Résistance à la corrosion sous contrainte d’un acier 316L obtenu par métallurgie des poudres et compaction isostatique à chaud en milieu primaire de réacteur nucléaire à eau sous pression.

Jane Molière1,2, Cécilie Duhamel2, Josiane Nguejio1, Catherine Guerre1, Quentin Auzoux1, Sylvain Dépinoy2, Pierre-Eric Frayssines3, Matthias Rousseau1, Grégory Perez1

1Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux, 91191 Gif Sur Yvette, France

2MINES Paris, Université PSL, Centre des Matériaux, CNRS UMR 7633, 78000 Versailles

3CEA, Service de recherche sur les Composants et Procédés pour la conversion du Carbone, 38000 Grenoble, France

Les aciers austénitiques, notamment la nuance 316L, sont couramment utilisés dans le circuit primaire des réacteurs à eau sous pression (REP) du fait de leur bonne résistance aux phénomènes de corrosion et de leurs bonnes propriétés mécaniques. Toutefois, il existe des conditions pour lesquelles ils deviennent sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte (CSC). Par rapport aux méthodes conventionnelles, la fabrication par métallurgie des poudres et compaction isostatique à chaud (CIC) permet d’obtenir des géométries plus complexes et de réduire les durées et les coûts d’approvisionnement. Toutefois, cela peut aussi modifier les caractéristiques du matériau, affectant potentiellement sa durabilité en environnement. Cette étude a donc pour objectif d’établir les liens entre la microstructure et la résistance à la corrosion et à la corrosion sous contrainte en milieu primaire de REP d’un acier 316L fabriqué suivant ce procédé.

Un lopin a été élaboré par CIC à partir d’une poudre de large granulométrie, suivie par un traitement d’hypertrempe. A titre de comparaison, des échantillons ont été prélevés dans ce lopin ainsi que dans une tôle en acier 316L obtenue par fabrication conventionnelle (laminée à froid puis hypertrempée). La microstructure des matériaux a été caractérisée par microscopie optique et électronique à balayage (MEB) ainsi que par diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) ; leur comportement en traction, leur dureté et leur résilience à température ambiante ont également été étudiés. Des coupons ainsi que des éprouvettes de traction MEB in situ de ces deux matériaux ont ensuite été exposés au milieu primaire nominal hydrogéné à 320°C et 150 bar pendant 3000 h afin de caractériser l’oxydation en surface et aux joints de grains. Les pénétrations d’oxyde intergranulaire étant supposées être les précurseurs pour l’amorçage de fissures de CSC, leur résistance à la rupture est étudiée avec des éprouvettes de traction MEB in situ pré-oxydées en milieu primaire puis testées sous MEB à 320°C. La sensibilité à l’amorçage est évaluée à l’aide d’essais de traction lente sur des éprouvettes prédéformées. Enfin, la phase de propagation lente est étudiée à l’aide d’éprouvettes CT préfissurées par fatigue à l’air.

Les matériaux obtenus par CIC ont, comme l’acier conventionnel, une microstructure équiaxe non texturée. Au microscope optique après attaque chimique, la trace d’anciennes particules de poudres – prior particle boundaries en anglais – est mise en évidence du fait de la localisation préférentielle des oxydes. À une échelle plus fine, au microscope électronique à balayage sans attaque chimique préalable, les déchaussements d’oxydes apparaissent majoritairement intergranulaires. La teneur en oxygène des matériaux CIC est bien supérieure à celle de l’acier conventionnel. Or, en accord avec Cooper ^[1], la résilience décroit avec l’augmentation de la teneur en oxygène du métal. La résistance mécanique en traction est en revanche plus élevée pour les matériaux CIC que pour l’acier conventionnel. Les premiers résultats des essais de corrosion et de CSC seront également présentés et comparés aux résultats obtenus sur le 316L conventionnel ^[2].

Références bibliographiques

[1] A.J. Cooper, N.I. Cooper, J. Dhers, A.H. Sherpy, « Effect of Oxygen Content Upon the Microstructural and Mechanical Properties of Type 316L Austenitic Stainless Steel Manufactured by Hot Isostatic Pressing ». Metallurgical and Materials Transactions A 47A (2016), p. 4467-4475

[2] T. De Paula. « Oxydation et corrosion sous contrainte d’un acier inoxydable écroui en milieu primaire des REP : effet des transitoires oxygénés ». Thèse Université PSL, 2023.