Exemple d'application : Impact du procédé de fabrication sur l'évolu- l'évolu-tion du gradient de fracl'évolu-tion recristallisé au sein d'un bloc de tungstènel'évolu-tion du gradient de fracl'évolu-tion recristallisé au sein d'un bloc de tungstène

Avant de clore ce chapitre, nous nous intéressons ici à mettre en évidence l'impact du procédé de fabrica-tion (taux de corroyage, recuit intermédiaire de détensionnement,...) sur la stabilité microstructurale du bloc de tungstène au cours de cycles thermiques. Pour cela, nous ferons l'hypothèse que les compositions chimiques des matériaux étudiés sont identiques.

Les cinétiques de recristallisation obtenues pour le matériau A et le matériau B (annexe H) sont utilisées an de modéliser l'évolution de X après 50 et 100 cycles à 20MW/m² à 3,5mm du bord du bloc. La gure II.5.3.4 montre une résistance du matériau B à la recristallisation. Pour un nombre de cycles thermiques équivalent, l'épaisseur de tungstène impactée par la recristallisation (X > 0) est environ 20% moins importante après 100 cycles. Pour ce même nombre de cycles thermiques, une épaisseur de tungstène recristallisé d'environ 300µm est estimée pour le matériau B alors que pour le matériau A cette épaisseur est supérieure à 800µm.

SECTION 5.3. MODÉLISATION DE LA RECRISTALLISATION STATIQUE DU TUNGSTÈNE

Figure II.5.3.3  Comparaison des gradients de recristallisation obtenues à partir des données expéri-mentales issues de la méthode inverse et de la méthode conventionnelle

Figure II.5.3.4  Impact du procédé de fabrication sur le gradient de recristallisation entre le matériau A et le matériau B

Les résultats obtenus ici peuvent également être comparés aux résultats numériques présentés pour le matériau de référence après 100 cycles (méthode conventionnelle gure II.5.3.3). On remarque que le matériau de référence recristallise plus rapidement. Pour le matériau B et A, on observe que X égale à 50% à ~1,1mm et ~1,3mm alors que pour le matériau de référence X est égale à 50% à ~1,6mm de profondeur. Ces observations mettent en évidence l'impact du procédé de fabrication sur l'évolution de la microstructure du tungstène au cours des cycles thermiques. Ainsi, en fonction du procédé de fabrication employé, le matériau peut développer une forme de résistance à la recristallisation ce qui au regard des résultats numériques préliminaires obtenus dans le chapitre précédent pourrait favoriser une durée de vie plus importante du composant.

Figure II.5.3.5  Maquette d'intérêt type pour la méthode inverse

5.3.5 Perspectives

Nous avons vu dans ce chapitre que la méthode inverse basée sur l'étude des cinétiques de recristallisation du matériau à partir de seulement deux blocs permet une première approche de ces cinétiques à hautes températures. En eet, an d'étudier ces cinétiques sur une plage de température de ~1350°C à ~1700°C, il a été nécessaire d'émettre plusieurs hypothèses et d'eectuer en particulier une étape d'optimisation visant à contraindre les paramètres du JMAK à suivre une loi d'Arrhenius.

Dans un futur proche, d'autres maquettes constituées de plusieurs blocs exposés à 20 MW/m² pourraient être étudiées an d'estimer plus précisément les cinétiques de recristallisation du tungstène. A partir de

SECTION 5.4. CONCLUSION DU CHAPITRE

maquettes composées de nombreux blocs exposés à hauts ux, il serait possible d'étudier précisément les cinétiques de recristallisation du tungstène sur une large plage de température. La gure II.5.3.5 présente typiquement les résultats qui pourraient être obtenus avec une maquette composés de 7 blocs de tungstène exposés de 50 à 1000 cycles thermiques à 20 MW/m². A partir de cette maquette type, les cinétiques de recritsallisation du tungstène pourraient être étudiées de 1250°C à 1800 °C.

Aussi, comme explicité section 5.1.1.2, la taille de l'indenteur pourrait être réduite an d'augmenter la statistique des mesures de dureté et minimiser l'incertitude concernant l'estimation de la température de recuit pour chaque cinétique.

Enn, il ne faut pas oublier qu'en environnement tokamak les composants face au plasma sont en contact direct avec diérentes espèces chimiques en provenance du plasma (Deutérium, Tritium, Hélium). Bien que ces phénomènes aient été négligés dans le cadre de cette étude, les éléments chimiques en présence ont un impact sur les cinétiques de recristallisation du tungstène [Morgan, 2019,Corr et al., 2019]. Ainsi, plusieurs campagnes expérimentales pourraient être envisagées sur la base de la méthode conventionnelle ou de la méthode inverse an d'évaluer l'inuence de ces phénomènes sur les cinétiques de recristallisation du tungstène.

A retenir :

- Les cinétiques de recristallisation du matériau de référence ont été identiées par méthode conven-tionnelle de 1348°C à 1600°C.

- Les cinétiques de recristallisation du matériau A ont été identiées par méthode conventionnelle de 1450°C à 1600°C.

- Les cinétiques de recristallisation du matériau B ont été identiées par méthode conventionnelle de 1500°C à 1800°C.

- La méthode inverse basée sur l'exploitation de deux blocs de tungstène permet une première estimation des cinétiques de recristallisation.

- L'hétérogénéïté de dureté mise en évidence entre le coeur et la surface externe des blocs de tungstène étudiés, n'a pas d'impact majeur sur les cinétiques de recristallisation.

- Les cartographies EBSD réalisées en proche surface des blocs de tungstène M4 et M5 révèlent une accumulation des dislocations en proche surface, validant ainsi l'approche numérique de cette thèse basée sur l'accumulation des déformations plastiques.

