Contribution to the understanding of the creep mechanisms of 316L(N) austenitic stainless steel for 60 years of operation : link microstructural evolution (precipitates, dislocations) and damage

Les composants des Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au Sodium (RNR-Na) situés dans le collecteur chaud (cuve interne, Bouchon Couvercle Coeur, Echangeurs Intermédiaires, …) sont soumis à des températures allant de 400°C à 575°C pour une durée de fonctionnement pouvant atteindre 60 ans pour les composants non remplaçables. A ces températures, l'acier inoxydable austénitique 316L(N) retenu pour ces applications est soumis au vieillissement thermique ainsi qu'à différentes sollicitations telles que le fluage, la fatigue-fluage, la déformation progressive. Le matériau devra aussi présenter après vieillissement une ductilité résiduelle et des caractéristiques de traction suffisantes. La justification à 60 ans de ces composants demande donc de disposer de données de fluage jusqu'à de très longues durées (jusqu'à 240 000 h) qui ne sont pas disponibles, même dans le cadre des programmes antérieurs issus de Phénix et SuperPhénix, et qui ne le seront pas avant 2030 pour les premières d'entre elles.Comprendre et anticiper l'évolution de l'acier 316L(N) au cours de maintien de très longue durée aux températures de service constitue un enjeu majeur dans la définition et justification des composants des RNR-Na mais aussi d'une manière plus large pour tout composant en acier austénitique inoxydable fonctionnant à haute température pour des durées importantes (thermique à flammes, AGR, ..).Nous avons étudié le comportement en fluage de deux alliages 316 L(N) ayant des compositions différentes en éléments mineurs (N, Nb, B, ...) qui présentent d'énormes différences dans le temps de rupture en fluage. Nous avons effectué une caractérisation microstructurale multi-échelle pour comprendre la raison de ces différences en utilisant le microscope optique, SEM (EDX, EBSD), FIB, TEM (ASTAR, EDX) , la nano et micro tomographie aux rayons X et la nano indentation sur des échantillons post mortem mais aussi pendant des tests de fluage interrompus. Nous avons observé de fortes différences dans la précipitation entre les deux aciers mettant en évidence l'effet combiné du niobium , de l'azote et du bore sur la formation des carbures et donc sur la tolerance au dommage.The components of Sodium-Cooled Fast Neutron Reactors (RNR-Na) located in the hot collector (pressure vessel, Core Cover Plug, Intermediate Exchangers,...) are subjected to temperatures ranging from 400°C to 575°C for an operating time of up to 60 years for non-replaceable components. At these temperatures, the austenitic 316L (N) stainless steel is a good candidate to be used and will be subjected to thermal ageing and various mechanical stresses such as creep, creep-fatigue. The material must also have sufficient residual ductility and tensile properties after ageing. The 60-year operating time of these components requires creep data for very long periods of time (up to 240,000 hours), which are not available, even under the previous programs of Phenix and SuperPhenix, and which will not be available until 2030 for the former.Understanding and anticipating the evolution of 316L(N) steel during very long service life at operating temperatures is a major challenge in defining and justifying the components of RNR-Na but also more broadly for any austenitic stainless steel component operating at high temperature for long periods of time (flame thermal, AGR, etc.). Therefore we investigate the creep behaviour of two 316 L(N) with various compositions in minor elements (N, Nb, B, …) which present huge differences in creep rupture time. We performed multiscale microstructural characterization to understand the reason for these differences using optical microscope, SEM (EDX, EBSD), FIB, TEM (EDX, ASTAR), X-ray nano and microtomography and nanoindentation on post-mortem samples but also during interrupted creep tests. We observed strong differences in precipitation between the two steels highlighting the combined effect of niobium, nitrogen and boron on the formation of carbides and thus on the induced damage