In this project, we have successfully joined MA956 Oxide Dispersion-Strengthened (ODS) steel plates using Friction Stir Welding (FSW). ODS steels are prime candidate materials for the fuel cladding in Generation IV nuclear fission reactors and as first wall components in nuclear fusion reactors. This is due to their exhibiting excellent high temperature strength and creep behaviour, together with enhanced resistance to radiationinduced void swelling. ODS steels are heavily reliant on a fine dispersion of (Y-Al-O) nanooxide particles to provide the aforementioned properties. This, however, makes ODS steels particularly problematic to join. Most joining techniques melt the material along the joint line, but this would severely alter or deplete the nano-oxide dispersion and hence be highly detrimental to the material’s performance in a nuclear environment. FSW is a solid-state joining technique, and therefore can join ODS steel without melting the material. Although FSW can potentially alter the microstructure of the base material and affect the distribution of nano-oxide particles, if a sufficient number of nano-sized particles and a sufficiently homogeneous dispersion remain after the welding process, then a major roadblock for the implementation of ODS steels will have been removed. The research of this thesis focused on the impact of FSW on: i) the microstructure, ii) the mechanical properties, iii) the residual stresses, and iv) the abnormal grain growth behaviour of ODS steels; utilizing a wide array of techniques to assess the micro-to-nano scale structure and the properties of the base material and welds, including optical, scanning and transmission and electron microscopy, X-ray and neutron diffraction, small-angle neutron scattering, tensile testing and micro-hardness measurements. We also produced welds with systematic changes to the tool traverse speed and rotation speed to investigate the impact of changing the welding parameters on the weld microstructure, and therefore optimise the process parameters for enhanced radiation and mechanical performance of the ODS steel welds.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第19093号 / エネ博第317号 / 新制||エネ||64 / 32044 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 木村 晃彦, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当

Les aciers renforcés par une dispersion d’oxydes nanométriques (ODS : Oxide Dispersion Strengthened) sont connus pour leur bonne tenue en fluage à haute température et pour leur bonne résistance au gonflement sous irradiation. Ils sont envisagés comme matériaux potentiels pour le gainage combustible des réacteurs de quatrième génération (Réacteur à Neutrons Rapides refroidis au Sodium). Les aciers ferritiques ODS, généralement élaborés par filage à chaud, possèdent une microstructure complexe (texture morphologique et cristallographique, fine précipitation, forte densité de dislocations, différentes tailles de grains) rendant la compréhension de la relation entre la microstructure et les propriétés mécaniques délicate. Le travail de cette thèse a consisté à caractériser et à modéliser l’effet des différents composants de la microstructure sur le comportement mécanique d’aciers ferritiques Fe-14Cr ODS, ainsi que d’affiner la compréhension de leurs mécanismes de déformation. Pour cela, des matériaux modèles ont été élaborés par compaction isostatique à chaud puis caractérisés, dans lesquels les différents paramètres microstructuraux ont été variés de manière contrôlée. Leur microstructure a été déterminée à l’aide de diverses techniques de caractérisation avancées (MEB-EBSD, MET, DXPA, microsonde de Castaing, …). Ces différentes nuances ont été testées en traction sur une large gamme de température et en fluage à 650°C et 700°C. Les résultats ont mis en évidence l’effet de la taille et la fraction des oxydes, de la structure de grains, et de la présence du Titane, et ont servi de base pour proposer une modélisation. Des essais de déformation in situ au MET ainsi que des essais de traction à chaud avec mesure des champs de déformation locaux ont permis de mettre en évidence une transition entre mouvement saccadé de dislocations à basse température, et mécanismes de déformation à chaud, intragranulaires (vieillissement dynamique, mouvement de dislocations continu) et intergranulaires. A haute température, un fort endommagement au niveau des joints de grains est observé. / Oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic steels are known for their good resistance both to high temperature creep and to swelling under irradiation. They are considered as potential materials for fuel cladding for the next generation of nuclear reactors (Sodium-cooled Fast Reactor). These materials, usually processed by hot extrusion, exhibit a complex microstructure (crystallographic and grain texture, nanometer precipitation, high dislocation density, poly-dispersed grain size), making it a real challenge to establish the microstructure / properties relationships. This thesis has aimed at characterizing and modeling the effect of the different components of the microstructure on the mechanical properties of ferritic Fe-14Cr ODS steels, as well as to improve the understanding of their deformation mechanisms. For this purpose, model materials have been elaborated by hot isostatic pressing and characterized, where the different microstructural parameters have been varied in a controlled manner. Their microstructure have been determined using a set of advanced characterization techniques (SEM-EBSD, TEM, SAXS, EPMA, …). These different materials have been tensile tested over a wide temperature range and creep tested at 650 and 700°C. The results have evidenced the effect of the size and fraction of oxide particles, of the grain size and of the presence of Ti, and have made it possible to model the mechanical behavior. In-situ tensile tests in the SEM, as well as strain field measurements during high temperature testing, have evidenced a transition between a jerky movement of dislocations at low temperature and the high temperature mechanisms, whether intra-granular (dynamic strain ageing, continuous dislocation movement) or inter-granular. At high temperature, severe damage is observed at the grain boundaries.

