Brevet FR2540140A1 — publié le 19840803

PROCEDE DE TREMPE EN MILIEU AQUEUX D'ALLIAGES DE ZIRCONIUM La presente invention concerne les traitements thermiques des produits ou pièces en alliages de zirconium et plus specialement la trempe des alliages de zirconium pour usage nucléaire "Zircaloy 2" (spécification ASTM B 52, grades R 60802 et R 60812) et Zircaloy 4 (même specification, grades R 60804 et R 60814). Il a été observe que, lorsqu'on trempe les ébauches de zircaloy dans l'eau froide ou a température ambiante après prechauffage dans le domaine béta, par exemple entre 1020OC et 1040"C, et qu'on poursuit la transformation par laminage a chaud auprès préchauffage dans le domaine alpha, par exemple à 7500C environ, puis par laminage à froid avec des recuits intermédiaires et un recuit final également dans le domaine alpha, par exemple à 7500C, cela jusqu'à l'épaisseur d'utilisation, les tôles obtenues presentent, après décapage, des taches apparaissant en sombre sur le fond uni sous certains angles de vue. Ces taches sont le symptôme d'hétérogénéités de structure dont la nature et la cause ne sont pas évidentes. Elles sont souvent qualifiées de "marbrures" et il est important pour la garantie de qualité exigée dans le domaine des reacteurs nucléaires de supprimer ces "marbrures" qui ont un caractere suspect puisqu'elles revelent des irrégularités de structure pouvant affecter la qualité. Les études effectuees ont montré que, après trempe dans les conditions décrites suivies dn rechauffage dans le domaine alpha, il existe assez souvent des zones de structure différentes, a savoir d'une part des zones de structure aiguille beta et, d'autre part, par endroits, des groupes de grains alpha assez grossiers, dont les diamètres moyens sont par exemple de l'ordre de 50 à 200 vm, ou encore des amas de grains alpha pouvant atteindre en surface des dimensions de 10 à 20 mm. Lors des recuits intermédiaires et lors du recuit final accompagnant le laminage à froid des tôles de zircaloy, les gros grains alpha et les amas importants de grains alpha formés au premier réchauffage en alpha subissent des recristallisations successives.L'hérédité des gros grains et amas alpha initiaux,issus du rechauffage dans le domaine alpha succédant à la trempe dans l'eau froide ou a température ambiante depuis le domaine béta, se manifeste alors par la persistance des différences globales des structures des zones issues de ces gros grains et amas alpha avec la structure homogène des zones avoisinantes correspondant, elles, aux zones initiales de structure aiguillée bêta. Les grains alpha des'taches ou "marbrures" de l'état final sont fins, mais l'effet optique global demeure. Dans le procedé decrit dans le brevet FR. 2 244 831, on effectue la trempe du zirconium et de ses alliages dans de l'eau à une température au moins egale à 600C environ et de preference à plus de 710C, de manière que la formation de la couche à structure de la phase alpha soit empêchée lors d'un réchauffage ulterieur dans la plage de tem pératuresde la phase alpha. Il,s'agit alors du même phénomène que celui décrit ci-dessus et l'explication donnee par la description du brevet FR. 2 244 831 est que, lors des opérations de chauffage dans la plage de la phase alpha, les contraintes superficielles créées par la trempe antérieure font apparaître un phénomène de croissance critique des grains.La solution donnée à ce problème est de réchauffer l'eau comme il est connu pour diminuer les contraintes de trempe. Cette solution a l'inconvénient d'un réchauffage important de l'eau, coûteux pour la pratique industrielle. L'invention concerne un nouveau procédé de traitement thermique de produits ou pièces en alliages de zirconium consistant en un prechauffage dans le domaine bêta suivi d'une trempe dans l'eau, caracterise en ce que l'eau a une température comprise entre 100C et 500C et est additionnée d'un agent mouillant, et en particulier d'un savon. En effet, en recherchant une solution -efficaceêvitant ce réchauffage important de l'eau préconisé par le