Brevet FR2509510A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de tubes de revêtement en un alliage à base de zir conium pour des barres de combustible pour réacteurs nucléai res. 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 matières d'addition telles que l'étain, le fer et le nickel. Dans le Zircaloy, la phase est stable au-dessous de 7900C, la phase h est stable au-dessus de 9500C, tandis qu'une ré giton à deux phases, la région de phase (+ss se présente entre 79o0C et 9500C. Dans la phase, les atomes de ziconium sont disposés en un réseau hexagonal serré et, dans la phase en un réseau cubique centré.Lors de ce qu'on appelle la trempe h 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 si- tuant dans la région de la phase , puis refroidie rapidement à une température dans la région de la phase Oc. Au cours d'une opération classique de fabrication de tubes de revêtement en Zircaloy, une trempe ss de la matière est effectuée après la transformation de lingots en barres par for geage. A la'suite de la fabrication de billettes d'extrusion à partir des barres, les billettes sont extrudées dans la région de la phases à une température de 6800C, après quoi 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, recuit intermédiaire, à 625-7000C pour rendre possible le laminage à froid suivant.Le refroidissement du produit extrudé après chaque recuit intermédiaire se produit relativement lentement, à une vitesse de 30C par minute au maximum, dans la gamme de température située immédiatement au-dessous de la température de recuit et sans utilisation d'aucun fluide de refroidissement. Après la dernière passe de laminage à froid, un recuit final est effectué, afin de donner à la matière les pro priétés mécaniques voulues.Le recuit final peut être effectué à des températures de 400 à 7000C.- De façon génerale, les tubes fabriqués à partir de Zircaloy dans les conditions appliquées jusqu'ici se sont rêvé- les comme possédant une résistance suffisante à la corrosion dans les conditions opératoires qui règnent dans un réacteur nu cléaire. 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 entraine des modifications défavorables des propriétés mécaniques. On sait déjà entre autres choses, d'après le mémoire du brevet des Etats-Unis nO 4 238 251, que par trempe ss d'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 n9 3 865 635, des tubes de Zircaloy ayant de bonnes propriétés mécaniques peuvent être ob tenus par trempe NS du produit extrudé, avant que celui-ci ne soit soumis l'opération finale de laminage à froid. La raison exacte de la résistance améliorée à la corrosion nodulaire accélérée, obtenue par trempe ss , n'-a pas encore été complètement établie. On considère toutefois que cette amélioratiôn est en rapport avec la taille et la dis tribution des composés intermétalliques dans la matière. Les composés intermétalliques, appelés secondes phases, sont cons titués par des composés chimiques qui contiennent, outre du zir conium, principalement les éléments fer, chrome et nickel etils existent sous la forme de particules.Le processus de dissciution et de précipitation réalisé par la trempe ss se traduit par une réduction de la taille des particules, ainsi que par une redis tribution, a partir de particules régulièrement distribuées, en particules constituant des rangées aux limites de granulation des grains Oc formés pendant la transformation de la phase 13. Une trempez du tube de revêtement fini aboutit à une réduction dela 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. Plais 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 entraîne 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 rayant une résistance à la corrosion nodulaire qui est au moins aussi bonne que celle des meilleurs tubes de revêtement antérieurement connus et des propriétés mécaniques au moins aussi satisfaisantes que celles de ces tubes, sans effectuer une trempe ss après l'extrusion. L'invention concerne un procédé de fabrication de tubes 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 à une température inférieure à 6800C et le produit extrudé étant soumis à des laminages à froid et à des recuits, recuits intermédiaires, entre les laminages à froid, l'un au moins des recuits intermédiaires étant effectué à une température dépassant 6500C dans la région de la phase z ainsi qu'à un recuit final après le dernier laminage à froid, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'après chaque recuit à une température dépassant 6500C dans la région de la phase Oc le produit extrudé est refroidi à une vitesse qui, dans l'intervalle de température entre la température de recuit et 6500C, s'élève au moins à 5 C/minute, avant que le produit ne soit soumis au laminage à froid suivant, et par le fait qu'après le dernier recuit intermédiaire à une température dépassant 6500C dans la région de la phase c Après le dernier laminage à froid, le produit ex trudé sst soumis à un recuit final à une température de 400 à 6000C, de préférence de 525 à 5750C. 