Published December 16, 2020 | Version v1
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Nano-oxides and microstructural evolutions of oxide dispersion strengthened steels throughout their fabrication process

Description

Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels with a Fe-Cr matrix are of great interest in the development of generation IV fission nuclear power plants as a fuel cladding material. These materials, elaborated by powder metallurgy, include a high density of Y-Ti-O oxide precipitates of a few nm, providing the main contribution to the ODS steels strength. During the fabrication process, powders of Fe-Cr steel, Y2O3 and TiH2 are milled together to obtain a super-saturated solution of Y, Ti and O, otherwise insoluble in Fe. The obtained powder is subsequently processed by Hot Extrusion or Hot Isostatic Pressing around 1100 C. This induces the precipitation of Y-Ti-O and leads to a fully dense steel with finely dispersed nano-oxides in high density, extremely stable even at very high temperature. Moreover, the complex microstructure induced by the milling stage, including high density of dislocations and very small grain size, also evolve during the heating, in an intricate ways with the evolution of the nano-oxides that act as strong pinning points for both grain boundaries and dislocations. This features leads to abnormal grain growth (significant growth of some grains, while others remain stable) and therefore a bimodal grain size after consolidation. The aim of this thesis is to characterize both kinetics and chemical evolution of the nano-oxides during the fabrication process of these steels, as well as the grain microstructure evolution, which are still misunderstood. Such experimental characterization would be invaluable to further control the fabrication process and improve available model of the ODS precipitation kinetics. For this purpose, cold pressed specimens from as-milled powder were prepared (in order to achieve dense specimens without precipitation) and observed by means of various in-situ or ex-situ techniques. In particular, in-situ Small Angle X-ray Scattering measurements were performed during the heating until 1100 C to measure the precipitation kinetics of several ODS grades. The chemistry and structure of nano-oxides were assessed thanks to anomalous SAXS at Y (performed in-situ) and Ti (ex-situ) edges, ex-situ small angle neutron scattering and atom probe tomography. Then, the grain microstructure was monitored by in-situ X-ray diffraction. These characterizations allow to describe the whole kinetics of purely ferritic ODS, ferritic/martensitic ODS and ODS strengthened with variation of the strengthening powders. In particular, this study highlights a non-homogeneous as-milled stage with clusters containing Y, O and Ti in lesser extent. These clusters evolve in chemistry and structure until reaching a stable structure and stoichiometry, revealed to be Y2Ti2O7 pyrochlore and Y2TiO5 orthorhombic depending on the ODS steel grade. Moreover, a kinetic modification induced by the in temperature phase transformation of the matrix in the ferritic/martensitic ODS (increasing the growth and coarsening rate) was observed. Correlation between nano-oxide and the grain microstructure evolutions were performed and help in the comprehension of the abnormal grain growth temperature and final grain morphology, from one ODS grade to another. Finally, comparisons of the precipitation simulations with experimental data allow to get more insights on the nano-oxides properties. (author)

Abstract (French)

Les aciers renforces par dispersion d'oxydes (ODS pour Oxide Dispersion Strengthened) sont des materiaux candidats pour leur utilisation comme gainage du combustible pour des centrales nucleaires de generation IV. Dans ces aciers, une dispersion de nano-oxydes Y-Ti-O a l'origine de l'essentiel des proprietes mecaniques de l'alliage, est incorporee dans une matrice par metallurgie des poudres. Pendant ce procede, une poudre d'acier Fe-Cr est broyee avec une poudre d'Y2O3 et une poudre de TiH2, afin de mettre en solution l'Y, le Ti et l'O, autrement immiscible dans la matrice. Le broyage induit aussi une microstructure de tres petits grains avec une forte densite de dislocations. La poudre obtenue est ensuite consolidee par filage a chaud ou compaction isostatique a chaud a une temperature de 1100 C. Cette etape induit la precipitation des nano-oxydes, finement disperses dans la matrice, en forte densite numerique et extremement stables a haute temperature. La microstructure evolue aussi pendant le recuit, de facon concomitante a l'evolution des nano-oxydes, qui agissent comme points d'ancrage pour les joints de grains et les dislocations. Ceci mene a un phenomene de croissance anormale des grains (croissance importante de certains grains seulement), et a une repartition de taille de grains bimodale apres consolidation. L'objectif de cette these est de caracteriser la cinetique et les evolutions de chimie des nano-oxydes, ainsi que les evolutions de la microstructure granulaire, pendant le procede de fabrication, qui sont encore mal compris. Ces resultats sont cruciaux pour la maitrise du procede de fabrication des aciers ODS, et representent un jeu de donnees unique pour le developpement de simulations de precipitation. Ainsi, des echantillons de poudres apres broyage ont ete compactes a froid, afin de les densifier sans induire la precipitation des nano-oxydes. Ces echantillons ont ete ensuite caracterises au cours du traitement thermique de consolidation. La cinetique de precipitation a ete mesuree sur plusieurs nuances d'aciers ODS par diffusion de rayons-X aux petits angles (SAXS pour Small Angle X-ray Scattering) in-situ pendant le traitement thermique jusqu'a 1100 C. Pour caracteriser les evolutions de chimie et de structure des nano-oxydes, des mesures de SAXS anomales au seuil de l'Y (in-situ), au seuil du Ti (ex-situ), de diffusion de neutrons aux petits angles et de sonde atomique tomographique ont ete realisees. Finalement, l'evolution de la microstructure granulaire a ete caracterisee par diffraction des rayons-X in-situ. Ces caracterisations ont ete realisees sur des aciers ODS ferritiques et ferritiques/martensitiques, ainsi que sur des aciers ODS comportant des variations sur les proprietes des renforts. En particulier, la presence d'amas de tres petite taille contenant de l'Y, de l'O et du Ti dans une moindre mesure a ete constatee des la condition post-broyage. Ces amas, evoluent en chimie et en structure jusqu'a devenir des nano-oxydes stables, Y2Ti2O7 pyrochlore et Y2TiO5 orthorhombique, dans des proportions variables suivant les nuances. De plus, une augmentation de la vitesse de croissance et de coalescence a ete observee lors du changement de phase de la matrice des ODS ferritiques/martensitiques. La comparaison entre les resultats de cinetique de precipitation et de microstructure granulaire a permis la comprehension des temperatures de croissance anormale des grains, suivant la nuance consideree. Finalement, les comparaisons des simulations de precipitation avec les resultats experimentaux ont permis d'obtenir de nouveaux elements de comprehension des mecanismes de precipitations

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Original title (French)
Evolution des nano-oxydes et de la microstructure au cours du procede de fabrication d'aciers renforces par dispersion d'oxydes

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Imprint Pagination
362 p.
Report number
FRCEA-TH--14842

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Notes
223 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses