Procédé d'obtention d'un matériau composite aluminium-alumine
La présente invention a pour objet un procédé d'obtention d'un matériau composite aluminium-alumine, de teneur en alumine de 2 à 20 %, à forte ductilité.
Comme il est connu, l'aluminium-alumine offre de nombreux avantages pour différentes applications, par exemple comme matériaux de gainage pour les éléments combustibles de certains types de réacteurs nucléaires.
Le matériau aluminium-alumine est préparé de la façon suivante. Une poudre d'aluminium est partiellement oxydée en AO9, la partie en poids de All dans la poudre oxydée pouvant varier de 2 % à 20 %.
La poudre oxydée est d'abord agglomérée à froid, puis elle est frittée pour former un lingot ou une billette.
De préférence, la poudre agglomérée est dégazée avant le frittage. Le lingot ou la biellette fritté est ensuite traité métallurgiquement au moins par une opération d'extrusion pour obtenir les propriétés nécessaires du demi-produit ou du produit fini.
En ce qui concerne la fabrication des gaines d'éléments de combustible nucléaire en utilisant ce matériau Al-A1203, il est maintenant bien connu que ce matériau possède de bonnes caractéristiques mécaniques de résistance thermique qui ont été prouvées par des essais à long terme.
Cependant, son utilisation est actuellement limitée à la fabrication de gaines d'éléments combustibles sous la forme d'une boîte rigide résistante par elle-même, en raison de l'absence de ductilité au fluage de ce matériau.
A titre d'exemple, des essais de résistance à la traction et au fluage à 4520 C sur des éprouvettes en Al
Al203 donnent les valeurs moyennes suivantes:
Exemple I
(Barreaux extrudés en Al-A12O0 fritté contenant
4 % d'alumine)
Essais de résistance à la traction (traction rapide)
Résistance à la rupture R = 6 kg/mm2
Limite élastique à 0,2 % d'allonge
ment permanent = 5,5 kg/mm2
Allongement total % (5 diamètres) A:
:, = 6 0
Essais de fluage de 1000 heures
Résistance à la rupture
EMI1.1
Allongement total % (5 diamètres)
EMI1.2
Exentple 2
(Barreaux extrudés en Al-AIS03 fritté
contenant 7 % d'alumine)
Essais de résistance à la traction (traction rapide)
Résistance à la rupture R = 8 kg/mm2
Limite élastique à 0,2 % d'allonge
ment permanent 7 kg/mm2
Allongement total % (5 diamètres) A3= 4 %
Essais de fluage de 1000 heures
Résistance à la rupture
EMI1.3
Allongement total % (5 diamètres)
EMI1.4
L'allongement avant rupture est d'environ 0,5 %.
Exemple 3
(tubes extrudés à ailettes hélicoidales
en Al-AI,03 contenant 7 % d'alumine)
Essais de résistance à la traction (traction rapide)
Résistance à la rupture R = 8,5 kg/mm2
Allongement total % (5 diamètres) A6= 4 %
Essai d'éclatement
Force d'éclatement a = 7 kg/mm"
La valeur de l'allongement à la rupture A6, qui est en général inférieure à 1 % pour les matériaux de Al- AtOss de différentes teneurs en oxyde, est très caractéristique de la très faible ductilité au fluage du matériau.
Il est par suite intéressant d'améliorer la ductilité au fluage en conservant cependant les bonnes propriétés mécaniques considérées ci-dessus du point de vue de l'utilisation du matériau pour des applications nucléaires, afin de former avec ce matériau des gaines d'éléments combustibles résistantes et ductiles.
Le procédé d'obtention d'un matériau composite aluminium-alumine à forte ductilité selon l'invention est caractérisé en ce que l'on part soit d'une poudre d'Al, soit d'une poudre d'aluminium oxydée, soit d'un barreau en matériau composite en Al-Al2O5; en ce que l'on projette à chaud sur une âme de base lesdites poudres ou ledit barreau transformé en fil afin d'obtenir un lingot ou une billette en ce matériau composite.
La projection, qui se fait de préférence au pistolet de métallisation de métaux, peut être effectuée à une distance variant de 50mm à 250mm du corps de base.
La direction de la projection peut varier de la perpendiculaire à la parallèle par rapport à l'axe du corps de base, la direction parallèle étant préférable.
Les caractéristiques du procédé, objet de l'invention ressortiront plus particulièrement des quatre exemples de réalisation particuliers donnés ci-après.