- Le modèle de JMAK peut être adapté pour suivre l'évolution de la fraction recristallisée d'un matériau même pour des chemins thermiques anisothermes.

- Le procédé de fabrication du matériau a un impact important sur l'évolution du gradient de fraction recristallisée au sein du bloc de tungstène au cours des cycles thermiques.

5.4 Conclusion du chapitre

Une étude expérimentale a été réalisée dans le but d'identier les cinétiques de recristallisation pour diérents lots de tungstène respectant le cahier des charges ITER (matériau de référence, matériau A et matériau B) au delà de 1350°C. Obtenues par méthode conventionnelle, ces cinétiques se sont révélées diérentes pour chaque lot de tungstène étudié.

Compte tenu du fait que plusieurs lots de tungstène pourraient être employés pour la fabrication du divertor d'ITER, une méthode innovante (méthode inverse) a été développée dans le cadre de cette

étude an de limiter le nombre d'échantillons et d'essais de recuits pour identier les cinétiques de recristallisation du tungstène. Cette méthode a ainsi montré qu'il est possible d'étudier les cinétiques de recristallisation du tungstène à partir de l'utilisation de maquettes de CFPs préalablement testées sous hauts ux thermiques. Cependant, an d'estimer précisément ces cinétiques, la méthode inverse nécessite des conditions d'exposition aux ux adaptées.

Dans ce chapitre, il a également été mis en évidence grâce à une étude quantitative à l'échelle de la microstructure (EBSD), que l'hétérogénéité de dureté mesurée entre le c÷ur et la surface des blocs de tungstène, n'a pas d'impact sur les cinétiques de recristallisation du matériau. Ainsi, nous avons pu constaté qu'une diérence de 4% de sous-joint de grains ne joue pas de rôle signicatif sur le processus de recristallisation.

Les cartographies EBSD réalisées en proche surface sur des bloc de tungstène testés au hauts ux ont permis de mettre en évidence (qualitativement) une accumulation des dislocations en proche surface au cours des cycles thermiques, validant ainsi l'approche numérique de cette thèse basée sur l'accumulation des déformations plastiques au sein du bloc de tungstène.

Enn, un outil numérique a été développé an de modéliser pour la première fois l'évolution de la fraction recristallisée au cours de chargements thermiques cycliques. La programmation d'un post-traitement au sein d'ANSYS basé sur l'utilisation de la formulation intégrée du JMAK a permis de démontrer l'impact du procédé de fabrication sur la recristallisation du bloc de tungstène soumis à un type de chargement thermique représentatif des campagnes réalisées à hauts ux (20 MW/m²).

SECTION 5.4. CONCLUSION DU CHAPITRE

Conclusion de la partie

Répondant au besoin exprimé dans la partie bibliographique de ce manuscrit, cette seconde partie a pour première vocation d'étudier expérimentalement l'impact du phénomène de recristallisation du tungstène sur ses propriétés thermomécaniques.

Pour cela, le comportement de ce matériau a été étudié de 500°C à 1150°C. Des essais de compression ont ainsi mis en évidence un comportement ductile du tungstène sur la plage de température étudiée. Aussi, les courbes contraintes-déformation obtenues ont révélé un comportement élasto-viscoplastique du tungstène avec en particulier un fort écrouissage pour le matériau recristallisé.

Un modèle élasto-viscoplastique adapté a ainsi été proposé pour modéliser ce comportement au sein du logiciel éléments nis employé dans le cadre de cette thèse : ANSYS. Indisponible au sein de ce logiciel, ce type de modèle nécessite un travail de programmation et de validation conséquent. Il a donc été proposé de justier ce travail à travers une étude numérique préliminaire. Cette étude numérique a permis de don-ner une estimation de la durée de vie des CFPs destinés au divertor WEST et ITER en considérant un comportement élasto-plastique du tungstène et du tungstène recristallisé. Cette estimation repose sur le calcul de l'incrément de déformation plastique équivalent à chaque cycle thermique et sur l'utilisation de données en fatigue (lois de Manson-Con) disponibles dans la littérature. Cette première étude a notam-ment démontré la nécessité de tenir compte de l'évolution progressive des propriétés thermomécaniques du tungstène en fonction de son état microstructural.

Par conséquent, le dernier chapitre de cette partie s'est attaché à l'étude du phénomène de recristallisation du tungstène. Motivé par le besoin d'estimer la durée de vie des composants à l'échelle macroscopique, il a été décidé d'étudier les cinétiques de recristallisation de ce matériau grâce au modèle phénoménologique de JMAK. Pour cela, les cinétiques de recristallisation du matériau testées lors de la campagne de com-pression (matériau de référence) ont été étudiées par méthode conventionnelle et méthode inverse sur une large plage de température (jusque 1800°C). Aussi, grâce aux études réalisées par [Alfonso et al., 2014], il a également été décidé de mettre en évidence l'inuence du procédé de fabrication du tungstène sur les cinétiques de recristallisation. Pour cela, les cinétiques de recristallisation de deux autres nuances de tungstène ont été étudiées (matériau A et matériau B).

Enn, l'utilisation de la formulation intégrée du JMAK en post-traitement d'un calcul thermique a permis de modéliser pour la première fois l'évolution de la fraction recristallisée du matériau au cours de cycles thermiques. Plusieurs gradients de fraction recristallisée ont ainsi été obtenus en fonction des diérentes données expérimentales recueillies, laissant apparaître, des diérences notables en fonction des cinétiques utilisées.

An de suivre l'évolution de l'incrément de déformation plastique équivalent du tungstène au cours de l'évolution de la microstructure du matériau, nous nous sommes attachés à développer un modèle mécanique dédié. Le développement, la validation ainsi que l'exploitation de ce modèle fait l'objet de l'ultime partie de ce manuscrit.