Master´s thesis is focus on the proces of mechanical alloying. It is the proces of modifying a hetegeneous mixture of powder materials into a homogeneous composite powder. Experiments are focus on three types of composite materials. A magnetic soft alloy Permalloy, ODS steel based on commercially available powder steel 434 LHC and low-activation high-chrome ODS steel 14Cr-2W. On composite powders are made a series of mechanical tests and chemicel analysis. Based on this tests and analysis it was possible to confirm the milling time needed to create fully homogeneous composite powder. Next step is compaction of composite powder into compact volume and another mechanical tests ana analysis of microstructure. In these analyzes to determine whether i tis necessary to use protective atmosphere during mechanical alloying. All three type of materials succesfull prepared by mechanical alloying. It was found that for created of a fully homogeneous composite powder is necessary to perform mechanical alloying for 24 hours. When processing of corrosion resistant materials, i tis possible to perform mechanical alloying in an air atmosphere. During mechanical alloying materials which are subject to oxidation, i tis necessary to use protective atmosphere.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第18610号 / エネ博第306号 / 新制||エネ||62(附属図書館) / 31510 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 木村 晃彦, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第19093号 / エネ博第317号 / 新制||エネ||64(附属図書館) / 32044 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 木村 晃彦, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Dans le cadre du programme de recherche sur les matériaux de gainage pour les réacteurs à neutrons rapides au sodium, les aciers renforcés par dispersion d’oxydes (ODS) sont envisagés pour leur excellente résistance à l’irradiation et leur tenue mécanique à haute température. Néanmoins, des difficultés sont rencontrées quant à la maitrise de leur élaboration et de leur mise en forme, ainsi que sur la prédiction de leur comportement en fluage. Les travaux présentés visent à améliorer la compréhension des mécanismes de fluage d’aciers ferritiques renforcés par dispersion et à étudier les voies d’amélioration possible.Dans un premier temps, le fluage d’aciers ferritiques renforcés par dispersion obtenus par cobroyage et extrusion à été étudié grâce à deux aciers ODS à 14pd.% Cr et 18pd.%Cr, ainsi qu’un acier 18pd.%Cr renforcé par dispersion de nitrures (NDS). Une caractérisation mécanique et microstructurale (SEM – EBSD – EDX et STEM) d’éprouvettes sollicitées en fluage à respectivement 650°C et 800°C est réalisée les aciers ODS Fe18Cr et Fe14Cr. La faible déformation et la rupture brutale classiquement observée sur ce type d’acier est mise en évidence. La diminution continue de leur vitesse de déformation et l’absence d’évolutions microstructurales indiquent que le fluage se produit essentiellement dans le stade primaire. L’acier ferritique NDS a ensuite été étudié. Un phénomène de déformation superplastique (plus de 110%) a été mis en évidence à 650°C en traction entre 10-3 s-1 et 10-2 s-1, ainsi qu’une recristallisation dynamique continue au dessus de 10-2 s-1. En fluage à 650°C, l’acier NDS présente une faible déformation (moins de 1%) et une rupture brutale : il s’agit donc d’un comportement générique des aciers ferritiques renforcés par dispersion, indépendamment du type de précipité. La déformation se produisant lors du stade primaire du fluage, le comportement de ces aciers ODS et NDS a été modélisé en se basant sur l’approche de Kocks et Mecking, fondée sur l’activation thermique du glissement après franchissement des précipités par montée ou glissement dévié. Ce modèle fournit une origine physique à la contrainte seuil observée lors du fluage des aciers ODS. La déformation en fluage des deux ODS et de l’acier NDS a été simulée à partir de coefficients déterminés expérimentalement et de paramètres optimisés. Les lois de Norton, les densités de dislocation et les limites élastiques simulées sont cohérentes avec les valeurs obtenues par les essais de fluage, de traction et des mesures (STEM – EFTEM) de la densité de dislocations. Une investigation des causes de rupture brutale en fluage a ensuite été menée sur l’ODS 14pd.