Brevet FR2580524A1 — publié le 19861024

"Procédé pour réaliser des tubes sans couture ou sans cordon de soudure." La présente invention concerne un procédé pour réaliser des tubes sans couture à partir de tubes pré- curseurs soudés constitués de zirconium, d'alliages de zir- conium, de titane ou d'alliages de titane. Le procédé four- nit des tubes ayant une structure alpha uniforme d'un bout à l'autre, y compris la soudure et les zones adjacentes cette soudure. Des produits soudés, par exemple des tubes, peuvent souvent être produits de façon beaucoup plus écono- mique que des produits eans couture. Toutefois des produits sans couture tels que des tubes en alliages de zirconium et en alliages de titane, sont préférés aux tubes soudés dans des applications délicates telles que des revêtements de combustibles de réacteurs nucléaires (pour des alliages de zirconium) et pour des tuyauteries hydrauliques d'avions (pour des alliages de titane) du fait d'une uniformité amé- liorée dans la structure et les propriétés des produits sans couture. La non-uniformité ou l'hétérogénéité de la structure d'un produit soudé est à la présence de la struc- ture de soudure ainsi solidifiée et aux zones affectées par la chaleur de soudage dans la structure contigre à la sou- dure. Dans des produits soudés, la structure des 2.- grains de la soudure et des zones affectées par la chaleur, peut être affinée par un traitement à la température élevée dans le domaine de la phase beta, mais le traitement de tubes finis ou presque finis en dimensions de métaux réac- tifs tels que le zirconium ou le titane à des températures supérieures à la transition beta, c'est-à-dire supérieure à environ 95000 ou 930 0C respectivement, est impraticable de façon générale et du fait de l'oxydation et de la médiocre résistance mécanique à ces températures. 1l 'Un procédé pour améliorer la résistance au fluage de tubes en zircaloy est décrit dans le brevet US nO 3 865 635. Conformément à ce procédé, des tubes sans couture d'alliages de zirconium sont chauffés jusqu'à la gamme de température beta avant le dernier travail à froid et sont ensuite refroidis à la température du local. Les tubes ont été préparés de la façon normale par fusion, mou- lage, travail à chaud et à froid jusqu'à et y compris la dernière et unique étape de travail à froid. le chauffage par induction des tubes avant l'étape finale de travail à froid est alors effectué à une température se situant entre 860 et 125000 et les tubes sont travaillés à froid et fina- lement recuits. Dans une telle préparation des tubes, des tubes sans couture sont obtenus et il n'y a plus de soudure. Un procédé qui décrit la formation de produits d'alliages à base de zirconium tels que des canaux creux, qui peuvent être réalisés à partir de formes intermédiaires soudées et d'un revêtement de combustible sans soudure, est décrit dans le brevet US N 4 238 251. Ces produits sont fabriqués et ensuite chauffés Jusqu'au niveau alpha-beta ou beta et refroidis rapidement pour obtenir des produits résistants à la corrosion. On insiste toutefois dans la description de ce procédé pour éviter des opérations subsé- quentes au chauffage et au refroidissement précités, tel- les qu'un laminage à chaud ou à froid et un recuit. Un ef- fet d'un tel travail à froid ou d'un tel recuit est reconnu 3.- pour être uneré-homogénéisatli de la ségrégation micro- structurelle produite par le procédé de l'invention, et qui doit être évitée dans les opérations de fabrication suivan- tes. Un autre procédé pour réaliser des tubes en alliages de zirconium est décrit dans le brevet US N03 486 219 qui prévoit l'homogénéisation de la structure d'un tube réa- lisé par soudage en bout, y compris la réduction de l'épais- seur de la paroi du matériau du tube par emboutissage plané- taire et traitement thermique du matériau du tube pour obte- nir une recristallisation de la structure. Il est décrit un traitement de tubes soudés en bouts en zircaloy dans le- quel le tube-est travaillé à froid par emboutissage plané- taire à billes et le traitement thermique suivant est mis en oeuvre à une température se situant au-dessous de la transformation alpha-beta du zircaloy. (marque déposée) Un procédé pour améliorer la résistance à la corrosion à un environnement aqueux à haute température d'une structure en alliage de zirconium alpha est décrit dans la demande de brevet US N 343 788, déposée le 29 Jan- vier 1982, et dans lequel la surface d'une structure en alliages de zirconium est rapidement hbalayée avec un fais- ceau laser ou un autre faisceau à haute énergie