Exemples de réalisation I et 2
(Al-AloO3 à 4 % et Al-Al2O5 à 7 %)
Un premier lingot ou billette de Al-A12O5 avec 4 % ou 7 % d'alumine obtenu par une fabrication normale et d'un diamètre de 70 mm est transformé en fil par extrusion à environ 5700 C à travers une filière pour obtenir une tige d'un diamètre de 5 mm étirée ensuite à la température ambiante en trois ou quatre passes pour obtenir du fil de 3 mm de diamètre.
Le fil est ensuite projeté au moyen d'un pistolet de métallisation (Mark Metco) pour former une nouvelle billette.
La projection du métal est faite avec les conditions de fonctionnement suivantes:
Débit d'oxygène (O2) : 50 I/mn
Débit d'acétylène : 50 I/mn
Pression d'air comprimé : 4,5 kg/cm2
Distance de projection : environ 100mm
Direction de projection : perpendiculairement à l'axe
d'une âme pleine (corps de
base) ou de la billette en
formation respectivement.
La projection est arrêtée quand une billette a atteint une épaisseur d'environ 2 cm, suffisante pour permettre l'usinage au tour pour obtenir une surface entièrement cylindrique.
Après le tournage ou la rectification à la forme cylindrique, la projection est recommencée jusqu'à obtenir une billette d'un diamètre d'environ 70mm. Cette billette est ensuite ajustée au tour à un diamètre de 68,4 mm et ensuite dégazée dans un four sous vide poussé de 10-5 mm Hg à 6000 C pendant 20 heures.
La billette dégazée est ensuite extrudée à travers une filière à 5200 C pour obtenir un barreau d'un diamètre de 20 mm. Les conditions d'extrusion sont les suivantes:
Diamètre du cylindre d'extrusion: 70 mm
Température du cylindre : 500 oC
Température de la filière : 480 o C
Rapport d'extrusion 12,3
Vitesse d'extrusion :
7,38 m/mn
Dans le cas du Al-AI2OX à 4 %, les essais de résistance à la traction et de fluage effectués à 450O C donnent les valeurs moyennes suivantes:
Essais de résistance à la traction (traction rapide)
Résistance à la rupture R = 6 kg/mme
Limite élastique à 2 '7c d'allonge
ment permanent 5,5 kg/mm2
Allongement total % (5 diamètres) A = 15 %
Essais de fluage de 1000 heures
Résistance à la rupture
EMI2.1
Allongement total % (5 diamètres)
EMI2.2
Ces résultats montrent que les caractéristiques de résistance thermique sont maintenues aux valeurs précitées, tandis que la ductilité au fluage et à la traction devient bien supérieure, en particulier,
la valeur A5 de la ductilité au fluage passe de moins de 17, à environ 15%.
Dans le cas du Al-Al2O1 à 7 %, les essais de résistance à la traction et de fluage effectués à 4500 C donnent les valeurs moyennes suivantes:
Essais de fluage de 1000 heures
Résistance à la rupture
EMI2.3
Allongement total % (5 diamètres)
EMI2.4
Ces résultats montrent que les caractéristiques de résistance thermique sont maintenues aux valeurs précitées. tandis que la ductilité au fluage augmente considérablement, de moins de 1 % à environ 4,5 %.
Exemple de réalisation 3
(AI-AI,O, à 7 % projeté sur un tube de Al)
La transformation du matériau de départ en fil et les conditions de fonctionnement pour la projection au pistolet sont les mêmes que pour les exemples de réalisation 1 et 2. Cependant, au lieu de la projection sur une âme pleine, la projection est faite sur un tube en aluminium tournant de 10 à 70 t/mn jusqu'à ce qu'on obtienne une billette d'un diamètre extérieur d'environ 70 mm. Cette billette est ensuite tournée pour obtenir un diamètre ex térieur de 68,4 mm et un diamètre intérieur de 25,75 mm.
La billette est aussi dégazée dans un four à vide (10-6mm Hg) à 6000 C pendant 20 heures.
Le tube dégazé est ensuite extrudé à travers une tuyère à 1750 C pour obtenir un tube à ailettes hélicoïdales.
