Offre de Thèse : Etude du soudage par diffusion de l’alliage 800, application à la fabrication d’échangeurs de chaleur compacts

Le CEA conçoit et fabrique des prototypes d’échangeurs de chaleur compacts utilisables notamment dans les procédés de production d’énergie (centrales nucléaires, power-to-X, systèmes solaires haute température…). Ces échangeurs sont soumis à des sollicitations sévères en termes de température, de pression et de corrosion. Pour répondre à ces contraintes, le CEA développe le procédé de fabrication par Compression Isostatique à Chaud (CIC) qui met en jeu un soudage par diffusion d’éléments métalliques [1].

Un travail important de mise au point et de qualification du procédé pour l’échangeur de chaleur sodium gaz (ECSG) en acier 316LN du réacteur prototype de quatrième génération ASTRID a été réalisé [2]-[4]. L’alliage 800 est une alternative à l’acier 316LN présentant une meilleure résistance à la corrosion en milieu aqueux, d’où l’intérêt de le considérer pour les générateurs de vapeur compacts à plaques des small modular reactors (SMR). Cependant, ce matériau est plus difficile à souder par diffusion car il a tendance à former spontanément des précipités aux surfaces/interfaces qui gênent l’homogénéisation microstructurale des joints. L’objectif général de la thèse est de mettre au point le soudage diffusion de l’alliage 800, selon un plan de travail prévisionnel décrit ci-après.

Plan de travail prévisionnel
1- Etude bibliographique
L’étude portera sur les points suivants : le matériau et son évolution en température, les mécanismes du procédé de soudage diffusion, en particulier en ce qui concerne la précipitation interfaciale en cours de soudage, et la modélisation du soudage par diffusion. Le doctorant devra en outre assimiler les travaux réalisés dans le cadre du développement de l’ECSG (documents et savoir-faire internes CEA et laboratoires académiques).

2- Etude de l’évolution du matériau en température
On approvisionnera de l’alliage 800 sous forme de tôles dont on étudiera la microstructure et la surface à l’état de réception : phases en présence, distribution des éléments, taille de grain… Les techniques expérimentales seront la métallographie, la microscopie optique à variation focale, la microscopie électronique (MEB, MET le cas échéant, EBSD), différentes techniques de spectrométrie (SDL, XPS, AES…). On étudiera ensuite, par les mêmes techniques d’investigation, l’évolution du volume, de la surface et de la sous-surface lors d’une exposition thermique simulant le soudage diffusion, et la façon dont cette évolution dépend de l’état initial et de la température. On cherchera en particulier à caractériser la précipitation superficielle de façon qualitative (nature des phases, localisation) et quantitative (taille et densité de précipités). L’interprétation des résultats pourra faire appel à des calculs par méthode CALPHAD. L’évolution de la taille de grain sera quant à elle aussi étudiée et modélisée dans la mesure du possible.

3- Modélisation du soudage diffusion
Les modèles développés ou en cours de développement au CEA seront appliqués au cas des échangeurs en alliage 800. Il s’agira de la simulation des déformations des canaux [4], qui nécessitera l’identification d’une loi de comportement du matériau à haute température, de la simulation de la fermeture des pores interfaciaux [4], [5]. Cependant, l’effort portera essentiellement sur la simulation en champ complet [6,7] de l’évolution microstructurale de l’interface et de l’influence des précipités interfaciaux (potentiellement évolutifs) sur l’épinglage des joints de grains [8]. Pour cela, on utilisera les données de la partie 2.

4- Mise en œuvre du soudage diffusion et propriétés des assemblages
Les parties 2 et 3 devront permettre de définir des conditions d’assemblage adaptées : état initial du matériau, cycle de soudage diffusion (température et pression en fonction du temps). On réalisera des assemblages qui seront caractérisés sur le plan microstructural (microstructure de l’interface y compris inclusions, taille de grain, franchissement de l’interface par les joints de grains) et les résultats seront confrontés aux modèles précédents.
Par ailleurs, on caractérisera les propriétés mécaniques des assemblages et on les comparera avec les données de la littérature.

Le résultat global attendu de la thèse est l’identification de conditions de soudage diffusion de l’alliage 800, tant en ce qui concerne les caractéristiques du matériau de départ que le cycle de soudage proprement dit.

Références bibliographiques :

[1] E. Rigal, « Compression Isostatique à Chaud », techniques de l’ingénieur, M3310, 2017
[2] D. Plancq et al. « Status of studies on ASTRID gas power conversion system option, International Congress on Advances in Nuclear Power Plants”, ICAPP 2016
[3] N. Bouquet, Thèse de l’université de Bourgogne, 2014
[4] M. Maunay, Thèse de l’université Grenoble Alpes, 2018
[5] M. Huguet, Thèse de l’université Grenoble Alpes, en cours
[6] E. Rigal, N. Bouquet, M. Bernacki, F. Bernard. “Etablissement et évolution des interfaces lors du soudage diffusion. » Journées annuelles de la SF2M, Matériaux et conversion d'énergie, 2015. https://hal-mines-paristech.archives-ouvertes.fr/hal-01247744/document
[7] M. Bernacki, B. Scholtes, A. Settefrati, N. Bozzolo, C. Moussa, D. Pino Muñoz, Y. Zhan, E. Rigal, C. Dumont, R. Besnard, I. Poitrault, J. Demurger, A. Montouchet, I. Bobin, and J.-M. Franchet.
« Modélisation en champ complet des phénomènes de recristallisation et de croissance de grains par une approche level-set: un outil de simulation avancée adapté à un usage industriel ». SF2M info, 2016.
[8] L. Védie, thèse Mines ParisTech, en cours