Corrosion and stress corrosion cracking behavior in PWR primary water of a 316L stainless steel produced by additive manufacturing WAAM and WLAM
Comportement en corrosion et en corrosion sous contrainte en milieu primaire REP d'un acier inoxydable 316L élaboré par fabrication additive WAAM et WLAM
Résumé
Additive Manufacturing (AM) is a promising manufacturing process, as it minimizes the use of resources for the production of complex parts, the addition of functionalities and the repair of components. Wire feed AM techniques such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) and Wire Laser Additive Manufacturing (WLAM) are being investigated for the manufacture of Pressurized Water Reactor (PWR) components. However, considerable qualification work is still required.Stainless steels exhibit a good corrosion behavior in high-temperature water, but cases of stress corrosion cracking (SCC) have been observed in the primary circuit of PWRs. To date, few studies have been carried out on AM stainless steels behavior in the nuclear environment, particularly in the PWR primary water. In this context, the thesis aims to establish a relationship between the microstructure and the susceptibility to SCC of 316L stainless steel produced by the WAAM and WLAM processes.The influence of stress-relieving and solution annealing heat treatments on the microstructure and mechanical properties of AM materials has been assessed. The microstructural, tensile and fatigue properties of the WAAM and WLAM specimens are compared to those of a conventional manufactured 316L stainless steel. Oxidation tests revealed similar corrosion behavior between WAAM, WLAM and conventional stainless steels. SCC tests on U-bend specimens showed that solution annealing at 1200°C for 3 hours reduced the resistance to intergranular SCC (IGSCC) of WAAM and WLAM materials. In parallel, slow strain rate tensile tests were used to study the early stages of crack initiation. IGSCC-type crack initiations were identified in the solution annealed materials and transgranular crack initiation (TGSCC) in the stress-relieved materials. It is believed that the dendrites of δ ferrite, only found in AM stress-relieved materials, may affect the cracking mode, thereby leading to transgranular cracks.Although this work provides an overview of the oxidation and SCC initiation stage of 316L stainless steel produced by the WAAM and WLAM processes in PWR primary water, further work remains essential to qualify and optimize the manufacturing processes and heat treatments to ensure the reliability of these materials in the PWR environment.
La Fabrication Additive (FA) est un procédé de fabrication prometteur, notamment parce qu'il permet de minimiser l'utilisation des ressources pour l'élaboration de pièces métalliques complexes, l'ajout de fonctionnalités et la réparation des composants. Les techniques de FA par dépôt fil tels que l'arc-fil (WAAM) et le laser-fil (WLAM) sont envisagées pour la fabrication de composants de Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Cependant, un important travail de qualification reste nécessaire pour leur utilisation.Les aciers inoxydables présentent un bon comportement en corrosion généralisée dans l'eau à haute température mais il existe des conditions pour lesquelles ils sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte (CSC) dans le circuit primaire des REP. À ce jour, peu d'études ont été réalisées sur le comportement des aciers inoxydables élaborés par FA dans l'environnement nucléaire et notamment dans le milieu primaire REP. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'établir une relation entre la microstructure et la sensibilité à la CSC de l'acier inoxydable 316L élaboré par les procédés de fabrication additive WAAM et WLAM.L'influence des traitements thermiques de détensionnement et d'hypertrempe sur la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux FA a été évaluée. Les propriétés microstructurales et mécaniques en traction et en fatigue des aciers WAAM et WLAM sont comparées à celles d'un acier inoxydable 316L conventionnel. Les essais d'exposition en milieu primaire REP simulé ont révélé un comportement en corrosion similaire à celui de l'acier inoxydable conventionnel, avec notamment la formation d'une couche d'oxyde de surface duplex et protectrice, et la présence de pénétrations d'oxyde intergranulaires. Des essais de CSC ont montré que le traitement hypertrempe à 1200°C pendant 3 heures diminue la résistance à la fissuration intergranulaire (IGSCC) des matériaux WAAM et WLAM lors d'essais à déplacement imposé (U-bends). Parallèlement, des essais de traction lente ont permis d'étudier les premiers stades de l'amorçage des fissures de CSC. Des amorces de fissures intergranulaires ont été identifiées dans les matériaux FA hypertrempés, alors que des amorces transgranulaires sont observées dans les matériaux détensionnés. Il semblerait que la ferrite δ, uniquement présente dans les matériaux FA détensionnés, puisse favoriser une fissuration transgranulaire. Bien que ce travail apporte de premiers résultats sur l'oxydation et le comportement en CSC de l'acier 316L obtenu par les procédés WAAM et WLAM en milieu primaire REP, des travaux complémentaires restent essentiels pour qualifier et optimiser les procédés de fabrication et les traitements thermiques, afin d'assurer la fiabilité de ces matériaux pour un usage en environnement REP.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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