Les conditions d'extrusion sont les suivantes
Diamètre du cylindre d'extrusion : 70 mm
Température du cylindre : 5500 C
Température de la filière 540 o C
Rapport d'extrusion : 25 o
Vitesse d'extrusion 25 m/mn
Les essais mécaniques effectués à 450O C donnent les valeurs moyennes suivantes:
Essais de résistance à la traction (traction rapide) à 4500 C
Résistance à la rupture . R = 9 kg/mm2
Allongement total % (5 diamètres) Ao= 4 %
Essais d'éclatement:
:
Force d'éclatement a = 8 kg/mm2
Exemple de réalisation 4
(Al-Al,Os à 7 % projeté parallèlement à l'axe
de la billette)
Pour cet exemple, Extrusion à l'état de fil et les conditions de fonctionnement pendant la projection sont les mêmes que précédemment. Cependant, tandis que dans les trois premiers exemples de réalisation la projection est faite perpendiculairement à l'axe de la billette, suivant le présent exemple, elle est faite approximativement parallèlement à cet axe sur le disque tournant à 30 t/mn. Une billette massive d'un diamètre de 70mm et d'une longueur de 120mm est préparée de cette façon. La billette est ensuite usinée au tour à un diamètre de 68,4 mm et une longueur de 100 mm, après quoi elle est dégazée de la même façon que dans les exemples précédents.
La transformation de la billette en un barreau d'un diamètre de 20mm est aussi faite dans les mêmes conditions que pour les exemples de réalisation 1 et 2.
Les essais de fluage effectués à 4500 C donnent les valeurs moyennes suivantes.
Essais de fluage de 300 heures
Résistance à la rupture
EMI3.1
Allongement total % (5 diamètres)
EMI3.2
L'allongement avant rupture est d'environ 2,5 %.
Ces résultats montrent aussi dans le cas du troisième et du quatrième exemple de réalisation que les caractéristiques de résistance thermique sont conservées tandis que la ductilité au fluage devient bien supérieure.
La valeur de A passe de moins de 1 % à environ 4 %, avec un allongement avant rupture bien supérieur que pour des barreaux en Al-A1,03 extrudés normaux.
REVENDICATION I
Procédé d'obtention d'un matériau composite aluminium-alumine, de teneur en alumine de 2 à 20cl,, à forte ductilité, caractérisé en ce que l'on part soit d'une poudre d'Ai, soit d'une poudre d'aluminium oxydée, soit d'un barreau en matériau composite en Al-Al2O3; en ce que l'on projette à chaud sur une âme de base lesdites poudres ou ledit barreau transformé en fil afin d'obtenir un lingot ou une billette en ce matériau composite.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la projection se fait au pistolet de métallisation à une distance de 50 mm à 250 mm du corps de base avec une direction de projection pouvant varier de la perpendiculaire à la parallèle à l'axe du corps de base.
2. Procédé selon la sous-revendication 1, caractérisé en ce que la projection au pistolet de métallisation est faite dans une direction approximativement parallèle à l'axe du corps de base.
3. Procédé selon la revendication I, ou une des sousrevendications 1 et 2, caractérisé en ce que la projection se fait au pistolet de métallisation à une température d'au moins 8000 C environ pendant des intervalles strictement limités de quelques secondes ou de préférence inférieurs à une seconde.
4. Procédé selon la revendication I, ou une des sousrevendications 1 à 3, caractérisé en ce que le lingot ou la billette préparé est soumis à un traitement thermique de dégazage et de stabilisation de l'oxyde dans un four à vide.
5. Procédé selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que le traitement thermique de dégazage et de stabilisation de l'oxyde est effectué à une température comprise entre 5500 C et 6250 C sous une pression résiduelle comprise entre 10-2 et 10-j mm Hg pendant une durée de 10 à 30 heures.
6. Procédé selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué pendant une durée de 20 à 24 heures.
REVENDICATION II
Matériau composite aluminium-alumine obtenu par le procédé selon la revendication 1.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Process for obtaining an aluminum-alumina composite material
The present invention relates to a process for obtaining an aluminum-alumina composite material, with an alumina content of 2 to 20%, with high ductility.
As is known, aluminum-alumina offers many advantages for different applications, for example as cladding materials for the fuel elements of certain types of nuclear reactors.
The aluminum-alumina material is prepared as follows. Aluminum powder is partially oxidized to AO9, the part by weight of All in the oxidized powder being able to vary from 2% to 20%.
The oxidized powder is first cold agglomerated, then it is sintered to form an ingot or billet.
Preferably, the agglomerated powder is degassed before sintering. The ingot or the sintered rod is then treated metallurgically at least by an extrusion operation to obtain the necessary properties of the semi-finished product or of the finished product.
