Brevet FR2740143A1 — publié le 19970425

L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'un produit obtenu à partir d'un feuillard en un alliage de nickel connu sous le nom d'alliage 718 et en particulier d'un ressort de maintien de crayons d'un assemblage de combustible pour réacteur nucléaire en alliage 718. L'alliage de nickel connu sous la désignation alliage 718 est utilisé en particulier sous forme de feuillard, c'est-à-dire de produit plat d'une épaisseur inférieure à un millimètre, pour réaliser des ressorts de maintien de crayons dans un assemblage de combustible pour réacteur nucléaire à eau sous pression. Ces ressorts de maintien sont prévus en particulier sur les grilles d'extrémité des assemblages de combustible. L'alliage 718 à base de nickel renferme, en poids, au maximum, 0,08 % de carbone, 0,35 % de manganèse, 0,35 % de silicium, 0,015 % de phosphore et 0,015 % de soufre, de 17 à 21 % de chrome, de 50 à 55 % de nickel et de cobalt, le cobalt étant dans une proportion pondérale au plus égale à 1 %, de 2,80 à 3,30 % de molybdène, de 4,75 à 5,50 % de niobium et de tantale, de 0,65 à 1,15 % de titane, de 0,35 à 0,80 % d'aluminium, de 0,001 à 0,006 % de bore, une proportion maximale de cuivre de 0,15 %, le solde de l'alliage, à l'exception d'impuretés éventuelles étant constitué par du fer. Un tel alliage utilisé sous forme de feuillard, pour obtenir par découpage et par pliage des produits tels que des ressorts de maintien de crayons combustibles, subit de manière classique un traitement comportant un recuit de mise en solution suivi par un traitement de vieillissement à 718"C. Dans le cas des ressorts associés et intégrés aux grilles d'assemblages de combustible, on connaît une première technique de réalisation des ressorts qui consiste à découper et à former les ressorts dans les plaquettes constituant la grille de l'assemblage de combustible qui est alors réalisée sous forme mono-métallique et constituée uniquement d'alliage 718. Les plaquettes constituant la grille sont découpées et embouties pour réaliser les ressorts, préalablement à leur assemblage qui est réalisé par brasage. L'opération de brasage nécessite généralement un maintien de la grille à une température comprise entre 920 et 1050"C. Le traitement de vieillissement des grilles est réalisé à la suite de l'opération de brasage. Selon une technique plus récente et qui a l'avantage de limiter l'absorption des neutrons par les grilles de l'assemblage, les grilles sont réalisées sous forme bimétallique et sont constituées par des plaquettes embouties en un alliage de zirconium sur lesquelles sont soudés par résistance des petits ressorts en alliage 718 obtenus par découpage et emboutissage d'un feuillard. Les plaquettes sont ensuite assemblées entre elles par soudage. La fabrication des ressorts de grilles bimétalliques rapportés diffère sensiblement de la fabrication des grilles mono-métalliques, dans la mesure où les grilles bimétalliques ne subissent pas de cycle thermique équivalent au cycle de brasage nécessitant un maintien en température de la grille entre 920 et 1050"C. Il est apparu que la tenue en service des ressorts de grilles des assemblages de combustible d'un réacteur nucléaire à eau sous pression dépendait très fortement de la gamme de fabrication du ressort et en particulier des cycles thermiques imposés aux feuillards en alliage 718 et aux ressorts obtenus à partir des feuillards qui produisent dans le matériau des feuillards et des ressorts, une micro-structure dont la forme influe directement sur la tenue en service des ressorts. Les études effectuées par les Sociétés FRAMATOME et FRAGEMA ont montré que la micro-structure du matériau des ressorts doit respecter certains critères pour qu'on obtienne une tenue en service du ressort satisfaisante.Les critères retenus en ce qui concerne la micro-structure du matériau sont les suivants 1 - pas de ségrégation ; 2 - pas de phase de laves 3 - pas de structure en bande (structures alternées formées de petits et de gros grains) ; 4 - pas de déformation ou de contrainte résiduelle d'écrouissage 5 - pas de phase ô intergranulaire, la phase ô intragranulaire globulaire étant acceptable 6 - pas de taille de grains hétérogène. Les trois premiers critères retenus sont liés à l'élaboration et à la transformation thermomécanique du matériau sous la responsabilité de l'aciériste fournissant le feuillard. Les trois critères numérotés 4, 5 et 6 sont directement liés au processus de fabrication des ressorts, lors de la réalisation des ressorts par découpage et emboutissage d'un feuillard fourni par l'aciériste. Les connaissances métallurgiques concernant la pratique du traitement de recuit de mise en solution et de désécrouissage de l'alliage 718 qui constituent l'art antérieur connu de l'homme du métier tendent à montrer qu'on peut opérer le traitement de recuit dans une large plage de températures et de temps. La plage de températures indiquée s'étend entre 940"C et 1090"C pour des temps de maintien compris entre quelques secondes et plusieurs heures, selon la taille des pièces et les applications industrielles visées. I1 est apparu, dans le cadre des études effectuées par