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AbstractAbstract
[en] ODS steels (Oxide Dispersion Strengthened) are candidate materials for fuel cladding in Sodium Fast Reactors (SFR), one of the studied concepts for the fourth generation of nuclear power plants. These materials possess good mechanical properties at high temperatures due to a dispersion of nano-meter-sized oxides into the matrix. Previous studies have shown that melting can induce a decrease in mechanical properties at high temperatures due to modifications of the nano-meter-sized oxide dispersion. Therefore the fusion welding techniques are not recommended and the solid state bonding has to be evaluated. This study is focused on resistance upset welding. Welding experiments and numerical simulations of the process are coupled in this thesis. All laboratory tests (experimental and numerical) are built using the experimental design method to evaluate the effects of the process parameters on the welding and on the weld. A 20Cr ODS steel is used for the experimental protocol. The first part is dedicated to the study of the influence of the process parameters on the welding process. The numerical simulations show that the welding steps can be divided in three stages. First, the contact temperature between the faying surfaces increases. The process is then driven in the second stage by the pieces geometry and especially the current constriction due to the thinness of the clad compared to the massive plug. Therefore, the heat generation is mainly located in the clad part out of the electrode leading to its collapse which is the third stage of the welding step. The evaluation of the process parameters influence on the physical phenomena (thermal, mechanical...) occurring during the welding step, allows adjusting them in order to influence thermal and mechanical solicitations undergone by the pieces during the welding process. The second part consists in studying the influence of physical phenomena on the welds. In the process parameter range, some welds exhibit compactness defects or a modification of its microstructure and a modification of the oxide dispersion. Compactness defects are related to thermal and mechanical phenomena occurring at the contact surfaces between pieces. The modification of the microstructure is related to dynamical recrystallization or to a local fusion. The dynamical recrystallization occurring in the clad due to high deformations and high temperatures is linked to the modification of the oxide dispersion. Using the effects of the process parameters on the welding process and on the weld, it is possible to adjust the temperature and the deformation to avoid compactness defects and the modification of the oxide dispersion. All these results are then applied to the welding of a 9Cr-ODS steel which is a candidate alloy for the SFR fuel cladding. The effects of material properties on the welding process and the weld are then discussed by comparing the two alloys with different chromium content but also by comparing results on the 20Cr-ODS with a material of similar chemical composition but without the oxide dispersion. (author)
[fr]
Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des materiaux candidats pour la realisation du gainage combustible des reacteurs nucleaires de Generation IV de type RNR-Na. Leurs proprietes mecaniques a haute temperature sont assurees par une dispersion d'oxydes nano-metriques qui peut etre modifiee sous l'effet de la temperature et notamment lors du passage par l'etat liquide. Les procedes d'assemblage en phase solide sont donc preconises. La methode de soudage etudiee dans cette these est le soudage par resistance en bout. Une double approche simulation numerique-experimentation a ete mise en place pour etudier l'influence des parametres operatoires sur le soudage et la soudure. L'ensemble des essais (experimentaux et numeriques) est realise selon la methode des plans d'experiences factoriels complets. Un alliage ODS base fer a 20 % de chrome a ete utilise comme alliage d'essai. L'analyse de l'influence des parametres operatoires sur le soudage est realisee dans un premier temps. Les resultats montrent que l'etape de soudage peut se decouper en trois phases. Dans une premiere phase, la temperature augmente au niveau des interfaces. Dans une seconde phase, le procede de soudage est gouverne par le changement de section macroscopique lorsque le courant passe du bouchon massif a la gaine plus etroite. La temperature augmente alors dans la partie de gaine depassant de l'electrode. Lorsque la temperature atteint une valeur suffisamment elevee, la partie de gaine depassant de l'electrode se deforme, entrainant un affaissement general des pieces. C'est la troisieme phase de l'etape de soudage. L'influence des parametres operatoires sur les phenomenes physiques lors de l'operation d'assemblage est evaluee. Il est alors possible d'influer sur les sollicitations thermiques et mecaniques a l'aide des parametres operatoires. L'analyse de l'influence des sollicitations thermomecaniques sur la soudure est realisee dans un second temps. Sur les plages de parametres operatoires etudiees, les resultats revelent sur certaines soudures la presence de defauts de compacite ainsi qu'une modification de la microstructure et de la dispersion des oxydes nano-metriques. Les defauts de compacite peuvent etre lies a des phenomenes thermiques et mecaniques au contact entre pieces. Les modifications de la microstructure sont liees a des phenomenes de recristallisation dynamique ou de fusion locale et donc a des phenomenes thermiques mais aussi mecaniques avec la presence dans ces zones de deformations importantes. Les modifications de la microstructure sont alors reliees a une modification de la dispersion d'oxydes. A l'aide des parametres operatoires, il est possible d'influer sur les temperatures et les deformations afin de limiter les modifications de la structure de l'alliage ODS ainsi que l'apparition de defaut de compacite. A l'aide de l'ensemble de ces resultats, la procedure de soudage est adaptee sur un alliage ODS a 9 % de chrome, nuance envisagee pour la realisation des futurs gainages combustibles. L'influence des proprietes materiaux sur le soudage et la soudure est alors discutee en comparant les deux nuances ODS de compositions differentes mais aussi en comparant les resultats obtenus sur l'alliage ODS a 20 % de chrome avec un alliage non renforce de composition similaireOriginal Title
Soudage par resistance du gainage combustible ODS d'un reacteur nucleaire de 4eme generation. Influence des parametres operatoires sur le soudage et la soudure
Primary Subject
Secondary Subject
Source
15 Dec 2011; 202 p; 122 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/INIS/contacts/; Physico-Chimie de la Matiere Condensee
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
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