With regard to the fabrication of the cladding of nuclear fuel elements using this Al-A1203 material, it is now well known that this material has good mechanical thermal resistance characteristics which have been proven by long term tests.
However, its use is currently limited to the manufacture of fuel element sheaths in the form of a strong rigid box by itself, due to the lack of creep ductility of this material.
For example, tensile strength and creep tests at 4520 C on Al test pieces
Al203 give the following average values:
Example I
(Extruded sintered Al-A12O0 bars containing
4% alumina)
Tensile strength tests (rapid traction)
Tensile strength R = 6 kg / mm2
Yield strength at 0.2% elongation
permanent = 5.5 kg / mm2
Total elongation% (5 diameters) A:
:, = 6 0
1000 hour creep tests
Tear resistant
EMI1.1
Total elongation% (5 diameters)
EMI1.2
Example 2
(Sintered Al-AIS03 extruded bars
containing 7% alumina)
Tensile strength tests (rapid traction)
Tensile strength R = 8 kg / mm2
Yield strength at 0.2% elongation
permanent 7 kg / mm2
Total elongation% (5 diameters) A3 = 4%
1000 hour creep tests
Tear resistant
EMI1.3
Total elongation% (5 diameters)
EMI1.4
The elongation before rupture is approximately 0.5%.
Example 3
(extruded tubes with helical fins
in Al-Al, 03 containing 7% alumina)
Tensile strength tests (rapid traction)
Tensile strength R = 8.5 kg / mm2
Total elongation% (5 diameters) A6 = 4%
Burst test
Burst force a = 7 kg / mm "
The value of the elongation at break A6, which is generally less than 1% for Al-AtOss materials of different oxide contents, is very characteristic of the very low creep ductility of the material.
It is therefore advantageous to improve creep ductility while retaining, however, the good mechanical properties considered above from the point of view of the use of the material for nuclear applications, in order to form cladding of fuel elements with this material. strong and ductile.
The process for obtaining a high ductility aluminum-alumina composite material according to the invention is characterized in that the starting material is either an Al powder, or an oxidized aluminum powder, or d a bar made of composite material of Al-Al2O5; in that said powders or said bar transformed into a wire are hot sprayed onto a base core in order to obtain an ingot or a billet of this composite material.
The projection, which is preferably done with a metal metallization gun, can be carried out at a distance varying from 50mm to 250mm from the base body.
The direction of the projection may vary from perpendicular to parallel to the axis of the base body, the parallel direction being preferable.
The characteristics of the process which is the subject of the invention will emerge more particularly from the four particular exemplary embodiments given below.
Examples of realization I and 2
(Al-AloO3 4% and Al-Al2O5 7%)
A first ingot or billet of Al-A12O5 with 4% or 7% alumina obtained by normal manufacturing and with a diameter of 70 mm is made into wire by extrusion at about 5700 C through a die to obtain a rod of 'a 5 mm diameter then stretched at room temperature in three or four passes to obtain wire 3 mm in diameter.
The wire is then projected by means of a metallization gun (Mark Metco) to form a new billet.
The metal projection is made with the following operating conditions:
Oxygen flow (O2): 50 I / min
Acetylene flow rate: 50 l / min
Compressed air pressure: 4.5 kg / cm2
Projection distance: about 100mm
Projection direction: perpendicular to the axis
of a full soul (body of
base) or billet in
training respectively.
The projection is stopped when a billet has reached a thickness of about 2 cm, sufficient to allow the lathe machining to obtain a fully cylindrical surface.
After turning or grinding to the cylindrical shape, the projection is started again until a billet with a diameter of about 70mm is obtained. This billet is then rotated to a diameter of 68.4 mm and then degassed in a high vacuum oven of 10-5 mm Hg at 6000 C for 20 hours.
The degassed billet is then extruded through a die at 5200 C to obtain a bar with a diameter of 20 mm. The extrusion conditions are as follows:
Diameter of extrusion cylinder: 70 mm
Cylinder temperature: 500 oC
Die temperature: 480 o C
Extrusion ratio 12.3
Extrusion speed:
7.38 m / min
In the case of Al-AI2OX at 4%, the tensile strength and creep tests carried out at 450O C give the following average values:
Tensile strength tests (rapid traction)
Tensile strength R = 6 kg / mme
Yield strength at 2'7c draw
permanent 5.5 kg / mm2
Total elongation% (5 diameters) A = 15%
1000 hour creep tests
Tear resistant
EMI2.1
Total elongation% (5 diameters)
EMI2.2
These results show that the thermal resistance characteristics are maintained at the aforementioned values, while the creep and tensile ductility becomes much higher, in particular,
the value A5 of the creep ductility drops from less than 17 to about 15%.