brevet FR. 2 244 831 pour la trempe du zirconium et de ses alliages, on a comparé des coupes micrographiques voisines, les unes à l'état brut de trempe dans l'eau froide ou à temperature ambiante, les autres à l'état trempé puis recuit dans le domaine alpha à 7500C environ. La comparaison a montre qu'on peut déjà déceler, à l'état brut de trempe, des hétérogénéités dans la structure aiguillée béta et les faire correspondre aux gros grains alpha et amas de grains alpha qui ont recristallisé lors du recuit dans le domaine alpha.Ces hétérogénéités de structure repérées au stade de l'ébauche trempée peuvent être liées à des hétéro généités de refroidissement lors de la trempe, et on a donc essayé d'améliorer l'homogénéité du refroidissement lors de la trempe. A l'échelle du laboratoire, on a trempé des petits blocs parallélQ- pipédiques 80 x 80 x 20 mm provenant d'une même ébauche en "Zircaloy 4" dans les conditions suivantes e préchauffage 20 mn à 10300C dans un four à air, transfert du four au bac de trempe en 3 secondes, o trempe dans l'eau (3 cas) - cas 1 : eau froide (130C) - cas 2 : eau + 2 % en poids de savon solide (savon de Marseille) (180C) - cas 3 : eau + 2 en volume de savon liquide (TeepolW (18tu) r puis recuit 1 h a 7500C à l'air. Les cas 2 et 3 sont à comparer non seulement avec le cas 1 où l'eau est un peu plus froide, mais aussi avec les résultats de la pratique industrielle où les "marbrures" apparaissent lorsqu'on a trempé dans l'eau froide ou à température ambiante, à des températures qui varient de environ 100C à 250C. Les examens macrographiques des échantillons trempés puis recuits ont montré - dans le cas 1 : une structure équiaxe alpha à grains assez gros en surface allant par endroits jusqu'à 3 ou 4 mm de profondeur, - dans les cas : l'absence d'une telle structure sauf près des 2 et 3 angles. En fabrication industrielle, on a évité les "marbrures" pour des. tôles d'epaisseur 2,4 mm en effectuant la trempe des ebauches dans de l'eau à 40-50"C additionnée de 2 % en volume de savon liquide. On a donc résolu de cette façon simple et surprenante, en additionnant l'eau de trempe d'un agent mouillant courant à savoir un savon solide ou liquide, les problèmes des hétérogénéités d'aspect des produits livrés correspondant a des hétérogénéités marquées de structure à un stade intermédiaire, hétérogénéités de structure ellesmêmes liées à des hétérogénéités de refroidissement lors de la trempe. La quantité de savon ajoutée pourra dependre de la température de l'eau, les temperatures les plus basses demandant une concentration plus forte, et on pourra ainsi faire varier les quantites de savon de 1 a 5 % en poids de savon solide ou encore de 1 à 5 % en volume de savon liquide concentré. D'autres agents mouillants peuvent être envisagés dans la mesure où leur prix n'est pas prohibitif. La température de l'eau de trempe pourra varier de 10 C a 500C et de préférence de 309C à 50 C. Le procédé de l'invention peut être applique à la trempe de diverses formes de produits en alliages de zirconium, cette trempe étant suivie d'un ou plusieurs réchauffages ou recuits dans le domaine alpha encadrant des laminages ou des forgeages à chaud ou à froid, de façon à éviter la presence de zones hétérogènes alpha à la sortie du premier rechauffage ou recuit après trempe et la présence de taches ou "marbrures" de la surface dans l'état final. REVENDICATIONS 1. - Procédé de traitement thermique de produits ou pièces en alliages de zirconium consistant en un préchauffage dans le domaine beta suivi d'une trempe a l'eau, caracterise en ce que l'eau a une temperature comprise entre 100C et 50 C et est additionnée d'un agent mouillant. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est additionnée de 1 % à 5 % en poids d'un savon liquide. 3. - Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est additionnée de 1 % à 5 % en volume d'un savon liquide concentré. 40/ - Procede selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la pièce trempee est une ébauche:en "Zircaloy 2" ou .en "Zircaloy 4".