pour engen- drer une couche de microstructure beta sur un produit in- termédiaire d'alliages de zirconium alpha. Le produit ainsi trai- té est alors travaillé sous la forme alpha à des dimen- sions finales pour fournir des produits tels que des tubes sans couture, susceptibles d'être utilisés dans des réac- teurs nucléaires à eau pressurisée et à eau bouillante. Des procédés de fabrication d'alliages de zircaloy et des produits qui en résultent qui présentent également une résistance améliorée à la corrosion dans un environnement aqueux à haute température et à haute pres- sion, sont décrits dans la demande de brevet US N 343 782 déposée le 29 Janvier 1982. Cette demande décrit un procédé 4.- dans lequel un traitement beta classique est suivi par un travail à une température réduite alpha et par un recuit pour fournir un produit alpha ayant des dimensions réduites ainsi qu'une résistance améliorée à la corrosion dans un environnement aqueux à haute température et à haute pres- sion. Un but de la présente invention est de pro- duire des tubes à partir de zirconium ou de titane ou d'alliages de zirconium et de titane par le traitement de tubes précurseurs soudés constitués d'un tel matériau afin d'obtenir un matériau homogène et de soumettre le matériau homogène à des étapes de mise en forme pour donner des tubes sans couture. En conséquence, la présente invention consis- te en un procédé pour réaliser des tubes sans couture à par- tir de tubes précurseurs constitués de zirconium, d'alliages de zirconium, de titane ou d'alliages de titane, et ayant une structure hétérogène résultant de leurs soudages, procé- dé caractérisé en ce que l'on chauffe des segments axiaux successifs des tubes soudés sur toute l'étendue de la paroi de ces tubes, y compris la soudure, pour transformer unifor- mément le matériau hétérogène ainsi soudé dans la phase beta; en refroidissant ces segments de tubes en phase beta, ce chauffage et ce refroidissement étant effectués suffisamment rapidement pour empocher la croissance de grains beta à l'in- térieur du matériau au-delà de 200 micromètres en diamètre, puis en déformant ensuite ces tubes ainsi refroidis pour leur donner leur forme finale. De préférence, le chauffage est réalisé en chauffant le tube soudé par induction ou par un faisceau laser, tandis que la mise en forme des tubes refroidis est de préférence réalisée par travail à froid de ces tubes dans au moins une étape de travail à froid qui réduit la surface du matériau des tubes d'au moins 30 %. En utilisant ce procédé, les tubes sont réalisés 5.- d'une façon plus efficace et plus économique qu'actuellement avec la fabrication des tubes sans soudure, et les tubes pré- curseurs soudés peuvent être traités de façon à donner fi- nalement des tubes qui ne présentent pas les désavantages des tubes produits classiquement par soudage. Les tubes précurseurs soudés constitués d'al- liages de zirconium contiennent classiquement moins de 5% en poids d'un élément d'alliage. Les éléments généralement utilisés dans la réalisation de tels alliages de zirconium comprennent le niobium, l'oxygène, l'étain, le fer, le chro- me, le nickel, le molybdène, le cuivre, le vanadium, etc... Des alliages spécialement utilisables sont les alliages contenant jusqu'à 2,5 % de niobium, et les alliages connus sous le nom de zircaloy-2 et de zircaloy-4. Le zircaloy-2 contient en poids 1,2 à 1,7 % d'étain, 0,07 à 0, 20 % de fer, 0,05 à 0,15 % de chrome et environ 0,03 à 0,08 % de nickel, le complément étant du zirconium, tandis que le zircaloy-4 contient en poids 1,2 à 1,7 % d'étain, 0,12 à 0,18 % de fer, et 0,005 à 0,15 % de chrome, le complément étant du zirco- nium. Ces alliages sont utilisables dans les tubes d'échan- geurs thermiques et dans les composants de réacteurs nuclé- aires, tels qu'un revêtement de combustibles. Des tubes précurseurs soudés constitués d'al- liages de titane contiennent classiquement moins de 30 % en poids d'un élément d'alliages. Les éléments généralement utilisés dans la réalisation de tels alliages de titane com- prennent l'aluminium, l'étain, le vanadium, le chrome, le molybdène, le niodium. Des exemples de tels alliages sont un alliage de titane contenant 6 % en poids d'aluminium et 4 % en poids de vanadium, un alliage contenant 3 % en poids d'aluminium et 2,5 % en poids de vanadium, un alliage con- tenant 8 % d'aluminium, 1 % de vanadium et 1 % de molybdène, et un alliage de titane contenant 13 % de vanadium, 11 % de chrome et 3 % d'aluminium. De tels alliages de titane sont utilisables dans des tubes de condenseurs, dans des tubes 6.