Brevet FR2849866A1 — publié le 20040716

i L'invention concerne un procédé de fabrication d'un demi-produit en alliage de zirconium destiné à l'élaboration d'un produit long utilisé pour la réalisation d'éléments d'assemblages de combustible. Les assemblages de combustible des réacteurs nucléaires refroidis 5 par de l'eau légère, par exemple les réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression (PWR) et les réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau bouillante (BWR) ou encore les assemblages de combustible des réacteurs CANDU comportent des éléments constitués par un alliage de zirconium ayant la propriété d'avoir une faible absorption neutronique dans le coeur du 10 réacteur nucléaire. Dans le cas des assemblages pour des réacteurs nucléaires de type PWR, les tubes de gainage des crayons de combustible et les plaquettes utilisées pour la fabrication des grilles entretoises de l'assemblage de combustible peuvent être réalisés en alliage de zirconium, en particulier en al15 liage de zirconium renfermant de l'étain, du fer, du chrome et éventuellement du nickel tels que les alliages Zircaloy 2 ou Zircaloy 4. Il en est de même pour les bouchons venant fermer les tubes de gainage à leurs deux extrémités. D'autres alliages tels que l'alliage connu sous l'appellation commer20 ciale M5 renfermant essentiellement du zirconium et du niobium sont également utilisés pour la fabrication d'éléments d'assemblages de combustible sous la forme de produits plats ou de produits longs, massifs ou tubulaires. De manière générale, les alliages de zirconium utilisés pour la fabrication d'éléments pour assemblages de combustible renferment au moins 25 97 % de zirconium en poids, le reste de la composition qui représente au plus 3 % en poids, à l'exception des impuretés dues à l'élaboration des alliages, pouvant être constitué de différents éléments et, en particulier, le fer, l'étain ou le niobium. Les alliages de zirconium répondant à ces conditions relatives à leur 30 composition peuvent se présenter, suivant la température et les traitements thermiques qu'ils ont subis, sous l'une ou l'autre des deux formes allotropiques du zirconium, c'est-à-dire en phase alpha qui est la phase stable à basse température du zirconium, à structure hexagonale compacte ou en phase bêta qui est la phase stable à haute température à structure cubique. Dans certaines zones de température ou à l'issue de certains traitements, les alliages de zirconium, tels que les alliages techniques utilisés 5 pour la fabrication d'éléments d'assemblages de combustible définis plus haut peuvent présenter une structure mixte alpha + bêta. L'élaboration de produits tubulaires en alliage de zirconium est généralement réalisée par extrusion d'une billette qui est elle-même obtenue à partir d'un lingot par des opérations de formage et éventuellement d'usinage. 10 L'élaboration de produits longs massifs (barres) est généralement réalisée par laminage à chaud, puis martelage à froid de demi-produits obtenus à partir d'un lingot. De manière habituelle, on réalise la coulée d'un lingot de grandes dimensions ayant par exemple un diamètre compris entre 400 mm et 700 mm 15 et généralement entre 600 mm et 660 mm. On forge le lingot en phase D à une température comprise entre 10000C et 11000C et généralement vers 10500C dans le cas du Zircaloy 4, pour obtenir un produit intermédiaire tel qu'une barre ou un produit à section carrée ou octogonale dont le diamètre de la section transversale (ou le diamètre du cercle circonscrit à la section 20 transversale) est compris entre 250 mm et 400 mm. Par exemple, dans le cas d'une section octogonale, celle-ci peut présenter une diagonale d'une longueur de l'ordre de 350 mm qui correspond au diamètre du cercle circonscrit. On forge ensuite le produit intermédiaire, en phase a, à une tempéra25 ture comprise entre 7000C et 8000C, par exemple, de manière typique à 7500C jusqu'à l'obtention d'une barre ayant un diamètre de 100 mm à 250 mm (et de manière typique un diamètre de 205 mm). On trempe ensuite depuis la phase f3 (de manière typique depuis une température comprise entre 10000C et 11500C), soit la barre telle qu'obte30 nue dans la phase précédente de forgeage, soit un bloc constitué par un tronçon de barre découpée, soit une billette constituée par un bloc percé suivant sa direction axiale. Enfin, pour obtenir un produit tubulaire, on réalise une extrusion d'une billette qui peut être soit la billette trempée obtenue dans la phase précédente, soit une billette usinée à partir d'une barre trempée obtenue lors de l'étape précédente du procédé de fabrication. Pour obtenir un produit long massif, on effectue un laminage à chaud à partir d'une barre trempée. Dans tous les cas, préalablement à l'opération d'extrusion permettant d'obtenir le produit tubulaire final, ou à l'opération de laminage à chaud permettant d'obtenir une barre de faible diamètre, on élabore un demi-produit 10 sous la forme d'une barre, d'un bloc ou d'une billette par un procédé d'élaboration comportant une première étape de forgeage en phase D du lingot de départ et une seconde étape de forgeage en phase ax du produit intermédiaire obtenu à la suite de la première étape de forgeage en phase ô. Le procédé de transformation connu qui vient d'être décrit comporte 15 une première étape de forgeage en phase g à une température élevée comprise entre 10000C et 1 000C. Après cette première étape de forgeage, le produit intermédiaire obtenu est refroidi au moins jusqu'à la température de forgeage en phase x et généralement jusqu'à une température ambiante, du fait que la seconde étape de forgeage en phase a n'est pas effectuée immé20 diatement après la première étape de forgeage en phase P3. Le forgeage à très haute température du lingot est une opération coteuse et délicate. En outre, pendant le chauffage du lingot pour l'amener à une température de 10000C à 1100C avant la première étape de forgeage, le lingot 25 intermédiaire peut absorber de l'hydrogène au contact d'air humide ou d'eau, l'hydrogène se fixant dans le matériau sous forme d'hydrures. De manière générale, la présence d'hydrures dans le matériau sous forme de gros précipités est néfaste en ce qui concerne la formabilité à froid et la tenue à la corrosion des produits. Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un demi-produit en alliage de zirconium contenant en poids au moins 97 % de zirconium, destiné à l'élaboration d'au moins un produit long, dans lequel on élabore un lingot de grandes dimensions, par coulée de l'alliage de zirco- nium, puis le demi-produit destiné à être soumis à un formage pour obtenir le produit long, par forgeage du lingot de grandes dimensions en deux étapes, ce procédé permettant de simplifier et de rendre moins coteuse la fabrication du produit long et de limiter à des niveaux faibles la présence d'hy5 drures dans le demi-produit et donc dans le produit long final. Dans ce but, la première étape de forgeage du lingot de grandes dimensions est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant les phases cristallines a et P3 de l'alliage de zirconium. Selon des modalités particulières: - la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 8500C et 9500C; - la première étape de forgeage est réalisée à une température d'environ 900'C; - la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 600C et 9500 C; - la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium d'un produit intermédiaire obtenu par la première étape de forgeage du lingot est en phase a.; - la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium d'un produit intermédiaire obtenu à l'issue de la première étape de forgeage du lingot est dans un état comportant les phases cristallines a et P de l'alliage de zirconium; et - l'alliage de zirconium renferme au plus 3 % en poids au total d'élé25 ments d'addition constitués par l'un au moins des éléments: étain, fer, chrome, nickel, oxygène, niobium, vanadium et silicium, le reste de l'alliage étant constitué par du zirconium, à l'exception des impuretés inévitables. Selon l'invention est également relative à: - l'utilisation du procédé pour la fabrication d'un demi-produit tel 30 qu'une barre ou une billette destinée à l'élaboration d'un produit tubulaire pour la réalisation d'un élément pour assemblage de combustible tel qu'un tube de gainage ou un tube-guide d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau ou encore un élément d'assemblage de combustible pour un réacteur CANDU; - ou à l'utilisation du procédé pour la fabrication d'une barre destinée à la fabrication d'une barre à bouchons de faible diamètre pour la réalisation 5 de bouchons de fermeture des extrémités de tubes de gainage de crayons d'assemblage de combustible pour réacteur nucléaire. