Phénomène de ssuration en industrie nucléaire

Au cours de leur exploitation, les équipements métalliques peuvent être altérés suite aux sollicitations de leur environnement (température, irradiation, contraintes mécaniques, réactions chimiques, ...) [14, 78]. Cet endommagement progressif, appelé la corrosion, fait l'objet d'un large champ de recherche et met en jeu des mécanismes complexes. L'étude de la corrosion des aciers est un enjeu important de la sûreté nu-cléaire et vise à prévenir ce phénomène et veiller à la durabilité des installations. Notre but n'est donc pas de faire un bilan exhaustif des mécanismes de ssuration mais d'iden-tier les phénomènes majoritairement responsables de la ssuration et la morphologie des ssures obtenues.

Dans les conditions de circuits primaires d'un réacteur nucléaire, le phénomène le plus largement rencontré est la corrosion sous contrainte [12] et entraîne une ssura-tion c'est à dire l'amorce et la propagassura-tion de défauts suivant la contrainte appliquée. La corrosion sous contrainte (CSC) désigne la combinaison de trois facteurs favorables à l'amorce de ssures : un matériau susceptible, un milieu aqueux et une contrainte mécanique. Lorsqu'elle se déclenche, la ssuration peut suivre les joints de grains (in-tergranulaire) ou se propager à travers les grains du matériau (intragranulaire). La morphologie de la ssuration sous contrainte est caractérisée par une ramication des ssures et une propagation perpendiculaire à la contrainte principale (Figure 3.20).

D'autres phénomènes peuvent être à l'origine de ssures. En premier lieu, pour des matériaux aux propriétés plastiques commes les aciers peuvent se ssurer par le phénomène de rupture par fatigue, caractérisée par une succession de contraintes locales et variables dans le temps [124,125]. La ssuration intergranulaire peut également faire suite à un traitement à température intermédiaire (entre 500 et 800°C), comme par exemple au niveau des soudures, par précipitation de carbures de type M₂₆C₆, avec M l'élément de la base métallique, dans les joints de grain notamment du Cr26C₆. De cet appauvrissement en chrome résulte une baisse de la résistance à la corrosion des joints [12] et la décohésion des grains [123] (Figure 3.21).

Figure 3.20  Fissuration intergranulaire de vis internes en acier inoxydable AISI 316L [78]

Figure 3.21  Image MEB de la décohésion de deux grains d'acier inoxydable AISI 316L par précipitation de carbures et traitement thermique à 823 K [123]

mécanique (élongation ou traction), entraine la formation de ssures intergranulaires (Figure 3.22) [123]. Enn, la ssuration d'un matériau peut être la conséquence d'un traitement chimique comme par exemple, la fragilisation par hydrogène [126]. En mi-lieu aqueux et acide, les ions H+ vont être adsorbés à la surface du métal par transfert électronique. Une fois sous forme gazeux, l'hydrogène pénètre dans le métal, dégrade ses propriétés et provoque l'amorce des ssures.

Le retour d'expérience sur la corrosion des aciers en industrie nucléaire nous a mon-tré que les ssures engendrées sont caractérisées par une propagation importante dans le volume du matériau avec une ouverture submicrométrique. D'autres phénomènes

Figure 3.22  Image en coupe transverse de ssure intergranulaire induite par "reheat cracking" sur de l'acier inoxydable AISI 316L [123]

peuvent occasionner une altération de la structure des équipements comme l'usure ou les impacts mécaniques, entraînant des défauts de surfaces de morphologie variée et de dimension plus importante.

3.4.2 Formation de défauts de surfaces à géométrie contrôlée

La démarche expérimentale proposée consiste à former des défauts de surface à géométrie contrôlée et reproductible an de mener une première étude de faisabilité de décontamination. Cette approche nous permettra également de pouvoir contaminer et oxyder ces défauts de façon similaire aux surfaces planes étudiées précédemment, avec comme nalité la compréhension de l'inuence du connement de la contamination sur l'ecacité du procédé. Pour mener à bien cette étude, notre objectif est de former des défauts de dimensions reproductibles et d'ouverture comprise entre 10 et 50 µm. La rugosité des échantillons bruts et oxydés étant de Ra = 0,46 µm et la longueur d'onde de la source laser de 1,064 µm, l'ouverture minimale des défauts a été choisie avec une dimension plus importante. L'ouverture maximale souhaitée a été elle xée à 50 µman de rendre possible la contamination et l'oxydation de la surface interne tout en restant inférieur au diamètre du faisceau laser (124 µm). De plus, le rapport entre l'ouverture et la profondeur, dit rapport d'aspect dans la suite des travaux, est choisi supérieur à 2 pour être cohérent avec la propagation volumique des ssures indiquées dans la littérature. Enn les dimensions et la géométrie des défauts de surface doivent être compatibles avec les techniques analytiques disponibles au laboratoire et adéquates à la détection de l'europium.

