Brevet FR2575762A1 — publié le 19860711

- 1 Procédé de fabrication de plaquettes en alliage de zirconium L'invention concerne la fabrication de plaquettes en alliage de zirconium destinées à être utilisées dans des organes de structure de réacteurs nucléaires et qui, en con- séquence, doivent présenter des propriétés mécaniques à chaud et de résistance chimique à l'environnement rencontré dans une cuve de réacteur nucléaire (eau borée du circuit primaire dans le cas d'un réacteur à eau sous pression). On utilise largement, dans les réacteurs nucléaires, des alliages à base de zirconium, dits zircaloy. Parmi ces derniers, on utilise à l'heure actuelle essentiellement les zircaloy 4 qui comportent essentiellement, en plus du zirconium, de l'étain, du fer et du chrome, tandis que la teneur en nickel est très faible, habituellement inférieure à 70 Ppm. Le zircaloy 4 peut également comporter, en plus des impuretés inévitables, des éléments d'addition et notam- ment du carbone qui, à l'état solubilisé à une teneur comprise entre 80 et 270 ppm, améliore les propriétés méca- niques. On a déjà proposé de très nombreux traitements destinés à améliorer les propriétés mécaniques ou chimiques des alliages à base de zirconium (brevets FR 1 525 276, 1 327 734, 2 307 884, 2 019 029, 2 219 979 par exemple). La plupart de ces traitements visent essentiellement à donner à l'alliage la résistance élevée au fluage souhaitable pour réduire les risques de rupture d'une gaine formée en cet alliage. Mais ces résultats sont habituellement obtenus aux dépens d'autres propriétés de l'alliage, et en particulier ont une incidence défavorable sur les possibilités de travail à froid de l'alliage à l'état de feuille. L'invention vise notamment à fournir un procédé de fabrication de plaquettes dont l'étape finale de réalisation consiste en une mise en forme à froid de feuillard, procédé répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. L'invention vise particulièrement à fournir -2- dans ce but des feuillards qui, à la fois, présentent les propriétés nécessaires à la réalisation de plaquettes de qualité satisfaisante et ont une ductilité autorisant la mise en forme définitive par des procédés de travail à froid tels que l'emboutissage et le poinçonnage. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé selon lequel on réalise par laminage à chaud, puis laminage à froid.à taux d'écrouissage élevé, un feuillard présentant l'épaisseur des plaquettes à réaliser par découpe et formage à froid; procédé caractérisé en ce qu'on soumet le feuillard à un recuit de détensionnement à une température inférieure à la température de recristallisation. Notamment dans le cas o les plaquettes sont destinées à être intégrées à une grille de maintien de crayons de combustible nucléaire et doivent, pour cela, présenter des bossettes d'appui sur les crayons, les plaquettes sont découpées transversalement par rapport au sens de laminage du feuillard en vue d'obtenir une résistance mécanique élevée, permettant de supporter les efforts en cas de séisme, et une absence de fluage. L'invention est notamment applicable aux alliages du type zircaloy 4 et, dans ce cas, le recuit sera effectué, pendant 2 à 100 heures, entre 440 et 490 C, généralement à une température de l'ordre de 460 C pendant une durée de l'ordre de 24 heures. Un tel traitement laisse subsister des propriétés voisines de celles du métal écroui, la recristallisation du zircaloy 4 commençant à partir de 500 C environ. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un procédé particulièrement utili- sable pour constituer des plaquettes destinées à des grilles du genre faisant l'objet de la demande de brevet FR n 82 15662, à laquelle on pourra se reporter. Une telle plaquette est schématiquement montrée sur la Figure unique ci-jointe. Cette plaquette 10 comporte, à intervalles réguliers, des bossettes 12 constituées par emboutissage en deux passes à froid (matriçage et poinçonnage). Ces 2575 762 -3- plaquettes, ayant une épaisseur qui est habituellement de 0,3 ou 0,4 mm, constituent les entretoises internes de la grille, dont le cadre est constitué en feuillard plus épais, habituellement de 0,6 ou 0,8 mm. Il est nécessaire que les plaquettes une fois réalisées présentent un faible grandissement transversal sous les radiations, une résistance mécanique élevée et une absence de fluage des bossettes. Pour remplir cette dernière con- dition, on peut admettre que le feuillard dans lequel sont découpées les plaquettes 10 doit avoir les caractéristiques minimales suivantes à 315 C: - limite d'élasticité E à 0,2%: 250 MPa; - charge de rupture: 280 MPa. Par ailleurs, l'allongement uniformément réparti en traction à température ambiante doit être au minimum de 4% pour permettre la mise en forme par emboutissage et pliage, notamment pour réaliser des bossettes 12 du genre montré sur la Figure. Cet allongement peut être obtenu en recristal- lisant totalement