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Title:
METHOD OF PRODUCING A ZIRCONIUM ALLOY SEMI-FINISHED PRODUCT FOR THE PRODUCTION OF AN ELONGATED PRODUCT AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/072317
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method of producing a zirconium alloy semi-finished product for the production of an elongated product and to the use thereof. According to the invention, a large ingot (1) is produced by means of zirconium alloy casting and, subsequently, the ingot is forged in order to produce the semi-finished product (3) in two steps. The first ingot (1) forging step is performed at a temperature at which the zirconium alloy is in a state comprising crystalline phases A and B, for example, said forging temperature can be between 850 °C and 950 °C.

Inventors:
Barberis, Pierre (309 Chemin Des Cèdres, Ugine, F-73400, FR)
Rizzi, Noël (496 Route De La Gare, Doussard, F-74210, FR)
Robbe, Xavier (95 Place De L'europe, Albertville, Albertville, F-73200, FR)
Application Number:
PCT/FR2004/000019
Publication Date:
August 26, 2004
Filing Date:
January 07, 2004
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Assignee:
Compagnie, Europeenne Zirconium Cezus DU. -. (Tour Areva - 1 Place De La Coupole, Courbevoie, F-92400, FR)
Barberis, Pierre (309 Chemin Des Cèdres, Ugine, F-73400, FR)
Rizzi, Noël (496 Route De La Gare, Doussard, F-74210, FR)
Robbe, Xavier (95 Place De L'europe, Albertville, Albertville, F-73200, FR)
International Classes:
B21J1/02; B21J5/00; C22C16/00; C22F1/18; G21C3/07; G21C21/02; (IPC1-7): C22F1/18
Attorney, Agent or Firm:
Bouget, Lucien (Cabinet Lavoix, 2 Place D'estienne D'orves, Paris Cedex 09, F-75441, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS MODIFIEES reçues par le Bureau international le 13 août 2004 (13.08. 04) revendication originale 1 est modifiée ARTICLE 19 REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un demiproduit (3) en alliage de zirco nium contenant en poids, au moins 97 % de zirconium, destiné à l'élabora tion d'au moins un produit long, dans lequel on élabore un lingot (1) ayant un diamètre compris entre 400 mm et 700 mm et une longueur comprise entre 2 m et 3 m par coulée de l'alliage de zirconium, puis le demiproduit (3) des tiné à tre soumis à un formage pour obtenir le produit long, par forgeage du lingot (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 tempé rature à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant les pha ses cristallines a et ß de l'alliage de zirconium.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à la température de la première étape de forgeage, le lingot renferme une pro portion volumique d'alliage de zirconium en phase a comprise entre 10 % et 90 %, le reste de l'alliage de zirconium du lingot étant en phase.
3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca ractérisé par le fait que la première étape de forgeage (2) est réalisée à une température comprise entre 850°C et 950°C.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la première étape de forgeage est réalisée à une température d'environ 900°C.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca ractérisé par le fait que la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 600°C et 950°C.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac térisé par le fait que la seconde étape de forgeage est réalisée à une tempé rature 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 a.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac térisé par le fait que la seconde étape de forgeage est réalisée à une tempé rature 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 a et ß de l'alliage de zirconium.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, carac 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'al liage étant constitué par du zirconium, à l'exception des impuretés inévita bles.
9. Utilisation du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour la fabrication d'un demiproduit tel 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 tubeguide 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.
10. Utilisation du procédé suivant l'une quelconque des revendica tions 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 fer meture des extrémités de tubes de gainage de crayons d'assemblage de combustible pour réacteur nucléaire.
Description:
Procédé de fabrication d'un demi-produit en alliage de zirconium pour l'élaboration d'un produit long et utilisation 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 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 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 com- bustible peuvent tre réalisés en alliage de zirconium, en particulier en al- liage de zirconium renfermant de l'étain, du fer, du chrome et éventuellement du nickel tels que les alliages Zircaloy 2 ou Zircaloy 4. II en est de mme pour les bouchons venant fermer les tubes de gainage à leurs deux extrémi- tés.

D'autres alliages tels que l'alliage connu sous l'appellation commer- cigale M5 renfermant essentiellement du zirconium et du niobium sont éga- lement 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 fabri- cation 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 allia- ges, pouvant tre 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 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 bta qui est la phase stable à haute température à structure cubique.

Dans certaines zones de température ou à l'issue de certains traite- 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 + bta.

L'élaboration de produits tubulaires en alliage de zirconium est géné- ralement réalisée par extrusion d'une billette qui est elle-mme obtenue à partir d'un lingot par des opérations de formage et éventuellement d'usinage.

