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Université Bordeaux 1 Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et

Université Bordeaux 1 Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement N° d’ordre :4463 THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES Par Fabien CORPACE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR SPÉCIALITÉ Physico-chimie de la matière condensée SOUDAGE PAR RESISTANCE DU GAINAGE COMBUSTIBLE ODS D’UN REACTEUR NUCLEAIRE DE 4EME GENERATION Influence des paramètres opératoires sur le soudage et la soudure Directeur de thèse : Jean-Pierre MANAUD ; Angéline POULON - QUINTIN A soutenir le : 15 décembre 2011 Devant la commission d’examen formée de : M. PEYRE, Patrice Directeur de recherche CNRS, Arts et métiers ParisTech Rapporteur M. BERGHEAU, Jean-Michel Professeur ENISE Rapporteur M. CARRE, Patrick Professeur, Université de Bretagne Sud Examinateur M. DELMAS, Claude Directeur de recherche CNRS et directeur de l’ICMCB Président M. MANAUD, Jean-Pierre Ingénieur de recherche CNRS (HDR), ICMCB Examinateur M. MONNIER, Arnaud Ingénieur de recherche, CEA (co-encadrant) Examinateur Mme POULON-QUINTIN Angéline Maitre de conférences, IUT Université de Bordeaux 1 Examinatrice - II - - III - Remerciements Merci à Guillaume De Dinechin (LTA) et Claude Delmas (ICMCB) pour m’avoir accueilli dans leur laboratoire respectif Merci aux rapporteurs pour la pertinence de leurs commentaires sur le manuscrit et la rapidité de relecture Merci à Jean-Pierre Manaud (ICMCB) pour son rôle de directeur de thèse Merci à Angéline Poulon (ICMCB), co-directrice de thèse pour son encadrement et son expertise en métallurgie Merci à Arnaud Monnier (LTA) pour avoir mis tant de minutie dans l’encadrement de cette thèse Merci à tout le LTA du CEA et notamment Jacques Grall aidé de François Castilan pour les 500 macrographies, Olivier Asserin pour son expertise en simulation, Christophe Chagnot pour les mesures, Danièle Ayrault pour tout, Laurent Forest pour le VTT, Gaetan Canneau et Marc Ronfard pour les usinages, et les autres thésard pour les bons moments Merci au personnel du CR2 de l’ICMCB et notamment à Rodolphe Decourt pour les mesures électriques et thermiques des matériaux, Lionel Teule Gay pour le dépôt en couche mince, Sonia Gomez pour la microscopie et Cyril Faure pour son aide Merci au personnel du CeCaMA et notamment à Michel Lahaye pour les analyses à la microsonde Merci au personnel du CREMEM et notamment à Elisabeth Sellier pour les analyses EBSD et MET et Pascale Garreta pour les préparations d’échantillons pour l’EBSD Merci au personnel du LIMATB (UBS) et notamment Patrick Carré et Jean Costa pour les mesures de RCE et Philippe Rogeon pour ses conseils en simulation du soudage par résistance Merci au département MMC de EDF les Rernardières et notamment à Frédéric Delabrouille pour la préparation Dual Beam de la lame mince Merci à ma femme pour sa très grande patience et à mes amis pour leur soutien Enfin, merci à mes parents pour leur soutien durant ces très longues années d’étude qui s’achèvent enfin Et merci à ceux que j’ai oublié - IV - Résumé Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des matériaux candidats pour la réalisation du gainage combustible des réacteurs nucléaires de Génération IV de type RNR-Na. Leurs propriétés mécaniques à haute température sont assurées par une dispersion d’oxydes nanométriques qui peut être modifiée sous l’effet de la température et notamment lors du passage par l’état liquide. Les procédés d'assemblage en phase solide sont donc préconisés. La méthode de soudage étudiée dans cette thèse est le soudage par résistance en bout. Une double approche simulation numérique-expérimentation a été mise en place pour étudier l’influence des paramètres opératoires sur le soudage et la soudure. L’ensemble des essais (expérimentaux et numériques) est réalisé selon la méthode des plans d’expériences factoriels complets. Un alliage ODS base fer à 20 % de chrome a été utilisé comme alliage d’essai. L’analyse de l’influence des paramètres opératoires sur le soudage est réalisée dans un premier temps. Les résultats montrent que l’étape de soudage peut se découper en trois phases. Dans une première phase, la température augmente au niveau des interfaces. Dans une seconde phase, le procédé de soudage est gouverné par le changement de section macroscopique lorsque le courant passe du bouchon massif à la gaine plus étroite. La température augmente alors dans la partie de gaine dépassant de l’électrode. Lorsque la température atteint une valeur suffisamment élevée, la partie de gaine dépassant de l’électrode se déforme, entraînant un affaissement général des pièces. C’est la troisième phase de l’étape de soudage. L’influence des paramètres opératoires sur les phénomènes physiques lors de l’opération d’assemblage est évaluée. Il est alors possible d’influer sur les sollicitations thermiques et mécaniques à l’aide des paramètres opératoires. L’analyse