Brevet FR2567152A1 — publié le 19860110

La présente invention concerne une amélioration apportée à des alliages contenant du nickel pour applications à haute température. Plus précisément, elle concerne une amélioration dans la fabrication de l'Incoloy 800, utilisé pour former des tubes de générateurs de vapeur pour stations à énergie nucléaire. Cette amélioration consiste en un ajustement dans la composition de l'al- liage, ainsi qu'en une optimisation des conditions de traitement thermique avant et après la déformation à froid de manière à rehau ser les propriétés de fluage de l'alliage, en particulier la charge 5 limite (contrainte de rupture) moyenne en 3 x 105 h, et à assurer une meilleure sensibilité à l'effet d'entaille. L'incoloy 800, ci-après appelé "Alloy 800", contient du nicke en tant qu'élément principal d'alliage, à raison d'environ 33% en poids, avec du chrome dans une proportion de l'ordre de 22%, plus des quantités mineures d'autres éléments, l'aluminium et le titane étant de ceux qui sont essentiels pour l'obtention d'une série complète de propriétés. L'alloy 800 a été conçu initialement comme un alliage austéni tique durci en solution solide. On considérait que le mécanisme de durcissement par précipitation de la phase t' n'était possible, dans ce type de superalliage, qu'avec l'addition de titane et d'alu minium dans une proportion dépassant 1% en poids. Au fur et à mesure de l'acquisition des connaissances, notamment sur le mode d'évolution de la structure de ces alliages lorsqu'ils sont soumis à la chaleur pendant une durée prolongée, il a été découvert que lorsque certains alliages sont maintenus pendant des périodes assez longues à la température de formation de la phas t', cette phase pouvait être formée,meme par des teneurs combinées titane et en aluminium nettement inférieure à 1%. Cette connaissanc nouvelle, étayée par une extrapolation des données de fluage, a abouti à l'identification d'une gamme particulière de ( Al + jtt Ti) qui assure un compromis satisfaisant entre les propriétés de résistance au fluage et les propriétés de ductilité à la rupture de fluage. La norme pour ce type d'alliage spécifie que pour des applications entre 500 et 600 C, typiques de générateurs de vapeur pour réacteurs nucléaires, les teneurs admissibies pour l'aluminium, comme pour le titane doivent être comprises entre 0,15 et 0,60 Yo en poids (ASTM B16f, 3407, B408 et 3409). Les spécifications établies pour le réacteur à neutrons rapides Super Phoenix exigent une teneur en aluminium comprise entre 0,10 et 0,25 A et une teneur en titane entre 0,30 et 0,50 %, avec un total Al + Ti dans la gamme de C,45 à 0,75 1%. Toutefois, la poursuite d'essais de fluage sur de longues périodes a démontré que ni la norme ASTM, ni les spécifications du Super Phoenix ne tiennent compte d'un phénomène imprévisible qui Jette le doute sur l'applicabilité à haute température de l'Alloy 80C. En effet, il a été constaté qu'avec le temps, l'Alloy 800, tel qu'il est formulé, manifeste une sensibilité mécanique et métallurgique élevée à l'effet d'entaille lors outil est durci à froid de 5 izo seulement. Cependant, ce niveau de durcissement à froid est inévitable à l'état neuf, en raison de 11 effet du dressage et de l'installation des tubes d'échangeurs de chaleur. Ce fait est d'autant plus sérieux si l'on considère l'instabilité structurale de ce matériau dans le temps. En effet, même si l'on s'assure que les tubes d'Alloy 800 du générateur de vapeur sont tous dépourvus de défauts physiques externes et internes (éraflures, bosselures, inclusions, etc.) lorsqu'ils sont installés, on ne peut nullement être assuré qu'au cours du temps, la structure de l'alliage ne sera pas modifiée avec la formation, par exemple, de précipités qui constituent évidemment une entaille. Etant donné que du sodium fondu est utilisé dans certains réacteurs pour transférer la chaleur du réacteur proprement dit au générateur de vapeur, la simple pensée de la défaillance, même d'un seul tube est tout à fait inadmissible. la présente invention est destinée à éliminer ce risque, par optimisation