L'élaboration de produits longs massifs (barres) est généralement réalisée par laminage à chaud, puis martelage à froid de demi-produits ob- tenus à partir d'un lingot.

De manière habituelle, on réalise la coulée d'un lingot de grandes di- mensions ayant par exemple un diamètre compris entre 400 mm et 700 mm et généralement entre 600 mm et 660 mm. Le lingot subit ensuite des opéra- tions de forgeage dans un intervalle de température dans lequel il peut tre en phase a, ß ou a (EP-0.085. 552 et US-5,674, 330). On forge le lingot en phase p à une température comprise entre 1000°C et 1100°C et généra- lement vers 1050°C dans le cas du Zircaloy 4, pour obtenir un produit inter- médiaire 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 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 tempéra- ture comprise entre 700°C et 800°C, par exemple, de manière typique à 750°C 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 P (de manière typique depuis une température comprise entre 1000°C et 1150°C), soit la barre telle qu'obte- 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 tre soit la billette trempée obtenue dans la phase précé- dente, 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 per- mettant d'obtenir une barre de faible diamètre, on élabore un demi-produit sous la forme d'une barre, d'un bloc ou d'une billette par un procédé d'élabo- ration comportant une première étape de forgeage en phase ß du lingot de départ et une seconde étape de forgeage en phase a du produit intermé- diaire obtenu à la suite de la première étape de forgeage en phase Le procédé de transformation connu qui vient d'tre décrit comporte une première étape de forgeage en phase ß à une température élevée com- prise entre 1000°C et 1100°C. Après cette première étape de forgeage, le produit intermédiaire obtenu est refroidi au moins jusqu'à la température de forgeage en phase oc et généralement jusqu'à une température ambiante, du fait que la seconde étape de forgeage en phase a n'est pas effectuée immé- diatement après la première étape de forgeage en phase Le forgeage à très haute température du lingot est une opération coû- teuse et délicate.

En outre, pendant le chauffage du lingot pour l'amener à une tempé- rature de 1000°C à 1100°C avant la première étape de forgeage, le lingot 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'åu 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 tre soumis à un formage pour obtenir le produit long, par forgeage du lingot de grandes dimensions en deux éta- pes, ce procédé permettant de simplifier et de rendre moins coûteuse la fa- brication du produit long et de limiter à des niveaux faibles la présence d'hy- drures dans le demi-produit et donc dans le produit long final.

Dans ce but, la première étape de forgeage du lingot de grandes'di- mensions est réalisée à une température à laquelle l'alliage de zirconium est dans un état comportant les phases cristallines a et ß de l'alliage de zirco- nium.

Selon des modalités particulières : - à la température de la première étape de forgeage, le lingot ren- ferme une proportion volumique d'alliage de zirconium en phase a comprise entre 10 % et 90 %, le reste de l'alliage de zirconium du lingot étant en phase ß.

- la première étape de forgeage est réalisée à une température com- prise entre 850°C et 950°C ; - la première étape de forgeage est réalisée à une température d'envi- ron 900°C ; - la première étape de forgeage est réalisée à une température com- prise entre 600°C et 950°C ; - la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à la- quelle l'alliage de zirconium d'un produit intermédiaire obtenu par la pre- mière étape de forgeage du lingot est en phase a ; - la seconde étape de forgeage est réalisée à une température à la- quelle 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 pha- ses cristallines a et P de l'alliage de zirconium ; et - l'alliage de zirconium renferme au plus 3 % en poids au total d'élé- 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 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 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 anté- rieur.

La figure 1 est un schéma montrant de manière simplifiée les différen- tes étapes du procédé de fabrication du demi-produit.

Sur la figure 1, on a représenté un lingot coulé 1 qui peut tre un lin- got de grandes dimensions dont le diamètre peut tre compris entre 400 mm 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 tre par exemple un alliage Zircaloy 2 ren- fermant, en poids, de 1,2 % à 1,7 % d'étain, de 0,07 % à 0,20 % de fer, de 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 tre également un Zircaloy 4 renfermant en poids, de 1,2 % à 1,7 % d'étain, de 0,18 % à 0,24 % de fer, 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 tre 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'al- liage de zirconium est en phase a pour réaliser la première étape de forgeage sur le lingot en phase a + La température de forgeage en phase a + D (première étape du pro- cédé) est choisie pour que la proportion volumique de phase a dans l'alliage du lingot soit comprise entre 10 % et 90 %, le reste de l'alliage étant en phase ß.

