Brevet FR2673198A1 — publié le 19920828

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE BANDE OU TOLE EN ZIRCALOY 2 OU 4 ET PRODUIT OBTENU La présente invention concerne un procédé de fabrication et plus spécialement de traitement thermique d'une bande ou tele en Zircaloy 2 ou en Zircaloy 4 Les compositions de ces alliages Zircaloy 2 et Zircaloy 4 sont données par les spécifications ASTM B 352-85, ces alliages y correspondent respectivement aux nuances R 60804 et R 60802. Les boîtiers d'éléments combustibles pour réacteurs BWR sont de manière habituelle réalisés en Zircaloy 4 ou en Zircaloy 2. Deux propriétés essentielles recherchées sont un bon comportement à la corrosion nodulaire et une faible déformation sous irradiation. Pour obtenir ces résultats, il est essentiel que les t 8 les constitutives aient une structure métallurgique adéquate, comportant des fins précipités de secondes phases très proches les uns des autres et une texture cristallographique isotrope. Des structures provenant de divers procédés ont été proposées pour obtenir la répartition des précipités souhaitée: a) Les structures de type alpha obtenues par des procédés de fabrication qui après une trempe intermédiaire depuis le domaine béta ne comprennent que des traitements thermiques en alpha à temps et température limités. b) Les structures de type (alpha + béta), obtenues par chauffage rapide d'une tôle par induction haute fréquence suivi d'un refroidissement rapide dans FR-B-2303805 =GB-B-1537930 =SE 7502865 et SE 7511523, ou obtenues par chauffage rapide d'une pièce telle qu'un boîtier ou un tube de gainage également par induction électrique, ce chauffage étant suivi d'un refroidissement rapide jusque dans le domaine alpha, telles que décrit par FR-A-2302569 =US-A-4238251 Dans ce deuxième cas, il est prévu de réaliser par ce procédé des traitements dans le domaine béta jusqu'à 11000 C aussi bien que des traitements en (alpha + bêta) typiquement entre 825 et 9651 C, mais il n'est pas donné d'exemple. Dans les traitements thermiques en (alpha+béta), il est ainsi nécessaire que le chauffage soit rapide (en quelques secondes) et le refroidissement aussi, par exemple au moins 201 C par seconde jusqu'à 7200 C Les conditions enseignées ne sont pas applicables à des bandes de grande longueur, typiquement plus de 100 m de long, des tôles pour boîtiers étant ensuite découpées dans une telle bande. La demanderesse a cherché à mettre au point un procédé applicable à des bandes et leur donnant de façon uniforme une bonne résistance à la corrosion nodulaire et une faible déformation sous irradiation. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une bande ou tôle en Zircaloy 2 ou 4 comprenant des opérations de traitement thermique dans le domaine béta suivi d'un refroidissement rapide caractérisé en ce qu'on exécute lesdites opérations dans les conditions suivantes a) Chauffage jusque dans le domaine béta, la vitesse de chauffage étant de moins de 400 C/s entre 750 et 10001 C. b) Maintien pendant moins de 2 min entre 1000 et 11000 C. c) Puis refroidissement à au moins 400 C/s entre 10000 C et 6001 C; ces opérations étant exécutées grâce au passage à vitesse constante de ladite bande ou tôle entre des galets d'au moins deux couples de galets successifs, ces couples de galets étant alimentés en courant électrique et serrant la bande ou tôle de façon à former au moins une boucle de courant, ladite bande passant ensuite entre des moyens de refroidissement rapide de ses deux faces. Sauf pour l'amorce de passage entre les galets (voir plus loin) qui est chutée ou écartée, on obtient ainsi une texture et une structure très régulières, aussi bien en travers qu'en long Le chauffage par effet Joule utilisé dans le procédé se produit dans tout le volume à la différence d'un chauffage par induction Les largeurs et longueurs concernées