FR2849865A1 - Procede de fabrication d'un demi-produit en alliage de zirconium pour l'elaboration d'un produit plat et utilisation - Google Patents

Abstract

On élabore un lingot (1) de grandes dimensions par coulée de l'alliage de zirconium, puis on forge le lingot pour obtenir le demi-produit (8). Le demi-produit (8) qui peut être une brame pour la fabrication d'un produit plat est élaboré à partir du lingot coulé (1) de grandes dimensions, par une seule opération de forgeage (7) à une température à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant à la fois les phases cristallines alpha et bêta de l'alliage.

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un demi-produit en

alliage de zirconium destiné à l'élaboration d'un produit plat 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 de 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 et du fer tel que l'alliage Zircaloy 2 ou Zircaloy 4.

Les boîtiers de forme parallélépipédique des assemblages de combustible pour réacteurs BWR sont également généralement réalisés à partir de produits plats en alliage de zirconium tel que le Zircaloy 2 ou le Zircaloy 20 4.

D'autres alliages tels que l'alliage connu sous l'appellation commerciale 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 tubulaires.

De manière générale, les alliages de zirconium utilisés pour la fabrication d'éléments pour assemblages de combustible renferment au moins 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, 30 l'étain ou le niobium.

Les alliages de zirconium répondant à ces conditions relatives à leur composition peuvent se présenter, suivant la température et les traitements thermiques qu'ils ont subis, sous l'une ou l'autre des deux formes allotropi- ques 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 traite5 ments, les alliages de zirconium, tels que les alliages techniques utilisés pour la fabrication d'éléments d'assemblages de combustible définis plus haut peuvent présenter une structure mixte alpha + bêta.

L'élaboration de produits plats en alliage de zirconium fait intervenir de nombreuses étapes successives de formage à chaud et à froid et de trai10 tement thermique.

Le produit de départ est généralement un très gros lingot obtenu par coulée d'un alliage ajusté à la nuance choisie. De manière typique, on réalise la coulée d'un lingot ayant un diamètre compris entre 400 mm et 800 mm et une longueur comprise entre 2 m et 3 m.

Le lingot est chauffé, de manière que l'alliage se trouve en phase bêta puis on réalise une première étape de forgeage sur le lingot chauffé en phase bêta. De manière typique, le lingot peut être chauffé à 10500C pendant dix heures, préalablement au forgeage.

Après une première étape de forgeage, on réalise une trempe du 20 produit obtenu par forgeage, depuis la phase bêta.

On réalise alors une seconde étape de forgeage à une température inférieure à 8000C, l'alliage étant en phase alpha, dans le cas des alliages de type Zircaloy. A l'issue de la seconde étape de forgeage, le produit obtenu, qui constitue le demi-produit du procédé d'élaboration d'un produit plat, 25 est une brame qui peut avoir une épaisseur de l'ordre de 100 mm.

La brame est ensuite soumise à différentes opérations de laminage à chaud puis de laminage à froid pour obtenir un produit plat final tel qu'un feuillard d'une épaisseur de 0,2 mm à 4 mm. Des traitements thermiques de trempe et de recuit sont effectués entre certaines au moins des opérations 30 de formage du produit plat final.

Le procédé de transformation qui a été décrit comporte de nombreuses phases de traitement successives et en particulier plusieurs trempes depuis le domaine bêta pour obtenir le demi-produit tel qu'une brame, qui est formé à chaud et le second produit intermédiaire qui est formé à froid.

Au cours des étapes de refroidissement des produits ou lors des étapes de trempe, le produit en alliage de zirconium vient au contact d'air hu5 mide et/ou d'eau, si bien qu'il absorbe de l'hydrogène qui se fixe 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.

La précipitation des hydrures se produit généralement dans un intervalle de températures allant de 220'C à 100'C, pendant le refroidissement du produit et les hydrures se forment en une quantité d'autant plus grande et sous une forme plus grossière que le matériau a absorbé davantage d'hydrogène.

Du fait qu'il est avantageux de limiter la formation des hydrures dans le matériau ou de favoriser la formation préférentielle d'hydrures sous forme fine, il est préférable de conduire les traitements de transformation des produits en alliage de zirconium de manière telle que ces produits absorbent la plus faible quantité possible d'hydrogène, au cours des opérations de for20 mage et de traitement thermique.

En outre, il serait avantageux de pouvoir simplifier le procédé de formage qui est complexe et comporte de nombreuses opérations successives.

