Chargement en hydrogène à basse température

Outre les chargements en hydrogène effectués à 800°C au CdM, quelques chargements en hydrogène ont été réalisés à 500°C à l’ICMPE sur des plaquettes en ZrVA et en Zy4 (compositions chimiques données dans le Tableau I.3 et le Tableau I.2, respectivement) que l’on souhaitait charger en hydrogène à des teneurs encore plus proches de celles visées (i.e. à quelques ppm-mass. près) qu’avec le chargement décrit dans la partie précédente effectué à 800°C. Ces chargements en hydrogène ont également été effectués par voie gazeuse mais cette fois-ci sous atmosphère d’hydrogène pur à 99,9999 %-vol.. Cette méthode se base également sur le phénomène d’absorption de l’hydrogène, qui suit la loi de Sievert dans les alliages de zirconium (cf. Partie II.2.4).

Avant chargement, les plaquettes sont polies mécaniquement pour obtenir un bon état de surface afin de favoriser l’absorption de l’hydrogène. Les échantillons sont ensuite pesés et leurs dimensions sont mesurées. Avant l’introduction de l’échantillon, le four est porté à 500°C à une vitesse de 100°C/h. Avant d’injecter l’hydrogène gazeux, un vide primaire de l’ordre de 10-2 _{mbar est appliqué pendant 1h}

à 500°C afin d’évacuer les gaz présents dans l’enceinte. La quantité de gaz devant être injectée peut être calculée à partir de la teneur en hydrogène visée, du volume libre de l’enceinte avec le porte-échantillon et de la température de chargement. Un capteur permet de mesurer précisément la pression dans l’enceinte, avec une précision de l’ordre de 0,05% de la pression maximale d’utilisation du capteur. Des compléments sur ce protocole de chargement en hydrogène sont donnés en Annexe A.

Ce protocole de chargement en hydrogène permet a priori d’obtenir de manière précise des teneurs en hydrogène proches de celles visées. Cependant, le nombre et la taille des échantillons pouvant être chargés en hydrogène avec ce dispositif sont limités. En effet, la durée des chargements est assez longue, du fait de la température de chargement relativement basse. Il faut par exemple une quinzaine d’heures de chargement pour atteindre une teneur de 3000 ppm-mass..

Cette méthode a été appliquée pour charger en hydrogène

− à 3000 ppm-mass., des plaquettes en ZrVA de 24x14x1,2 mm3 _{destinées à l’étude de l’effet}

isolé de l’hydrogène sur les paramètres de maille de la phase αZr à température ambiante (Partie

− à 1000 ppm-mass., des plaquettes en Zy4 de 60x14x1,2 mm3 _{destinées à des essais de traction}

in-situ sous MEB pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture (Partie V.3.3).

Pour contrôler l’homogénéité de la teneur en hydrogène dans les échantillons, plusieurs prélèvements ont été effectués dans la longueur et dans la largeur des plaquettes (Figure III.7). Quelques plaquettes ont été dosées en hydrogène à 5 positions différentes. Les autres ont été dosées systématiquement à 3 positions : aux extrémités et à mi-longueur. Les dosages en hydrogène ont été effectués à l’aide de l’analyseur HORIBA EMGA 821.

Figure III.7 : Schéma des positions des prélèvements effectués sur les plaquettes en ZrVA chargées en hydrogène à 500°C pour dosage de l’hydrogène

La Figure III.8 présente le profil de la teneur en hydrogène mesurée le long des plaquettes en ZrVA chargées en hydrogène à 500°C. On constate un gradient important de la teneur en hydrogène, variant entre 1100 et 3300 ppm-mass., pour une teneur en hydrogène moyenne de l’ordre de 3000 ppm-mass.. Un gradient de teneur en hydrogène de 400 à 1600 ppm-mass., pour une teneur moyenne en hydrogène de 1000 ppm-mass., a également été constaté pour les plaquettes en Zy4 de 60 mm de long (cf. Annexe A). Par ailleurs, comme le montre la Figure III.9, la répartition de l’hydrogène n’est pas non plus homogène à travers l’épaisseur des plaquettes ; des hydrures massifs sont observés en périphérie. Afin d’homogénéiser la répartition de l’hydrogène, un traitement thermique ont été appliqué sous argon (99,995 %-vol.) après chargement en hydrogène. Le choix des conditions de traitement a été fait sur la base de calculs de diffusion de l’hydrogène effectué avec le logiciel Dictra associé à la base de données de mobilités des éléments dans le Zr, Zircomob (Toffolon-Masclet et al., 2012). En s’appuyant sur ces calculs de diffusion (Figure III.8), un traitement thermique de 10h à 800°C sous argon a été appliqué. Pour cela, les échantillons ont été encapsulés dans une ampoule de silice. Avant l’introduction dans les ampoules d’une pression de 100 mbar d’argon à température ambiante, un vide secondaire a été maintenu pendant une nuit pour pouvoir évacuer tous les gaz résiduels. Les ampoules ont ensuite été scellées. 14 mm 24 mm 14 mm

III.3. Chargement en hydrogène 69

Figure III.8 : Profil de la teneur en hydrogène le long des plaquettes en ZrVA chargées en hydrogène à 500°C puis traitées plusieurs heures à 800°C sous Ar ou non (à gauche) ; profil de diffusion de

l’hydrogène calculé avec Dictra en fonction de la durée de maintien à 800°C (à droite)

Figure III.9 : Micrographie optique en lumière blanche dans l’épaisseur de plaquettes en ZrVA chargées en hydrogène à 3000 ppm-mass. avant (à gauche) et après (à droite) traitement thermique de

10h à 800°C sous Ar

La température de 800°C permet une homogénéisation plus rapide qu’à plus basses températures et les essais précédents (cf. Partie III.3.1) avaient mis en évidence l’absence de désorption de l’hydrogène dans ces conditions. Les dosages de l’hydrogène effectués le long des plaquettes (Figure III.8) montrent, qu’à l’issue des traitements thermiques de 10h à 800°C sous Ar, la teneur en hydrogène devient homogène le long des plaquettes : elle ne varie que de 3000 à 3050 ppm-mass. avec une teneur moyenne de l’ordre de 3000 ppm-mass.. Par ailleurs, la Figure III.9 met en évidence une bonne homogénéité de la microstructure le long de l’épaisseur des plaquettes après traitement thermique ; on n’observe plus d’hydrures massifs. 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 Distance (mm) Profilinitial 6h à 800°C 3h à 800°C Distance (mm) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5 10 15 20 25 Ten eu r en h ydr og èn e (pp m -mas s. ) Avant TTh à 800°C Après un TTh à 800°C pendant 6h 500 μm Avant TTh à 800°C Hydrures de zirconium Après TTh à 800°C 500 μm