Oxydation à haute température d’alliages modèles Ni-25Cr, Influence des éléments mineurs Mn et Si sur les mécanismes de croissance des oxydes protecteurs

auteurs

• Perez Thomas

mots-clés

• Nickel based alloys
• High temperature oxidation
• Solid state diffusion
• Point defects
• Alliages base nickel
• Oxydation à haute température
• Diffusion
• Défauts ponctuels

résumé

Les alliages réfractaires à base de nickel et de chrome sont parmi les plus utilisés à haute température en atmosphère oxydante sur le domaine de température de 700 à 1100°C. Ils sont généralement capables de développer des couches à base de chromine dont la vitesse de croissance est suffisamment lente pour limiter cinétiquement la dégradation des pièces. L’addition d’éléments d’alliage peut modifier considérablement leur comportement en oxydation et/ou leurs propriétés mécaniques. Si des relations entre la composition, la microstructure et la cinétique d’oxydation sont aujourd’hui connues, l’évaluation du comportement en oxydation des nouvelles nuances industrielles demeure systématique car le rôle des différentes additions et leur synergie éventuelle sont mal compris. Aussi, cette thèse vise à affiner la compréhension des relations existant entre la composition chimique et la réactivité chimique des matériaux métalliques en milieu oxydant dans le but de contribuer au design d’alliages aux propriétés en oxydation optimisées. Pour cela, ce travail repose sur l’étude du comportement d’alliages modèles, simplifiés par rapport à ceux proposés aujourd’hui par l’industrie. Ils sont traités en atmosphères oxydantes, puis caractérisés à l’aide des techniques actuellement disponibles (EBSD, SEM-FIB, MET-HR) de façon à évaluer les mécanismes d’oxydation et le rôle des éléments manganèse et silicium présents dans ces alliages en quantités mineures (~ 1% massique). Les premiers stades de l’oxydation des alliages modèles au manganèse ont été suivi in-situ en MEB environnemental (Collaboration ICSN de Marcoule) et ont permis d’observer que le spinelle Mn1+xCr2-xO4 est l’oxyde se formant le plus tôt à 1050°C quelle que soit la teneur en Mn dans l’alliage. Ces ajouts à un alliage de référence Ni-25Cr (% massique) conduisent d’une part à une augmentation de la vitesse d’oxydation et d’autre part à une diminution de la vitesse de volatilisation de l’oxyde de chrome suite à la formation d’une couche continue de spinelle à l’interface oxyde/gaz. A l’opposé, l’ajout de silicium diminue d’un facteur cinq la constante parabolique d’oxydation, suite à la formation de silice aux joints de grains de la couche de chromine. L’ajout à la fois de manganèse et de silicium conduit à des vitesses d’oxydation, en condition isotherme, similaires à celle de l’alliage de référence. Par contre, la durée de vie de tels alliages est considérablement augmentée en condition cyclique d’utilisation. La connaissance du sens de croissance des couches d’oxyde et de leur type de semi-conductivité, par le biais de mesures photo-électrochimiques réalisées en collaboration avec le laboratoire SIMaP de Grenoble, a permis d’identifier les défauts ponctuels majoritaires au sein des couches d’oxyde étudiées. Les mécanismes diffusionnels à l’œuvre lors de la croissance des oxydes ont ainsi pu être caractérisés.

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