%Cr : grâce à un essai de fluage interrompu à 800°C alterné avec des recuits à 1050°C, la rupture brutale a été retardée et une déformation de 1.5% a été atteinte. Un suivi de l’endommagement par tomographie X et un essai de fluage après vieillissement semblent éliminer l’endommagement macroscopique et la phase σ comme cause de la rupture brutale. Un scénario basé sur une déformation critique a été proposé. Pour finir, les difficultés liées à la mise en forme des ODS ferritiques ont conduit à concevoir une nouvelle nuance ODS martensitique à 11pd.% Cr et à évaluer un nouveau procédé d’atomisation de poudres (GARS). Il apparait que la compaction directe après atomisation par la voie alternative n’améliore pas les performances de ces aciers. En revanche, après broyage, la nouvelle composition présente un potentiel intéressant en traction et en fluage à 650°C. / Within the French research program for Sodium Fast Reactor (SFR) core material, oxide dispersion strengthened (ODS) steels are considered for their resistance to irradiation swelling and their good creep properties at high temperature. Their elaboration, their processing and their creep mechanism still represent challenges for material science. The aim of this work is to improve the understanding of the creep mechanisms and to investigate new fabrication route to improve these materials.First, the creep of dispersion strengthened ferritic steels produced by mechanical alloying and extrusion is studied, based on two ODS steels with 14wt.%Cr and 18wt.%Cr, and a nitride dispersion strengthened (NDS) steel with 18wt.%Cr. A microstructural (SEM-EBSD-STEM) characterization has been carried out on the two ferritic ODS steels loaded at 650°C and 800°C: a low creep strain (<0.5%) and a brutal fracture are observed. The continuous decrease of the creep rate without any microstructural change indicates a late primary stage. Then the tensile and creep behaviors of the NDS ferritic steel have been studied: a superplastic deformation, up to 110%, has been evidenced at 650°C between 10-3 s-1 and 10-2 s-1, as well as a continuous dynamic recrystallization at strain rate higher than 10-2 s-1. However, during creep tests at 650°C, the NDS steel presents the same characteristics as the ODS steels: low creep strain and brutal fracture. This behavior seems to be generic for dispersion strengthened ferritic steels obtained by mechanical alloying, regardless the type of precipitate. As the deformation occurs during the primary stage, a Kocks and Mecking model has been developed based on the thermal activation of the dislocation glide after crossing the precipitate by climb or cross-slip. This model provides a physical explanation for the threshold stress observed during the creep of ODS steels. The creep strain of the two ODS steels and the NDS steel has been simulated with experimentally determined coefficients and fitted parameters. The simulated Norton laws, dislocation density and yield stress are consistent with experimental data obtained respectively by the creep tests, by dislocation density determination (STEM-EFTEM) and tensile tests. An investigation of the creep fracture mechanisms has been performed. The creep fracture was delayed using high temperature heat treatments at 1050°C between interrupted creep tests at 800°C on the Fe14Cr ODS steel and a total elongation of 1.5% has been reached by this means. By analyzing X-ray tomography and creep test after ageing treatment, it appears that the macroscopic elongated cavities and sigma phase are not likely to explain the brutal fracture, therefore a scenario based on a critical deformation is proposed. Finally, the processing difficulties of the ferritic ODS steel lead to the design of a new martensitic 11wt. % Cr ODS steel and the evaluation of a new atomization process (GARS). This new atomization process did not improve the mechanical properties of these steels. However, after milling, encouraging results are observed since the first mechanical and microstructural characterizations displayed good tensile and creep properties.

Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont envisagés comme matériau de gainage du combustible pour les futurs réacteurs nucléaires au sodium de Génération IV. Ces matériaux présentent une excellente résistance au fluage à haute température et au gonflement sous irradiation, mais des interrogations subsistent quant à leur propriété de résilience. L'objectif de ce travail de thèse est alors de comprendre l'effet de différents paramètres (composition chimique, texture, vieillissement thermique…) sur le comportement à l'impact des aciers ODS et sur l'apparition de la rupture de type fragile. L'objectif à terme est d'appréhender l'apparition de ce type de rupture afin d'assurer l'intégrité des composants en acier ODS en conditions normales ou incidentelles.Dans un premier temps, cette étude a permis d'évaluer la stabilité de deux nuances d'acier ODS contenant 14%Cr et 18%Cr dans des conditions de vieillissement thermique. La nuance à 18%Cr a été écartée à cause de la formation d'une phase intermétallique fragilisante de type sigma à 600°C. Par contre, la nuance à 14%Cr est plus prometteuse puisque son comportement est resté stable entre 400°C et 600°C pour une durée de vieillissement maximale de 10000 heures, et ce même si des précipités de phases alpha', de Laves Fe2W et des carbures de chrome ont été observés. D'autre part, la texture morphologique, caractérisée par des grains allongés selon la direction de filage, est propice à la propagation de fissures intergranulaires selon cette direction. La texture cristallographique régit, quant-à elle, les micromécanismes de clivage. En effet, les entités microstructurales qui contrôlent la propagation du clivage sont des groupes de grains faiblement désorientés les uns des autres d'un point de vue cristallographique, et qui sont associés à la notion de grains effectifs. Enfin, le comportement en traction et en flexion d'une nuance d'acier ODS à 14%Cr a été modélisé, et un critère de rupture fragile basé sur une valeur de contrainte critique a été proposé. Ce modèle nous a alors permis de simuler des essais sur différentes géométries et de prédire l'apparition de la rupture fragile sur cette nuance. / The Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels have been identified as potential materials for fuel cladding in Generation IV nuclear reactors. They are characterized by a very good resistance to swelling under irradiation and to high temperature creep, but questions still remain about the impact toughness of these materials. The first aim of this work is to understand the effects of different parameters (chemical composition, texture, thermal ageing...) on the impact behaviour of ODS steels. The final objective is to predict the occurrence of the brittle failure on the ODS steel components in normal or incidental conditions.Firstly, this study assesses the stability of two ODS steel grades containing either 14%C or 18%Cr during thermal ageing. The 18%Cr steel grade has been discarded due to the growing of the brittle intermetallic sigma phase at 600°C. However, the 14%Cr steel grade showed a promising behaviour given the stability of its mechanical properties after thermal ageing between 400°C and 600°C, for a maximum duration of 10000 hours, and regardless of the presence of chromium carbides, alpha' and Laves phases. Then, the morphological texture characterized by elongated grains along the extrusion direction enhances the propagation of intergranular cracks along this direction. Meanwhile, the crystallographic texture controls the cleavage micromechanisms. Indeed, the microstructural entities that control the propagation of the cleavage crack are groups of grains which are characterized by low crystallographic misorientations and referred to as effective grains. At last, the tensile and bending behaviour of a 14%Cr ODS steel grade has been modelled. A brittle failure criterion based on a critical stress value had also been suggested. This model allowed us to simulate mechanical tests on different geometries and to predict the occurrence of the brittle failure.

