Etude du soudage par diffusion des panneaux des échangeurs de ...

Etude métallurgique
de nouveaux matériaux à base de Ni pour
les échangeurs de chaleurs (GEN IV)
I. Drouelle a , T. Auger b , T. Baudin a
a
Université Paris-Sud, ICMMO-LPCES, CNRS UMR 8182, 91405 Orsay
b
Ecole centrale de Paris, MSSMat, CNRS UMR 8579, 92290 Châtenay Malabry
1

Les réacteurs de 4° génération à haute
température (VHTR)
Objectifs :
Produire de l’hydrogène :
séparation de l’eau par un
procédé thermo-chimique
Produire de la chaleur à T =
1000°C
Moyen :
Concevoir des réacteurs à très
haute température
2
Recherche de nouveaux matériaux
pouvant répondre à ces contraintes (10 MPa,
T = 1000°C, durée de vie de 20 ans)

L’échangeur de chaleur
Actuellement superalliage à base de
Nickel : Haynes 230 (Ni-Cr-W solution
solide)
Problème de tenue en service (corrosion
par les impuretés de He)
Problème de tenue mécanique au delà
de 900°C (fluage)
Coupe transverse d’un échangeur
avec des plaques à base de Nickel
Limitation de la température de fonctionnement
(T = 900°C)
Possibilité métallurgique : augmentation de la
teneur en W des (Ni-Cr-W)
la précipitation du W améliore la tenue au
fluage ...
3
Variation de la vitesse de
déformation en fonction de la teneur
en W (% pds)
Tanaka et al.

Quel est le rôle du W
Intérêts :
La tenue au fluage est augmentée par la substitution du Mo par le
W
la précipitation non fragilisante de α-W (renforcement à HT des
joints de grains, impossible avec le Haynes 230).
Diagramme de phases sans intermétalliques pour les
compositions intéressantes pour les applications HT
Cr
T= 1100°C
C.F.C
Ni
W
4

Elaboration des alliages : à l’échelle du laboratoire
…
Métallurgie des poudres (mélange Ni-W et compactage)
Frittage des poudres sous H2
Fusion par induction pour obtenir un alliage mère
Fusion par induction pour l’ajout du Cr
Fusion par induction pour la mise en forme
5
Traitement d’homogénéisation sous vide secondaire
(T = 1250 -1300 °C, 48 h)
Coulée réalisée au CECM-Vitry, de pureté 99,99 %

Elaboration des alliages : … à l’échelle industrielle
Etude de faisabilité d’élaboration à l’échelle industrielle (pas de
« cliquage », i.e. pas de fissures à cœur du lingot)
pas de problème de principe pour 7 kg = élaboration de
coulées plus importantes (200 kg)
Les études des matériaux modèles du CECM = définition des
compositions des coulées industrielles
(% pds) C Ni Cr Mo W
Sels fondus

Elaboration des alliages : … à l’échelle industrielle
Forgeage : moyen industriel de déformation pour obtenir
des plaques
Galet forgé à chaud – 50 % (2,5 cm d’épaisseur, 5 cm
diamètre, coulée de 7 kg)
7
contrôle de microstructure

développement de nouveaux matériaux
En résumé :
Etude métallurgique
diagramme de phases : précipitation, limite de solubilité
modélisation (THERMOCALC / DICTRA).
Transfert de l’élaboration vers l’industrie :
Contrôle de microstructure : recristallisation et contrôle de la
précipitation
Etude et optimisation des propriétés :
Propriétés mécaniques : durcissement à chaud (dureté, limite
élastique) et fluage,
Soudure,
Corrosion (He, Sels fondus),
Comportement sous irradiation,
…
1
2
3
8

Quelques résultats
1. Soudage / diffusion d’alliage binaires modèles
a- cas d’une soudure binaire
b- détermination expérimentale des profils de diffusion
2. Etude de la précipitation
a- formation de carbure et α-W (T = 800°C)
b- étude de l’influence de la précipitation sur la croissance
des grains (T = 1100°C)
3. Conclusion et perspectives
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Etude métallurgique : diagramme de phases
1- Soudage diffusion d’alliage binaires
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Soudures binaires
Couple de diffusion (% at.)
Force
Ni-10Cr
Ni-12W
Force
Soudage : traitement thermique de 4h à 900°C sous hydrogène
Diffusion : traitement thermique de 12h à 1100°C
Trous dus à l’effet Kirkendall
Coupe transverse du couple de diffusion, vue MEB
11

Détermination expérimentale des profils de
diffusion
Ni10Cr-Ni12W
90
14
Variation de la composition chimique
des éléments
présents dans le couple de diffusion -
Ni-Cr 10% -Ni-W 12%
80
70
60
50
Soudage-diffusion ne pose pas de problème de principe
40
(en soudure homogène, pas d’effet Kirkendal)
30
20
10
Zone d’interdiffusion
20 µm
12
10
8
6
4
2
Ni
W
Cr
0
0
12
Distance (µm)

Données thermodynamiques : modélisation
Diagramme de phases ternaire : détermination de la
limite de solubilité du coté à bas Cr
Détermination des coefficients de diffusion :
détermination des cinétiques de précipitation
Cr
Ni
W
Optimisation du système NiCrW (Thermocalc / Dictra) à
faire
13

Etude métallurgique
2- Etude de la précipitation
14

Carbure de W et α-W dans Ni-8Cr-1OW (%at.)
Evolution de la précipitation à T = 800 °C, Ni-8Cr-10W (%at.)
360 h
• Importance du carbone sur la précipitation (induit un
retard pour la précipitation du α-W)
α-W (RX)
• premières coulées d’A&D sans C
+ carbure
C Ni W
15
C - 44,16 Ni - 18,52 W - 37,33 Total (% at.) = 100,00

Rôle de la précipitation sur la croissance des
grains
Laminage à froid 40% (allongement des
grains dans le sens de laminage =
accumulation de défauts)
Ni-12W (%at.)
e i
= 5 mm
T (°C)
1100
Traitements thermiques
à T = 1100°C, t = 2 à 60 min.
16
(contrôle de la microstructure)
20
t (minutes)

Influence de la précipitation sur la
croissance des grains Ni-12W %at.
60
50
40
Taille (µm)
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min.)
17

La précipitation
Deux types de précipités :
les carbures et α-W.
18
Les précipités de carbures de W se forment aux joints de grains : ils
bloquent la croissance des grains.
L’alliage après traitement thermique conserve la « mémoire » des
grains colonnaires.
Cr
Découplage recristallisation et
précipitation
• Donc, faible teneur des
alliages en C
• Recristallisation à haute
température
• Précipitation à basse
température
Ni
W

19
3- Conclusion - perspectives

4- Conclusion
Elaboration des alliages à l’échelle industrielle
(% pds) C Ni Cr Mo W
Sels fondus

4- Perspectives
Alliages modèles
Optimisation du diagramme de phases :
démarche expérience/modélisation
Alliages industriels (VHTR, sels fondus)
1. Métallurgie, contrôle de la microstructure
2. Caractérisation des propriétés mécaniques et
de la tenue au fluage (en température)
Etude du soudage-diffusion : VHTR
(haut Cr)
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Etude de la corrosion par le Tellure (C.
Cabet, CEA) : sels fondus (bas Cr)
pds)