α' phase formation under irradiation in Oxide Dispersion Strengthened steels

L’un des problèmes rencontrés lors des réactions de fission et fusion en réacteur est l’irradiation des matériaux de structure par des neutrons rapides. Les matériaux nanostructurés tels que les aciers ferritiques-martensitiques renforcés par dispersion d'oxydes (aciers ODS) ont été spécialement développés pour résister à l’irradiation et aux températures élevées, avec des propriétés mécaniques améliorées en conditions extrêmes en réacteur. Ces aciers sont composés d’une matrice métallique cubique centrée (FeCrW ou FeCrMo) renforcée par des nano-oxydes de titane et d’yttrium. La matrice étant principalement un système Fe-Cr, une phase riche en chrome, nommée alpha’, peut précipiter sous irradiation (telle qu’observée dans des aciers irradiés aux neutrons), et fragiliser le système. Le premier objectif de la thèse est d’étudier l’impact de la dispersion des nano-oxydes et des conditions d’irradiation sur la formation de la phase alpha’ dans un acier ODS, le MA957. Le deuxième objectif est de s’intéresser à la question de la représentativité des irradiations aux ions par rapport aux irradiations neutroniques. Pour cela l'approche expérimentale utilisée a consisté à utiliser des faisceaux d’ions délivrés par les accélérateurs des plateformes JANNuS-Saclay et JANNuS-Orsay pour irradier avec des ions lourds deux aciers ODS (MA957 et UP52, contenant 14% de Cr), ainsi qu’un acier sans nano-renfort (UP50), à différentes doses d’endommagement, à une température de 400°C. Ces aciers irradiés aux ions ont été comparés d’une part à l’acier ODS MA957 vieilli thermiquement et d’autre part au même acier irradié à 412°C avec des neutrons rapides à une dose de 50 dpa. Les échantillons à réception, après traitement thermique, et après irradiations aux ions et aux neutrons ont été caractérisés à l’échelle nanométrique en utilisant la microscopie électronique en transmission (MET) conventionnelle, la MET filtrée en énergie (EFTEM), et ponctuellement par sonde atomique tomographique (SAT). Les caractéristiques des nano-oxydes (taille, densité) et de la phase alpha’ (taille, teneur en Cr) ont notamment été obtenues pour chaque condition. Les phases de nucléation et croissance de cette phase alpha’ ont été investiguées tout d’abord par des irradiations ioniques in situ dans un MET puis par des irradiations ex situ. La phase alpha’ est observée dès une dose de 1,5 dpa pour un taux d’endommagement d’environ 1x10⁻⁴ dpa/sec, à 400°C, ce qui n’avait pas été reporté dans un acier ODS dans la littérature avant ce travail de thèse. L’évolution de cette phase alpha’ a été étudiée pour des doses d’irradiation supérieures : un régime stationnaire a notamment été mis en évidence entre 4,5 et 8 dpa. La précipitation de cette phase alpha’ sous irradiation présente des caractéristiques spécifiques, qui diffèrent de celles observées sous vieillissement thermique : il existe une déplétion en chrome systématique aux joints de grains après irradiation, ainsi qu’une anticorrélation entre les précipités d’alpha’ et les nano-renforts. De manière logique, en étudiant deux aciers à la composition identique qui contiennent ou non des nanorenforts, il est également montré que la présence de ces nano-renforts retarde la précipitation de la phase alpha’. L’impact, sur les caractéristiques de la précipitation, de différents paramètres d’irradiation pertinents pour la comparaison avec l’irradiation aux neutrons a été étudié, en particulier la taille des cascades : on montre que l’augmentation de l’énergie moyenne des PKA retarde la précipitation. Un effet des interstitiels injectés a également été observé : la présence de ces atomes limite drastiquement la précipitation de la phase alpha’. Enfin, les résultats des irradiations ioniques ont été comparés aux résultats d’irradiations neutroniques effectuées sur l’acier ODS MA957.One of the problems encountered in fission and fusion reactions in reactor is the irradiation of structural materials with fast neutrons. Nanostructured materials such as ferritic-martensitic steels reinforced by dispersion of oxides (ODS steels) have been specially developed to resist to irradiation and high temperatures, with improved mechanical properties under extreme conditions in reactor. These steels are composed of a centered cubic metal matrix (FeCrW or FeCrMo) reinforced by nano-oxides of titanium and yttrium. As the matrix is mainly a Fe-Cr system, a chromium-rich phase, called alpha’, can precipitate under irradiation (as observed in steels irradiated with neutrons), and weaken the system. The first objective of the thesis is to study the impact of the dispersion of nano-oxides and irradiation conditions on the formation of the alpha’ phase in an ODS steel, MA957. The second objective is to focus on the question of the representativeness of ion irradiations compared to neutron irradiations. The experimental approach used in this work consisted in using ion beams delivered by the accelerators of the JANNuS-Saclay and JANNuS-Orsay platforms to irradiate with heavy ions two ODS steels (MA957 and UP52, containing 14% Cr), as well as a steel without nano-oxide (UP50), at different damage doses, at a temperature of 400°C. These ion irradiated ODS steels were compared to the MA957 ODS steel after thermal aging and to the same steel after neutron irradiation at 412°C at a dose of 50 dpa. The samples upon reception, after heat treatment, and after irradiation with ions and neutrons were characterized at the nanometric scale using conventional transmission electron microscopy (TEM), energy filtered TEM (EFTEM), and occasionally atom probe tomography (APT). The characteristics of the nano-oxides (size, density) and of the alpha’ phase (size, Cr content) were in particular obtained for each condition. The nucleation and growth of this alpha’ phase were investigated first by in situ ion irradiations in a TEM and then by ex situ ion irradiations. The alpha’ phase is observed from a dose of 1.5 dpa for a damage rate of approximately 1x10⁻⁴ dpa/sec, at 400°C, which had not been reported in an ODS steel in the literature before this work. The evolution of this alpha’ phase has been studied for higher irradiation doses: a steady state was demonstrated in particular between 4.5 and 8 dpa. The precipitation of this alpha’ phase under ion irradiation has specific characteristics, which differ from those observed under thermal aging: there is a systematic chromium depletion at grain boundaries after irradiation, as well as an anticorrelation between the alpha' precipitates and nano-oxides. Logically, by studying two steels of identical composition which contain or not nano-oxides, it was also shown that the presence of these nano-oxides delays the precipitation of alpha’. The impact on the characteristics of the alpha’ phase precipitation of different irradiation parameters relevant for the comparison with the neutron irradiation was studied, in particular the size of the cascades: it was shown that the increase in the average energy of the PKA delays precipitation. An effect of the injected interstitials was also observed: the presence of these atoms drastically limits the precipitation of the alpha’ phase. Finally, the ion irradiation results were compared with the neutron irradiation results performed on ODS MA957 steel