les Sociétés FRAMATOME et COGEMA sur les ressorts de grilles d'assemblages de combustible, qu'il n'était pas souhaitable d'utiliser l'ensemble des possibilités mentionnées par l'art antérieur. Il est apparu également que, dans le cas des grilles mono-métalliques en alliage 718, l'intervalle de températures de maintien défini par l'opération de brasage et compris entre 920 et 1050 OC, présentait une amplitude beaucoup trop importante pour qu'on puisse obtenir des caractéristiques et en particulier une tenue en service des ressorts formés sur les plaquettes des grilles qui soient entièrement satisfaisantes. I1 apparaît donc nécessaire de définir au mieux un traitement de recuit de produit en feuillard d'alliage 718 qui permette d'optimiser la micro-structure du matériau constituant le produit et de garantir une très bonne tenue en service des ressorts. En particulier, il est nécessaire de définir des conditions de traitement de recuit, en ce qui concerne la plage de températures du recuit et la durée de maintien à la température de recuit, pour éviter la présence de phase 8, d'un écrouissage dû au formage des ressorts et d'une hétérogénéité de tailles des grains trop importante, dans le matériau du ressort à l'état formé et traité thermiquement. On considèrera par la suite que le produit est exempt de phase 8, si la proportion volumique résiduelle de phase ô dans le produit après traitement thermique est inférieure à 5 * en volume de la quantité maximale de phase ô précipitable. Cette quantité maximale est de 5 t en volume du produit pour les teneurs en niobium de l'alliage 718.On pourra donc considérer qu'un produit est exempt de phase 6, selon les exigences requises, si la proportion volumique de phase 6 après traitement thermique est inférieure à 0,25 t Les données fournies par l'art antérieur ne permettent pas d'obtenir des conditions pour respecter le premier critère (absence de phase 8) du fait que le domaine de précipitation de la phase ô dans l'alliage 718 ne peut pas être défini de manière générale. En effet, la cinétique de formation de la phase ô est très dépendante des traitements thermomécaniques subis par la pièce en alliage 718 préalablement au traitement de recuit et de vieillissement. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de traitement thermique d'un produit obtenu à partir d'un feuillard en un alliage de nickel renfermant, en poids, au maximum, 0,08 % de carbone, 0,35 * de manganèse, 0,35 % de silicium, 0,015 % de phosphore et 0,015 % de soufre, de 17 à 21 % de chrome, de 50 à 55 % de nickel et de cobalt, le cobalt étant dans une proportion pondérale au plus égale à 1 %, de 2,80 à 3,30 % de molybdène, de 4,75 à 5,50 % de niobium et de tantale, de 0,65 à 1,15 % de titane, de 0,35 à 0,80 % d'aluminium, de 0,001 à 0,006 % de bore, une proportion maximale de cuivre de 0,15 %, le solde de l'alliage, à l'exception des impuretés inévitables, étant constitué par du fer, comportant un recuit de mise en solution et un vieillissement, ce traitement thermique étant réalisé de manière à optimiser les caractéristiques mécaniques du produit, en particulier pour une utilisation de longue durée et à haute température. Dans ce but, le recuit de mise en solution du produit est effectué selon l'un des processus suivants a - maintien du produit à une température comprise entre 975 et 1010"C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2 heures, b - maintien du produit à une température comprise entre 1020 et 1060"C pendant une durée inférieure à 30 minutes, c - maintien du produit à une température comprise entre 1040 et 1080"C pendant une durée inférieure à 10 minutes. De manière préférentielle, lorsque le traitement de recuit est effectué entre 975 et 1010"C ou entre 1020 et 1060"C au four dormant, on maintient le produit, préalablement au recuit, à une température comprise entre 650 et 740"C pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures, afin de réaliser une précipitation d'une phase y" riche en niobium ; on abaisse ainsi la teneur en niobium de la matrice de l'alliage, ce qui permet de limiter la formation de phase 6 à un niveau très faible. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire plusieurs exemples de mise en oeuvre du traitement thermique suivant l'invention, de manière non limitative, dans le cas où le produit en feuillard d'alliage de nickel est un ressort destiné à être rapporté et fixé sur une grille d'assemblage de combustible en alliage de zirconium. Exemple 1 : On réalise un ressort pour une grille d'assemblage de combustible d'un réacteur nucléaire à eau sous pression par découpage et emboutissage d'un feuillard en alliage de nickel 718, c'est-à-dire un produit plat en alliage 718 dont l'épaisseur est inférieure ou égale à lmm En fait, afin d'effectuer des études comparatives et de définir de manière précise les conditions du recuit, en particulier afin de délimiter la plage de températures et de temps du recuit, on a réalisé une série de ressorts à partir de différents feuillards provenant de différentes coulées. Les coulées ont été élaborées par l'aciériste de manière que les trois premiers critères définis ci-dessus soient respectés, c'est-à-dire