PRÉSIDENCE DU CONSEI L

COMMISSARIAT A

L'ÉNERGIE ATOMIQUE

Méthodes micrographiques originalespour l'examen de différents métaux

et alliages nucléairespa r

H . MONT I

Rapport CEA n° 1170

CENTRE

D'ÉTUDE SNUCLÉAIRES DE SACLA YSERVICE DE DOCUMENTATIO N

Boite postale n° 2 - Gif-sur-Yvette (S .-et-O.)

•••

•

MONTI H .

• Rapport CEA n o 1170 .

Méthodes micr graphiqu s originales pour l ' examen de diff'rents métaux et alliage snucléair s .

Sommaire .

On décrit diverses méthodes de préparation d'échantillons métallographiques• (polissage et attaque) ainsi que les résultats obtenus sur les métaux : Pu, U~ Th, Nb, Ta, V ,• et les alliages : Al-Pu, U-Pu et Th-Nb .••• 1959 12 pages

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• l• I

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•••

MONT' H .

• Report CEA n o 1170 .

New micrographic examination methods for nuclear metals and all ys .

• Summary; . — The re p ort describes several methods of preparation of specimens (polishin g• and picklirjg) and the results obtained on metals : Pu, U, Th Nb, Ta, V and alloys : Al-Pu ,

U-Pu and Th-Nb .

1959

12 pages

Méthodes micrographiques originalespour l'examen de différents métaux et alliage s

nucléaires

par H. MONTIingénieur au Commissariat 6 1'Energie Atomiqu e

Service de Radio-Métallurgie *

SOMMAIR E

On décrit diverses méthodes de préparation d'échantillons métallogra-

phiques (polissage et attaque) ainsi que les résultats obtenus sur le smétaux : Pu,

Th, Nb, Ta, V, et les alliages : Al-Pu, II-Pu et Th-Nb .

— PLUTONIU M

a) Polissage électrolytique préparatoireAprès un polissage mécanique soigné ,

l'échantillon est poli électrolytiquement pou réliminer les raies, dans le bain suivant :

NO3 H (d = 1,33)

= 20 ml .Diéthylèneglycol

= 20 ml.Tension

7 volts .Densité de courant = environ 100 mA/cm 2.

Avec une agitation modérée, on obtient e n2 minutes une surface très brillante, mais l astructure n'est pas révélée en lumière pola-risée. Les échantillons ainsi polis sont pas-sivés, et résistent remarquablement à l'oxy-dation .

b) Polissage électrolytique final :

Après le polissage préparatoire, l'échantil-lon est ensuite poli 1 ou 2 minutes dans l ebain suivant :

PO 4 H 3 (d = 1,71)

50 ml .Diéthylèneglycol

= 50 ml .Tension

= 5 voltsDensité de courant = environ 50 mA/cm 2 .

On obtient une surface brillante à reflet sjaunes, sur laquelle la lumière polarisée ré-vèle le grain (Pua est monoclinique) 1 .

Attaque micrographique oxydante :

Après un ou deux jours d'exposition à l'air,la surface polie dans le bain phosphorique es tcouverte d'un film bleuté d'oxyde qui accroitle contraste en lumière polarisée .

On obtient un tel film plus régulier, et ra-pidement, en déposant sur la surface poliequelques gouttes d'eau oxygénée à 110 volu-mes. Après quelques heures, la couched'oxyde est brune et bleue, et l'échantillo nest apte à l'examen .

Il importe, pour obtenir les meilleurs résul-tats, d'utiliser pour l'examen et la photogra-phie une source de lumière blanche (lampe sà incandescence ou arc au zirconium) . Entrenicols croisés, l'image est en noirs et blancs ,avec des tons nuancés, ce qui donne une ana -lyse très fouillée de la structure (microgra-phies 5 et 6, planche III) .

Extrait de Métaux, Corrosion, Industries, n ° 400 ,décembre 1 .958 .

* Actuellement Ingénieur à la Compagnie de Saint-

En décroisant les polaroïds, les grains s eGobain, Services Nucléaires . différencient par des teintes très vives, bleues ,

jaunes et rouges (micrographies 1 et 2, plan-che I, et 3 planche II) .