Le renforcement par dispersion d'oxydes nanométriques permet, d'une manière générale, d'améliorer la résistance mécanique des matériaux métalliques. Il autorise donc une augmentation de leur température maximale d'utilisation. De nombreux travaux de recherche sont menés au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives sur les aciers ODS, pour Oxide Dispersion Strengthened steels. S'inscrivant dans le cadre du développement du nucléaire civil de quatrième génération, ces travaux ont pour but de qualifier un matériau pouvant être utilisé en tant que matériau de gainage combustible à une température de 650℃. Ce travail de thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des propriétés mécaniques des aciers ODS, en cherchant d'une part à caractériser et à modéliser leur comportement en fluage, et d'autre part à caractériser leur nisotropie de comportement et à en identifier l'origine. Pour cela, de nombreux essais mécaniques ont été effectués entre 20℃ et 900℃ sur une nuance d'acier ODS ferritique de composition nominale Fe-14Cr1W0,26Ti + 0,3Y2O3 . Cette nuance a été élaborée au CEA, par mécanosynthèse puis extrusion à chaud, sous la forme d'une barre ronde. Les résultats obtenus démontrent la grande résistance mécanique à haute température de l'acier ODS étudié. Ils mettent également en évidence une forte dépendance de la ductilité et de la résistance du matériau vis-à-vis de la vitesse de sollicitation. Sur la base des différentes caractérisations expérimentales réalisées, un modèle de comportement macroscopique uniaxial a été développé. S'appuyant sur la description de trois écrouissages cinématiques et d'un terme de restauration statique, ce modèle démontre une capacité remarquable à reproduire le comportement mécanique du matériau en traction, en fatigue, en fluage et en relaxation. Par ailleurs, la caractérisation de l'anisotropie mécanique de la nuance d'acier ODS étudiée s'avère dépendre de la température. Deux modélisations polycristallines différentes ont été mises en place afin de reproduire cette anisotropie de comportement à partir des textures cristallographique et morphologique du matériau. Le désaccord observé entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux conduit à formuler d'autres hypothèses sur la déformation des aciers ODS. / The strength of metals, and therefore their maximum operating temperature, can be improvedby oxide dispersion strengthening (ODS). Numerous research studies are carried out at the French Atomic Energy Commission (CEA) in order to develop a cladding tube material for Gen IV nuclear power reactors. Oxide dispersion strengthened steels appear to be the most promising candidates for such application, which demand a minimum operating temperature of (650℃). The present dissertation intends to improve the understanding of the mechanical properties of ODS steels, in terms of creep lifetime and mechanical anisotropy. The methodology of this work includes mechanical tests between room temperature and 900℃ as well as macroscopic and polycrystalline modelling. These tests are carried out on a Fe-14Cr1W0,26Ti + 0,3Y2O3 ODS ferritic steel processed at CEA by mechanical alloying and hot extrusion. The as-received material is a bar with a circular section. The mechanical tests reveal the high mechanical strength of this steel at high temperature. A strong influence of the strain rate on the ductility and the mechanical strength is also observed. A macroscopic mechanical model has been developed on the basis of some experimental statements such as the high kinematic contribution to the flow stress. This model has a strong ability to reproduce the mechanical behaviour of the studied material. Two different polycristalline models have also been developed in order to reproduce the mechanical anisotropy of the material. They are based on its specific grain morphology and crystallographic texture. The discrepancy between the predictions of both models and experimental results reveal the necessity to formulate alternate assumptions on thedeformation mechanisms of ODS ferritic steels.

Doctoral thesis was focused on preparing of new advanced ODS steels for use in heavy metal liquids enviroments. Possibility of new course for creating oxide dispersion in microstructure was verified by the course of internal oxidation of elements. By the internal oxidation method were prepared new ODS steels strengthened by complex oxides which were created by elements of IIIB and IVB group of elements. Based on analysis of damage ODS steels in LBE were designed surface protection of ODS steel by the oxide layer. The ODS steel protected by oxide layer was subjected to a corrosion test in LBE. For the experiments were chosen class of chromium steels: ferritic-martensitic steel 9Cr1WMnVTa and ferritic steels 14CrWTi and 17Cr1Mo. Steels without oxide dispersion and steel strenghtened by the dispersion based on Y-Ti-O oxides were prepared. On the steels were made series of mechanic tests which should reveal the effectivity of oxide dispersion on the strenght of steel prepared by the internal oxidation method and by the direct addition of oxide elements. It was found that significantly harder oxide material couldn't be fully disrupted through the mechanical alloying and fine oxide dispersion couldn't be created. There was verified fine oxide dispersion could be created by the internal oxidation method and by the direct adding of oxide elements. Same kind of steels strenghtened by new kind of complex oxides based on Y, Ce, Hf, La, Sc and Zr were prepared. The chemical analyses have proven that all added elements could created complex oxide by the reaction with yttrium. The computational analyses for observing of matrix influence and oxide phase influence on strenghtening of steels were performed. These computational analyses were based on microstructural analyses of ODS steels. There was found that the oxide particles could very effectively improve strenght of steels at room temperature and especialy at high temperature. Based on corrosion tests of 14Cr ODS steel in liquid Pb and LBE enviroment were designed surface protection of ODS steel. The effectiveness of protective layer was verified by the high temperature corrosion test of PM2000 in LBE. No damage of oxide layer was observed although Pb and Bi diffused through protective layer.