédé de
fabrication
additive par dépôt sous énergie dirigée ( Directed Energy Deposition en
anglais). Au
cours de ce procédé, le matériau d'apport est déposé, notamment par une buse,
et
immédiatement fusionné par une énergie thermique concentrée, en particulier
par un
faisceau laser, un faisceau d'électrons et/ou un arc électrique.
A titre d'exemple, le procédé de fabrication additive est un procédé arc-fil
(,< \NAAM ou Wire Arc Additive Manufacturing en anglais), Laser-fil,
faisceau
d'électrons-fil ( Electron Beam Free Form Fabrication ou Electron Beam
Additive
Manufacturing en anglais) ou un procédé de fabrication additive hybride
combinant les
technologies arc-fil et Laser-poudre ou arc-fil et Laser-fil.
Dans le cas où un procédé de fabrication additive hybride combinant les
technologies arc-fil et Laser-poudre ou arc-fil et Laser-fil est utilisé, la
poudre et le fil
d'apport sont réalisés dans l'alliage tel que décrit ci-dessus.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
14
Les procédés de fabrication additive mentionnés ci-dessus sont connus en soi,
et
ne sont donc pas décrits en détail.
L'invention concerne également une pièce 40 ou une partie de pièce réalisée
dans
un alliage tel que décrit ci-dessus obtenue par fabrication additive
métallique.
Ce procédé de fabrication additive métallique utilise en particulier, en tant
que
matériau d'apport, un fil d'apport réalisé dans l'alliage tel que décrit ci-
dessus et/ou une
poudre réalisée dans l'alliage tel que décrit ci-dessus.
Une pièce ou partie de pièce obtenue par un procédé de fabrication additive
métallique, telle que la pièce 40, est brute de solidification. Elle présente
donc une
microstructure de solidification typique de l'alliage considéré, une telle
microstructure
comprenant typiquement des dendrites colonnaires qui croissent par épitaxie
les unes sur
les autres et dont l'orientation dépend de la largeur et de la hauteur du mur
métallique
fabriqué. Par ailleurs, une pièce obtenue par un procédé de fabrication
additive présente,
du fait de son procédé de fabrication additif, une succession de strates de
solidification
superposées. Chaque strate, obtenue par solidification de gouttes de métal en
fusion
déposées, refond la peau de la strate précédente afin de générer une
continuité
métallurgique, et par suite réchauffe le reste des strates inférieures. La
température de
réchauffage est d'autant plus faible que la strate en question est éloignée de
la zone en
cours de fusion et solidification. Cette microstructure particulière est
observable par
observation métallographique sur des coupes métallographiques des pièces.
Une pièce 40 ou partie de pièce obtenue par un procédé de fabrication additive
métallique peut ainsi être distinguée de pièces obtenues par d'autres
procédés, et
notamment d'une pièce obtenue par métallurgie conventionnelle qui produit une
structure
recristallisée à grains homogènes.
La pièce 40 ou partie de pièce est notamment une pièce ou partie de pièce
spéciale, telle qu'une vanne, un raccord de tubes ou autre pièce, en
particulier utilisée
dans le cadre d'applications cryogéniques, et plus particulièrement à la
température de
l'hydrogène liquide, par exemple dans le cadre du transport et du stockage de
l'hydrogène
liquide.
Selon un exemple, la pièce 40 est un raccord tubulaire destiné à servir de
raccord
entre plusieurs tubes coaxiaux, en particulier entre un tube à double paroi et
un tube à
simple paroi, par exemple dans un pipeline. Un tel raccord est appelé ¶
bulkhead en
anglais. Le , bulkhead est une pièce connue dans le domaine des pipelines.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
Essais
Les alliages des essais n 1 à 22 ont été élaborés sous vide et coulés en mini-
lingots d'approximativement 2 kg. Ces lingots ont été usinés en barres de 35
mm de côté
et 100 mm de hauteur. Ces barres ont ensuite été réchauffées à 1220 C pendant
8h
5 sous argon, puis laminées à chaud à approximativement 1150 C pour
obtenir des largets
de 750x35x4 mm.
