Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) de base Fe-14%Cr sont envisagés en tant que matériaux de structure pour la prochaine génération (Gen IV) de réacteurs nucléaires à neutrons rapides. La structure cubique centrée de la matrice ferritique et la dispersion de nano-oxydes apportent respectivement une bonne stabilité sous irradiation et d’excellentes propriétés mécaniques à hautes températures.
Les procédés d'élaboration ne peuvent éviter une contamination par de l'oxygène, dont il est important de maitriser les effets. Une équipe du LLB, en relation avec les équipes de CEA-DEN, s'est attachée à montrer, par une étude par microsocopie électronique et diffusion de neutrons au LLB, l’effet d’un ajout contrôlé d'oxygène sur la nanoprécipitation et son impact sur la microstructure, en faisant le lien avec les propriétés mécaniques.
Pour les applications nucléaires envisagées (futurs réacteurs GEN IV), le matériau considéré est un alliage de base Fe-14%Cr initialement très stable sous irradiation, dont le renforcement est assuré par la présence de nanoparticules d'oxydes du type Y-Ti-O. Le matériau renforcé est généré par un processus spécifique d’élaboration, impliquant un broyage à haute énergie suivi d'une consolidation par tréfilage à chaud. La taille, la densité, et l’homogénéité des nano-oxydes sont des paramètres clés pour obtenir le renforcement souhaité des propriétés mécaniques du matériau, en particulier la résistance au fluage à haute température. Ces propriétés sont optimales pour une taille de particules d'oxyde de l’ordre de 2 nm. La stabilité de cette précipitation sous traitement thermique à haute température est un autre paramètre important.
Dans le cadre d'un procédé d'élaboration industriel, une contamination par l’oxygène reste inévitable et son effet doit être maitrisé. Afin de caractériser cet effet, l'équipe du LLB a considéré l'alliage Fe-%14Cr renforcé par des nanoparticules de type Y-Ti-O, déjà bien connu [1], dans lequel est ajouté lors du broyage 1 % (en poids) d'oxyde de fer sous la forme Fe2O3.
- Dans le matériau ODS initial, les particules d'oxyde de structure cubique, adoptent des relations de d’orientation cohérentes avec la matrice ferritique, mises en évidence par des franges de Moiré en microscopie électronique à transmission (MET). Sous recuit à hautes température (1100-1400°C), l’évolution du rayon moyen des particules d'oxydes, mesuré par diffusion de neutrons aux petits angles (DNPA), montre un grossissement en phase de coalescence.
- Pour l’alliage dopé en oxyde de fer, ce phénomène est fortement accéléré pour les recuits au-delà de 1100 °c (voir figure). De plus, ces particules présentent une transition vers une structure orthorhombique, sans relation d’orientation avec la matrice. La transition structurale accélère la coalescence, avec comme conséquence une dégradation des propriétés mécaniques du matériau. On observe que la différence de comportement est directement corrélée à des variations de stœchiométrie des oxydes : la structure est de type Y2Ti2O7 dans l’alliage de référence et majoritairement de type Y2TiO5 dans la nuance riche en Fe2O3.
L'étude multi-technique conduite au LLB, par microscopie et diffraction de neutrons aux petits angles (SANS – Small Angle Neutron Scattering), met ainsi clairement en évidence les mécanismes microstructuraux à l'origine de la dégradation des propriétés mécaniques lors d’une contamination en oxygène des alliages ODS .
Références :
[1] « Relaxation path of nanoparticles in an oxygen-enriched ferritic oxide-dispersion-strengthened alloy »,
M.A. Thual, J.Ribis, T.Baudin, V. Klosek,Y . de Carlan, M.H. Mathon, Scripta Materialia 136 (2017) 37–40.
[2] « Effet de la composition chimique sur la cinétique de coalescence des oxydes dans les aciers renforcés ODS Fe-14%Cr« , Fait marquant IRAMIS avril 2013, et références associées.
[3] Thèse IDI 2014-2017, axe « Science et innovation », de l'Université Paris-Saclay, ED 2MIB – Marc-Antoine Thual.
Contact CEA : Marc-Antoine Thual – Marie-Hélène Mathon.