Brevet FR2664907A1 — publié le 19920124

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TOLE OU FEUILLARD EN ZIRCALOY DE BONNE FORMABILITE ET FEUILLARDS OBTENUS L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un feuillard en ZIRCALOY 2 ou 4 de bonne formabilité. Dans la publication, ayant pour référence: CHARQUET D, ALHERITIERE, E, and BLANC, G, "Cold-Rolled and Annealed Textures of Zircaloy-4 Thin Strips," Zirconium in the Nuclear Industry: Seventh International Symposium ASTM STP 936 R B, Adamson and L F P Van Swan, Eds, American Society for Testing ad Materials, Philadelphia, 1987, pp 663-672, les auteurs indiquent que la texture des feuillards en ZIRCALOY affecte fortement leurs propriétés mécaniques et leur formabilité. La texture d'orientation cristalline en T, similaire à celle du ZIRCONIUM pur et dans laquelle typiquement les pôles de base ( 0002) sont désorientés de 20 à 40 vers la direction transversale tandis que la direction l 11201 est parallèle à la direction de laminage, montre de meilleures charge de rupture, résistance au fluage, et déformabilité (pliage ou formage en extension), que des textures dites en C (isotrope centrée) ou en L (p 8 les de base basculés vers la direction de laminage). L'influence des laminages à froid et des recuits sur la texture est également commentée dans ce document, le retour à une structure en T n'est plus possible une fois qu'on a obtenu une structure en L ou en C. Une structure initiale en T est obtenue par laminage à chaud dans le domaine alpha, mais la conservation d'une structure en T au travers des cycles de laminage à froid et de recuit est incertaine. La demanderesse a cherché à définir des conditions permettant une conservation sûre de la structure en T, de façon à améliorer de façon systématique la formabilité des feuillards en ZIRCALOY 4 ou en ZIRCALOY 2 correspondants. Il est rappelé que les compositions de ces deux alliages sont données par les spécifications ASTM B 352-79, le ZIRCALOY 4 et le ZIRCALOY 2 correspondant respectivement aux nuances R 60804 et R 60802. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une tôle ou feuillard en ZIRCALOY 2 ou 4 de bonne formabilité, dans lequel, comme cela est connu par la publication citée, on élabore un lingot, qu'on dégrossit en chaud en larget, typiquement par forgeage; Le larget est chauffé en béta et trempé à l'eau puis on le lamine à chaud dans le domaine alpha et on le recuit dans le domaine alpha, et ensuite on le lamine à froid jusqu'à une épaisseur choisie comprise entre 0, 3 et 3 mm Selon l'invention, on élabore ledit lingot de façon à y obtenir des teneurs en carbone (C) et en oygène (O) satisfaisant à la relation: (R) O 1200 0,75 x C et de préférence (R') O 1150 0,75 x C, les teneurs O et C étant exprimées en ppm On obtient ainsi des feuillards ayant systématiquement des textures en T dans le cas des épaisseurs supérieures ou égales à 0,8 mm Dans le cas o l'épaisseur finale doit être plus faible, il y a lieu d'appliquer les trois mesures préférentielles conseillées de façon unitaire ou combinée dans le cas général -(a) laminer à chaud le larget dans le haut du domaine alpha avec une température de début de ce laminage comprise entre 730 et 7951 C; Modérer les recuits pour maintenir la texture obtenue par les moyens suivants: (b) effectuer le recuit succédant au laminage à chaud à température inférieure à 6400 C (c) effectuer chaque recuit intermédiaire du laminage à froid soit entre 600 et 6400 C pendant 3 et 4 h, soit entre 650 et 7000 C pendant 1 à 5 min, soit encore à tout autre couple de (température, durée) donnant un résultat recuit (dureté, recristallisation) équivalent à l'un ou l'autre recuit intermédiaire. Pour obtenir un feuillard d'épaisseur 0,6 mm, on effectue de préférence 3 cycles de laminage à froid précuit, il y a ainsi