Brevet FR2683828A1 — publié le 19930521

PROCEDE DE FABRICATION DE TOLES A STRUCTURE HOMOGENE EN ZIRCALOY 2 OU EN ZIRCALOY 4. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention est relative à un procédé de fabrication de tôles destinées plus particulièrement à la confection de boîtiers utilisés dans les réacteurs nucléaires à eau bouillante et qui présentent une résistance améliorée aux corrosions de type nodulaire et uniforme. ETAT DE LA TECHNIQUE. L'homme de l'art de la confection de boîtiers ou espaceurs à usage nucléaire sait qu'il peut utiliser des alliages de zirconium tels que le zircaloy 2 ou le zircaloy 4 correspondant respectivement aux nuances R 60802 et R 60804 suivant les spécifications ASTM B 352-85. Mais, les spécifications de contrôle de reception de tôles destinées à la fabrication de composants d'assemblage combustible pour réacteurs à eau bouillante exigent que le matériau ait une bonne résistance à la corrosion nodulaire et à la corrosion uniforme. Cette résistance est déterminée par des essais en autoclave en milieu vapeur d'eau à haute température dans les conditions suivantes -pour la corrosion nodulaire : I jour à 500 ou 520"C ou encore 8 heures à 410 C + 16 heures à 510 C, -pour la corrosion uniforme : 3 jours ou 14 jours à 400"C. Or, cette résistance à ces deux types de corrosion dépend pour une grande part des facteurs liés à la fabrication de la tôle et en particulier -la composition, -les conditions de trempe; -les conditions de traitement thermomécamique et thermique après trempe. Ainsi, en ce qui concerne la composition, à l'intérieur de la spécification ASTM, il est recommandé -de minimiser la teneur en étain ( l,2%-l,4% en poids car elle favorise la tenue aux tests à 400 et 500"C, -de maximiser la teneur en silicium afin d'avoir un effet réducteur sur l'absorption d'hydrogène, notamment dans le cas du zircaloy 2, -de maximiser la teneur en nickel ( 0,06-0,08% également dans le cas du zircaloy 2 car il favorise la minimisation des gains de masse aux tests à 500 et 520 C. En ce qui concerne les conditions de trempe, il est connu qu'une condition necessaire à l'obtention d'une bonne résistance à la corrosion nodulaire est la présence dans le processus de trempe d'une vitesse de refroidissement en surface d'au moins 200ces et, de préférence, de plus de 100"C/s. Quant aux conditions de traitements thermomécaniques après trempe, le facteur prépondérant est déterminé à l'aide d'un paramètre calculé : A tel que A = ti exp (-Q/RTi) où -t est le temps de traitement en heures, -Q est l'énergie d'activation, -T est la température en Kelvin, -R est la constante universelle des gaz. Ce paramètre calculé peut s'écrire en première approximation A = ti exp ( - 40000/Ti On sait que ce facteur a une influence inverse sur les deux formes de corrosion. Lorsque A croît, la résistance à la corrosion uniforme s'améliore tandis que la tenue à la corrosion nodulaire se détériore. On sait également que le traitement thermique final a une importance particulière. En effet, ce traitement doit permettre d'assurer une recristallisation complète du matériau tout en minimisant le grossissement des particules de seconde phase (SPP). De plus, le paramètre A total doit être compris entre 0,8 x 10-19 et 7 x 10-19 pour assurer la tenue optimale en corrosion nodulaire et en corrosion uniforme. PROBLEME POSE. Cependant, l'application de toutes ces conditions ne confère pas aux boîtiers obtenus la tenue à la corrosion requise. En effet, dans certaines conceptions de boîtiers, des usinages sont pratiqués sur la surface des tôles qui peuvent atteindre la mi-épaisseur. Il est donc indispensable que le comportement en corrosion soit garanti et homogène, non seulement en surface des produits, mais également dans le métal sous-jacent. Or, en ce qui concerne la trempe, si une vitesse voisine de 200"C/s peut être atteinte en surface et répondre aux conditions préférentielles