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Article

1 - RAPPELS DE MÉTALLURGIE

2 - MISE EN FORME À CHAUD DES DEMI-PRODUITS

3 - MISE EN FORME À FROID DES PIÈCES FINIES

4 - FINITIONS ET CONTRÔLES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : M3190 v1

Mise en forme à chaud des demi-produits
Mise en forme des alliages de zirconium et de hafnium

Auteur(s) : Alexis GAILLAC

Date de publication : 10 sept. 2018

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RÉSUMÉ

Après un bref rappel sur la métallurgie et les propriétés du zirconium et du hafnium, l’article se concentre sur la mise en forme de formes simples (barres, tubes et plats) constituant les assemblages de combustible nucléaire. Les procédés de mise en forme à chaud (demi-produits) et à froid (produits finis), ainsi que les traitements thermiques intermédiaires et finaux, sont passés en revue, en mettant l’accent sur les paramètres des procédés pouvant influencer les opérations en aval et les propriétés finales des produits, via la mise en évidence des évolutions de géométrie, d’état de surface et de microstructure au cours de la gamme.

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Auteur(s)

  • Alexis GAILLAC : Ingénieur R&D, Docteur en sciences et Génie des Matériaux - Framatome, CRC Centre de Recherche des Composants, Ugine, France

INTRODUCTION

Intimement liés à l’état naturel dans le minerai de zircon, et de propriétés chimiques voisines (ce qui rend leur séparation difficile), les éléments zirconium (Zr) et hafnium (Hf) possèdent des propriétés neutroniques singulières et diamétralement opposées qui font leur intérêt dans les applications nucléaires. Du fait de sa faible section efficace de capture neutronique, le zirconium est en effet le métal privilégié pour la constitution des assemblages de combustible nucléaire. Le hafnium ayant la propriété inverse, il peut être utilisé pour la régulation ou l’arrêt de la réaction de fission. En plus de ses propriétés neutroniques exceptionnelles, le zirconium présente une bonne résistance à la corrosion, au fluage et à l’irradiation, ce qui permet de répondre aux fortes exigences de sûreté de l’environnement nucléaire, en assurant l’intégrité du gainage du combustible tout au long de son utilisation et de son retraitement.

Que ce soit lors des opérations de métallurgie extractive, de l’élaboration des lingots ou de la mise en forme des demi-produits et des pièces finies, les propriétés finales du produit guident le choix des technologies et des paramètres des procédés utilisés. En effet, de nombreux paramètres métallurgiques tels que la chimie de l’alliage, la microstructure, la texture cristallographique, la composition chimique et la taille des précipités, qui sont hérités de la gamme de fabrication, ont une influence directe sur les propriétés durant l’utilisation dans les réacteurs. Tout en optimisant la performance économique des gammes, il convient donc de maîtriser l’ensemble des opérations d’un point de vue métallurgique, de manière à obtenir un produit conforme au cahier des charges très exigeant du domaine nucléaire.

L’objectif de cet article est de passer en revue les procédés de mise en forme par déformation plastique des alliages de zirconium et de hafnium, pour les formes simples (barres, tubes et plats) qui constituent les assemblages de combustible nucléaire. Après quelques rappels de métallurgie, qui permettront de mieux appréhender les évolutions de microstructure présentées par la suite, l’accent est mis sur les paramètres des procédés pouvant influencer les opérations en aval et les propriétés finales des produits, via la mise en évidence des évolutions de géométrie, d’états de surface et de microstructure au cours de la gamme.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m3190


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2. Mise en forme à chaud des demi-produits

De manière générale, tous les procédés classiques de mise en forme à chaud sont potentiellement applicables aux alliages de Zr et de Hf. Nous nous limiterons dans le cadre de cet article aux procédés utilisés dans l’industrie nucléaire pour la fabrication des composants constituant les assemblages de combustible.

2.1 Forgeage (barres et largets)

L’opération de forgeage est commune à tous les produits en Zr ou Hf (tubes, barres et produits plats) et permet une première mise en forme des lingots en vue des opérations ultérieures (filage ou laminage à chaud).

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2.1.1 Préparation des lingots avant forgeage

Après fusion, les lingots issus du procédé VAR présentent des états de surface qu’il convient parfois de reprendre par meulage ou usinage. En effet, la surface du lingot peut parfois présenter des défauts de solidification qui sont susceptibles de favoriser l’apparition de criques lors du forgeage. Comme énoncé au paragraphe 1.1, il est primordial de respecter les règles de sécurité liées à l’inflammabilité des copeaux de Zr et de Hf lors de ces opérations d’usinage.

Les lingots issus de la fusion VAR présentent également une retassure en tête et au centre, liée à la solidification du dernier puits liquide lors du refroidissement. Le chutage de la zone affectée par cette retassure est en général réalisé après les opérations de forgeage (sur un diamètre plus faible), de manière à minimiser la quantité de matière rebutée. Dans le cas de la gamme de fabrication des tubes, la retassure est en général éliminée par l’opération de perçage des...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - JARDY (A.) et al -   Segregation in Vacuum Arc Remelted Zirconium Alloy Ingots, Zirconium in the Nuclear Industry : 16th International Symposium.  -  ASTM STP 1529, pp. 219-243 (2011).

  • (2) - DARRIEULAT (M.) et al -   Transformation par forgeage à chaud des microstructures lamellaires d’alliages hexagonaux.  -  Matériaux & Techniques Vol. 103, N° 504 (2015).

  • (3) - VANDERESSE (N.) et al -   Channel-die compression at high temperature.  -  Materials Science and Engineering A 476, pp. 322-332 (2008).

  • (4) - VANDERESSE (N.) -   Morphologie et déformation à chaud de microstructures lamellaires dans les alliages de zirconium et de titane.  -  Thèse, École des Mines de Saint-Étienne (2008).

  • (5) - CHAKRAVARTTY (J.K.) et al -   Dynamic Recrystallization in Zirconium Alloys, Zirconium in the Nuclear Industry : 16th International Symposium.  -  ASTM STP 1529, pp. 121-149 (2011).

  • ...

1 Outils logiciels

FORGE NxT, TRANSVALOR S.A., Parc de Haute Technologie – 694 Avenue du Dr. Maurice Donat – 06255 Mougins cedex – France, http://www.transvalor.com

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2 Événements

Conférence : International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry, ASTM B10

Committee, tous les trois ans https://www.astm.org/MEETINGS/index.html

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3 Normes et standards

Normes françaises

NF EN ISO 10270 - juillet 2008 - Corrosion des métaux et alliages – Essais de corrosion aqueuse des alliages de zirconium utilisés dans les réacteurs nucléaires.

NF EN ISO 15614-5 - septembre 2004 - Descriptif et qualification d'un mode opératoire de soudage pour les matériaux métalliques – Épreuve de qualification d'un mode opératoire de soudage – Partie 5 : soudage à l'arc sur titane, zirconium et leurs alliages.

NF EN ISO 9606-5 - mai 2000 - Épreuve de qualification des soudeurs – Soudage par fusion –...

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