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, de mê me qu'en cas d'utilisation de la trempe ss , était 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 est le cas après la trempe ss , les particules de seconde phase sont distribuées de manière homogène dans la ina- titre.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 mécaniques. De préférence, 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 0,158 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 pré sentes, les pourcentages cités - de même que les autres pourcen tages mentionnés dans le présent mémoire - se rapportant au poids. Le Zircaloy 2 contient 1,2 à 1,7 t 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 0,13% 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 phase ss et refroidi rapidement à une température dans la région de la phase E . Toutefois, il est possible d'utiliser l'alliage à base de zirconium sans qu'il soit soumis à une trempe ss .La trempe ss avant l'extrusion est effectuée en chauffant l'alliage à une température qui est comprise opportunément entre 950 et 12500C et, de préférence, entre 1000 et 11500C, puis en le refroidis sant rapidement à une température dans la région de la phase E Le refroidissement de la température utilisée dans la région de la phase ss à la température de 7900C se produit alors oppor tunément à une vitesse de 1 à 509C par seconde et le refroidis semant de 7900C à 5000C ou à une temperature 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 fl par chauffage à une température de 10500C pendant 15 minutes et refroidissement à la température ambiante à une vi tesse de 5 à 100C/seconde. Des billettes d'extrusion sont for mées à partir de la barre. Ces billettes sont extrudées sans chauffage préalable. 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 et entre le second et le dernier lamina ges, le produit extrudé est recuit à une température de 700 C pendant une période d'une heure.Après chaque recuit intermé diaire, le produit extrudé est refroidi dans un four rempli d'hélium, de telle manière que la vitesse de refroidissement dans la gamme de température comprise entre la température de recuit1 c'est-à-dire 7000C, et 6500C s'élève à 100C par minute. Après le dernier laminage à froid, le tube est soumis à un recuit final à une température de 5650C. Les recuits intermédiaires comme le recuit final peuvent être effectués dans un four sous vide. Dans le tube fini, les particules de seconde phase ontune taille qui se situe dans l'essentiel dans l'intervalle de 0,01 à 0,2 microns et une grosseur moyenne d'environ 0,1 microns. Dans un tube de revêtement fabriqué de manière classique et non 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 dans l'essentiel dans l'intervalle de 0,1 à 0,6 microns et une grosseur moyenne de l'ordre de 0,3 microns.Au lieu d'effectuer à une température de 7000C le recuit intermédiaire entre le second et le dernier laminages, on pourrait, dans le cas de l'exemple, procéder à ce recuit intermédiaire à une température de 575 0C. Au cours d'essais de corrosion, pour lesquels il a été prouvé qu'ils simulaient bien les conditions existant lors du fonctionnement d'un réacteur, des tubes de revêtement fabriqués 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 trempeR après l'extrusion et qui est approximativement égal à celui qu'on obtient en cas de fabrication en procédant à une trempe ss après l'extrusion. Les propriétés mécaniques d'un tube de revêtement fabriqué suivant l'invention sont approximativement les mêmes que celles de tubes fabriqués de manière classique sans trempe fl après l'extrusion et très nettement meilleures que celles -de tubes qui ont été soumis à une trempe à 1 11état fini. Les essais de corrosion-mentionnés ci-dessus sont réalisés dans un autoclave sous une pression de 9,8 MPa et à une température de 5000C. Le gain de poids est une mesure de la corrosion auquel le tube a été soumis. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de tubes 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 à une température inférieure à 6800C et le produit extrudé étant soumis à des laminages à froid et à des recuits, des recuits intermédiaires, entre les laminages à froid, l'un au moins des recuits intermédiaires étant effectué à une température dépassant 6500C dans la région de la phase , ainsi qu'à un recuit final après le dernier laminage à froid, caractérisé en ce qu'après chaque recuit intermédiaire à une température dépassant 6500-C dans la région de la phase le produit extrudé est refroidi à une vitesse qui, entre la température de recuit et 6500C, s'élève au moins à 5 C/minute, avant que le produit ne soit soumis au laminage à froid suivant, et en ce qu'après le dernier recuit intermédiaire à une tempéra- ture dépassant 6500C dans la région de la phase , les recuits sont effectués à des températures de 6000C au maximum. 2.- Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'au moins un recuit intermédiaire est effectué à une température de 675 à 7250C. 3.- Procédé selon la revendicationl ou 2, caractérisé en ce que l'alliage à base due 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 été soumis à une trempe ss.