Dans le brevet français 2.334.763, on a proposé un procédé de traitement thermique et/ou thermomécanique d'un alliage de zirconium renfer25 mant plus de 150 ppm de carbone, dans un domaine de températures compris entre 8300C et 9500C, afin de solubiliser une partie au moins du carbone, aucun traitement thermique ultérieur n'étant effectué à une température supérieure à 9500C.

Le traitement thermique ou thermomécanique dans le domaine de 30 températures de 830'C à 9500C qui correspond à un domaine dans lequel les phases alpha et bêta sont présentes dans l'alliage n'est mis en oeuvre qu'après un premier forgeage d'un lingot en phase bêta suivi d'une trempe à l'eau.

Le traitement selon le brevet 2.334.763 n'est adapté qu'à des alliages de zirconium d'un type particulier et ne permet pas de modifier les premières phases de l'élaboration des produits au cours desquelles on effectue une trempe à l'eau. De plus, les étapes d'élaboration ultérieures au traitement 5 thermique ou thermomécanique en phase alpha + bêta ne peuvent être effectuées à une température supérieure à 950'C.

Le procédé selon le brevet antérieur est donc limité quant à ses applications et aux résultats obtenus en ce qui concerne la présence d'hydrures dans le produit final.

Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un demiproduit en alliage de zirconium contenant en poids au moins 97 % de zirconium, destiné à l'élaboration de produits plats, dans lequel on élabore un lingot de grandes dimensions par coulée de l'alliage de zirconium, puis par forgeage du lingot de grande dimension, le demiproduit destiné à être 15 laminé à chaud puis à froid pour obtenir un produit plat, des traitements thermiques de trempe et de recuit étant intercalés entre certaines au moins des opérations de formage, ce procédé permettant de simplifier et de rendre moins coteuse la fabrication du produit et de limiter à des niveaux faibles la présence d'hydrures défavorables pour la formabilité et la tenue à la corros20 ion du produit en alliage de zirconium.

Dans ce but, le demi-produit est élaboré à partir du lingot coulé de grandes dimensions, par une seule opération de forgeage à une température à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant les phases cristallines aE et a de l'alliage de zirconium. 25 Selon des modalités particulières: - le demi-produit est une brame; - la brame présente une épaisseur d'environ 100 mm et elle est destinée à la fabrication d'un produit plat ayant une épaisseur comprise entre 0,2 mm et4 mm; - le forgeage de l'alliage de zirconium en phase ac et D est réalisé à une température comprise entre 8200C et 9600C; et - 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'alliage étant constitué par du zirconium, à l'exception des impuretés inévitables.

L'invention est également relative à l'utilisation du procédé pour la fabrication d'une brame destinée à l'élaboration d'un produit plat d'une 5 épaisseur comprise entre 0,2 mm et 4 mm pour la réalisation d'un élément pour assemblage de combustible nucléaire tel qu'une plaquette de grilleentretoise d'assemblage de combustible pour réacteur PWR ou une paroi de boîtier d'assemblages de combustible pour réacteur BWR ou encore un élément d'assemblage de combustible d'un réacteur CANDU.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, de manière comparative, un procédé de fabrication d'un demi-produit destiné à l'élaboration de produits plats, selon l'art antérieur et selon l'invention.

La figure 1 est un schéma montrant de manière symbolique les différentes étapes d'un procédé de fabrication selon l'art antérieur.

La figure 2 est une représentation schématique, analogue à celle de la figure 1, du procédé de fabrication suivant l'invention permettant d'obtenir le 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 20 et 800 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 plats pour la réalisation d'éléments d'assemblages 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 0,05 à 25 0,15 % de chrome, de 0,03 à 0,08 % de nickel, au plus 120 ppm de silicum 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 plat 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, de 30 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 est coulé sous la forme du lingot de grandes dimensions I qui est ensuite porté à une température supérieure à 1000'C et par exemple à une température de 10500C pendant dix heures, de manière que l'alliage du lingot soit entièrement en phase cubique bêta stable à haute température.

Le lingot coulé est ensuite forgé à une température située dans le 5 domaine bêta de l'alliage et, par exemple, à une température voisine de 10000C, sous la forme d'un produit plat de forte épaisseur appelé brame, comme représenté par l'étape 2 sur la figure 1.