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire un procédé de fabrication d'un demi-produit destiné à l'élaboration de produits tubulaires, selon l'invention, de manière comparative avec le procédé selon l'art anté10 rieur. La figure 1 est un schéma montrant de manière simplifiée les différentes étapes du procédé de fabrication du demi-produit. Sur la figure 1, on a représenté un lingot coulé 1 qui peut être un lingot de grandes dimensions dont le diamètre peut être compris entre 400 mm 15 et 700 mm et la longueur entre 2 m et 3 m, qui est obtenu par coulée d'un alliage de zirconium utilisé pour la fabrication de produits tubulaires pour la réalisation d'éléments d'assemblage de combustible. L'alliage de zirconium peut être par exemple un alliage Zircaloy 2 renfermant, en poids, de 1,2 % à 1,7 % d'étain, de 0,07 % à 0,20 % de fer, de 20 0,05 % à 0,15 % de chrome, de 0,03 % à 0,08 % de nickel, au plus 120 ppm de silicium et 150 ppm de carbone, le reste de l'alliage étant constitué par du zirconium à l'exception d'impuretés habituelles. L'alliage pour fabriquer le produit long peut être également un Zircaloy 4 renfermant en poids, de 1,2 % à 1,7 % d'étain, de 0,18 % à 0,24 % de fer, 25 de 0,07 % à 0,13 % de chrome, au plus 150 ppm de carbone, le reste de l'alliage étant constitué par du zirconium et des impuretés. L'alliage de zirconium utilisé pour fabriquer le produit long peut être également un alliage de type M5 renfermant essentiellement du zirconium et du niobium. Selon l'invention, on porte le lingot à une température à laquelle l'alliage de zirconium est en phase a + 13, pour réaliser la première étape de forgeage sur le lingot en phase a + P3. Généralement, on réalise la première étape de forgeage à une température comprise entre 8500C et 9500C et, par exemple, de manière typique, à 900QC dans le cas du Zircaloy 4. A cette température, les alliages de zirconium tels que les Zircaloy sont en phase a + P. Dans le cas des alliages 5 zirconium-niobium tels que l'alliage M5, le domaine aE + P s'étend dans une plage de températures sensiblement plus large que dans le cas des alliages de type Zircaloy, cette plage allant de 6000C à 950'C. On réalise le forgeage du lingot, comme dans le cas du procédé suivant l'art antérieur o ce forgeage était réalisé à haute température (par 10 exemple à 10500C), jusqu'à l'obtention d'une barre ou d'un produit à section carrée ou octogonale inscrite dans un cercle d'un diamètre de 250 mm à 400 mm, de manière typique, dans un cercle de diamètre 350 mm. La substitution d'un forgeage en phase a + P à un forgeage en phase D à plus haute température permet d'obtenir un produit intermédiaire dont les 15 caractéristiques sont analogues à celles du produit intermédiaire habituel obtenu par une première étape de forgeage en phase P. L'abaissement de la température de forgeage, par exemple de 1500C, se traduit par des économies substantielles quant à la mise en oeuvre du procédé de fabrication. En outre, le forgeage peut être réalisé en utilisant des outillages classiques, compte tenu d'une adaptation peu importante du procédé de forgeage. Dans le cas des alliages au zirconium-niobium tels que le M5, il est possible de réaliser le forgeage à une température sensiblement inférieure à 25 900'C, le domaine ax + P de l'alliage s'étendant depuis la température de 6000C, jusqu'à 9500C. Dans une première variante de l'invention, on peut réaliser la seconde phase du procédé de forgeage pour obtenir le demi-produit à partir du produit intermédiaire, de la même façon que dans le cas du procédé connu se30 lon l'art antérieur, c'est-à-dire effectuer un second forgeage en phase a à une température comprise entre 7000C et 8000C, pour obtenir une barre ayant un diamètre compris entre 100 mm et 250 mm. Selon une seconde variante du procédé, il est possible de réaliser la seconde étape de forgeage pour obtenir le demi-produit sous la forme d'une barre, à la même température que la première étape de forgeage, c'est-àdire sur le produit en phase ax + fP. Sur la figure, on a représenté de manière schématique l'installation de forgeage permettant de mettre en oeuvre