-2

II . — ALLIAGES ALUMINIUM-PLUTONIU M

Nous avons étudié des alliages d'aluminiu mcontenant en poids 10, 20, 30, 40, 50 % deplutonium 1 ,

a) Polissage électrolytique :

Tous les bains perchloriques conviennent .Nous utilisons des mélanges d'acides perchlo-rique-acétique à 10 et 20 %, sous les ten-sions respectives de 2,0 et 12,5 volts . Pour le salliages à teneur élevée (à partir de 40 %®), i lest préférable d'utiliser le bain à 10 %, qu i« creuse » moins .

b) Attaque micrographique :

Une oxydation anodique sous 20 volts dan sle bain suivant met très bien la structure e névidence :

PO 4 H 3 (d = 1,71) = 50 ml .Diéthylèneglycol = 5,0 ml .

Les alliages étudiés sont constitués de cris -taux des composés intermétalliques PuAI 3 etPuA1 4 enchâssés dans une matrice eutectiqu e(PuAl 4 + Al) mal révélée par le polissage 3,4 ,

Le composé défini PuAl 4 ' orthorhombique, es toptiquement anisotrope comme le montren tles micrographies 7 et 8, planche IH .

Le composé PuAl 3 a pu être obtenu pa rtrempe d'un alliage à 50 ,% à partir de l'éta tliquide + PuAl 3 . Par oxydation anodique ,PuAl 3 est coloré en vert et PuA1 4 en rose 2(micrographie 4, planche II) .

Comme on le voit sur la micrographie 9 d ela planche III, le contraste entre les deuxcomposés est également très bon en noir e tblanc .

Les mesures de microduretéVickers, sou s8 grammes, ont donné pour PuAI 4 = 380 etpour PuAl 3 = 500 .

III . — URANIUM

Nous avions montré 6, 7 , que l'oxydationconstitue une méthode d'attaque très fidèlede l'uranium . Il importe qu'au préalable le ssurfaces aient été polies électrolytiquemen tdans une solution perchlorique ou oxydéesanodiquement dans un bain phospho-chro-mique .

Nous indiquons ici une autre méthode depolissage avant oxydation qui donne de bon srésultats

a) Polissage électrolytique :

Sous 7 volts, avec agitation modérée, dansle bain utilisé pour le plutonium

NO 3H (d = 1,33) = 20 ml.Diéthylèneglycol = 80 ml .

b) Oxydation chimique :

Dans une solution saturée bouillante de ci-trate de sodium .

Durée : 3 à 5 minutes .

IV . — ALLIAGES URANIUM-PLUTONIU M

Nous avons étudié quatre alliages d'ura-nium contenant en poids 4, 8, 12 et 16 % deplutonium. D'après le diagramme d'équi-libre 3, 4 , les deux premiers devraient êtr emonophasés, et les deux autres biphasés .

Ces quatre alliages se polissent comm el'uranium. Leur structure en lumière polari-sée est celle de Ua, comme on peut le cons-tater sur la micrographie n° 11, planche IV .

Dans l'alliage à 16 %, on voit toutefois unfin précipité dessinant un réseau sans relatio navec le grain a . Pour les trois autres alliages ,ce réseau, non visible sur les échantillon spolis, est mis en évidence par attaque ano-dique dans une solution aqueuse à 30 % d enitrate de sodium, sous 10 volts . Durée del'attaque : 1 à 2 secondes (figure 12, plan-che IV) .

La densité de ce réseau croit avec la teneuren plutonium parallèlement à la dureté .

DURETÉ VICKERS SOUS 10 KG .

% de Pu Densité du réseau Dureté`T ickers

4 Traces 2108 Discontinu 23 0

12 Continu (figure 12) 24516 Très serré

d°

Le précipité mis en évidence est sans doutela phase zêta dure, fragile et pyrophorique .Son abondance dans les alliages à hautesteneurs explique que ceux-ci soient durs e tpyrophoriques . Par exemple, notre échantil-lon à 16 % est tombé en poussière d'oxyd eaprès quelques mois d'exposition à l'air .

-3--

V . — THORIUM

Le polissage s'accompagne d'une attaqu emicrographique qui s'exagère avec le temps .Il importe donc que

l'échantillon soit bienpréparé mécaniquement (diamant 5 ,u,) .

a)

Polissage électrolytique

:

Sous 12,5 volts dans les bains suivants :

1 .

C1O 4 H (d =

1,61)

. . . .

=

20 ml c) Attaque micrographique :CH,CO 2 H cristallisable

=

80 ml

2 .

CIO 4 H (d =

1,61)

. . . .