Les compositions chimiques, en % en poids, des éléments d'alliage des largets
obtenus sont définies dans le Tableau 1 ci-dessous. Les teneurs massiques
approximatives des largets en impuretés résultant de l'élaboration sont
indiquées au
10 Tableau 2 ci-dessous.
N Ni Mn Cu C Si Fe
1 35,9 0 14 0,01 0 001 0,10 Reste
2 36 0 0 35 0,01 0 029 0,10 Reste
3 36 0 0 46 0,01 0 035 0,10 Reste
4 36,5 0,53 0,01 0,041 0,10 Reste
5 37,4 0,56 0,01 0,046 0,10 Reste
6 38,4 0,54 0,01 0,051 0,10 Reste
7 39 5 0,56 0,01 0,047 0,10 Reste
8 36 0 0 11 0,01 0 035 0,10 Reste
9 36,6 0,77 0,01 0,057 0,10 Reste
10 37,0 1,00 0,01 0,053 0,10 Reste
11 36,9 1,23 0,01 0,043 0,10 Rcstc
12 37,0 1,24 0,01 0,045 0,10 Reste
13 37,0 1 48 0,01 0,046 0,10 Reste
14 36,6 0,58 0,25 0,072 0,10 Reste
15 36,7 0,59 0,49 0,080 0,10 Reste
16 36,6 0,61 0,83 0,069 0,10 Reste
17 37,0 0,50 0 99 0,071 0,10 Reste
18 37,0 0,50 0,36 0,071 0,10 Reste
19 37,0 0,53 0,34 0,092 0,10 Reste
37,1 0,53 0,36 0,094 0,10 Reste
21 37,0 0,53 0,37 0,146 0,10 Reste
22 37,0 0,50 0,34 0,195 0,10 Rcstc
Tableau 1 : Compositions des largets (en % en poids)
Dans le Tableau 1 ci-dessus, les exemples non conformes à l'invention sont
soulignés.
S P Al Mg Ca Cr Co 0 Mo
0,0003 0,0080 0,0050 0,0015 0,0004 <0,5 <0,5 <0,0025 <0,5
Tableau 2 : Teneurs massiques approximatives des largets en impuretés
résultant
de l'élaboration (en % en poids)
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
16
Des éprouvettes prismatiques de traction plane (2 par composition, selon la
norme
ASTM A370 Juillet 2019), et des éprouvettes dilatométriques cylindriques de 3
mm de
diamètre et 50 mm de longueur (1 par composition) ont alors été usinées dans
les largets
ainsi fabriqués afin de constituer les éprouvettes test pour l'étude de
sensibilité à la
fragilisation par hydrogène et les mesures de dilatation thermique.
Dans un premier temps, les éprouvettes de traction ont été soumises à un
traitement thermique sous hydrogène pur à 99,999% pendant 4 heures à 1100 C,
suivi
d'un refroidissement rapide réalisé dans la zone froide du four. La durée du
refroidissement a été approximativement de 45 secondes. L'objectif de ce
traitement
thermique est de charger les éprouvettes en hydrogène atomique (H).
Dans un deuxième temps, les éprouvettes de traction (chargées en hydrogène)
ont été pré-déformées à deux températures différentes avec une vitesse de
déformation
de 5.10-3 s-1 :
= Eprouvettes A, pré-déformées de 10% à la température de l'Hélium liquide (-
268
C). L'objectif de la pré-déformation à -268 C est de développer plus ou moins
de
martensite, en fonction de la stabilité de l'alliage, et dans des conditions
thermiques plus
sévères que celles de l'hydrogène liquide (-253 C).
= Eprouvettes B, pré-déformées de 10% à température ambiante (20PC).
L'objectif
de la pré-déformation de 10% à température ambiante est de fournir des
éprouvettes de
référence, dénuées de martensite, mais présentant le même taux de déformation
que
celles déformées à -268 C, et susceptible de présenter de la martensite. Ces
éprouvettes
fourniront l'état de référence non fragile.
Enfin, les éprouvettes A et B ont été déformées par traction plane jusqu'à
rupture,
avec une vitesse de déformation lente de 5.10-5 s-1, à -50 C (+/- 5 C).
L'essai ainsi réalisé
est nommé traction lente et rupture à -50 C . La durée entre le chargement
en
hydrogène et l'essai de traction lente à -50 C n'a jamais excédé 48h.
La sensibilité à l'hydrogène des éprouvettes ainsi testées par traction lente
et
rupture à -50 C a été évaluée par la mesure de l'allongement total à rupture
A%, et de la
striction Z% = (So-S)/So, mesurée au microscope optique à x25. So et S sont
respectivement les sections initiales avant pré-déformation, et ultimes au
diamètre le plus
étroit. Les résultats de ces mesures sont indiqués dans les colonnes A% et
Z%
pour les éprouvettes A et B dans le Tableau 3 ci-dessous.
Par ailleurs, la dilatation des alliages L a été mesurée au refroidissement
entre
0 C et -196 C (température de l'azote liquide), puis le coefficient moyen de
dilatation
thermique a[-196 C 0 C] entre -196 C et 0 C a été calculé suivant l'expression
: a[-
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
17
196 C 0 C] = 1/Lo x AL/AT, où AT = 0-(-196) et Lo est la longueur initiale de
l'éprouvette
(50 mm). Les résultats de ces mesures et calculs sont indiqués dans la colonne
a du
Tableau 3 ci-dessous.
