Etude du gonflement par cavités d'un alliage d'aluminium irradié sous faisceau d'ions

Study of the void swelling of an aluminium alloy irradiated with ion beams

• Auteur / Autrice : Victor Garric
• Direction : Patricia Donnadieu, Kimberly Colas, Bénédicte Kapusta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (CEA, Saclay)
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Décamps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Vermaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-France Barthe, Joël Douin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse par faisceau d'ions

Ions

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Aluminium

Faisceau d'ion

Irradiation

Microscopie

Microscopy

Irradiation

Aluminium

Ion beam

Résumé

L’alliage d’aluminium 6061-T6 (Al-Mg-Si), choisi pour la conception du caisson et du casier du réacteur Jules Horowitz (RJH), doit ses propriétés mécaniques au durcissement structural T6 induit par une précipitation nanométrique : une mise en solution suivie d’une trempe et d’un revenu. En raison de l’épaisseur des composants, la vitesse de trempe obtenue sur les éléments d’un réacteur expérimental est plus faible que celle des pièces fines couramment étudiées. Afin d’étudier l’effet de la vitesse de trempe sur la microstructure et le comportement sous irradiation, trois cubes de 10 cm de côté d’alliage 6061 ont subi un traitement T6 dans trois conditions de trempe (eau, huile, air). A la suite de ces traitements, une caractérisation microstructurale et mécanique a été réalisée sur chaque état.La contribution au gonflement de l’aluminium des cavités qui se forment sous flux de neutrons rapides est mal connue. Par des irradiations ioniques de lames MET à différents niveaux d’endommagement (entre 15 dpa et 100 dpa), une évaluation des modifications microstructurales suivie d’une quantification du gonflement et d’une modélisation a été entreprise.Des irradiations en triple faisceau (W, He, Si) permettant de cumuler les dommages avec l’implantation d’éléments produits en réacteur par transmutation de l’aluminium, ont montré que l’implantation de silicium conduit à l’apparition d’une nouvelle phase riche en Si. En simple faisceau d’ions lourds (Au), les cavités se localisent autour des défauts linéaires et des dispersoïdes, mais en présence d’hélium elles apparaissent aussi réparties dans toute la matrice. Compte tenu des fortes teneurs en hélium implanté, les mesures quantitatives du gonflement ont été réalisées sur les lames irradiées en simple faisceau.Le gonflement mesuré, plus élevé que sous flux neutronique, a conduit à considérer pour la modélisation deux séries de données (ions/neutrons). Les bases d’une modélisation du gonflement par cavités ont été posées, et les paramètres physiques restant à déterminer ont été identifiés.

6061-T6 (Al-Mg-Si) aluminum alloy chose for the core of the Jules Horowitz Reactor (JHR) benefits from the T6 structural hardening induced by nanoprecipitates formed after an annealing followed by a quench and an artificial ageing. Because of the thickness of reactor parts, the quench rate is far slower than what is commonly seen on usual thin plates. In order to study the influence of the quench on the microstructure and the behavior under irradiation, three 10 cm side cubes of 6061 alloy have been tempered with a T6 treatment in three different quenching conditions (water, oil and air). Treatment have been followed by microstructural investigations on each temper.The contribution of voids, formed under fast neutron flux, to the global swelling of the alloy is poorly known. Using ion irradiation on bulk TEM samples at different damage levels (from 15 dpa to 100 dpa), microstructural evolutions have been characterized and swelling has been both quantified and modeled.Triple beam irradiations (W, He, Si) alloying to obtain a consistent damage level while implanting fission products (Si, He) showed silicon implantation lead to the precipitation of a new Si enriched phase. Simple beam irradiations (Au), showed voids are localized around linear defects and dispersoïds. Implantation of helium lead to a homogeneous distribution of bubbles in the whole matrix. Acknowledging the very high dose of helium implanted, quantitative measurements of swelling has been performed exclusively on single beam irradiated samples.The measured swelling, higher than what has been observed under neutron flux, lead to consider two series of data (ions and neutrons) in order to model the swelling. The base of a swelling model has been performed and the remaining physical parameters to determine were identified.