=

20 mlElectrolytique dans le bain précité, pen-

dant 10-15 secondes sous 10 volts

C 2 H5OH à 96 % = 100 ml

b) Attaque micrographique :

Après polissage électrolytique, certainsjoints de grains sont visibles . Dans tous lescas, qu'il s'agisse de thorium fritté ou fondu ,le grain est fidèlement révélé par oxydationanodique sous 5 volts dans une solutionaqueuse à 30 '% de nitrate de sodium . Duréede l'attaque : environ 1/2 seconde .

Il se forme une couche d'oxyde épitaxiquebrillamment colorée et les joints de grain ssont bien marqués, comme on voit sur la mi-crographie n° 10, planche III .

VI . — ALLIAGE EUTECTIQU E

THORIUM-NIOBIU M

Nous avons examiné un alliage de thoriu mà 8 % en poids de niobium. Le polissage élec-trolytique s'est avéré très difficile . Les meil-leurs résultats ont été obtenus par polissagesans agitation sous 5 volts dans le bain sui-vant :

C1O 4 H (d = 1,61) = 20 mlC,H 2OH à 96 % = 100 ml

se forme sur la pièce une couche noiretrès adhérente qui, au bout d'une minute en-viron, se décolle, révélant la surface brillanteet polie (micrographie 13, planche IV) .

Vll . — NIOBIU M

a) Polissage mécaniqu e

classique terminé à l'alumine, suivi d'uneattaque micrographique .

b) Polissage électrolytiqu e

dans le bain suivant, sous 15 à 20 volts, ave cune agitation modérée :

Acide lactique . . = 50 mlSO 4 H 2 (d = 1,83) '= 25 mlHF (d = 1,14) . . = 25 ml

Chimique au trempé, environ 1 seconde ,dans la solution :

HF (d = 1,14) = 20 mlINO 3 H (d = 1,33)

15 ml

La micrographie 14, planche IV, représent eun niobium fritté après polissage mécaniqueet attaque électrolytique .

VI 1 1 . — TANTAL E

a) Polissage électrolytique :

Sous 10 volts dans le même bain que le nio-bium. La densité de courant étant faible, l etemps de polissage est très long on a don cintérêt à faire subir à l'échantillon une pré-paration mécanique très poussée .

'b) Attaque micrographique :

Dans le bain de polissage aux environs d e0,5 volt, le tantale subit une oxydation ano-dique qui colore différemment les grains etrévèle les joints . D'autre part, la surface iso -trope avant polissage devient anisotrope et l egrain est révélé en lumière polarisée (micro-graphie 15, planche IV) .

IX . — VANADIU M

Polissage électrolytique dans le bain :

Cl04H (d = 1,61) . .

20 mlCH 3 CO 2 H cristallisable = 80 mlTension = 17 volt s

Dans les bains moins concentrés, ou acid eperchlorique-éthanol, ou au perchlorate demagnésium, l'échantillon se couvre d'une cou-che d'oxyde jaune qui empêche le polissage .

Les joints de grains sont révélés par l epolissage comme le montre la micrographi e16, planche IV .

PLANCHE I

Echantillon de plutonium ayant subi, lors d'une étud e

dilatométrique, un cycle complet a

7

8

E

Ce traitement produit un grossissement considérable du grainde Pu a (comparer h la micrographie 5, planche III )

— Polissage électrolytique ;

— Oxydation par eau oxygénée

— Examen micrographique en lumière polarisé eentre polarol

décroisés .

MICROGRAPHIE 1 . Grossissement X 1190 .

Remarquer la juxtaposition de gros grains homogènes et de trè spetits grains aux contours irréguliers, reliquats de la structur ed 'élaboration (micrographie 5) . — Cet aspect est typique du

plutonium recuit.

MICROGRAPHIE 2 . Le même échantillon X 375 .

On analyse mieux la structure irrégulière et tourmentée du métal,notamment l'existence de bandes de grains allongés, comm elaminés . On attribue cette structure au grand nombre de trans-formations allotropiques au refroidissement. Sur les échantillon sbruts de coulée, cet aspect est évidemment beaucoup plus marqu é

encore (micrographie 5, planche III) .

-5 -

PLANCHE I

FIG. 1

FIG. 2

PLANCHE I I

MICROGRAPHIE 3. Même échantillon que planche I .

Grossissement X 540 .

