Analyse de l'impact de la microstructure d'un alliage 718 obtenue par fabrication additive (LPBF) vis à vis de la résistance à la corrosion sous contrainte en milieu primaire de REP : étude des effets d'échelles

Microstructure impact analysis of additively manufactured (LPBF) alloy 718 towards stress corrosion cracking in primary PWR environment : study of scale effect

• Auteur / Autrice : Vanina Pelouard
• Direction : Eric Andrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Andrieu, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Emilie Herny, Didier Bardel, Hervé Combeau, Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécilie Duhamel, Thomas Pardoen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Optimisation des structures

Mots clés libres

Corrosion sous contrainte

Superalliage 718

Fabrication additive

Microstructure

Mécanisme de déformation

Fissuration assistée par l'oxydation

Stress corrosion cracking

Superalloy 718

Additive manufacturing

Microstructure

Oxidation assisted intergranular cracking

Deformation mechanisms

Résumé

Les perspectives d’application de la FAM (Fabrication Additive Métallique) n’échappent pas au domaine du nucléaire où l’utilisation du procédé LPBF (fusion laser sur lit de poudre) ouvre la voie à de potentielles évolutions technologiques, notamment dans le domaine de la conception et de la fabrication d’assemblages de combustibles nucléaire. Dans ce domaine, l’utilisation du 718-LPBF pourrait permettre d’atteindre des performances améliorées et augmenter les marges de fonctionnement de certains composants critiques. Toutefois, ce procédé engendre des microstructures qui se distinguent significativement de celles issues des gammes de fabrication conventionnelles et se heurte à la capacité à justifier les performances des matériaux qui en résultent lors d’exposition à des modes de chargement couplant à la fois une sollicitation mécanique, l’irradiation et une composante environnementale par exemple de type corrosion en milieu REP, tel que rencontrés dans les assemblages combustibles. Lors de ce type de chargement, et selon la microstructure utilisée, un mécanisme d’endommagement de type corrosion sous contrainte (CSC) peut se développer et mener à une ruine prématurée du composant. Cette étude multi-échelle, lancée par Framatome, a ainsi permis d’identifier les fenêtres microstructurales permettant de diminuer, voire inhiber, la sensibilité à la CSC de l’alliage 718 LPBF, tout en gardant de hautes performances mécaniques comparables au 718 conventionnel. Un mécanisme d’endommagement en CSC basé sur l’effet cumulé de la diffusion de l’oxygène aux joints de grains via la formation de NiO et de la localisation de la déformation dans la sous-structure dendritique, a été identifié. Ainsi, une optimisation de la microstructure a été mise en œuvre via des traitements post fabrication qui limitent la localisation de la déformation ainsi que la contribution néfaste du glissement intergranulaire. Ces états microstructuraux confèrent une bonne résistance à la CSC à l’alliage 718 LPBF. Les différents résultats obtenus constituent de plus une première contribution à la compréhension du mécanisme de CSC en milieu REP du 718 LPBF qui n’a pas été jusqu’alors rapportée dans la littérature. Les résultats des essais, les analyses et observations réalisées, précisent les lignes directrices permettant la mise en œuvre de microstructures adaptées aux applications visées. De plus les résultats obtenus révèlent les opportunités offertes par l’utilisation de ce nouveau mode de fabrication pour des applications nucléaires.

The opportunities for applications of metal additive manufacturing (MAM) do not exclude the nuclear field, where the use of the LPBF process (laser melting on a powder bed) opens the way to potential technological developments, particularly in the design and manufacture of nuclear fuel assemblies for pressurized water reactors. In this field, the use of 718-LPBF could lead to improved performance and increased operating margins for critical parts. However, this process generates microstructures that differ significantly from those produced by conventional manufacturing processes, and raises the question of how to justify the performance of the resulting materials. This question is particularly relevant when the alloy is exposed to loading conditions that combine both a mechanical stress, irradiation and an environmental condition, as encountered in fuel assemblies. Under this type of loading, and depending on the microstructure used, a stress corrosion cracking (SCC) damage mechanism can develop, leading to premature component failure. This multi-scale study, launched by Framatome, has enabled to define a microstructural window that reduces or even inhibit the susceptibility of alloy 718 LPBF to SCC, while maintaining high mechanical performances fully comparable to those of conventional 718. A SCC damage mechanism based on the cumulative effect of oxygen diffusion at grain boundaries via NiO formation and strain localization in the dendritic substructure has been identified. Microstructure optimization was therefore implemented via post-fabrication treatments that limit the localization of deformation as well as the detrimental contribution of intergranular slip. These microstructural conditions give alloy 718 LPBF good resistance to CSC. These results also constitute a first contribution to the understanding of the SCC mechanism of the 718 LPBF in a PWR environment, which has not yet been reported in the literature. The results of the tests, the analyses and the observations made, clarify the guidelines for the implementation of microstructures adapted to the targeted applications. These results also reveal the relevance of this new process mode for nuclear applications and open new opportunities for futur implementation.