Brevet FR2509509A1 — publié le 19830114

La présente invention Concerne un procédé pour la fabrication de tubes de revêtement en un alliage à base de zirconium pour des barres de combustible pour réacteurs nucléaires. En tant que tubes de revêtement pour des barres de combustible pour réacteurs nucléaires, on utilise ordinairement des tubes à paroi mince, fait d'alliages à base de zirconium connus sous le nom de zircaloy. Ces alliages contiennent des matière d'addition telles que étain, le fer et le nickel. Dans le Zircaloy, la phase X est stable au-dessous de 7900C, la phase ss est stable au-dessus de 9500C, tandis qu'une région à deux phases, la région de phase X + se présente entre 7900C et 9500C. Dans la phase Z , les atomes de zirconium sont disposés en un réseau hexagonal serré et, dans la phase ss , en un réseau cubique centré.Lors de ce qu'on appelle la trempe '3 du Zircaloy, destinée à produire les propriétés voulues de la matière, notamment des propriétés améliorées en ce qui concerne la corrosion, la matière est chauffée à une température se situant dans la région de la phase ss , puis refroidie rapidement à une tempé- rature dans la région de la phase Oc Au cours d'une opération classique de fabrication de tubes de revêtement en Zircaloy, une trempe fl de la matière est effectuée après la transformation de lingots en barres par forgeage.A la suite de la fabrication de billettes d'extrusion à partir des barres, les billettes Sont extrudées dans la région de la phase à une température de 6800C, apres auoi le produit extrudé est soumis à un laminage à froid en un certain nombre de passes et, entre deux laminages à froid successifs, à un recuit, un recuit intermédiaire, à 625-7000C pour rendre possible le laminage à froid suivant. Après la dernière passe de laminage à froid, un recuit final est effectué, afin de donner à la matière les propriétés mécaniques voulues. Le recuit final peut être effectué à des températures de 400 à 7000C. De façon générale, les tubes fabriqués à partir de Zircaloy dans les conditions appliquées jusqu'ici se sont révé- les comme possédant une résistance suffisante à la corrosion dans les conditions opératoires qui règnent dans un réacteur nucléaire. Mais le développement s'oriente vers une utilisation de plus en plus grande du combustible, ce qui signifie des durées d'exploitation prolongées pour les ensembles de combustible. La matière de revêtement sera donc soumise à l'action corrosive de l'eau pendant une période de temps plus longue que ce qui a été normal précédemment, ce qui se traduit par un risque accru d'endommagement par corrosion. I1 était donc souhaitable de parvenir à de meilleures propriétés des alliages utilisés à l'égard de la corrosion, sans que cela entraîne des modifications défavorables des propriétés mécaniques. On sait déjà entre autres choses, d'après le mémoire du brevet des Etats-Unis n" 4 238 251, que par trempe Bd'un tube de Zircaloy fini, il est possible d'améliorer la résistance du tube à la corrosion dite nodulaire accélérée dans l'eau et la vapeur d'eau à haute pression. Comme il ressort du mémoire du brevet des Etats-Unis na 3 865 635, des tubes de Zircaloy ayant de bonnes propriétés mécaniques peuvent être obtenus par trempe ss du produit extrudé, avant que celui-ci ne soit soumis à l'ope- ration finale de laminage à froid. La raison exacte de la résistance améliorée à la corrosion nodulaire accélérée, obtenue par trempe /3 , n'a pas encore été complètement établie. On considère toutefois que cette amélioration est en rapport avec la taille et la distribution des composés intermétalliques dans la matière. Wes composés intermétalliques, appelés secondes phases, sont constitués par des composés chimioues qui contiennent, outre du zirconim, principalement les éléments fer, chrome et nickel et ils existent sous la forme de particules.Le processus de dissolution et de précipitation réalisé par la trempe ss se traduit par une réduction de la taille des particules, ainsi que par une redistribution, à partir de particules régulièrement distribuées, en particules constituant des rangées aux limites de granulation des grains formés pendant la transformation de la phase R . Une trempe 8 du tube de revêtement fini aboutit à une réduction de la ductilité du tube, ce qui constitue un inconvénient du procédé. Une trempe ss du produit extrudé avant le laminage à froid à la dimension définitive produit une moindre altération des propriétés mécaniques du tube fini. Mais que la trempe ss soit effectuée sur un tube fini ou avant la passe finale de laminage à froid, elle aboutit à une perte de rendement, en raison de la quantité accrue de déchets, ainsi qu'en raison de pertes de matière, du fait qu'une trempe ss entralne