que les feuillards ne doivent pas présenter de ségrégation, de phase de laves ou de structure en bande.L'emboutissage ou pliage contrôlé du feuillard, après découpage, permet d'obtenir un ressort ayant une forme en épingle habituelle. En plus des trois critères rappelés ci-dessus, on vérifie que le matériau de départ, c'est-à-dire le matériau du feuillard ou du ressort ne renferme pas de phase 6 préalablement au traitement de recuit et de vieillissement. On effectue un recuit statique des différents échantillons de ressort à des températures situées dans l'intervalle connu s'étendant entre 940"C et 1090"C. On examine la micro-structure du matériau du ressort après recuit et vieillissement à 718"C pendant huit heures (traitement standard), pour déterminer si la micro-structure du matériau renferme de la phase 6. I1 est apparu comme résultat des études effectuées que le matériau ne renferme pas de phase 6 lorsque le traitement de recuit statique au four dormant a été effectué à une température supérieure à 975"C. De plus, on a vérifié que le matériau des ressorts ne présente pas d'écrouissage résiduel dû au formage du ressort, après traitement à température de recuit permettant d'éviter la formation de phase 6. Une étude complémentaire a montré que ce critère est toujours respecté si le matériau est recuit à une température supérieure à 900"C. On a également déterminé les conditions permettant d'obtenir un matériau ayant une taille de grains relativement homogène. A l'issue du formage, les ressorts présentent des taux d'écrouissage très différents d'une zone formée à une autre. De plus, certaines zones formées n'atteignent pas l'écrouissage critique nécessaire à la recristallisation du matériau. On a cependant pu montrer que le matériau présente une taille de grains suffisamment homogène, lorsque le traitement de recuit est effectué à une température supérieure à 1010 C. On a également étudié l'influence de la durée du traitement de recuit sur les critères retenus en ce qui concerne la micro-structure du matériau et on a pu défi- nir un intervalle de traitement compris entre 30 minutes et 2 heures aux températures retenues. I1 est donc apparu qu'un traitement au four dormant d'une durée de 30 minutes à 2 heures entre 975 et 1010 C permet de respecter les trois critères imposés. Un traitement qui peut être retenu comporte, par exemple, un recuit au four dormant à 985"C pendant une durée d'une heure. On peut également effectuer de préférence un traitement à une température supérieure à 985 C et inférieure à 1010"C pendant une durée au plus égale à une heure. De préférence, avant le recuit au four dormant à une température supérieure à 975"C, on réalise un palier thermique à une température comprise entre 650 et 740 C pendant une durée de 1 heure à 10 heures. On obtient ainsi une précipitation d'une phase y" riche en niobium ; de ce fait, la matrice de l'alliage renferme une quantité faible de niobium à l'issue du traitement. On a réalisé des ressorts à partir de feuillards provenant de différentes coulées dont la micro-structure renferme une certaine proportion de phase 6. On a défini les conditions de traitement de recuit permettant d'obtenir un matériau exempt de phase 6 dans son état final après recuit et traitement de vieillissement à 718"C pendant huit heures. On a pu montrer que la phase 6 est entièrement dissoute après un recuit au four dormant à une température comprise entre 1020 et 1060"C. Afin de limiter l'hétérogénéité de la taille des grains du matériau obtenu, on limite le temps de traitement, dans ce cas, à une durée de 30 minutes. Des études ont montré que le matériau présente une taille de grains pas trop hétérogène et une micro-structure satisfaisante par un traitement au four dormant entre 1020 et 1060"C pendant une durée inférieure à 30 minutes. Un traitement typique au four dormant d'un matériau renfermant à l'origine de la phase 6 est un traitement à 1040"C pendant une durée de 20 minutes. Comme dans le cas d'un alliage ne renfermant pas de phase 6 au départ (Exemple 1), il est préférable d'effectuer un palier thermique entre 650 et 740"C pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures, avant le recuit entre 1020 et 1060"C au four dormant. On réalise ainsi la précipitation d'une phase y" riche en niobium, de sorte que la matrice de l'alliage renferme peu de niobium. Exemple 3 : I1 peut être avantageux, pour des produits réalisés à partir d'un feuillard d'une épaisseur relativement faible et dans tous les cas inférieure à 1 mm, d'effectuer le recuit au défilé dans un four à passage. Dans ce cas, les études effectuées ont montré que les critères retenus sont respectés lorsque la température du recuit est comprise entre 1040 et -1080 C. Pour ces températures de recuit, on évite un grossissement excessif des grains du matériau et une trop forte hétérogénéité de la taille des grains en limitant le traitement dans le four à passage à une durée inférieure à 10 minutes. Un traitement typique au défilé d'un ressort formé à partir d'un feuillard en alliage 718 est effectué dans le four à passage à une température de 1060"C, le temps de passage du ressort en cours de traitement à l'intérieur du four étant de 50 secondes. Dans tous les cas, après un traitement de recuit tel que revendiqué suivi d'un vieillissement standard, les ressorts formés à partir d'un feuillard en alliage de nickel 718 présentent une micro-structure pratiquement exempte de phase 6, c'est-à-dire renfermant moins de 0,25 % en volume de phase 6, et de zones écrouies et une taille de grains sensiblement homogène et constante dans toutes les parties du ressort. