Étude de la fragilisation par les métaux liquides d’un alliage CCA FeCrMnNi

Jorge SALGADO GIAMPAOLI, Ingrid PRORIOL SERRE, Manon BONVALET ROLLAND, Franck BÉCLIN

Univ. Lille, CNRS, INRAE, Centrale Lille, UMR 8207—UMET—Unité Matériaux Et Transformations, 59 000 Lille, France

Les réacteurs à neutrons rapides sont susceptibles d’utiliser du plomb liquide ou l'eutectique plomb-bismuth (ePbBi) liquide comme fluide caloporteur. L'un des principaux défis liés à cette utilisation est la résistance des matériaux aux effets corrosifs et à la fragilisation par les métaux liquides (FML). La FML se manifeste par une perte de ductilité et une rupture prématurée. Les aciers martensitiques et ferritiques montrent une sensibilité à la FML entre 250 et 450 °C, tandis que les aciers austénitiques cubiques faces centrées (CFC) tels que les aciers 316L et 15-15Ti ne sont affectés qu'à des températures supérieures à 450 °C. Plus récemment, la FML a été observée pour les alliages complexes concentrés (CCA) dès 300 °C en présence de l’ePbBi liquide et dès 400 °C en présence du Pb liquide. Ces résultats montrent l'importance d'étudier de nouvelles stratégies pour limiter la FML et garantir la durabilité des matériaux dans les réacteurs refroidis aux alliages de plomb (LFR).

Cette communication porte sur l'étude d'un matériau CCA à 4 éléments (FeCrMnNi) par des essais mécaniques en présence de métal liquide, des caractérisations microstructurales, des analyses thermodynamiques et des modélisations cinétiques. Des essais de traction ont été effectués sous air et en présence de Pb, Bi et ePbBi liquides saturés en oxygène à des températures comprises entre 300°C et 500°C et à la vitesse de déformation de 5.10^-5 s^-1. Les faciès de rupture et les sections latérales des échantillons fracturés ont été observées par MEB (Microscopie Électronique à Balayage), MEB-EDX (Spectrométrie de Dispersion d’Énergie), MEB-EBSD (Diffraction des Électrons Rétrodiffusés) et MET (Microscopie Électronique en Transmission) pour analyser la microstructure (phases et composition) et l’endommagement (mode de rupture, et fissuration).

Le matériau présente, quelle que soit la température, un comportement ductile et une rupture ductile sous air. En présence de Pb, Bi et de l’ePbBi liquides, la sensibilité à la FML varie selon la température. Le Pb n'induit pas de FML à 400°C, mais à 500°C, une rupture mixte avec des zones ductiles au centre du faciès de rupture et une fracture fragile intergranulaire aux bords du faciès sont observées. En présence de Bi ou l’ePbBi, la FML est constatée à toutes les températures testées (300, 400 et 500°C), avec une fracture fragile intergranulaire. Des particules micrométriques enrichies en Fe ont été observées après les essais. Leur composition en Mn, Ni et Cr varie en fonction de leur localisation et le métal liquide utilisé. Cette observation pourrait être directement liée à la dissolution sélective de Ni, Mn et Cr en fonction du métal liquide et de la température, cette dernière augmentant la dissolution. Des analyses des phases (expérimentales et thermodynamiques) et des simulations Dictra ont permis de modéliser ces phénomènes. Les résultats seront présentés et discutés pour mettre en évidence la relation entre la microstructure et les mécanismes de FML, en analysant en détail les différentes particules trouvées sur les surfaces (faciès de rupture, sections latérales, intérieur des fissures secondaires) et leur impact sur la FML.