sont typiquement et respectivement: environ 240 mm, et plus de 100 m pour les bandes découpées ensuite en tôles de plus de 4 m de long. La demanderesse a établi que dans le cas des traitements en béta, utilisés dans l'invention, il est important de pratiquer une trempe ou refroidissement rapide, mais que contrairement à l'enseignement du FR- A-2302569 =US-A-4238251, il n'est pas nécessaire d'avoir une montée en température rapide. Dans le procédé de l'invention, il convient de faire défiler la bande rapidement pour avoir une trempe rapide Par contre le chauffage jusque dans le domaine béta peut être relativement long, par exemple de 30 secondes à 2 minutes pour une vitesse de défilement de 1 à 2 m/min, à la différence d'un procédé de trempe à partir de (alpha + béta). De façon surprenante, et avantageusement constante ou régulière comme indiqué, les bandes et tôles obtenues par le procédé de l'invention sont quasi isotropes et n'ont pas ou très peu de déformation préférentielle sous irradiation, c'est-à-dire en réacteur Leurs textures ont comme facteurs de Kearns: f N = 0,35 à 0,45 f T-= 0,25 à 0,35 f L= 0,25 à 0,35 avec, par définition, f N + f T + f L = 1. alors que les tôles de structure du type alpha ou du type (alpha + béta) présentent classiquement une tendance travers marquée dans l'orientation des plans de base ( 0002) avec des facteurs de Kearns typiques: f = 0,65 f T = 0,25 et f L = 0,10. De plus, les bandes ou tôles de l'invention ont une bonne résistance à la corrosion nodulaire, leur gain de poids au test de corrosion de un jour à 5000 C dans la vapeur d'eau sous pression étant inférieur à 60 mg/dm On peut soit entraîner la bande ou les tôles au travers des couples de galets successifs, soit entraîner la bande ou les tôles au moyen de ces galets à la manière d'un laminage Le courant est amené de préférence en parallèle sur les galets de chaque couple, ce peut être du courant alternatif, ou de préférence continu ou redressé pour assurer une meilleure homogénéité de température dans une section droite du produit. On peut utiliser, par exemple pour régler séparément le chauffage et le maintien, deux séries de chacune deux couples de galets successifs, chaque série étant alimentée en un courant électrique particulier. Ainsi, lorsque les deux séries sont alimentées en des courants différents, le courant de la deuxième série est choisi pour le réglage du maintien de la bande ou tôle au-dessus de 1000 GC. De façon habituelle, la vitesse de chauffage obtenue entre 750 et 10001 C, domaine incluant la traversée du domaine (alpha + béta), est de à 300 C/s, et le maintien à température comporte 20 S à 1 min au-dessus de 10200 C et de préférence en-dessous de 1070 'C. Pour la mise en oeuvre du procédé, on effectue habituellement avant d'engager les opérations en continu -passage de la bande ou des tôles successives à vitesse constante le pincement d'une extrémité ou amorce de ladite bande ou tôle entre le ou lesdits couples de galets sans passage du courant, puis on entraîne ladite tôle ou bande et on fait passer le courant, la longueur déjà engagée de ladite bande ou tôle étant par la suite chutée. La bande ou tôle est trempée à partir du domaine béta peu après sa sortie du maintien dans ce domaine par passage du courant électrique (effet Joule) Les moyens de refroidissement rapide, de préférence par brouillard de gaz neutre liquide sur les faces de dessus et de dessous de la bande ou tôle, sont placés à une distance réduite des derniers galets pour que la température du produit au début du refroidissement soit encore supérieure ou égale à 980 à 1000 'C. Un avantage de ce traitement thermique très rapide est que, malgré la température élevée atteinte, l'oxydation superficielle est habituellement réduite, au plus jaune pâle, et est supprimée par le décapage habituel qui suivra Lorsque