de l’influence des sollicitations thermomécaniques sur la soudure est réalisée dans un second temps. Sur les plages de paramètres opératoires étudiées, les résultats révèlent sur certaines soudures la présence de défauts de compacité ainsi qu’une modification de la microstructure et de la dispersion des oxydes nanométriques. Les défauts de compacité peuvent être liés à des phénomènes thermiques et mécaniques au contact entre pièces. Les modifications de la microstructure sont liées à des phénomènes de recristallisation dynamique ou de fusion locale et donc à des phénomènes thermiques mais aussi mécaniques avec la présence dans ces zones de déformations importantes. Les modifications de la microstructure sont alors reliées à une modification de la dispersion d’oxydes. A l’aide des paramètres opératoires, il est possible d’influer sur les températures et les déformations afin de limiter les modifications de la structure de l’alliage ODS ainsi que l’apparition de défaut de compacité. A l’aide de l’ensemble de ces résultats, la procédure de soudage est adaptée sur un alliage ODS à 9 % de chrome, nuance envisagée pour la réalisation des futurs gainages combustibles. L’influence des propriétés matériaux sur le soudage et la soudure est alors discutée en comparant les deux nuances ODS de compositions différentes mais aussi en comparant les résultats obtenus sur l’alliage ODS à 20 % de chrome avec un alliage non renforcé de composition similaire. Mots clés : ODS, Oxide Dispersion Strengthened, Gainage combustible, soudage par résistance, simulation, paramètres opératoires, Microstructure. - V - Abstract ODS steels (Oxide Dispersion Strengthened) are candidate materials for fuel cladding in Sodium Fast Reactors (SFR), one of the studied concepts for the fourth generation of nuclear power plants. These materials possess good mechanical properties at high temperatures due to a dispersion of nanometer-sized oxides into the matrix. Previous studies have shown that melting can induce a decrease in mechanical properties at high temperatures due to modifications of the nanometer-sized oxide dispersion. Therefore the fusion welding techniques are not recommended and the solid state bonding has to be evaluated. This study is focused on resistance upset welding. Welding experiments and numerical simulations of the process are coupled in this thesis. All laboratory tests (experimental and numerical) are built using the experimental design method to evaluate the effects of the process parameters on the welding and on the weld. A 20Cr ODS steel is used for the experimental protocol. The first part is dedicated to the study of the influence of the process parameters on the welding process. The numerical simulations show that the welding steps can be divided in three stages. First, the contact temperature between the faying surfaces increases. The process is then driven in the second stage by the pieces geometry and especially the current constriction due to the thinness of the clad compared to the massive plug. Therefore, the heat generation is mainly located in the clad part out of the electrode leading to its collapse which is the third stage of the welding step. The evaluation of the process parameters influence on the physical phenomena (thermal, mechanical …) occurring during the welding step, allows adjusting them in order to influence thermal and mechanical solicitations undergone by the pieces during the welding process. The second part consists in studying the influence of physical phenomena on the welds. In the process parameter range, some welds exhibit compactness defects or a modification of its microstructure and a modification of the oxide dispersion. Compactness defects are related to thermal and mechanical phenomena occurring at the contact surfaces between pieces. The modification of the microstructure is related to dynamical recrystallization or to a local fusion. The dynamical recrystallization occurring in the clad due to high deformations and high temperatures is linked to the modification of the oxide dispersion. Using the effects of the process parameters on the welding process and on the weld, it is possible to adjust the temperature and the deformation to avoid compactness defects and the modification of the oxide dispersion. All these results are then applied to the welding of a 9Cr-ODS steel which is a candidate alloy for the SFR fuel cladding. The effects of material properties on the welding process and the weld are then discussed by comparing the two alloys with different chromium content but also by comparing results on the 20Cr-ODS with a material of similar chemical composition but without the oxide dispersion. Key words: ODS, Fuel cladding, resistance welding, simulation, process parameters, microstructure. - VI - Table des matières Chapitre 1 Etude bibliographique ........................................................................... 1 1.1. uploads/Geographie/ corpace-fabien-2011.pdf