La brame 3, de forte épaisseur, subit ensuite une trempe à l'eau ou à l'air humide, comme représenté de manière symbolique par les flèches re10 présentant une troisième étape 4 du procédé de fabrication.

Lors d'une quatrième étape représentée en 5 sur la figure 1, la brame de forte épaisseur 3 est forgée à une température située dans le domaine alpha de l'alliage de zirconium, par exemple à une température de l'ordre de 8000C.

On obtient une brame 3 ayant une épaisseur qui peut être de l'ordre de 100 mm et qui constitue le demi-produit issu du forgeage et soumis à un laminage à chaud puis à un laminage à froid pour obtenir le produit plat final sous la forme d'une tôle ou feuillard d'une épaisseur qui peut être comprise entre 0,2 mm et 4 mm.

Le forgeage initial du lingot 1 en phase bêta (étape 2 du procédé) doit être suivi d'une trempe en phase bêta (étape 4 du procédé), du fait que le métal qui se refroidit au cours du forgeage peut comporter une zone externe en phase alpha + bêta entraînant la formation de ségrégations d'éléments alphagènes tels que l'étain et l'oxygène et d'éléments bêtagènes tels que le 25 fer, le chrome, le nickel ou le niobium, suivant les éléments contenus dans l'alliage.

Ces ségrégations sont nuisibles aux propriétés d'utilisation de l'alliage et en particulier aux propriétés de résistance à la corrosion et d'aptitude à l'emboutissage.

La trempe en phase bêta suppose la mise en contact avec la brame 3 d'un milieu de trempe constitué par de l'eau ou de l'air humide, c'est-à-dire un milieu contenant de l'hydrogène.

De l'hydrogène est absorbé par la brame au moment du traitement thermique et se fixe à l'intérieur de l'alliage sous forme d'hydrures.

L'aptitude au formage et la tenue à la corrosion du produit plat en alliage de zirconium sont donc détériorées.

Le procédé suivant l'invention pour la fabrication d'une brame destinée à l'élaboration de produits plats sera décrit en regard de la figure 2.

Le lingot coulé de grandes dimensions 1 en alliage de zirconium est soumis à une seule opération de forgeage 7 en phase ax + 3 pour obtenir la brame 8 sensiblement analogue à la brame 3 obtenue par le procédé com10 plexe de forgeage en phase f, trempe depuis la phase D et forgeage en phase a.

Le procédé suivant l'invention consiste donc à substituer aux trois premières étapes 2, 4 et 5 du procédé suivant l'art antérieur, c'est-àdire à l'étape 2 de forgeage en phase bêta (au-dessus de 10000C), suivie de 15 l'étape 4 de trempe de la brame 3' depuis la phase bêta et d'un forgeage en phase alpha à une température inférieure à 800'C, une simple étape 7 de forgeage en phase alpha + bêta, par exemple dans le cas des alliages Zircaloy 2 et 4, à une température comprise entre 8200C et 9600C et par exemple à une température de l'ordre de 900 C.

Le lingot 1 est forgé de manière qu'on obtienne une brame 8 dont l'épaisseur peut être de l'ordre de 100 mm qui constitue le demi-produit qui est ensuite soumis aux opérations de laminage à chaud et de laminage à froid tel que décrit plus haut, séparées par des étapes de traitement thermique de trempe et de recuit.

On a pu observer, en effectuant des analyses sur le demi-produit 8 ou sur des produits plats obtenus à partir du demi-produit, que la quantité d'hydrures contenus dans l'alliage obtenu par le procédé suivant l'invention est sensiblement inférieure à la quantité d'hydrures contenus dans un produit suivant l'art antérieur.

On a pu mesurer sur le demi-produit qui est une brame dans le cas de la fabrication de produits plats, une teneur en hydrogène deux fois plus faible que dans le cas du procédé selon l'art antérieur, lorsqu'on met en oeu- vre un forgeage en phase a et P en remplacement des trois étapes initiales du procédé d'élaboration selon l'art antérieur.

Les hydrures précipités dans le produit suivant l'invention sont également d'une taille généralement plus faible que les hydrures précipités dans un produit plat selon l'art antérieur.

Les propriétés de tenue à la corrosion et de formabilité du produit plat réalisé à partir du demi-produit obtenu selon l'invention sont donc sensiblement supérieures à celles d'un produit obtenu par le procédé selon l'art antérieur.