des recuits, intermédiaires Pour une épaisseur de 0,4 mm, on effectue 3 ou 4 cycles de laminage à froid/recuit, il y a ainsi 2 ou 3 recuits intermédiaires. La solution de la relation (R) permet de façon surprenante d'obtenir une texture en T sur le feuillard d'épaisseur au moins égale à 0,8 mm qui est obtenu, qu'il soit écroui ou dans un état recuit Elle permet aussi de conserver la texture en T pour des épaisseurs plus faibles, grâce à l'observation de moyens bien définis: (a), (b) et (c) Dans le cas du ZIRCALOY 4, le maintien de la texture en T va de pair avec la présence et le maintien des précipités à base de (Fe, Cr) se traduisant aussi par une amélioration de la résistance à la corrosion uniforme dans l'eau des réacteurs PWR. Le domaine défini par (R) est habituellement borné par le maximum de teneur en C défini par la spécification ASTMB 352: 270 ppm L'obtention des caractéristiques mécaniques minimales requises pour certains types de feuillards dessinés à la fabrication de grilles de maintien des éléments combustibles nucléaires (voir US 4 717 427 et EP 246986 = US 4 881 992: E O 2 à 3150 C > 250 M Pa, charge de rupture à 3150 C > 280 M Pa), et la volonté d'éviter des précipitations de carbures de Zr conduit aux limitations préférentielles complémentaires suivantes: C 180 ppm et O > 600 ppm, favorisant respectivement la ductilité, et l'augmentation de la résistance mécanique à 3150 C, compte tenu de la texture que la relation R engendre. Pour obtenir la meilleure formabilité possible, il est conseillé d'associer au choix de C et O selon l'invention les conditions de laminage à froid déjà décrites par la demanderesse: -soit, selon FR 2 575 764, effectuer le dernier laminage avec un taux de déformation compris entre 30 et 55 % est le recuit final entre 490 et 5800 C pendant 1 à 10 min, obtenant ainsi un début de recristallisation affectant typiquement 0,5 à 5 % du volume du feuillard soit, selon EP 246986 = US 4775428 et US 4881992 déjà cités, et en variante du moyen (c), en règlant laminages à froid et recuits intermédiaires de façon à avoir des états intermédiaires juste recristallisés à grains très fins: effectuer le laminage à froid avec au moins deux recuits intermédiaires et un recuit final, chacun des deux recuits intermédiaires étant de 0,5 à 10 min entre 650 et 7500 C, les taux de déformation entre recuits étant de 20 à 55 % avant l'avant- dernier recuit intermédiaire, de 30 à 55 % entre les deux derniers recuits intermédiaires et entre le dernier recuit intermédiaire et le recuit final, ledit recuit final étant de 1,5 à 7 min entre 590 et 6301 C et produisant une recristallisation partielle du feuillard obtenu affectant 20 à 40 % de son volume. Dans ces modalitéss de laminage à froid, chaque taux de déformation est calculé selon la formule: ( 1 e/E) X 100 o e et E sont respectivement les épaisseurs après laminage et avant laminage Le taux de déformation correspond sensiblement à l'allongement produit par le laminage. On verra par les essais que, lorsque le teneur en O (ppm) augmente audessus de ( 1150 0,75 x C), on obtient des textures en L ou des textures en T se dégradant facilement avec le laminage à froid Lorsque la teneur en O n'est ainsi augmentée que de moins de 200 à 250 ppm par rapport à ( 1150-0,75 x C), la texture en T peut encore être obtenue au prix d'une sélection des conditions de transformation, tandis qu'au-delà de cette augmentation la texture en L s'impose. Il faut noter que, parmi les produits obtenus selon l'invention, deux qualités de feuillards sont particulièrement intéressantes: A/ Feuillards recuits en ZIRCALOY 2 ou 4 d'épaisseur comprise entre 0,3 et 0,9 mm, satisfaisant aux caractéristiques mécaniques à 288 C ( 550 F) imposées par la spécification ASTM-B 352: charge de rupture dans le sens long (L 2) 186 M Pa " " " travers (T) 179 M Pa et limite élastique à 0,2 % (YS) selon (L) 103 M Pa "Ce "selon (T) 120 M Pa et ayant une texture en T avec O > 700 ppm et O 700 ppm et O AVANTAGES DE L'INVENTION: L'avantage essentiel de l'invention est de donner de façon systématique des feuillards en ZIRCALOY 4 ou en ZIRCALOY 2 du niveau de caractéristiques mécaniques requis et d'excellente formabilité Le formabilité peut être typiquement appréciée par un test d'emboutissabilité, par exemple des essais ERICHSEN Une amélioration de la résistance à la corrosion uniforme accompagne l'amélioration de la formabilité. ESSAIS Les essais concernent des tôles ou feuillards en ZIRCALOY 4, obtenus à partir de plusieurs coulées dont les numéros figurent dans le tableau 1. Le graphique de la figure 1 représente les couples de teneurs (CO) des différentes tôles ou feuillards du tableau 1, avec les droites limites des relations (R) et (R') désignées respectivement par R et R'. La figure 2 représente une texture en T et la figure 3 représente une texture en L, ces deux schémas étant des rappels de la publication citée au début de la présente demande. La texture de la figure 2 dite "texture en T" comporte deux pôles ( 0002) de base 1 et 2 désorientés de 20 à 400 dans la direction transversale TD Il y a deux courbes de maxima relatifs 3 et 4. La texture de la figure 3 dite "en L" est très différente: les deux pôles de base 5 et 6 sont désorientés de 10 à 200 dans la direction de laminage LD, les maxima relatifs 7 et 8 encerclent les pôles 7 et 8 et sont plus resserrés autour des pôles 5 et 6. Dans tous les cas, on a dégrossi à chaud le lingot en un larget, puis on a trempé ce larget à partir du domaine béta, puis on l'a laminé à chaud dans le domaine alpha jusqu'à une épaisseur comprise entre 4 et 6 mm, et on a recuit ce lingot laminé ou feuillard ébauche à 6300 C. Comme cela est indiqué dans la publication citée, la recristallisation d'un matériau laminé à froid ayant une texture en T ne modifie pas de façon marquée l'orientation des pôles de base ( 002) Par contre, lorsq'une texture en L ou une texture centrée a été obtenue, on ne peut plus revenir à une texture en T, par exemple par un recuit. Les échantillons repères 1 à 6 et 8 du tableau 1, ayant des teneurs en O et C satisfaisant à la relation (R) ainsi qu'à la préférentielle (R') ont une texture en T à l'épaisseur 0,8 mm, soit à l'état recuit (repères 1 à 5 et 8), soit à l'état écroui (repère 6): d'après l'indication précédente, cette texture en T est celle de tous ces échantillons aussi bien à l'état écroui qu'à l'état recuit. Le repère 7 (épaisseur 0,4 mm) illustre le fait qu'en laminant davantage à froid la texture peut évoluer vers une texture en L Dans le cas présent, l'évolution est bien manifeste. Dans le cas du repère 10, examiné à 2 mm d'épaisseur à l'état recuit ainsi qu'à 1,2 mm à l'état écroui, cette évolution de la texture avec le laminage est prématurée vis à vis des épaisseurs de feuillard utilisées pour les grilles d'espacement des éléments combustibles nucléaires (épaisseur 0,3 à 0,9 mm). Les repères 9 et 11 à 15 montrent que, dans le cas d'épaisseurs allant de 0,4 mm à 1,5 mm, une texture en L est observée, les couples (C,N) correspondants étant situés au-dessus de la droite limite R (figure 1). APPLICATIONS: L'invention permet d'obtenir des tôles et des feuillards en ZIRCALOY 4 ou en ZIRCALOY 2 d'excellente formabilité, pour fabrication de composants à utiliser dans les réacteurs nucléaires à eau du type PWR ou BWR, par exemple des grilles d'espacement ou des boîtiers. r TABLEAU 1 N O O C TYPE OTTO REPERE NOULEE(ppm) pm) DE EPAISSEUR ETAT ET OBTENTION TEXTURE (mm) 1 30 790 57 | T 0,8 Recuit ( 2 mm) 2 48 930 49 | T 0,8 " 3 978 1000 155 T 0,8 " 4 85 1025 102 | T 0,8 " 82 1060 80 l T 0,8 " 6 33 1090 35 | T 0,8 Ecroui ( 2 mm) 7 "l Il If ? 