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut envisager des traitements de recuit pour des pièces en feuillard d'alliage de nickel différentes ' de ressorts pour le maintien de crayons d'assemblages de combustible d'un réacteur nucléaire. Le traitement de recuit peut être appliqué à des pièces ou produits qui ont été mis en forme par des opérations de formage d'un type quelconque, à partir d'un feuillard en alliage 718. Le traitement thermique suivant l'invention peut être appliqué à des pièces qui ont subi des cycles de traitement thermomécaniqùes préalables de différents types. REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement thermique d'un produit obtenu à partir d'un feuillard en un alliage de nickel renfermant, en poids, au maximum, 0,08 % de carbone, 0,35 % de manganèse, 0,35 % de silicium, 0,015 % de phosphore et 0,015 % de soufre, de 17 à 21 % de chrome, de 50 à 55 % de nickel et de cobalt, le cobalt étant dans une proportion maximale de 1 %, de 2,80 à 3,30 % de molybdène, de 4,75 à 5,50 % de niobium et de tantale, de 0,65 à 1,15 % de titane, de 0,35 à 0,80 * d'aluminium, de 0,001 à 0,006 % de bore, une proportion maximale de cuivre de 0,15 %, le solde de l'alliage, à l'exception d'impuretés inévitables, étant constitué par du fer, comportant un recuit de mise en solution et un vieillissement, caractérisé par le fait que le recuit de mise en solution du produit est effectué selon l'un des processus suivants a - maintien du produit à une température comprise entre 975 et 1010"C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2 heures, b - maintien du produit à une température comprise entre 1020 et 1060"C pendant une durée inférieure à 30 minutes, c - maintien du produit à une température comprise entre 1040 et 1080"C pendant une durée inférieure à 10 minutes. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on maintient le produit dans un four dormant à une température de 975 à 1010"C,-pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2 heures. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on maintient le produit à une température de 985 à 1010"C, pendant une durée inférieure à 1 heure. 4.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on maintient le produit à une température de l'ordre de 985"C pendant une durée voisine d'une heure. 5.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la micro-structure du produit comporte de la phase ô avant le recuit de mise en solution, caractérisé par le fait qu'on maintient le produit dans un four dormant à une température comprise entre 1020 et 1060"C pendant une durée inférieure ou égale à 30 minutes. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on maintient le produit dans un four dormant à une température de 1040"C, pendant une durée d'environ 20 minutes. 7.- Procédé suivant 1 'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que, préalablement au recuit, on maintient le produit à une température comprise entre 650 et 740"C pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures. 8.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise un recuit au défilé du produit dans un four à passage à une température comprise entre 1040 et 1080 C, le temps de passage du produit dans le four étant inférieur à 10 minutes. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on fait passer le produit dans un four à passage à une température de 1060"C, le temps de passage du produit dans le four étant d'environ 50 secondes. 10.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le vieillissement est effectué à une température voisine de 718"C, pendant une durée de l'ordre de 8 heures. 11.- Procédé de traitement thermique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le produit obtenu à partir du feuillard en alliage de nickel est un ressort de maintien de crayons dans une grille d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire. 12.- Produit obtenu à partir d'un feuillard en alliage de nickel renfermant, en poids, au maximum, 0,08% de carbone, 0,35 % de manganèse, 0,35 % de silicium, 0,015 * de phosphore et 0,015 % de soufre, de 17 à 21 % de chrome, de 50 à 55 % de nickel et de cobalt, le cobalt étant dans une proportion maximale de 1 %, de 2,80 & 3,30 % de molybdène, de 4,75 à 5,50 % de niobium et de tantale, de 0,65 à 1,15 % de titane, de 0,35 à 0,80 % d'aluminium, de 0,001 à 0,006 % de bore, une proportion maximale de cuivre de 0,15 %, le solde de l'alliage, à l'exception d'impuretés inévitables, étant constitué par du fer, et en particulier, ressort de maintien de crayons dans une grille d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il renferme moins de 0,25 % en volume de phase 6 après recuit de mise en solution et vieillissement.