Généralement, on réalise la première étape de forgeage à une tem- pérature comprise entre 850°C et 950°C et, par exemple, de manière typi- que, à 900°C dans le cas du Zircaloy 4. A cette température, les alliages de zirconium tels que les Zircaloy sont en phase a + ß. Dans le cas des alliages zirconium-niobium tels que l'alliage M5, le domaine a + 3 s'étend dans une plage de températures sensiblement plus large que dans le cas des alliages de type Zircaloy, cette plage allant de 600°C à 950°C.

On réalise le forgeage du lingot, comme dans le cas du procédé sui- vant l'art antérieur où ce forgeage était réalisé à haute température (par exemple à 1050°C), 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 ß à plus haute température permet d'obtenir un produit intermédiaire dont les caractéristiques sont analogues à celles du produit intermédiaire habituel obtenu par une première étape de forgeage en phase L'abaissement de la température de forgeage, par exemple de 150°C, se traduit par des économies substantielles quant à la mise en oeuvre du procédé de fabrication.

En outre, le forgeage peut tre réalisé en utilisant des outillages clas- siques, compte tenu d'une adaptation peu importante du procédé de for- geage.

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 900°C, le domaine a + ß de alliage s'étendant depuis la température de 600°C, jusqu'à 950°C.

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 pro- duit intermédiaire, de la mme façon que dans le cas du procédé connu se- lon l'art antérieur, c'est-à-dire effectuer un second forgeage en phase a à une température comprise entre 700°C et 800°C, 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 mme température que la première étape de forgeage, c'est-à- dire sur le produit en phase a + ß.

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 a + ß. 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 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 ob- tenir, par extrusion ou laminage à chaud, le produit long final.

Les outillages mis en oeuvre dans la première étape de forgeage 2 en phase a + 3 et dans la seconde étape de forgeage 4 peuvent tre des outils classiques utilisés dans le cadre d'un procédé selon l'art antérieur dans le- quel la première étape 2 est réalisée sur le lingot 1 en phase ß et la seconde étape 4 sur le produit intermédiaire 3'en phase a.

Dans le cas de l'invention, la seconde étape de forgeage 4 peut tre réalisée à la mme température que la première étape de forgeage 2, le produit intermédiaire 3'étant en phase a + ß.

La seconde étape 4 peut tre 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 for- geage en phase a + ß peut tre soumis à une étape de refroidissement d'un type quelconque.

Le produit intermédiaire 3'peut tre immédiatement porté à la tempé- rature 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 + ß.

Dans le cas où les deux étapes-de forgeage sont réalisées en phase a + ß, 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 lami- nage à chaud pour obtenir une pièce tubulaire ou une barre de faible diamè- tre qui peut tre utilisée pour la fabrication d'éléments pour des assembla- ges 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'hy- drures 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.

En outre, le demi-produit ou les produits longs finaux obtenus à partir de ce demi-produit présentent des caractéristiques de structure et mécani- ques sensiblement analogues à celles de produits obtenus par un procédé 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 for- geage, lors de la première étape de forgeage et en supprimant éventuelle- ment un refroidissement après la première étape de forgeage. On obtient ainsi une réduction de coût et de durée dans ia mise en oeuvre du procédé.

Dans le cas-des alliages Zircaloy 2 et Zircaloy 4, ou de tout autre al- liage de zirconium renfermant de l'étain, le passage en phase a + D de l'al- liage, 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 ulté- rieurs dans le cadre de l'élaboration du produit tubulaire final à partir du demi-produit. Il en est de mme des éléments oxygène et azote.

Dans le cas où l'on applique le procédé de l'invention à des alliages au niobium, comme indiqué plus haut, la transition entre les domaines a et étant voisine de 600°C, la température de forgeage en phase a + D peut tre sensiblement inférieure à 900°C, 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 zir- conium que les Zircaloy ou les alliages au niobium pourrait tre envisagée.

Ces alliages renferment de manière générale au plus 3 % en poids d'élé- ments 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'al- liage étant constitué par du zirconium et des impuretés inévitables.

L'invention s'applique en particulier à la fabrication de produits tubu- laires 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 bou- chons pour la réalisation de bouchons de fermeture des extrémités des tu- bes de gainage de crayons d'assemblages de combustible.

Pour obtenir les produits finaux à partir du demi-produit, il peut tre nécessaire d'effectuer des opérations ultérieures au filage, extrusion ou la- minage à chaud du demi-produit, telles qu'un laminage à pas de pèlerin, des traitements thermiques pouvant tre 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 a + ß dépend de la composition de l'alliage de zirconium. Les opérations de formage peuvent tre réalisées en utilisant les moyens habituels pour le formage en phase a ou en phase du procédé de l'art antérieur ou d'autres moyens adaptés au forgeage en phase a + ß en une seule ou en deux étapes, pour obtenir le demi-produit.

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