définies plus haut, quand on met en oeuvre un plat d'une épaisseur de 20 mm, la vitesse à coeur est alors comprise entre 30 et 60"C/s. Dans ces conditions, on observe un gradient de structure de trempe avec une zone superficielle d'ex grains bêta dépourvus de précipitations, sans aiguilles à l'intérieur du grain appelée zone en ilôts qui a une épaisseur comprise entre 2 et 5 mm et une zone sous-jacente présentant des aiguilles de 1 à 3 micromètres de largeur avec précipitations aux joints des aiguilles. Un tel gradient de structure conduit alors à gradient de comportement à la corrosion. Certes, les transformations pratiquées après trempe atténuent ce gradient de comportement mais ne permettent pas de garantir une tenue à la corrosion identique sur toute l'épaisseur du matériau. C'est pourquoi, on est amené à soumettre à la trempe des plats plus minces d'une épaisseur voisine de 9 mm, ce qui permet ainsi d'obtenir des vitesses de trempe à coeur comprises entre 150 et 200"C qui répondent aux valeurs définies plus haut. EXPOSE DE L'INVENTION.- C'est dans le cadre de ces conditions et pour obtenir un produit ayant un comportement homogène sur toute son épaisseur que la demanderesse a cherché et mis au point un procédé de fabrication de tôles en zircaloy 2 ou en zircaloy 4 dans lequel on dégrossit à chaud une ébauche jusqu'à obtenir une bande d'une épaisseur de 9 mm, puis on la trempe à l'eau après chauffage et la transforme par une succession de traitements thermomécaniques et/ou mécaniques et thermiques, dont le premier est un laminage à chaud, les températures et les durées de traitements thermiques étant repérées par un paramètre A = ti exp ( - 40000/Ti compris entre 0,8 x 10-19 et 7 x 10-19 caractérisé en ce que l'on effectue la dite trempe après un chauffage à une température supérieure à 1020"C dans une eau à température inférieure à 15"C, la durée du transfert entre le four de chauffage et le milieu de trempe étant inférieure à 15 secondes et qu'après tous les traitements, on soumet la tôle obtenue à un chauffage entre 700 et 750"C pendant 1 à 3 minutes. Ainsi, l'invention se distingue de l'art antérieur par des conditions particulières de trempe -une température de chauffage supérieure à 1020"C et de préférence comprise entre 1030 et 1050"C ; -une température de l'eau inférieure à 15"C et de préférence comprise entre 5 et 12"C ; - une durée de transfert entre le four de chauffage et le bain de trempe inférieure à 15 secondes et de préférence comprise entre 5 et 10 secondes. L'invention se distingue encore par un traitement thermique final particulier pour avoir une recristallisation complète du matériau tout en minimisant le grossissement des particules de seconde phase (SPP). Dans ces conditions, la bande de 9 mm d'épaisseur obtenue à partir de l'ébauche possède une structure homogène. Cette homogénéité doit pouvoir être maintenue dans la tôle finale c'est-à-dire au cours de la succession des traitements thermomécaniques et /ou mécaniques et thermiques qui suivent l'opération de trempe tout en restant dans la fourchette de température et de durée imposée par le paramètre A. Cependant, dans cette succession, certains traitements s'avèrent indispensables tel qu'un laminage à chaud immédiatement après trempe. En effet, on a constaté qu'il était impossible de tranformer à froid d'une quantité suffisante les structures de trempe obtenues même si apres trempe on effectuait un recuit. La première opération après trempe consiste donc en un laminage à chaud à température modérée de manière à maintenir le paramètre A dans les limites fixèes, le paramètre A total devant être compris entre 0,8 x 10-19 et 7 x 10-19. De préférence, on procède à un laminage de 9 à 6 mm à une température inférieure à 650"C et de préférence voisine de 580"C pendant 10 minutes de manière à avoir durant cette opération une valeur de A voisine de 7 x 10-22 Par la suite, on procède à des laminages