de la composition de leAlloy 800 et des trai- tements thermiques correspondants dans le but d'accroître la résistance au fluage, tout en éliminant la sensibilité à effet d'entaille dans les limites de la durée de-vie d'un réacteur nucléaire, c'est-à-dire dans les limites de sécurité de 3 x 105 h. D'après la présente invention, la composition de l'Alloy Soc est optimisée par le fait que le carbone est maintenu vers les imites inférieures de la gamme analytique le titane vers les limites supérieures et l'aluminium à des niveaux plus bas que ceux qui sont spécifiés dans la gamme classique établieS tant par les normes ASTM que par les spécifications du Super Phoenix. Ces modifications de composition ont été dictées par 19examen des résultats d'essais de fluage sur des échantillons lisses et entaillés, poursuivis pendant une durée maximale de chaque essai de 3 x l04 h, c'est-à-dire pendant un temps beaucoup plus long que celui pendant lequel de tels essais sont normalement menés, et pendant une durée totale de plus de 1,5 millions d'heures d'essai, sur des matériaux prélevés sur plus de dix coulées. En combinaison avec des examens métallurgiques et structuraux des alliages avant et après les essais de fluage ces essais ont montré très clairement qu s au cours de la recristallisation, les matériaux à teneur relativement élevée en carbone se souviennent des déformations auxquelles-ils ont été soumis et recristallisent distinctivement; cela se traduit par une microstructure non homogène. la faible teneur en carbone suivant la présente invention, est donc destinée à assurer une meilleure homogénéité de grain, bien que cela ne soit obtenu que Si un contrôle soigneux est exercé sur les températures de recristallisation entre les phases de déformation à froid et sur la température du traitement finals comme on l'expliquera plus clairement ci-après I2aluminium et le titane assurent ensemble que le matériau aura de très bonnes propriétés de résistance à la traction et au fluage, par la formation en service de la phase &gamma; (Ni3AlxTi1-x).Les essais conduits par nous ont mcntré qu'en ce qui concerne les propriétés de résistance, le titane a un effet beaucoup plus prononcé que l'aluminium qui, bien que nécessaire pour la formation de la phase a pour conséquence que le matériau durci à froid devient sensible à l'effet d'entaille au bout d'un certain temps. C'est la raison pour laquelle il est maintenu vers l'extrémité supérieure de la gamme analytique pour l'Alloy 800, tandis que l'aluminium doit être maintenu a des niveaux minimaux, bien au-dessous des normes connues, mais qu'il est facile d'atteindre et de contrôler au cours de la fabrication de l'alliage. Ainsi, d'après la présente invention, dans le cas de l'Alloy 800 destiné à être utilisé spécialement pour la fabrica- tion de générateurs de vapeur pour stations a énergie nucléaire, la teneur en carbone doit être maintenue aux alentours de -0-,03 à 0,05 S en poids, le titane dans la gamme de Dss4D a 0,50 % et l'aluminium au-dessous de 0,10 X, toujours en poids typiquement aux alentours de 0,04 à 0,06 %. En outre, du fait que ltAlloy 800 est sensible aux condi- tions de traitement thermique comme on l'a déjà mentionné, il est préférable de fixer la température de recristallisation entre les passes de déformation à froid à 1050 C # 10 C et la température du traitement thermique final dans a gamme te 980 à 1010 C.Ces limites sont destinées essentiellement a l'obtention d'une microstructure optimale les effets de la présente invention ressortent clairement de l'examen d'une série d'échantillons lisses et entaillés, découpés dans des matériaux durcis à froid à 5 et ayant les compositions définies par les normes ASTM, par les spécifica- tions du Super Phoenix et par la présente invention, éprouvés à 525 C et à 5750C suivant les techniques habitueZles d'essai de fluage pendant une durée allant jusqu'à 3 x 104 h. les données obtenues ont été extrapolées par la méthode linéaire et la méthode de Iarson-Miller, pour obtenir des -données de 105 h et de 3 x 105 h. Elles sont présentées dans le tableau à la page suivante. Dans