la première étape de forgeage 2 sur le lingot 1 à une température à laquelle le lingot 1 est en phase aX + P. On obtient en sortie de la première étape de forgeage 2 un produit intermédiaire 3' constitué par une barre ou un produit à section carrée ou octogonale qui 10 est soumis à une seconde étape de forgeage 4 pour obtenir le demi-produit 3 sous la forme d'une billette ou d'une barre à partir de laquelle on peut obtenir, par extrusion ou laminage à chaud, le produit long final. Les outillages mis en oeuvre dans la première étape de forgeage 2 en phase x + p3 et dans la seconde étape de forgeage 4 peuvent être des outils 15 classiques utilisés dans le cadre d'un procédé selon l'art antérieur dans lequel la première étape 2 est réalisée sur le lingot 1 en phase P et la seconde étape 4 sur le produit intermédiaire 3' en phase ax. Dans le cas de l'invention, la seconde étape de forgeage 4 peut être réalisée à la même température que la première étape de forgeage 2, le 20 produit intermédiaire 3' étant en phase ca + P. La seconde étape 4 peut être également réalisée en phase a, comme dans le cas du procédé de l'art antérieur. Le produit intermédiaire 3' obtenu après la première étape de forgeage en phase cc + f3 peut être soumis à une étape de refroidissement d'un 25 type quelconque. Le produit intermédiaire 3' peut être immédiatement porté à la température de la seconde étape de forgeage, c'est-à-dire à une température à laquelle le produit est en phase a ou en phase a + P. Dans le cas o les deux étapes de forgeage sont réalisées en phase 30 ax + P, on peut prévoir un maintien en température du produit entre les deux étapes du forgeage. Le forgeage en deux étapes du lingot 1 permet d'obtenir une barre ou une billette dont le diamètre est compris entre 100 et 250 mm qui constitue le demi-produit qui est ensuite soumis à l'opération d'extrusion ou de laminage à chaud pour obtenir une pièce tubulaire ou une barre de faible diamè5 tre qui peut être utilisée pour la fabrication d'éléments pour des assemblages de combustible pour réacteur nucléaire. On a pu observer, en effectuant des analyses sur le demi-produit 3 ou sur des produits longs obtenus à partir du demi-produit que la quantité d'hydrures contenus dans l'alliage obtenu par le procédé suivant l'invention est 10 sensiblement inférieure à la quantité d'hydrures contenus dans un produit suivant l'art antérieur. En outre, le demi-produit ou les produits longs finaux obtenus à partir de ce demi-produit présentent des caractéristiques de structure et mécaniques sensiblement analogues à celles de produits obtenus par un procédé 15 suivant l'art antérieur. En particulier, les propriétés de tenue à la corrosion et de formabilité des produits tubulaires réalisés à partir du demi-produit selon l'invention sont sensiblement supérieures à celles d'un produit obtenu par le procédé selon l'art antérieur. L'un des avantages du procédé suivant l'invention est de simplifier le processus de fabrication du demi-produit en limitant la température de forgeage, lors de la première étape de forgeage et en supprimant éventuellement un refroidissement après la première étape de forgeage. On obtient ainsi une réduction de cot et de durée dans la mise en oeuvre du procédé. 25 Dans le cas des alliages Zircaloy 2 et Zircaloy 4, ou de tout autre alliage de zirconium renfermant de l'étain, le passage en phase a' + D de l'alliage, pour réaliser la première étape et éventuellement la seconde étape du procédé selon l'invention, peut entraîner la formation de ségrégations d'étain. Toutefois, on peut effacer ces ségrégations, lors de traitements ulté30 rieurs dans le cadre de l'élaboration du produit tubulaire final à partir du demi-produit. Il en est de même des éléments oxygène et azote. Dans le cas o l'on applique le procédé de l'invention à des alliages au niobium, comme indiqué plus haut, la transition entre les domaines aE et ca + D étant voisine de 6000C, la température de forgeage en phase a + 3 peut être sensiblement inférieure à 9000C, en tenant compte toutefois des propriétés de malléabilité de l'alliage à la température de forgeage. L'application du procédé suivant l'invention à d'autres alliages de zir5 conium que les Zircaloy ou les alliages au niobium pourrait être envisagée. Ces alliages renferment de manière