l'oxydation sans protection est un peu plus prononcée ou lorsqu'on veut réduire le décapage précédent, on protège au moins 80 % de la portion de bande ou de tôle chauffée à plus de 3001 C, sur ses faces endroit et envers, par du gaz neutre Ce gaz est de préférence de l'argon, de l'hélium ou un mélange argon-hélium. Le traitement selon l'invention est: soit le traitement thermique final du produit; soit un traitement mixte, dans lequel au moins deux couples de galets successifs produisent en même temps que le traitement thermique un calibrage ou un laminage réduisant l'épaisseur de 1 à 20 %; soit un traitement thermique intermédiaire, la fabrication étant poursuivie par des cycles de laminages à froid et de traitements thermiques dans le domaine alpha. Au stade du traitement thermique en béta selon le procédé de l'invention, les bandes ou tôles traitées peuvent avoir une épaisseur typiquement comprise entre 1 et 12 mm Elles sont destinées par exemple à l'obtention de tôles-de boitiers ou de feuillards espaceurs. L'invention a encore pour objet une bande ou tôle en Zircaloy 2 ou 4 obtenable par le procédé de structure fine ex-béta dans tout son volume, ayant une texture quasi isotrope avec des facteurs de Kearns: f N = 0,35 à 0,45 f T = 0,25 à 35 et f L = 0,25 à 0,35 (f N+f T+f L= 1) et ayant un gain de poids, au test de corrosion de 1 jour à 5000 C dans la vapeur d'eau sous pression, de moins de 60 mg/dm AVANTAGES du procédé: facilité de réglage; traitement thermique constant de tout le volume, parfaitement reproductible du produit résistance à la corrosion nodulaire constante pour les bandes ou tôles d'un même lot, accompagnant une structure (seconde phase) et une texture constantes texture entraînant pas ou très peu de déformation préférentielle en réacteur. EXEMPLE La figure 1 représente schématiquement un dispositif de traitement d'une bande ou tôle selon l'invention, une bande étant en cours de traitement. Ce dispositif est utilisé pour traiter de la bande ou des tôles en Zircaloy 2 ou 4 d'épaisseur 1 à 3 mm Il comprend (figure 1) une débobineuse ( 1) une décintreuse ( 2) une alimentation électrique en continu ( 3), le contact avec la tôle étant assuré par des galets cylindriques pouvant également être moteurs ( 4) un contrôle pyrométrique de la température atteinte ( 5) un dispositif de trempe de préférence par brouillard de gaz neutre liquide ( 6) Mais d'autres dispositifs de trempe peuvent également être envisagés (brouillard d'eau pulvérisée, cylindres refroidis à l'eau réfrigérée assurant le refroidissement par contact) une planeuse à rouleaux ( 7) une cisaille assurant le débit des tôles à la longueur désirée ( 8). La bande ( 9) en Zircaloy 4 en cours de traitement est sous tension entre les doubles contacts ( 10) et ( 11) du premier couple de galets ( 4) et les doubles contacts ( 12) et ( 13) du second couple de galets ( 4) La distance des contacts ( 10,11) et ( 12,13) ou longueur de chauffage de la bande ( 9) est de 1,2 m, et la vitesse de défilement de la bande d'épaisseur 2,4 mm et de largeur 235 mm est de 1,5 m/min Pour le courant (U) utilisé, on a mesuré qu'il fallait environ 33 s, soit une vitesse moyenne de chauffage d'environ 300 C/s, et une distance parcourue de 0,82 m à partir du contact ( 10,11) pour que la bande ( 9) atteigne 10001 C Ensuite, la bande ( 9) reste sur 0,68 m c'est-à-dire 27 S entre 1000 et 10600 C dont 24 S entre 1020 et 10601 C. Après sortie en ( 12,13) de la zone de chauffage, la bande ( 9) atteint les brouillards endroit et envers ( 6) d'azote liquide au bout de 0,4 m, sa température s'étant abaissée de 10600 C à 1000 à 10100 C au moment de l'intervention de ces brouillards pour tremper la bande ( 9) Le refroidissement obtenu est très rapide, la bande ( 9) sortant à moins de 2001 C de l'emprise ( 14,15) de ces brouillards, emprise large de 200 mm, la vitesse