tous les alliages, la teneur en carbone était maintenue entre 0,03 et 0,05 h en poids. TABLEAU Composition de Contrainte de rupture (en MPa) du matériau durci à l'alliage C = 0.033% # 0.002 104 h 105 h 3.105 h Alliage Al % Ti % # L # I #I/#L # L # I #I/#L # L # I #I/#L A 0,17 0,31 256 300 1,17 201 210 1,04 185 177 0,96 B 0,16 0,42 295 366 1,24 256 246 0,98 232 193 0,83 C 0,30 0,50 310 340 1,10 256 239 0,93 222 201 0,90 D 0,31 0,57 327 320 0,98 274 205 0,75 228 169 0,74 E 0,05 0,50 294 > 400* > 1,36 266 > 325* > 1,22 253 > 270* > 1,07 * Echantillons qui n'ont pas atteint la rupture dans le temps fixé. N.B. - Dans ce tableau, les pourcentages sont en poids. les alliages A et B sont du type Super Phoenix les alliages C at D sont du type normes ASTM. l'alliage E est conforme à l'invention. #L et # I sont respectivement les contraintes de rupture d'échantillons lisses et entaillés. #I/#L est l'indice de sensibilité à l'effet d'entaille; le matériau est sensible à l'effet d'entaille lorsque la valeur de cet indice est inférieure à 1. I1 est évident, d'après le tableau, que l'alliage E, correspondant à la présente invention, a un rapport # I/r qui est toujours supérieur à 1, même et spécialement à 3 x i05 h, alors qu'avec les autres alliages de compositions classiques, ce rapport n'est supérieur à 1 que pour des temps beaucoup plus courts. Ainsi, pour des usages industriels à très long terme, en particulier pour ceux qui font intervenir des températures élevées dans les installations nucléaires, notamment dans les générateurs de vapeur, l'alliage suivant la présente invention est le seul qui convienne. I1 est aussi évident, d'après le tableau, que certaines compositions peuvent donner des valeurs de contrainte de rupture plus élevées que celles des compositions suivant l'invention, mais qu'elles n'ont pas les mêmes bonnes propriétés de sensibilité à l'effet d'entaille, par exemple l'alliage D à 105 h. Il est également possible que certaines compositions puissent avoir d'excellentes propriétés de sensibilité à l'effet d'entaille, mais par contre, dans de tels cas, elles n'ont pas une bonne résistance au fluage; tel est le cas d'une série d'alliages qui ont été éprouvés mais qui, pour des raisons de simplicité, ne figurent pas dans le tableau. Ces alliages, avec une composition en pourcentages en poids de C = 0,05, Al = 0,15 - 0,18, Ti = 0,15 - 0,25, avaient un rapport #I/#L de plus de 1 à 3 x 1Cv h & mais une résistance au fluage de moins de 180 MPa. La présente invention a été décrite à propos de l'Alloy 800 pour la fabrication de générateurs de vapeur d'installations à énergie nucléaire, mais il va de soi que toute autre application et toute autre forme de produit exigeant une résistance élevée au fluage, combinée à une insensibilité à l'effet d'entaille, peut avantageusement faire appel au matériau suivant la présente invention. REVENDICATIONS 1. Amélioration dans la fabrication de alliage Incoloy 800, caractérisée en ce que la teneur en carbone est maintenue dans la gamme de 0,03 à 0,05 % en poids, la teneur en titane dans la gamme de 0,40 à 0,50 X en poids et la teneur en aluminium à moins de 0,10 % en poids 2. Amélioration dans la fabrication de alliage Incoloy 800 selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en aluminium est maintenue dans la gamme de 0,04 à 0,06 % en poids. 3. Amélioration dans la fabrication de l'alliage Incoloy 800 selon la revendication 1, caractérisée en ce que stade de déformation à froid, la température de recristallisation inter- médiaire entre les passes de déformation est contrôlée et main tenue aussi près que possible de 1050 C environ, tandis que la température de traitement thermique final est maintenue dans la gamme de 930 à 10100C 4 Alliage du type Incoloy 800, caractérisé en ce que la composition en pourcentages en poids comprend du carbone dans la gamme de 0903 à 0,05, du titane dans le gamme de 0940 à 0,50 et de l'aluminium à un niveau de moins de 0,10, tandis que l'insensibilité à l'effet dgen-taille9 exprimée par le rapport #I/#L supérieur à 1, est maintenue pendant des temps dépassan-t 3 x 105 h