générale au plus 3 % en poids d'éléments d'addition constitués par l'un au moins des éléments d'addition: étain, fer, chrome, nickel, oxygène, niobium, vanadium et silicium, le reste de l'alliage étant constitué par du zirconium et des impuretés inévitables. L'invention s'applique en particulier àla fabrication de produits tubulaires en alliage de zirconium pour la réalisation d'éléments d'assemblages de combustible tels que des tubes de gainage renfermant des pastilles de combustible ou des tubes-guides pour assemblages de combustible. L'invention s'applique également à la fabrication de barres à bou15 chons pour la réalisation de bouchons de fermeture des extrémités des tubes de gainage de crayons d'assemblages de combustible. Pour obtenir les produits finaux à partir du demi-produit, il peut être nécessaire d'effectuer des opérations ultérieures au filage, extrusion ou laminage à chaud du demi-produit, telles qu'un laminage à pas de pèlerin, des 20 traitements thermiques pouvant être effectués de plus entre les opérations de formage. L'invention ne se limite pas strictement aux modes de réalisation qui ont été décrits. La température du forgeage en phase cc + 3 dépend de la composition 25 de l'alliage de zirconium. Les opérations de formage peuvent être réalisées en utilisant les moyens habituels pour le formage en phase ax ou en phase 3 du procédé de l'art antérieur ou d'autres moyens adaptés au forgeage en phase a + p en une seule ou en deux étapes, pour obtenir le demi-produit. L'invention s'applique de manière générale à tout produit en alliage 30 technique de zirconium défini par les limites de composition données plus haut. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un demi-produit (3) en alliage de zirconium contenant en poids, au moins 97 % de zirconium, destiné à l'élaboration d'au moins un produit long, dans lequel on élabore un lingot (1) de 5 grandes dimensions par coulée de l'alliage de zirconium, puis le demiproduit (3) destiné à être soumis à un formage pour obtenir le produit long, par forgeage du lingot de grandes dimensions (1) en deux étapes, caractérisé par le fait que la première étape de forgeage (2) du lingot (1) de grandes dimensions est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium 10 est dans un état comportant les phases cristallines a et D de l'alliage de zirconium. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la première étape de forgeage (2) est réalisée à une température comprise entre 8500C et 950 C. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la première étape de forgeage est réalisée à une température d'environ 900'C. 4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 600'C et 9500C. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium d'un produit intermédiaire (3') obtenu par la première étape de forgeage (2) du lingot (1) est en phase aX. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac25 térisé par le fait que la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium d'un produit intermédiaire (3') obtenu à l'issue de la première étape de forgeage (2) du lingot (1) est dans un état comportant les phases cristallines cc et D de l'alliage de zirconium. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, carac30 térisé par le fait que l'alliage de zirconium renferme au plus 3 % en poids au total d'éléments d'addition constitués par l'un au moins des éléments: étain, fer, chrome, nickel, oxygène, niobium, vanadium et silicium, le reste de l'ai- il liage étant constitué par du zirconium, à l'exception des impuretés inévitables. 8.- Utilisation du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour la fabrication d'un demi-produit tel qu'une barre ou une billette 5 destinée à l'élaboration d'un produit tubulaire pour la réalisation d'un élément pour assemblage de combustible tel qu'un tube de gainage ou un tube-guide d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau ou encore un élément d'assemblage de combustible pour un réacteur CANDU. 9.- Utilisation du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour la fabrication d'une barre destinée à la fabrication d'une barre à bouchons de faible diamètre pour la réalisation de bouchons de fermeture des extrémités de tubes de gainage de crayons d'assemblage de combustible pour réacteur nucléaire.