Stress corrosion cracking mechanism of alloy 600 in pressurized water reactor primary water
Corrosion sous contrainte de l'alliage 600 en milieu primaire des réacteurs à eau sous pression : apport à la compréhension des mécanismes
Résumé
Alloy 600, a nickel base alloy (containing 15 wt% Cr), is susceptible to intergranular stress corrosion cracking in hydrogenated PWR primary water. Despite the fact that many laboratory studies have been performed and that many models have been proposed in the literature, the SCC mechanisms involved are still not well understood. Among others models, the internal oxidation model and models based on hydrogen/material interactions appear likely to explain this phenomenon. Therefore, the aim of this study is to improve our knowledge of Alloy 600 SCC mechanisms in PWR primary water. Experimental tests and calculations were performed in order to select models. Imposed strain specimens (“U-bend”) and without imposed strain specimens (coupon) were tested in simulated PWR primary water containing tracers (18 oxygen and deuterium). After testing, crack tips and intergranular oxide penetrations were characterized by SEM, TEM, SIMS, Nano-SIMS, and hydrogen titration permit to discuss oxide thermodynamic stability, oxide geometry and nature in crack tip, hydrogen role, intergranular chromium carbide role and cracking mode. Thus, a new model of cracking has been proposed. This model is based upon chromium oxide formation in the grain boundary. Material parameters (defect rate, strain, grain boundary type) and environmental parameters (hydrogen content, temperature) would affect oxygen diffusion kinetic across the oxide formed in the grain boundary and chromium diffusion kinetic in the grain boundary of the alloy.
De nombreuses études ont été réalisées par la communauté scientifique internationale sur la Corrosion Sous Contrainte (CSC) de l'Alliage 600 en milieu primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Néanmoins, les mécanismes à l'origine de cette fissuration sont encore mal compris. Un certain nombre de modèles ont été développés et proposés, cependant peu d'entre eux arrivent à intégrer l'influence de tous les paramètres. Le mécanisme d'oxydation interne et la famille de modèles basés sur l'action de l'hydrogène ont paru les plus prometteurs. L'objectif de l'étude était d'apporter des connaissances nouvelles sur le/les mécanisme/s de CSC. Il a été choisi de cibler les expérimentations de façon à sélectionner les modèles les plus pertinents. Pour cela des essais dans un milieu simulant le milieu primaire avec des marqueurs isotopiques (oxygène 18 et deutérium) ont été menés sur deux types d'éprouvettes. Des éprouvettes à déformation imposée de type « U-bend » ont été utilisées dans un premier temps et des éprouvettes sous forme de plaquette ayant des microstructures contrôlées ont été utilisées dans un second temps. Les caractérisations des fissures et des pénétrations d'oxyde intergranulaire par MEB, MET, SIMS, Nano-SIMS et des dosages d'hydrogène, ont permis une nouvelle analyse de la CSC de l'Alliage 600 en milieu REP, concernant plus particulièrement les points suivants : la stabilité thermodynamique des phases, la répartition et la morphologie des oxydes observés dans les fissures, le rôle de l'hydrogène, la nature des carbures de chrome et le caractère continu/discontinu du mécanisme de fissuration.
A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.
A partir des résultats obtenus à l'aide du traçage isotopique de l'hydrogène et de l'oxygène couplé à l'utilisation de différentes techniques d'analyse complémentaires, il a été proposé un nouveau modèle de mécanisme de fissuration basé sur la formation d'oxyde de chrome aux joints de grains de l'alliage. Ce modèle permet de prendre en compte le rôle des paramètres liés au matériau (taux de défauts, déformation, type de joint de grain) et au milieu (teneur en hydrogène, température) qui influeraient sur les cinétiques de diffusion de l'oxygène dans l'oxyde aux joints de grains de l'alliage et du chrome aux joints de grains de l'alliage.
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