la formation d'une couche d'oxyde sur la surface du tube, couche qui doit être enlevée. D'après la présente invention, il s'est révélé possible de fabriquer, pour des barres de combustible pour réacteurs nucléaires, des tubes de revêtement ayant une résistance à la corrosion nodulaire qui est au moins aussi bonne que celle des meilleurs tubes de revêtement antérieurement connus et, en même temps, une ductilité meilleure que celle de ces tubes de revêtement.En comparaison de procédés antérieurement connus de fabrication de tubes de revêtement où il est pratiqué une trempe après l'extrusion, l'application de la présente invention, qui comprend elle aussi une trempe /3 , aboutit à un rendement amélioré en raison d'une réduction des déchets, ainsi qu'en raison de pertes réduites de matière, du fait que les oxydes formés peuvent être éliminés sur une surface plus petite lorsqu'on effectue la trempe ss à un stade plus précoce du processus de fabrication. L'invention concerne un procédé de fabrication d'un tube de revêtement en un alliage à base de zirconium pour des barres de combustible pour réacteurs nucléaires, l'alliage à base de zirconium étant extrudé et le produit extrudé étant soumis à des laminages à froid et au moins à un recuit, un recuit intermédiaire, entre deux laminages à froid successifs, ainsi qu'à une trem pe fl avant le laminage à froid final, ce procédé étant caractérisé par le fait que la trempe ss est effectuée avant un laminage à froid, après lequel au moins un recuit intermédiaire est effectué à une température de 500 à 6750C. La température préférée pour le recuit intermédiaire est de 500 à 6100C et la température particulièrement préférée pour le recuit intermédiaire est de 550 à 6000C. L'extrusion peut être effectuée à une température choisie arbitrairement dans la région de la phase. Après le dernier laminage à froid, le produit ex trudé est soumis à un recuit final à une température de 400 à 675 C, de préférence à une température de 400 à 6100C et, avec une préférence particulière, à une température de 550 à 6000C. La trempe ss du produit extrudé est effectuée par chauffage du produit à une température se situant dans la région de la phase , notamment à une température de 950 à 12500C et, de préférence, à une 'température de 1000 à 1l500C, puis par son refroidissement rapide à une température située dans la ré gion de la phase &alpha;, Le refroidissement.de la température appli- quée dans la région de la phase ss à la température de 7900C se produit alors opportunément à une vitesse de 20 à 400 C par seconde et le refroidissement de 7900C à 5000C ou à une température plus basse a lieu opportunément à une vitesse de plus de 50C par minute. Dans la fabrication de tubes de revêtement suivant la présente invention, il s'est révélé que la taille des particules de seconde phase dans le tube de revêtement fini était, de même qu'en ças d'utilisation de la trempe ss , beaucoup plus petite qu'avec les procédés classiques de fabrication de tubes de revêtement sans trempe ss après l'extrusion. Mais contrairement à ce qui était le cas après la trempe ss dans les procédés antérieurement connus1 les particules de seconde phase sont distribuées de manière homogène dans la matière. Il se peut que ce soit la petite taille des particules de seconde phase obtenue d'après la présente invention, en combinaison avec leur distribution homogène, qui donne l'association favorable d'une bonne résistance à la corrosion nodulaire et de bonnes propriétés méca,- niques. De géférence, l'alliage à base de zirconium est un alliage de zirconium-étain, par exemple les alliages connus sous les noms de marque Zircaloy 2 et Zircaloy 4, dont la teneur en matières d'addition se situe dans les limites de 1,2 à 1,7% pour l'étain, de 0,07 à 0,24% pour le fer, de 0,05 à 0,15% pour le chrome et de O à 0,08% pour le nickel, le reste étant fait de zirconium et d'impuretés de type ordinaire éventuellement présentes, les pourcentages cités - de même que les autres pourcentages mentionnés dans le présent mémoire - se rapportant au poids. Le Zircaloy 2 contient 1,2 à 1,7% d'étain, 0,07 à 0,20% de fer, 0,05 à 0,15% de chrome et 0,03 à 0,08% de nickel. Le Zircaloy 4 contient 1,2 à 1,7% d'étain, 0,18 à 0,24% de fer, 0,07 à 0,138 de chrome et pas de nickel. L'alliage à base de zirconium est de préférence soumis à une trempe ss avant l'extrusion, c'est-à-dire qu'il est chauffé à une température dans la région de la phases et refroidi rapidement à une température dans la région de la phase . Toutefois, il est possible d'utiliser l'alliage à base de zirconium sans qu'il soitsoumis à une trempe ss . La trempe ss avant l'extru- sion est effectuée en chauffant l'alliage à une température qui est comprise