Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les traitements thermiques des alliages de zirconium et de hafnium font partie intégrante du procédé de transformation de ces alliages ils en conditionnent les performances, mais en déterminent aussi les propriétés (texture et propriétés mécaniques, corrosion, y compris sous irradiation). Il est donc capital de maîtriser ces traitements les tolérances sur les températures et temps de traitement sont toujours précisément définies, avec l’aide de la simulation numérique. Cet article synthétise les connaissances actuelles sur le sujet, en matière de modélisation, réalisation des traitements thermiques, mais aussi sur le plan de la microstructure et des propriétés associées.
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Pierre BARBERIS : Ingénieur de Recherche - Framatome/CRC, Ugine, France
INTRODUCTION
Les traitements thermiques sont utilisés tout au long de la gamme de transformation des alliages de zirconium et de hafnium pour en modifier la microstructure, permettre une transformation ultérieure et obtenir les propriétés finales qui varient significativement d’une application à une autre. Il est donc indispensable de les maîtriser sur l'aspect thermique et d’en connaître les effets sur les évolutions microstructurales et leurs conséquences sur les propriétés, comme en témoignent les nombreux documents de la littérature.
Cet article est une synthèse du sujet, avec une première partie consacrée à des rappels de thermique, la présentation des grandeurs relatives aux alliages de zirconium, les pratiques industrielles en termes de vitesse de chauffage et de refroidissement, et les atmosphères utilisées lors des traitements thermiques. Dans une deuxième partie, nous décrivons l'influence de tous ces aspects sur les microstructures et les propriétés en lien avec les pratiques industrielles : la transformation de phase β → α au refroidissement (trempe) et les caractéristiques microstructurales associées, mais aussi les cinétiques de recristallisation. Les évolutions microstructurales (comme les phases précipitées à l’équilibre thermodynamique et le grossissement des précipités en lien avec la corrosion) sont précisées en fonction du temps et de la température. Les évolutions de texture sont abordées, comme l’influence des traitements thermiques sur les propriétés. Un dernier paragraphe est consacré au hafnium.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés. Il se reportera également aux articles [M 2360] (Métallurgie du zirconium et du hafnium) et [M 4 785] (Propriétés du zirconium et du hafnium).
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Conclusion
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3. Hafnium
Le hafnium, qui se trouve juste sous le zirconium dans la classification périodique de Mendeleiev, présente beaucoup d’analogies avec le zirconium au niveau des traitements thermiques, induites par les similitudes de la structure cristallographique, de la texture, de la transformation de phase β – α, de sa réactivité avec l’oxygène, la formation de phases intermétalliques avec le fer etc. Toutefois un certain nombre de spécificités sont à prendre en considération :
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les alliages de hafnium sont généralement moins chargés en éléments d’addition que les alliages de zirconium ;
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la transformation de phases β – α a lieu vers 1 750 °C au lieu de 863 °C pour le zirconium, ce qui fait qu’il est industriellement très difficile de concevoir des gammes avec passage en phase β et donc avec trempe. Toutes les déformations sont donc réalisées en phase α : typiquement vers 1 000 °C pour le dégrossissage des lingots, et à froid pour les produits minces ;
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la déformation du hafnium est plus difficile que celle du zirconium : le taux d’écrouissage par passes doit être limité, les recuits intermédiaires sont plus nombreux et doivent être conduits jusqu’à la recristallisation complète. Les températures impliquées se trouvent généralement dans la plage 800–1200°C (donc beaucoup plus élevées que pour les alliages de zirconium). Le traitement classique est un recuit de 1 à 2 h sous vide ou sous gaz neutre à 800 °C pour obtenir une recristallisation totale sur un produit écroui de 30 % ;
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ceci a pour conséquence que la taille de grains est généralement plus importante, car les précipités sont moins nombreux et ancrent d’autant moins les joints de grains que les recuits sont effectués à haute température, où la solubilité du fer, toujours présent au moins en tant qu’impureté, et des autres éléments d’addition est relativement grande.
Il est possible d’obtenir une structure aciculaire du hafnium en le refroidissant très rapidement après solidification (figure 35). Toutefois, c’est généralement une structure équiaxe qui est obtenue, avec des grains dont la taille dépend fortement des impuretés (Fe, O…) et des traitements thermomécaniques...
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Hafnium
BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - FORGERON (T.), BRACHET (J.C.), BARCELO (F.), CASTAING (A.), HIVROZ (J.), MARDON (J.P.), BERNAUDAT (C.) - Experiment and Modeling of Advanced Fuel Rod Cladding Behavior under LOCA Conditions : Alpha-Beta Phase Transformation Kinetics and EDGAR Methodology. - ASTM STP 1354, pp. 256-278 (2000).
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(3) - BARBERIS (P.), TRAN (M.T.), MONTHEILLET (F.), PIOT (D.), GAILLAC (A.) - Characterizing quenched microstructures in relation to processing. - Presented at the 17th ASTM International Symposium : Zirconium in the Nuclear Industry, Chengdu (China), ASTM STP 1543, pp. 225-256 (2015).
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(4) - SIEFKEN (L.J.), CORYELL (E.W.), HARVEGO (E.A.), HOHORST (J.K.) - MATPRO – A library of materials properties for light-water-reactor accident analysis. - NUREG/CR-6150 (2001).
-
(5) - STUCKERT (J.), STEINBRÜCK (M.), STEGMAIER (U.), PALAGIN (A.V.) - On...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Corrosion des métaux et alliages – Essais de corrosion aqueuse des alliages de zirconium utilisés dans les réacteurs nucléaires. - NF EN ISO 10270 - Juillet 2008
-
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 15614-5 - Septembre 2004
-
Épreuve de qualification des soudeurs – Soudage par fusion – Partie 5 : titane et ses alliages, zirconium et ses alliages. - NF EN ISO 9606-5 - Mai 2000
-
Implants chirurgicaux – Matériaux métalliques – Partie 14 : alliage corroyé à base de titane, de molybdène-15, de zirconium-5 et d'aluminium-3. - NF ISO 5832-14 - Janvier 2008
-
09 Standard Specification for Zirconium Sponge and Other Forms of Virgin Metal for Nuclear Application. - B349/B349M -
-
11 Standard Specification for Zirconium and Zirconium Alloy Ingots for Nuclear Application. - B350/B350M -
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...
1 Constructeurs. Fournisseurs. Distributeurs
On se reportera surtout aux sites des fabricants, en particulier :
France
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Framatome
États-Unis
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ATI Wah Chang
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Westinghouse / Western Zirconium
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Dynamic Materials Corporation (Placage par explosion)
http://www.nobelclad.com/resources/zirconium-clad-in-downstream-production
Russie
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Chepetsky Mechanical Plant (Glazov)
Inde
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Nuclear Fuel Complex (Hyderabad)
France
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Framatone/CRC – Avenue Paul Girod – Ugine
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CEA, Gif sur Yvette
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