jusqu'a l'épaisseur finale de 2,4 mm en les séparant par des traitements thermiques et en terminant par un recuit final de sorte que la valeur de A totale soit comprise dans la fourchette indiquée et de préférence égale à 2,5 x 10-19. Par exemple, ces traitements peuvent être apres laminage à chaud les suivants cas n"l : -traitement thermique 600"C 2 min ; A = 6 x 10-21 -laminage à froid 4 mm -traitement thermique 700"C 2 min ; A = 5 x 10-20 -laminage à froid 2,4 mm -traitement thermique final 725"C 2 min ; A = 1,9 x 10-19 ou encore cas n 2 : -traitement thermique 540"C 1 h ; A = 4 x 10-22 -laminage à froid 4 mm -traitement thermique 620"C 1h ; A = 3,5 x 10-20 -laminage à froid 2,4 mm -traitement thermique final 725 C 2 min ;A = 1,9 x 10-19 ce qui donne dans les deux cas une valeur de A total égale à 2,3 x 10-19 Afin d'illustrer l'influence du traitement thermique final, on a mesuré pour différentes températures et durées et pour unn produit recristallisé à 100%, le grossissement des particules de seconde phase (SPP) G en nanomètres. Les résultats sont les suivants sans traitement 100 750 C-1 minute + 1,16 725 C-1,5 minute + 1,17 700 C-2 minutes + 1,03 650 C-15 minutes + 3,04 630 C-180 minutes + 20,8 610 C-300 minutes + 22,6 On constate que l'on minimise le grossissement des précipités en traitant le produit à température élevée pendant un temps très court. EXEMPLE D'APPLICATION L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant deux ébauches en alliage de zirconium du type zircaloy 2 de composition en poids : étain 1,28% ; fer 0,17% ; chrome O, 11% ; nickel 0,07% ; oxygène 0,12% ; carbone 0,012% silicium 0,011% ; zirconium solde, l'une d'épaisseur 20 mm, l'autre d'épaisseur 9 mm, ont été transformées en tôles d'épaisseur 2,4 mm pour l'une suivant l'art antérieur et l'autre suivant l'invention en appliquant une durée de transfert entre le four de chauffage et le bain de trempe de 10 secondes et une eau de trempe à 10 C et la succession des transformations suivant le cas 1. La micrographie des tôles obtenues respectivement à partir des deux échantillons apparaissent dans les figures 1 et 2. On peut constater dans la figure 1 suivant l'art antérieur, la présence d'aiguilles (1) dans la zone sous-jacente de la tôle ; ces aiguilles défavorables à la résistance à la corrosion n'existent pas dans la figure 2 suivant l'invention. REVENDICATIONS . - l.-Procédé de fabrication de tôles en zircaloy 2 ou en zircaloy 4 dans lequel on dégrossit à chaud une ébauche jusqu'à obtenir une bande d'une épaisseur de 9 mm, puis on la trempe à l'eau après chauffage et la transforme par une succession de traitements thermomécaniques et/ou mécaniques et thermiques, dont le premier est un laminage à chaud, les températures et les durées de traitements thermiques étant repérées par un paramètre A = ti exp ( - 40000/Ti ) compris entre 0,8 x 10-19 et 7 x 10-19 caractérisé en ce que l'on effectue la dite trempe après un chauffage à une température supérieure à 1020"C dans une eau à température inférieure à 15"C, la durée du transfert entre le four de chauffage et le milieu de trempe étant inférieure à 15 secondes et qu'après tous les traitements, on soumet la tôle obtenue à un chauffage entre 700 et 7500C pendant 1 à 3 minutes. 2.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage avant la trempe s'effectue à une température comprise entre 1030 et 1050"C. 3.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de l'eau de trempe est comprise entre 5 et 120C. 4.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée du transfert entre le four de chauffage et le milieu de trempe est compris entre 5 et 10 secondes. 5.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède immédiatement après trempe à un laminage au voisinage de 580"C pendant 10 minutes de manière à avoir une valeur de A égale à 7 x 10-22. 6.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de A total est égale à 2,3 x 10-19.