opportunément entre 950 et 12500C et, de préférence, entre1000 et 11500C, puis en le refroidissant rapidement à une température se situant dans la région de la phase t .Le refroidissement de la température choisie dans la région de la phase V3 à la température de 7900C se produit alors opportunément à une vitesse de-l à 500C par seconde et le refroidissement de 7900C à 5000C ou à une température plus basse a lieu opportunément à une vitesse de plus de 50C par minute. L'invention est ci-après expliquée de façon plus détaillée par la description d'un exemple. Un lingot de Zircaloy 2 est transformé par forgeage en une barre mesurant 150 à 200 mm. La barre est soumise à une trempe ss par chauffage à une température de 10500C pendant 15 minutes et refroidissement à la température ambiante à une vitesse de 5 à 100C/seconde. Des billettes d'extrusion sont formées à partir de la barrez Ces billettes sont extrudées à une température de 700 à 7409C, c'est-à-dire dans la région de la phase X Le produit extrudé est ensuite soumis à trois opérations de laminage à froid, par lesquelles le diamètre extérieur final du tube est porté à 12,3 mm.Entre le premier et le second laminages, le produit extrudé est soumis à une trempe ss par chauffage jusqu'à 10500C pendant quelques secondes au moyen d'une bobine à haute fréquence disposée autour de lui, puis il est refroidi à une vitesse de 2000C/seconde jusqu'à la température ambiante par pulvérisation d'eau. Entre le second et le dernier laminages, le produit extrudé est recuit à une température de 5750C. Après le dernier laminage à froid, le tube subit un recuit final à une température de 5650C. Les recuits intermédiaires comme le re cuit final peuvent être effectués dans un four sous vide. Danse le tube fini, les particules de seconde-phase ont une taille qui se situe essentiellement dans l'intervalle de 0,05 à 0,4 micron et une grosseur moyenne de l'ordre de 0,15 micron .Dans un tube de revêtement qui a été fabriqué de manière classique et qui n'a pas été soumis à une trempe ss à l'état fini ou précédemment à l'état extrudé, les particules de seconde phase ont une taille qui se situe essentiellement dans l'intervalle de 0,1 à 0,6 mi cron et une grosseur moyenne de l'ordre de 0,3 micron . Au cours d'essais de corrosion, pour lesquels il a été prouvé qu'ils simulaient bien les conditions existant dans le fonctionnement d'un réacteur, des tubes de revêtement fabri qués suivant la présente invention présentent un gain de poids qui ne s'élève qu'à une fraction de celui qu'on observe en cas de fabrication classique sans trempe ss après l'extrusion et qui est approximativement égal à celui qu'on obtient en cas de fabri cation en procédant à une trempe ss après l'extrusion : 50 à 100 mg/dm2 dans le cas de 1'invention et -350 à 4000 mg/dm2 en cas de fabrication classique sans trempe ss . La ductilité d'un tube de revêtement fabriqué suivant l'invention est meilleure que celle de tubes qui ont été soumis à une trempe ss à l'état fini et de tubes qui ont été soumis à une trempe ss immédiatement avant le dernier laminage à froid. Les essais de corrosion mentionnés ci-dessus sont réalisés dans un autoclave avec de la vapeur d'eau sous une pression de 9,8 MPa et à une température de 5000C. Le gain de poids est une mesure de la corrosion que le tube a subie. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de tubes de revête ment en un alliage à base de zirconium pour des barres de combus- tible de réacteurs nucléaires, l'alliage à base de zirconium étant extrudé et le produit extrudé étant soumis à des laminages à froid et à au moins un recuit, un recuit intermédiaire, entre deux laminages à froid successifs, ainsi qu'à une trempe B avant le dernier laminage à froid, caractérisé en ce que la trempe ss est effectuée avant un laminage à froid, après lequel au moins un recuit intermédiaire est effectué à une température de 500 à 675 C. Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce que le recuit interoEdiaire est effectué à une température de 500 à 6100C, de préférence à une température de 550 à 6000C. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, ca ractérisé en ce que l'alliage à base de zirconium contient 1,2 à 1,7 % en poids d'étain, 0,07 à 0,24% en poids de fer, 0,05 à 0,15% en poids de chrome et O à 0,08% en poids de nickel, le reste étant fait de zirconium et d'impuretés de type ordinaire éventuellement présentes. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alliage à base de zirconium utilisé lors de l'extrusion a subi une trempe /3 5.- Procédé selon l'une quelconque des reven-dications 1 à 4, caractérisé en ce que le produit extrudé est soumis à un recuit final à une température de 400 à 6750C après le dernier laminage à froid.