- d'échangeurs thermiques, et dans des tuyauteries hydrau- liques d'avions. Dans un but de concision, la description qui va suivre se référera aux tubes en zircaloy bien que des tubes en zirconium ou d'autres alliages de zirconium, en titabe et en alliages de titane puissent être traités de façon similaire. Le matériau soumis à un procédé selon une for- me de réalisation de la présente invention est constitué par des tubes soudés en zircaloy obtenus en soudant ensemble les extrémités aboutéoe d'une feuillure roulée pour constituer des tubes précurseurs. Ces tubes peuvent être cylindriques ou d'une autre forme qui comportent au moins une couture soudée tout le long du tube précurseur. Comme on le sait, lors de la réalisation de tels tubes soudés, une hétérogé- néité de la structure du matériau zircaloy existe par rap- port au reste du tube dans la soudure et au moins dans les zones du tube adjacentes à cette soudure, cette hété- rogénéité nuisant aux propriétés mécaniques et/ou à la ré- sistance à la corrosion. Le procédé précité traite le ma- tériau de façon à engendrer une structure homogène d'un bout à l'autre du tube final, ce qui améliore les proprié- tés du tube ainsi produit. Les tubes précurseurs soudés en zircaloy sont traités pour obtenir une structure homogène sur l'ensemble du tube en chauffant rapidement des segments axiaux succes- sifs des tubes soudés sur la totalité de la paroi de ceux- ci pour transférer le matériau dans la phase beta, qui en refroidissant rapidement les tubes ainsi transférés en phase beta, et en formant ensuite les tubes ainsi refroidis par travail à froid pour produire les tubes définitifs. Les tubes précurseurs soudés sont traités en chauffant rapi- dement des segments axiaux successifs des tubes à une tem- pérature qui assure la transformation de la structure des tubes en phase beta, température qui pour le zircon um 7.- pourrait être une température dépassant 900 0, bien que pour des alliages de zirconium contenant jusqu'à 5 % des éléments précités, de telles températures pourraient être de 95000 ou davantage, selon l'élément ou les éléments d'alliages utilisés et leurs proportions dans le zirconium. Pour le titane et les alliages de titane, la transition en phase beta serait différente avec une température d'envi- ron 93000 pour le titane. Par exemple une température d'en- viron 900 0 conviendrait pour un alliage à 6 % d'aluminium, 4 % de vanadium, une température de 800 à 10000C convien- drait pour un alliage à 13 % de vanadium, 11 % de chrome et 3 % d'aluminium, et une température d'environ 10250C pour un alliage à 8 % d'aluminium, 1 % de molybdène et 1 % de vanadium. Le présent procédé est utiliseable avec des métaux et des alliages de structures en phase alpha, en phase beta et en phase alpha-beta. Par exemple, dans les matériaux précités, le titane métal présenterait une struc- ture alpha, tandis que l'alliage de titane à 13 % de va- nadium, 11 % de chrome et 3 % d'aluminium présenterait une structure beta, et que l'alliage de titane à 8 % d'alumi- nium, 1 % de molybdène et 1 % de vanadium ainsi que l'al- liage de titane à 6 % d'aluminium, 4 % de vanadium et ce- lui à 3 % d'aluminium, 2,5 % de vanadium présenteraient une structure alpha-beta ou voisine de la structure alpha. De préférence, le matériau est chauffé à une température supérieure d'environ 5000 à la température de transition beta, laquelle, comme décrit ci-dessus, peut varier en fonction du matériau particulier traité. Le chauffage rapide de segments axiaux suc- cessifs peut être réalisé soit en utilisant un faisceau à haute énergie, tel qu'un faisceau laser, ou bien par chauf- fage par induction des tubes. Le chauffage est réalisé de façon que le chauffage s'effectue sur toute la paroi des tubes y compris la soudure et la partie des tubes adjacente 8.- à la soudure. Le chauffage de segments axiaux successifs des tubes peut être réalisé en déplaçant le tube le long de la source de chaleur ou bien en déplaçant la source de chaleur par rapport au tube, la première solution étant préférable. Après que les segments axiaux du tube aient été chauffés sur toute la paroi du tube, Jusqu'à la phase beta, les segments axiaux ainsi chauffée sont rapidement refroidis de façon à empêcher une croissance excessive des grains beta dans la structure du matériau. Ce refroidisse- ment rapide peut être réalisé par la circulation d'un gaz de refroidissement tel que l'argon pour des tubes à parois minces ou par un refroidissement à l'eau tel qu'une pulvé- risation d'eau pour des tubes à parois plus épaisses. Une vitesse