Les résultats sont présentés dans le Tableau 3 ci-dessous.
NI' ot Eprouvette A
Eprouvette B
[-196 C O'C]
(x10-600-1)
A`)/0 Z% A%
Z%
1 1,3 6 10 19
90
2 1,6 8 15 18
88
3 1,8 10 45 17
80
4 2,0 15 85
5 2,5 17 75
6 3,0 18 88
7 3,6 18 88
8 1,3 10 25 16
85
9 2,3 13 70
2,7 14 75
11 2,9 15 85
12 3,0 17 86
13 3 2 17 85
14 2,4 17 85 17
85
2,6 16 83
16 2,9 18 83
17 3 2 18 83
18 2,6 17 85 18
88
19 2,6 17 86
2,7 18 86
21 2,6 18 80
22 2,6 17 88
Tableau 3 : Résultats des essais
Dans le Tableau 3 ci-dessus, les exemples non conformes à l'invention sont
soulignés.
Pour les compositions n 3 à n 7, la référence pour les essais de traction est
10 l'éprouvette B correspondant à la composition n 3. En effet, au
sein de ce groupe de
compositions, on a considéré que la ductilité après traction lente et
rupture à -50 C
était indépendante de la composition.
De même, pour les compositions n 8 à 13, la référence pour les essais de
traction
est l'éprouvette B correspondant à la composition n 8, pour les compositions n
14 à 17, la
15 référence pour les essais de traction est l'éprouvette B
correspondant à la composition
n 14 et pour les compositions n 18 à 22, la référence pour les essais de
traction est
l'éprouvette B correspondant à la composition n 18.
CA 03209936 2023- 8- 25
WO 2022/184695
PCT/EP2022/055120
18
Dans le cas des essais , 2, 3 et 8, dans lesquels les teneurs
en Ni, Mn, C et/ou
Cu sont inférieures aux bornes inférieures décrites ci-dessus pour ces
éléments, on
observe que les éprouvettes A présentent une fragilisation par hydrogène
caractérisée
par un faible allongement à rupture A (A 10%) et une striction trop faible (Z
50%).
Les éprouvettes B, de référence, pré-déformées de 15% à température ambiante,
affichent une ductilité normale avec A% - 18% et Z% - 88%.
Dans le cas des essais n 7, 13 et 17, dans lesquels les teneurs en Ni, Mn,
et/ou
Cu sont supérieures aux bornes supérieures décrites ci-dessus pour ces
éléments, on
observe que les coefficients moyens de dilatation thermique a entre -196 C et
0 C
présentent une valeur dégradée supérieure à 3,0.10-6 C-1.
L'essai n 22 est non-conforme dans la mesure où la teneur en carbone est trop
élevée (C > 0,150%). Dans ce cas, les inventeurs ont observé que l'alliage
perd en
soudabilité par formation de porosités lors du soudage TIG sans fil d'apport.
En effet, la
présence de carbone génère alors de l'effervescence durant les opérations de
soudage
TIG sans fil d'apport.
Dans le cas des essais n 4 à 6, 9 à 12, 14 à 16 et 18 à 21, qui sont conformes
à
l'invention, on obtient un compromis satisfaisant de propriétés entre faible
dilatation
thermique (coefficient moyen de dilatation thermique a entre -196 C et 0 C
supérieur ou
égal à 2,0.106 C1 et inférieur ou égal à 3,0.10-60C-1) et résistance à la
fragilisation par
hydrogène (allongement à rupture A supérieur à 10% et striction Z supérieure à
50%).
Ces alliages présentent donc de bonnes propriétés mécaniques à la température
de l'hydrogène liquide (-253 C), associées à un faible coefficient moyen de
dilatation
thermique a entre -196 C et 0 C.
Les alliages selon l'invention sont donc particulièrement adaptés pour être
utilisés
dans des applications utilisant de l'hydrogène liquide (-253 C), et notamment
pour
fabriquer des assemblages destinés à contenir de l'hydrogène, et notamment des
tubes
de transport ou des cuves de transport ou de stockage d'hydrogène liquide.
Bien entendu,
ces alliages peuvent également être utilisés pour des applications
cryogéniques moins
contraignantes que celles concernant l'hydrogène liquide, par exemple pour le
transport
ou le stockage de gaz liquéfiés présentant une température d'ébullition
supérieure à celle
de l'hydrogène liquide.
CA 03209936 2023- 8- 25
