Microstructural evolution of ferritic-martensitic steels under irradiation : impact of irradiation conditions

Les aciers ferritiques-martensitiques (F/M) de haute teneur en chrome sont envisagés comme matériaux de structure (tubes hexagonaux) pour les réacteurs du futur grâce à leur bonne conductivité thermique et leur excellente résistance au gonflement sous irradiation. Cependant, l’un des problèmes clés qui limitent la fenêtre d’utilisation de ces aciers est la fragilisation à basse température (< 400 °C) avec durcissement. Cette fragilisation est causée par la formation d'amas riches en solutés NiSiPCr, des zones de type alpha’ (zones riches en Cr) et des boucles de dislocation. La compréhension des mécanismes à l’origine de la formation des amas d’impuretés et des zones de type ’ est nécessaire pour comprendre l’évolution de la microstructure sous irradiation. L’objectif de ce travail adossé au projet européen H2020/M4F (Multiscale Modeling for fusion and fission materials) est d’étudier les impacts des conditions d’irradiation sur l’évolution microstructurale des aciers ferritiques-martensitiques (F/M) en particulier les alliages modèles FeCr. La caractérisation des échantillons avant et après irradiation a été réalisée par sonde atomique tomographique. L’étude de l’influence de la dose d’irradiation et de la teneur en impuretés Ni, Si et P sur l’évolution de la microstructure des alliages Fe15CrX (X=Ni, Si, P ou NiSiP) montrent montre l’existence d’un effet de synergie des impuretés dans les alliages. Les résultats montrent que des amas de P se forment sur lesquels ségrégent les atomes de Ni et de Si et que les amas riches en solutés NiSiPCr et les boucles de dislocation sont de même nature. Les caractéristiques des zones de type alpha’ observées évoluent avec la dose. Les résultats de l’influence de l’énergie des ions sur la formation des amas d’impuretés et les zones de type alpha’ montrent que les amas et boucles de dislocation croissent avec l’augmentation de l’énergie des ions et que cette dernière n’a pas d’effet significatif sur la formation des zones de type ’. Les résultats de l’influence du taux de dommage sur la formation des amas d’impuretés dans l’alliage Fe15CrNiSiP ne montrent pas un effet significatif du taux de dommage. L’influence du taux de dommage sur la formation des zones de type ’ montre que la densité des zones riches en Cr augmente avec la diminution du flux. Le mode d’irradiation balayé ou défocalisé n’a aucun effet significatif sur la formation des zones de type alpha’, des amas et boucles riches en solutés NiSiPCr. La comparaison des résultats après irradiation aux ions et aux neutrons a permis de montrer qu’aucun effet significatif de la différence de taux de dommage entre les deux irradiations n’a été observé sur la formation des amas d’impuretés dans ces alliages. Les résultats montrent aussi qu’il est préférable d’utiliser une plus haute énergie des ions pour reproduire la microstructure observée après irradiation aux neutrons. La densité des amas riches en solutés NiSiPCr augmente avec la concentration en impuretés dans les alliages après irradiation aux neutrons. La précipitation alpha’ semble être retardée par la présence des impuretés Ni, Si et P dans les alliages. L’absence de précipitation ’ dans certains alliages peut être due à la dissolution balistique qui est aussi responsable du fait que les fluctuations de concentration sont moins développées sous irradiation aux ions dans l’alliage Fe15CrNiSiP.Ferritic-martensitic (F-M) steels with high chromium content are envisaged as structural material (hexagonal tubes) for future reactors due to their good thermal conductivity and their excellent swelling resistance under irradiation. However, one of the key issues that limit the operating window of these steels is the low temperature embrittlement (