moyenne de refroidissement d'environ 60000 C par minute s'est révélée appropriée. Le chauffage et le refroidissement sont réa- lisés à une vitesse qui doit empêcher une croissance exces- sive des grains beta dans-le matériau, de sorte que les grains beta présents dans le tube précurseur refroidi n'excé- dent pas en diamètre 200 micromètres, de tels petits grains beta facilitant le travail du matériau. Pour obte- nir une telle structure de fines dimensions des grains beta, le chauffage et le refroidissement doivent être réa- lisés de façon que le matériau soit dans la phase beta en une période de temps inférieure à 10 secondes et de pré- férence, inférieure à 2 secondes. Après que les tubes précurseurs aient été ainsi chauffés et refroidis de façon à donner des grains beta dans tout le matériau qui n'excède pas 200 micromètres en diamètre, les tubes précurseurs sont ensuite soumis à des étapes de réduction à froid pour réduire l'épaisseur de paroi à celle désirée pour les tubes définitifs. Le tra- vail à froid peut être effectué en une seule étape ou en une pluralité d'étapes avec des recuits de recristallisation 9.- intermédiaires entre chacune de ces étapes. Le matériau à la dimension finale peut alors être soumis, soit à un recuit de recristallisation ou à un recuit pour éliminer les contraintes. Le travail à froid peut être réalisé par éti- rage du tube ou par une étape de travail à froid telle que le laminage à pas de pélerin qui réduira la surface du tube d'au moins 30 % ou davantage. La structure fine Widmanstatten ou martensitique résultant du cycle rapide de traitement thermique, présente une ductilité suffisante pour permettre une déformation à froid appréciable compatible avec la fabrication commerciale des tubes. - REVENDICATIONS 1.- Procédé pour réaliser des tubes sans cou- ture à partir de tubes précurseurs constitués de zirconium, d'alliages de zirconium, de titane, ou d'alliages de titane, et ayant une structure hétérogène résultant de leurs soudages, procédé caractérisé en ce que l'on chauffe des segments axiaux successifs des tubes soudés sur toute l'étendue de la paroi de. ces tubes, y compris la soudure, pour transfor- mer uniformément le matériau hétérogène ainsi soudé dans la phase beta; en refroidissant ces segments de tubes en phase beta, ce chauffage et ce refroidissement étant effectués suf- fisamment rapidement pour empocher la croissance de grains beta à l'intérieur du matériau au-delà de 200 micromètres en diamètre, puis en déformant ensuite ces tubes ainsi refroidis pour leur donner leur forme finale. 2.- Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les tubes refroidis sont déformés en les travaillant à froid au cours d'au moins une étape de travail à froid qui réduit la surface du matériau des tubes d'au moins 30 %. 3.- Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ce travail à froid s'effectue par laminage à pas de pèlerin. 4.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le chauffage est ef- fectué en chauffant par induction les tubes soudés. 5.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le chauffage est réa- lisé en chauffant par un faisceau laser les tubes soudés. 6.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau des tubes précurseurs soudés est constitué de zirconium ou d'un alliage de zirconium contenant moins de 5 % en poids d'un élément d'alliage. 7.- Procédé selon la revendication 6, carac- 11,- térisé en ce que le matériau est du zircaloy-2. 8.- Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le matériau est du zircaloy-4. 9.- Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le matériau est un alliage de zirconium contenant 2,5 % en poids de niobium. 10.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau des tu- bes précurseurs soudés est constitué de titane ou d'un al- liage de titane, contenant moins de 30 % d'éléments d'al- liage.o 11.- Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le matériau est un alliage de titane con- tenant 6 % en poids d'aluminium et 4 % en poids de vanadium. 12.- Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le matériau est un alliage de titane conte- nant 3 % en poids d'aluminium et 2,5 % en poids de vanadium. 13.- Procédé selon la revendication 10, caracté- risé en ce que le matériau est un alliage de titane conte- nant a % en poids d'aluminium, 1 % en poids de vanadium et 1 % en poids de molybdène. 14.- Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le matériau est un alliage de titane con- tenant 13 % en poids de vanadium, 11 % en poids de chrome et 3 % en poids d'aluminium.