Mechanical behavior at room temperature of a chromium coating on a zirconium alloy substrate

Le comportement mécanique d’un revêtement de chrome de 15 µm d’épaisseur déposé sur un substrat en alliage de zirconium par un procédé particulier de type dépôt physique en phase vapeur est étudié à température ambiante à l’aide de différentes techniques expérimentales à différentes échelles : essais « biaxés » consistant à appliquer simultanément une pression interne et un effort axial sur des tubes en alliage de Zr revêtus de Cr, essais de traction in situ sous MEB sur des plaquettes revêtues de Cr. La fissuration et la plasticité du revêtement sont étudiées par le biais de deux techniques principales : émission acoustique et corrélation d’images numériques. Il est montré que le revêtement de Cr fissure à 0,3-0,4% de déformation macroscopique, quand le substrat commence à plastifier. La densité de fissures augmente rapidement dans un premier temps puis plus lentement avant d’atteindre une saturation à environ 2% de déformation. La plasticité des pavés non fissurés du revêtement est mise en évidence. Aucune décohésion du revêtement n’est observée jusqu’à au moins 5% de déformation macroscopique. Les fissures, à la fois transgranulaires et intergranulaires, se propagent dans toute l’épaisseur du revêtement mais ne pénètrent pas significativement dans le substrat. Des simulationsnumériques avec la méthode FFT (code AMITEX_FFTP) sont effectuées afin de calculer le taux de restitution d’énergie critique du revêtement. Il est trouvé que la cinétique de fissuration du revêtement est fortement influencée par la plasticité du substrat. La saturation de la fissuration du revêtement est due à la localisation des déformations plastiques dans le substrat au fond des fissures. La démarche mise en place pourrait être appliquée pour étudier le comportement mécanique du revêtement de Cr quand la gaine est irradiée et/ou sollicitée à plus haute température (température en service notamment, i.e. 350°C).The mechanical behavior of a 15 µm-thick chromium coating, deposited on a zirconium alloy substrate by a particular physical vapour deposition process, is studied at Room Temperature (RT) using several experimental techniques at several scales: "biaxial" tests consisting in applying simultaneously an internal pressure and an axial loading on Zr-based alloy tubes coatedwith Cr, in situ tensile tests in SEMon sheet samples coated with Cr. The cracking and plasticity of the coating are studied using two main techniques: acoustic emission and digital image correlation. The results show that, at RT, the first channeling cracks in the coating initiate at 0.3-0.4% macroscopic strain, when the substrate starts to yield. During further loading, the crack density increases first rapidly then more slowly, before reaching saturation. Plastic strain of the non-cracked coating regions is observed, in addition to the increase of crack opening. Until at least 5% applied strain, no interface decohesion of the coating is observed and the cracks, both transgranular and intergranular, do not penetrate significantly into the substrate. Numerical simulations using a FFT-based method (AMITEX_FFTP solver) are performed to calculate the critical energy release rate of the coating. It is shown that the kinetics of the coating cracking is strongly influenced by plastic strain of the substrate. The cracking saturation is due to plastic strain localization in the substrate under the cracks in the coating. The methodology developed here could be applied to study the behavior of the coating when the cladding is irradiated or loaded at higher temperatures, especially at the cladding in-service temperature (~350°C)