Fentes démontables

Dans un premier temps, des fentes démontables ont été formées par juxtaposition de plaques en acier inoxydable AISI 304L, issus du matériau d'étude et de dimension 15 × 15 × 3 mm3. Après avoir été polies mécaniquement par draps SiC à un grain de

1200 pour rectier les bords des pièces, les surfaces sont contaminées par pulvérisation d'une solution de nitrate d'europium Eu(NO₃)₃ et oxydées par irradiation laser selon le protocole établi pour obtenir des couches d'oxydes de type OxA. Les paramètres de préparation ainsi que les caractéristiques des couches d'oxydes formées sont données dans le chapitre précédent, dans les Tableaux 2.3 et 2.4 (pages 66 et 77). Les plaques sont ensuite juxtaposées deux à deux telles que les faces oxydées soient à l'intérieur. An de s'assurer du bon alignement des plaques, le montage est fait sur une surface plane et l'ensemble est maintenu par une pince de Mohr. Une photographie du montage ainsi que la représentation 3D de la surface par microscopie interférométrique sont présentées dans les Figures 3.23 et 3.24. Ce premier protocole nous permet d'obtenir des fentes contaminées, d'ouverture de 18 ± 3 µm. Selon les besoins de l'étude, l'ouverture de la fente pourra être ajustée par insertion de feuillard métallique d'épaisseur désirée. Après traitement laser, le montage pourra être démonté pour étudier la microstructure de la zone aectée.

Figure 3.23  Photographie du dispositif de fente démontable

Une analyse par GD-MS du défaut de surface contaminé et oxydé a été eectuée (Figure 3.25) grâce à un porte échantillon adapté car la géométrie du dispositif entraîne une perte d'étanchéité. Au delà des premiers 0,5 µm, un signal moyen de 0,03% en europium a été détecté tandis que les concentrations en fer, nickel et chrome sont cohérentes avec la composition de la base métallique. Ces résultats sont expliqués par le fait que, à la diérence de l'étude sur les surfaces planes, l'érosion du défaut est faite perpendiculairement à l'ouverture, donc suivant la couche d'oxyde contaminée. La matière analysée dans le cratère d'érosion de diamètre 4 mm est donc majoritairement constituée d'acier inoxydable et le rapport entre la surface contaminée et la surface métallique est très faible.

Dans les premiers micromètres du montage, la concentration en europium de 300 µg/g, supérieure à la limite de détection de 100 ng/g, est tout de même susante pour dé-tecter la présence d'europium. Ce signal devient cependant trop faible pour déterminer un taux de décontamination avec la même justesse que les analyses de surface.

Figure 3.24  Image 3D du dispositif de fente démontable par microscopie interféro-métrique (Mg = ×20)

Figure 3.25  Prol élémentaire GD-MS de fente démontable avec des plaques oxydées de type OxA

Micro-gravures

Un second protocole de formation de défaut de surface a été développé an d'obte-nir des ssures de géométrie reproductible et, contrairement aux fentes démontables, de rapport d'aspect ni permettant ainsi d'étudier la distribution spatiale de la décon-tamination et l'accumulation de matière en fond de ssure. Des micro-gravures ont été formées à la surface d'échantillons d'acier inoxydable AISI 304L par irradiation laser avec une source UV (P = 400 mW , τ = 12 ns, f = 1 kHz). Des sillons parallèles avec

(a) _(b)

Figure 3.26  Images de coupe transverse de micro-gravure par MEB-BSE (Mg = ×1000, 15 kV , 2 nA) (a) avant et (b) après contamination et oxydation

un pas de 300 µm ont été gravés avec une vitesse de balayage de 20 mm/s et 50 passages répétés. La caractérisation des gravures a été eectuée par observation MEB de coupe transverse réalisée dans le plan perpendiculaire aux défauts (Figure 3.26). Les micro-gravures présentent une ouverture de 30,3 ± 5,3 µm, une profondeur de 43 ± 3,3 µm et un rapport d'aspect de 1,45 ± 0,3. Une fois gravée, la surface est nettoyée par ultrason à l'éthanol pour éliminer les résidus, contaminée par pulvérisation d'une solution de nitrate d'europium Eu(NO3)₃ oxydée par irradiation laser et traitement au four selon le protocole établi pour obtenir des couches d'oxydes de type OxB (cf. Tableaux 2.3 et 2.4, pages 66 et 77). L'oxydation au four a été choisie pour ce type de défaut an de maximiser l'oxydation de la surface interne. Les observations MEB d'une micro-gravure présentées dans la Figure 3.26 montrent qu'un oxyde de dimension micrométrique s'est formé sur l'ensemble de la surface du défaut, sans en endommager la structure.

Une analyse GD-MS a été réalisée sur une surface gravée et la dimension du cratère nous a permis d'avoir un signal moyenné pour 12 micro-gravures (Figure 3.27), repré-sentant environ 9% de la surface analysée. Le signal en europium détecté est ainsi plus important que dans le cas de la fente démontable (Figure 3.25) et permet une analyse plus ne du taux de décontamination. Le prol de composition obtenu par GD-MS ne suit pas exactement la profondeur de la pièce avec défaut comme cela peut être le cas d'une surface plane. L'interprétation du prol de la micro-gravure présentée dans la Figure 3.27 a donc nécessité de déterminer l'évolution du défaut au cours de l'érosion. Dans un premier temps, on peut cependant armer que la concentration importante en europium et en oxygène dans les cinq premiers micromètres en profondeur comprend la contribution de la surface, elle-même oxydée. L'analyse GD-MS est systématiquement eectuée sur une profondeur de 40 µm et l'observation en coupe de l'échantillon avant et après analyse (Figure 3.28) montre que l'ensemble des gravures a été érodées.

Les volumes considérés sont ainsi comparables et la détermination d'un taux de décontamination par analyse globale du volume est donc cohérente.

Figure 3.27  Prol élémentaire GD-MS de surface gravée, contaminée et oxydée

Figure 3.28  Image de coupe transverse par microscopie optique (Mg = ×20) d'un échantillon gravé et analysé en partie par GD-MS. Les èches rouges représentent la position des gravures.

Dans le document Etude de l’interaction laser surface pour le développement de procédé de décontamination de surfaces métalliques avec fissures micrométriques par ablation laser (Page 129-136)