0,4 " ( 2 mm) 8 58 1095 60 | T 0,8 Recuit ( 2 mm) _ 9 |" |Recuit partiel 9 86 1210 101 L 0,6 (recristallisé 0,5 à 5 %). 87 1320 150 T/L 2/1,2 Recuit / écroui 11 79 1285 90 L 1 Ecroui ( 2 mm) 12 25 1300 120 L 0,8 Recuit partiel 12 bis If" "l " " | Ecroui ( 2 mm) 13 10 1350 96 L 1,5 Ecroui ( 2 mm) 14 17 1430 114 L 1,2 Ecroui ( 2 mm) IL IL IL I L IL 0, 4 Il Ecroui ( 2 mm) r REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une tôle ou feuillard en ZIRCALOY 2 ou 4 de bonne formabilité, dans lequel on élabore un lingot, ou le dégrossit à chaud en larget, puis on trempe le dit larget à partir du domaine béta, puis on le lamine à chaud dans le domaine alpha, on le recuit, et on le lamine à froid jusqu'à une épaisseur comprise entre 0,3 et 3 mm, caractérisé en ce que on élabore ledit lingot de façon à y obtenir des teneurs en carbone et en oxygène satisfaisant à la relation: O 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel: (R') O ( 1150 0,75 x C 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 c lequel O 0600 ppm et C 180 ppm. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ( on lamine à chaud ledit larget dans le haut du domaine température de début de laminage étant comprise entre 730 jusqu'à une épaisseur comprise entre 3 et 6 mm. )u 2, dans dans lequel alpha, la et 795 C, Procédé selon la revendication 4, dans lequel on effectue le reôuit succédant au laminage à chaud à température inférieure à 640 C. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel on effectue le laminage à froid avec au moins un recuit intermédiaire, chaque recuit intermédiaire étant soit entre 600 et 640 C pendant 3 à 4 h, soit entre 650 et 700 C pendant 1 à 5 min. 7 Procédé selon la revendication 5, dans le cas o l'épaisseur en fin de laminage à froid est inférieure à 0,8 mm, dans lequel le laminage à froid est effectué avec au moins deux recuits intermédiaires, chaque recuit intermédiaire étant soit entre 600 et 6400 C pendant 3 à 4 h, soit entre 650 et 7000 C pendant 1 à 5 min. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel on effectue le dernier laminage à froid avec un taux de déformations compris entre 30 et 55 % et dans lequel on fait subir ensuite au feuillard laminé un traitement thermique final de 1 à 10 min entre 490 et 5800 C, obtenant ainsi un feuillard recristallisé partiellement sur 0,5 à 5 % de son volume. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel on effectue le laminage à froid avec au moins deux recuits intermédiaires et un recuit final, chacun des deux recuits intermédiaires étant de 0,5 à 10 min entre 650 et 7500 C, les taux de déformation entre recuits étant de 20 à 55 % avant l'avant-dernier recuit intermédiaire, de 30 à 55 % entre les deux derniers recuits intermédiaires et entre le dernier recuit intermédiaire et le recuit final, ledit recuit final étant de 1,5 à 7 min entre 590 et 6300 C et produisant alors une recristallisation partielle du feuillard obtenu affectant 20 à 40 % de son volume. 10 Feuillard recuit en ZIRCALOY 2 ou 4 d'épaisseur comprise entre 0,3 et 0,9 mm, ayant les caractéristiques mécaniques minimales suivantes à 2880 C: charge de rupture (L) 186 M Pa charge de rupture (T) 179 M Pa limite élastique à 0,2 % (L) 103 M Pa "l fi "l (T):-120 M Pa caractérisé en ce qu'il a une texture en T et que ses teneurs en O et C satisfont aux relations 0 700 ppm et O (ppm) C 1150 0,75 x C (ppm) il 2664907 11 Feuillard recuit partiellement en ZIRCALOY 2 ou 4, le taux de recristallisation étant de 0,5 à 40 % du volume, d'épaisseur comprise entre 0,3 et 0,9 mm, satisfaisant aux caractéristiques mécaniques minimales suivantes: Limite élastique à 0,2 %: 250 M Pa Charge de rupture: 310 M Pa, caractèrisé en ce qu'il a une texture en T et que ses teneurs en O et C satisfont aux relations: 0 > 700 ppm et O(ppm) ( 1150-0,75 x C(ppm)