le zircaloy par recuit d'évacuation de la majeure partie des dislocations introduites par le travail à froid de laminage; les caractéristiques mécaniques à 315 C diminuent alors, et en particulier la limite d'élasticité à 0,2% tombe à 90 MPa environ; cette dégradation des carac- téristiques mécaniques se traduirait par une déformation plastique permanente de la plaquette lors du chargement des crayons dans la grille. L'accentuation de la dégradation à la suite de l'irradiation aurait pour conséquence une di- minution de l'effort de maintien des crayons de combustible. Le procédé dont les étapes successives seront décrites ci-après permet, lorsqu'il est appliqué au zircaloy 4 dont les teneurs nominales sont environ 1;5% Sn, 0,21% Fe, 0,10% Cr, d'arriver à un compromis satisfaisant entre les propri- étés de déformation à froid et la tenue à chaud sous irra- diation. On part généralement de lingots de zircaloy 4, obtenus par fusion sous vide ou sous atmosphère inerte, qu'on trans- forme par laminage ou forgeage à partir du domaine e pour obtenir un larget dont l'épaisseur est de l'ordre de 100 mm. - 4 - Par des opérations de laminage à chaud en phase î et 0 qui peuvent être du genre décrit dans le brevet FR 1 525 276, à une température comprise entre 850 et 950 C, on ramène l'épaisseur à une valeur comprise entre 20 et 30 mm. Les feuilles ainsi obtenues sont homogénéisées et trempées en phase 0, puis laminées à chaud pour les amener à une épais- seur de 6 mm par exemple. Une série de cycles de laminage à froid, de dégraissage, de recuit sous vide, de recristal- lisation, permet d'arriver finalement à une épaisseur qui, dans le cas o l'on recherche des épaisseurs de plaquettes mentionnées plus haut, peut être de 0,9 mm pour les pla- quettes entretoises et 1,25 mm pour les plaquettes de cadre. On procède alors a un dernier traitement mécanique constitué par un laminage à froid dont le taux d'écrouissage est d'au moins 35%, ce qui ramène l'épaisseur de 1,25 à 0,6 mm ou de 0,9 à 0,4 mm. Ce taux d'écrouissage en défor- mation uniaxiale peut dépasser 50% grâce aux équipements maintenant disponibles qui permettent de maintenir un rapport constant entre la force de traction exercée lors du laminage à froid et la compression dans le sens de l'épais- seur. Le feuillard ainsi obtenu présente des propriétés mécaniques et chimiques extrêmement favorables du point de vue de la tenue ultérieure en réacteur. Mais sa ductilité est insuffisante pour permettre I'emboutissage à froid. Cette ductilité peut être améliorée et rendue suffisante en soumettant les feuilIards à un recuit de détensionnement de longue durée, typiquement -24 heures environ, à une tem- pérature de 460 C, c'est-à-dire à une valeur inférieure à celle à laquelle commence la recristallisation. Ce recuit, comme les autres opérations à haute température, est effec- tué sous vide pour éviter l'oxydation. Le feuillard ainsi obtenu présente une texture ayant: - une désorientation de 15 à 20 de la normale au plan de base de la direction normale vers la direction de lami- nage, - une direction (10TO) parallèle à la direction de laminage. -5 Ces composantes de la texture sont favorables à la déformation selon la direction de laminage, et à une crois- sance sous irradiation qui est plus faible dans la direction transversale au feuillard que dans la direction longitudinale du feuillard. Pour tenir compte de cette propriété, on dé- coupera les plaquettes dans le sens transversal, afin de limiter l'allongement sous irradiation et d'obtenir des emboutis exempts de porosité et de fissurations. Il faudra, en conséquence, réaliser des feuillards ayant une largeur au moins égale à la longueur des plaquettes, c'est-à-dire à 240 mm pour les assemblages couramment utili- sés à l'heure actuelle. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de plaquettes en al- liage de zirconium selon lequel on réalise, par laminage à chaud, puis laminage à froid à taux d'écrouissage éle- vé, un feuillard présentant l'épaisseur des plaquettes à réaliser par découpe et formage à froid, procédé carac- térisé en ce qu'on soumet le feuillard à un recuit de détensionnement à une température inférieure à la tempé- rature de recristallisation. 2. Procédé selon la revendication 1 de fabrica- tion de plaquettes présentant des bossettes d'appui, destinées à être intégrées à une grille de maintien de crayons de combustible nucléaire, caractérisé en ce qu'elles sont découpées transversalement au sens de laminage du feuillard en vue d'obtenir une résistance mécanique élevée, permettant de supporter les efforts en cas de séisme, et une absence de fluage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le recuit est effectué à une tempéra- ture comprise entre 440 et 490'C pendant une durée de 2 à 100 heures. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le recuit est effectué à une température de l'ordre de 460'C pendant une durée de l'ordre de 24 heures.