In the case of Al-Al2O1 at 7%, the tensile strength and creep tests carried out at 4500 C give the following average values:
1000 hour creep tests
Tear resistant
EMI2.3
Total elongation% (5 diameters)
EMI2.4
These results show that the thermal resistance characteristics are maintained at the aforementioned values. while the creep ductility increases dramatically, from less than 1% to about 4.5%.
Example 3
(AI-AI, O, at 7% projected onto a tube of Al)
The transformation of the starting material into wire and the operating conditions for spraying with a spray gun are the same as for embodiments 1 and 2. However, instead of spraying on a solid core, spraying is done on a tube. made of aluminum rotating at 10 to 70 rpm until a billet with an outside diameter of about 70 mm is obtained. This billet is then rotated to obtain an outside diameter of 68.4 mm and an inside diameter of 25.75 mm.
The billet is also degassed in a vacuum oven (10-6mm Hg) at 6000 C for 20 hours.
The degassed tube is then extruded through a nozzle at 1750 C to obtain a tube with helical fins.
The extrusion conditions are as follows
Diameter of extrusion cylinder: 70 mm
Cylinder temperature: 5500 C
Die temperature 540 o C
Extrusion ratio: 25 o
Extrusion speed 25 m / min
The mechanical tests carried out at 450O C give the following average values:
Tensile strength tests (rapid traction) at 4500 C
Tear resistant . R = 9 kg / mm2
Total elongation% (5 diameters) Ao = 4%
Burst tests:
:
Burst force a = 8 kg / mm2
Example 4
(Al-Al, Os at 7% projected parallel to the axis
of the billet)
For this example, Extrusion in wire state and the operating conditions during projection are the same as before. However, while in the first three exemplary embodiments the projection is made perpendicular to the axis of the billet, according to the present example, it is made approximately parallel to this axis on the disc rotating at 30 rpm. A massive billet with a diameter of 70mm and a length of 120mm is prepared in this way. The billet is then lathe machined to a diameter of 68.4mm and a length of 100mm, after which it is degassed in the same way as in the previous examples.
The transformation of the billet into a bar with a diameter of 20mm is also carried out under the same conditions as for embodiments 1 and 2.
The creep tests carried out at 4500 C give the following average values.
300 hour creep tests
Tear resistant
EMI3.1
Total elongation% (5 diameters)
EMI3.2
The elongation before rupture is approximately 2.5%.
These results also show in the case of the third and fourth exemplary embodiments that the thermal resistance characteristics are retained while the creep ductility becomes much higher.
The value of A goes from less than 1% to about 4%, with a much higher elongation before break than for normal extruded Al-A1.03 bars.
CLAIM I
Process for obtaining an aluminum-alumina composite material, with an alumina content of 2 to 20cl, with high ductility, characterized in that the starting material is either an Al powder or a powder of oxidized aluminum, or a bar made of composite material of Al-Al2O3; in that said powders or said bar transformed into a wire are hot sprayed onto a base core in order to obtain an ingot or a billet of this composite material.
SUB-CLAIMS
1. Method according to claim I, characterized in that the projection is carried out with a metallization gun at a distance of 50 mm to 250 mm from the base body with a projection direction which may vary from perpendicular to parallel to the axis of the base body.
2. Method according to sub-claim 1, characterized in that the projection with the metallization gun is made in a direction approximately parallel to the axis of the base body.
3. Method according to claim I, or one of subclaims 1 and 2, characterized in that the projection is carried out with a metallization gun at a temperature of at least 8000 C approximately for strictly limited intervals of a few seconds or preferably less. at a second.
4. Method according to claim I, or one of subclaims 1 to 3, characterized in that the ingot or the billet prepared is subjected to a heat treatment of degassing and stabilization of the oxide in a vacuum furnace.
5. Method according to sub-claim 4, characterized in that the heat treatment of degassing and stabilization of the oxide is carried out at a temperature between 5500 C and 6250 C under a residual pressure between 10-2 and 10- j mm Hg for a period of 10 to 30 hours.
6. Method according to sub-claim 5, characterized in that the heat treatment is carried out for a period of 20 to 24 hours.
CLAIM II
Aluminum-alumina composite material obtained by the process according to claim 1.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.