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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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Hafnium
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2. Traitements thermiques dans la gamme – Influence sur la microstructure et les propriétés
Rappelons qu’une gamme de transformation des alliages de zirconium comprend schématiquement :
-
la fusion d’un lingot,
-
un dégrossissage à chaud par forgeage,
-
une trempe depuis le domaine β,
-
une déformation à chaud (extrusion, laminage) en phase β, avec éventuellement un recuit en phase α,
-
une série de déformations à froid et de traitements thermiques en phase α.
Le produit ainsi obtenu (feuillard, tube gaine ou tube guide par exemple) ne sera plus soumis à des traitements thermiques, sauf exception (comme une soudure).
2.1 Rappels sur les diagrammes de phases
Les choix des températures des traitements ne peuvent se comprendre sans considérer les diagrammes de phases qui indiquent les phases à l’équilibre pour chaque composition et température. Il n’est pas question ici de les décrire en détail, mais simplement de rappeler quelques grandes lignes.
Les éléments d’addition dans les alliages de zirconium se scindent schématiquement en deux familles (figure 4) :
-
les éléments alphagènes, qui élargissent le domaine d’existence de la phase α, tels l’oxygène, l’étain, le hafnium… ;
-
les éléments bêtagènes, qui élargissent le domaine d’existence de la phase β, et forment souvent un eutectoïde et des précipités intermétalliques. Ce sont par exemple le fer, le chrome, le nickel. L’hydrogène est également bêtagène.
Nous présentons le diagramme binaire Zr-Sn (figure 5). L’étain est un élément alphagène, relativement soluble dans le Zrα (la limite de solubilité est de plusieurs pourcents atomiques à environ 1 000 °C). L’étain diffusant par ailleurs lentement, il ne forme généralement pas de composé avec le zirconium pour les teneurs habituelles.
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Traitements thermiques dans la gamme – Influence sur la microstructure et les propriétés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DUPIN (N.), ANSARA (I.), SERVANT(C.), TOFFOLON (C.), LEMAIGNAN (C.), BRACHET (J.C.) - A thermodynamic database for zirconium alloys. - J. Nucl. Mat., vol. 275, pp. 287-295 (1999).
-
(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).
-
(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).
-
(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 -
-
...
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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