Model oriented irradiation experiments in Fe-Cr model alloys
Etude expérimentale d'alliages modèles Fe-Cr irradiés
Résumé
In order to improve the fundamental understanding on the microstructural behavior of irradiated Fe-Cr alloys, model alloys of high-Cr ferritic-martensitic (F-M) steels candidates as structural materials for Gen IV nuclear power plants, a nanoscale description of the microstructure has been performed as a function of Cr concentration and irradiation temperature. Two series of experiments have been undertaken: ● Fe-5%Cr, Fe-9%Cr and Fe-12%Cr model alloys have been neutron irradiated up to 0.6 dpa at 300°C (the minimum operating temperature of ferritic-martensitic steels in Generation IV reactors). 3D atom probe (3DAP) study has shown that the impurities are also involved in the microstructural evolution under irradiation. Two independent populations of clusters inside the grains have been revealed. The first family, NiSiPCr-enriched clusters have been observed in all the model alloys. The second one, Cr-enriched clusters which correspond to α' clusters, have been observed in the Fe-9%Cr and Fe-12%Cr model alloys. This work has shown that the NiSiPCr-enriched clusters are radiation induced segregations whereas the appearance of Cr-enriched clusters originates from radiation enhanced process. Enrichment in Si, P and Cr has been revealed on dislocation lines, low-angle and high-angle grain boundaries in all model alloys. ● Ion irradiation of the Fe-9%Cr and Fe-12%Cr model alloys has been performed at 500°C (temperature close to the maximum operating temperatures of ferritic-martensitic steels in Generation IV reactors). In-situ TEM study has shown that during 150 keV Fe + ion irradiation at 500°C up to 1.5 dpa, damage becomes apparent in the form of randomly distributed dislocation loops. In both model alloys after 1.5 dpa the loops are mainly of [100]-type. 3DAP study of the same alloys irradiated under the same conditions but in the form of sharp tips did not reveal any chemical species redistribution. This work has been supported by the European Commission within the project GETMAT under grant agreement FP7-212175.
Afin d'améliorer la compréhension de l'évolution microstructurale des alliages Fe-Cr irradiés, alliages modèles des aciers ferrito-martensitiques (F-M) à haut Cr candidats comme matériaux de structure des réacteurs de génération IV, l'évolution de la microstructure a été étudiée à l'échelle nanométrique en fonction de la teneur en Cr et de la température d'irradiation. Deux séries d'expériences ont été réalisées: ● Des alliages modèles Fe-5%Cr, Fe-9%Cr et Fe-12%Cr irradiés aux neutrons à 300°C (température minimale de service pour les aciers F-M) jusqu'à 0.6dpa ont été analysés par sonde atomique 3D (3DAP). Ces analyses ont montré que les impuretés sont également impliquées dans l'évolution microstructurale de ces alliages sous irradiation. Deux familles indépendantes de clusters ont été observées : des clusters de NiSiPCr observés dans tous les alliages et des clusters riches en Cr correspondant à la phase α ' mais observés uniquement dans les alliages sursaturés en Cr (Fe-9%Cr et Fe-12%Cr). Ce travail a montré que l'apparition des clusters de NiSiPCr est induite par l'irradiation alors que celle des clusters riches en Cr est issue d'un processus accéléré par l'irradiation. Des enrichissements en Si, P et Cr ont été observés sur les lignes de dislocations ainsi que dans des joints de grain de faible et forte désorientation dans tous les alliages. ● Des alliages Fe-9%Cr et Fe-12%Cr ont été irradiés aux ions Fe + de 150 keV à 500°C (température maximale de service pour les aciers F-M). Des expériences de MET in situ entreprises jusqu'à une dose de 1.5 dpa, ont montré que le dommage apparaissait sous la forme de boucles de dislocations distribuées de façon homogène dans les grains. Dans les deux alliages modèles les boucles sont principalement du type <100>. L'analyse par 3DAP des mêmes alliages irradiés dans les mêmes conditions mais sous forme de pointes ne révèle aucune redistribution des espèces chimiques après irradiation.