Même plage que sur la micrographie n° 1 . On distingue très biendes sous-grains dus à la polygonisation (dans le grain jaune àgauche de la photographie) . Remarquer également la netteté des,

très petits grains insulaires .

MICROGRAPHIE 4 . Alliage Pu-Al à 50 % en poids .

Grossissement X 540 . Lumière normale.

Echantillon maintenu dix minutes à 1 000 0 C, c'est-à-dire dans l edomaine PuAl 2 + liquide, puis trempé à l'huile . — L'attaqu e

anodique met en évidence l'hétérogénéité des cristaux :

-- Au centre, color en vert et de formes géométriques nettes ,un coeur de PuAl2 hors d'équilibre résultant de la trempe .

— A la. périphérie, coloré en rose, un liseré déchiqueté de PuAi 4provenant de la réaction péritectiqu e

PuAl 3 + liquide

PuAl4

qui, du fait de la trempe, s'est limitée au pourtour descristaux primaire de PuAl 3.

-7 -

PLANCHE I I

FIG . 3

FIG. 4

PLANCHE II I

MICROGRAPHIE 5. Plutonium brut d'élaboration .Grossissement X 520 . Lumière polarisée.

Même préparation micrographique que planches I et II . — Graintrès petit et déchiqueté caractéristique de tous les échanillons d e

plutonium bruts d'élaboration que nous avons examinés .

MICROGRAPHIE 6 . Plutonium ayant subi 3 cycles complets .a

8

7 —' 8 —' 8 '

e.

Grossisseemnt X 360 . Lumière polarisée.

Même préparation que précédemment . — On remarque le grossisse -ment considérable de certains grains . Les contours sont plusréguliers que sur les micrographies 1 à 3, cet échantillon ayantsubi 3 cycles au lieu de 1 . — Remarquer la persistance, entre lesgros grains, de zones à grains très fins . Après 15 cycles, cet aspect

subsiste toujours .

MICROGRAPHIE 7 . Alliage Al-Pu à 26 % en poids de Pu .Etat brut de coulée . — Grossissement X 520 . Lumièrepolarisée. — Cristaux de PuAl 4 orientés à 90°, à

constrastes opposés .

MICROGRAPHIE 8 . Même plage après rotation de 90° d ela platine. Inversion du contraste.

MICROGRAPHIE 9. Alliage Al-Pu à 50 % en poids . - Mêmeéchantillon que micrographie 4, planche II, même pré -

paration. Grossissement X 520 . Lumière normale .

MICROGRAPHIE 10 . Thorium « Van Arkel » (dû à l'obli-geance de M. Petit, chef du groupe de pyrométallurgieau D.M.C .A .) . — Grossissement X 300 . Lumière normale.Les très gros grains sont partagés en nombreux sou sgrains . Remarquer l'absence de toute inclusion de thorine .

- 9

PLANCHE II I

F*. 5

FIG. 6

FIG. 7

FIG . 8

FIG. 9 Fla. 10

PLANCHE I V

MICROGRAPHIE 11 . Alliage U-Pu

% en poids d e

plutonium. — Grossissement X 250 . Lumière polarisé e

Structure de Ua.

MICROGRAPHIE 12 . Alliage U-Pu à 12 % en poids d e

plutonium. — Grossissement X 250 . Lumière normale .

Attaque anodique mettant en évidence un réseau continu ,

dû sans doute à la phase zêta .

MICROGRAPHIE 13 . Eutectique thorium-niobium élabor é

au four à arc . — Grossissement X 500 . Lumière normale .

On remarque les dentrites de thorine provenant du

rium fritté ayant servi à la préparation de l'échantillon.

MICROGRAPHIE 14 . Niobium fritté . — Grossissement X 300 .

Lumière normale . Polissage mécanique sur alumine suiv i

d'une attaque anodique .

MICROGRAPHIE 15 . Tantale fondu à l'arc . — Grossissement

X 150 . Lumière polarisée . Après attaque anodique, l a

surface de tantale est optiquement anisotrope, et le s

grains sont révélés par examen en lumière polarisée .

MICROGRAPHIE 16 . Vanadium fondu à l'arc . — Grossisse -

ment X 250 . Lumière normale . Joints de grains mis e n

évidence par polissage électrolytique .

PLANCHE I V

FIG . 11 FIG . 12

FIG . 13 FIG. 14

Fm. 15 FIG . 16

BIBLIOGRAPHI E

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