Ces résultats avantageux et surprenants pourraient être dus à l'absence de la trempe à haute température sur une brame obtenue par forgeage en phase p. En effet, cette trempe à haute température sur la brame 3' qui est réalisée avec un milieu de trempe contenant de l'hydrogène produit une ab15 sorption d'hydrogène par le produit et la formation ultérieure d'hydrures.

En outre, un des avantages du procédé suivant l'invention est de simplifier considérablement le processus de fabrication du demi-produit. On obtient ainsi une réduction substantielle de cot et de durée dans la mise en oeuvre du procédé.

En outre, le produit n'est porté qu'à une température située dans le domaine a et P, c'est-à-dire une température sensiblement inférieure à la température de maintien en phase P du procédé suivant l'art antérieur.

Dans le cas des alliages Zircaloy 2 et 4 dont la composition a été donnée ci-dessus, le forgeage du lingot 1 en phase ax + P est réalisé dans 25 un intervalle de température allant de 8200C à 9600C et par exemple à 9000C.

Dans le cas des alliages Zircaloy 2 et 4 ou de tout autre alliage renfermant de l'étain, le passage en phase a + f3 de l'alliage pour réaliser le forgeage du procédé selon l'invention peut entraîner la formation des ségréga30 tions d'étain.

Toutefois, on peut facilement effacer ces ségrégations lors de traitements ultérieurs dans le cadre de l'élaboration du produit plat final à partir du demi-produit.

Dans le cas o l'on applique le procédé de l'invention à des alliages au niobium dont la transition entre les domaines a et a + D peut être voisine de 6000C, la température de forgeage en phase ax + D peut être sensiblement inférieure à 9000C, en tenant compte toutefois des propriétés de mal5 léabilité de l'alliage à la température de forgeage.

L'application du procédé selon l'invention à d'autres alliages de zirconium que le 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, 10 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 à la fabrication d'un produit plat en alliage de zirconium pour la réalisation d'éléments d'assemblage de combustible tels que des plaquettes pour la réalisation de grillesentretoises d'as15 semblages pour réacteur nucléaire de type PWR ou des parois de boîtier pour assemblage pour réacteur BWR, ou des éléments d'assemblages de combustible pour réacteurs CANDU.

L'invention ne se limite pas strictement aux modes de réalisation qui ont été décrits.

La température du forgeage en phase ax et D dépend de la composition de l'alliage de zirconium. Les opérations de forgeage peuvent être réalisées en utilisant les moyens habituels pour le forgeage en phase a ou en phase P du procédé de l'art antérieur ou d'autres moyens adaptés au forgeage en phase a + f en une seule opération pour obtenir une brame.

L'invention s'applique, de manière générale, à tout produit en un alliage technique de zirconium défini par les limites de compositions données plus haut.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1.- Procédé de fabrication d'un demi-produit en alliage de zirconium contenant en poids au moins 97 % de zirconium, destiné à l'élaboration de produits plats, dans lequel on élabore un lingot de grandes dimensions par 5 coulée de l'alliage de zirconium, puis par forgeage du lingot de grandes dimensions, le demi-produit destiné à être laminé à chaud puis à froid pour obtenir un produit plat, des traitements thermiques de trempe et de recuit étant intercalés entre certaines au moins des opérations de formage, caractérisé par le fait que le demi-produit (8) est élaboré à partir du lingot coulé de 10 grandes dimensions (1), par une seule opération de forgeage à une température à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant les phases cristallines ac et D de l'alliage de zirconium.

2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le demi-produit est une brame (8).

3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la brame (8) présente une épaisseur d'environ 100 mm et qu'elle est destinée à la fabrication d'un produit plat ayant une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 4 mm.

4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac20 térisé par le fait que le forgeage de l'alliage de zirconium en phase ac et p est réalisé à une température comprise entre 820'C et 9600C.

5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé 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, 25 fer, chrome, nickel, oxygène, niobium, vanadium et silicium, le reste de l'alliage étant constitué par du zirconium, à l'exception des impuretés inévitables.

6.- Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour la fabrication d'une brame destinée à l'élaboration d'un produit plat 30 d'une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 4 mm pour la réalisation d'un élément pour assemblage de combustible nucléaire tel qu'une plaquette de grille-entretoise d'assemblage de combustible pour réacteur PWR ou une il paroi de boîtier d'assemblages de combustible pour réacteur BWR ou encore un élément d'assemblage de combustible d'un réacteur CANDU.