Optimization of the fabrication route of Oxide Dispersion Strengthened (ODS) cladding tubes : understanding of the relationship between microstructure and mechanical behavior

Abstract

Les matériaux ODS (Oxide Dispersion Strengthened), mis au point par métallurgie des poudres, sont la solution de référence pour le gainage du combustible nucléaire des nouveaux réacteurs de génération IV à fort taux de combustion. Ils présentent une résistance au gonflement sous irradiation augmentée par rapport aux aciers austénitiques et une grande stabilité dimensionnelle en fluage induite par une dispersion homogène de nano-particules stables à haute température. Après co-broyage de la poudre d'alliage maître avec une poudre d'oxydes d'yttrium, le matériau est consolidé par filage à chaud, puis mis en forme à froid par laminage à pas de pèlerin. Les matériaux ODS sont caractérisés par une faible ductilité et une dureté élevée à température ambiante. Les passes de laminage doivent être entrecoupées par des traitements thermiques intermédiaires afin de restaurer le tube et éviter tout endommagement pendant la gamme de transformation.Cette étude vise à identifier les points clés pour la maîtrise de la gamme de transformation à froid de deux nuances ODS : une nuance ferritique Fe-14Cr-1W et une nuance martensitique Fe-9Cr-1W. Les relations entre les traitements thermomécaniques et la microstructure sont étudiées à partir de caractérisations multi-échelles. La compréhension des mécanismes d'évolution de la microstructure permet de proposer, pour chaque nuance, une gamme de transformation à froid robuste. Pour la nuance ferritique Fe-14Cr-1W, la déformabilité est assurée par une croissance des grains à haute température suivant un mécanisme de type Strain Induced Boundary Migration (SIBM). Des optimisations s'appuyant sur une recristallisation primaire sont envisagées. Pour la nuance martensitique Fe-9Cr-1W, la gamme mise en œuvre permet d'obtenir un matériau dont la déformabilité et les caractéristiques mécaniques à chaud sont équivalentes voire meilleures que celles des nuances de la littérature. Des évolutions des gammes et de la composition chimique sont proposées pour améliorer la résistance à la corrosion et au fluage.Oxide dispersion strengthened steels, elaborated by powder metallurgy, are considered as reference materials for high burn up cladding tubes for future Sodium Cooled Fast reactors. They present superior radiation resistance compared with austenitic steels and high creep strength due to reinforcement by the homogeneous dispersion of hard nano-sized particles. After mechanical alloying of the matrix powder and the yttrium oxides, ODS steels are consolidated by hot extrusion and manufactured by using cold pilgerin process. ODS steels are usually characterized by a low ductility and a high hardness at room temperature. The cold-rolling passes have to be punctuated by intermediate heat treatments in order to soften the raw tube and avoid any damage in the course of manufacturing.The aim of this study is to identify the key points for the control of the manufacturing of two grades: a Fe-14Cr-1W ferritic grade and a Fe-9Cr-1W martensitic grade. The relationship between thermomechanical treatments and microstructure is studied by multi-scale characterizations. The understanding of the microstructure evolution permits the determination of robust fabrication routes for both grades. The deformability of the ODS Fe-14Cr-1W ferritic grade is ensured by grain growth at high temperature following a Strain Induced Boundary Migration (SIBM) mechanism. Optimizations through primary recrystallization are proposed. Fabrication route of ODS Fe-9Cr-1W martensitic grade permits to obtain a material characterized by deformability and high temperature mechanical properties similar or even better than those of literature grades. Fabrication routes evolutions and chemical composition optimization are proposed to improve the corrosion and thermal creep resistance