de refroidissement étant alors d'au moins 1000 C/s entre 1000 et 6000 C. Cinq échantillons ont été prélevés à divers emplacements de la bande dressée, ( 7) longue de plus de 100 m Les résultats des tests ont été les suivants gains de poids après test de corrosion de 1 jour à 5000 C dans la vapeur d'eau sous pression: 43 à 55 mg/dm 2; textures quasi isotropes avec à 0,03 près les facteurs de Kearn suivants: f N = 0,4 f N = 0,3 et f L = 0,3. couleur jaune clair, décapage facile. APPLICATION INDUSTRIELLE Amélioration du traitement thermique final ou intermédiaire des tôles et bandes en Zircaloy 2 ou 4, et de leurs qualités d'usage dans les réacteurs nucléaires à eau. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une bande ( 9) ou tôle en Zircaloy 2 ou 4 comprenant des opérations de traitement thermique dans le domaine béta suivi d'un refroidissement rapide, caractérisé en ce qu'on exécute lesdites opérations dans les conditions suivantes a) chauffage jusque dans le domaine béta, la vitesse de chauffage étant de moins de 401 C/s entre 750 et 10000 C; b) maintien pendant moins de 2 min entre 1000 et 11000 C; c) puis refroidissement à au moins 400 C/s entre 1000 IC et 6000 C; ces opérations étant exécutées grâce au passage à vitesse constante de ladite bande ( 9) ou tôle entre des galets ( 4) d'au moins deux couples de galets ( 4) successifs, ces couples de galets ( 4) étant alimentés en courant électrique (U) et serrant la bande ( 9) ou tôle de façon à former avec elle au moins une boucle dudit courant (U), ladite bande ( 9) ou tôle passant ensuite entre des moyens ( 6) de refroidissement rapide. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise pour ledit chauffage et ledit maintien deux séries de deux couples de galets ( 4) successifs alimentées chacune en courant électrique. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel lesdites deux séries sont alimentées en des courants différents, le courant de la deuxième série étant choisi pour le réglage du maintien de ladite bande ( 9) ou tôle au-dessus de 10000 C. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite vitesse de chauffage est de 10 à 300 C/s entre 750 et 10000 C et dans lequel ledit maintien comporte 20 S à 1 min au-dessus de 10200 C. 5 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on effectue avant d'engager lesdites opérations un pincement d'une extrémité ou amorce de ladite bande ( 9) ou tôle entre le ou lesdits couples de galets ( 4) sans passage du courant (U) puis on entraîne ladite bande ( 9) ou tôle et on fait passer le courant (U), la longueur déjà engagée de ladite bande ( 9) ou tôle étant par la suite chutée. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins 80 % de la portion de ladite tôle ou bande à plus de 3001 C est protégée sur ses faces endroit et envers par du gaz neutre. 7 Procédé selon la revendication 6, dans lequel on utilise comme gaz neutre de l'argon, de l'hélium, ou un mélange argon-hélium. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit traitement est le traitement thermique final. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins deux dits couples de galets ( 4) successifs produisent en même temps que ledit traitement un calibrage ou un laminage réduisant l'épaisseur de 1 à 20 %. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la fabrication est poursuivie par des laminages à froid ou à tiède et des traitements thermiques dans le domaine alpha. 11 Bande ( 9) ou tôle en Zircaloy 2 ou 4, obtenable par le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 10, de structure fine ex-béta dans tout son volume, ayant une texture quasi isotrope avec des facteurs de Kearns f N= 0,35 à 0,45 f T= 0,25 à 35 et f L= 0,25 à 0,35 (f N+f T+ f L = 1) et ayant un gain de poids, au test de corrosion de 1 jour à 5000 C dans la vapeur d'eau sous pression, de moins de 60 mg/dm