Ce travail s'inscrit dans un cadre de recherche qui a pour objectif essentiel l'étude de l'influence de la vapeur d'eau sur l'oxydation à haute température d'un alliage formeur de Cr2O3 à base de nickel. L'alliage étudié pour cette étude est le SY 625. L'originalité de cette étude repose sur l'utilisation d'un montage expérimental, mis en oeuvre au laboratoire. Ce montage appelé « montage vapeur d'eau » permet de réaliser l'oxydation du SY 625 à haute température (900-1100°C) en présence de vapeur d'eau (7,5 et 33% de vapeur d'eau) avec différents gaz vecteurs (oxygène, air, argon et azote) en conditions isotherme ou cyclique. Les résultats cinétiques obtenus sous air, ne montrent pas de différences notables que l'oxydation soit réalisée en conditions sèche ou humide (quelque soit le taux de vapeur d'eau). Les résultats n'ont pas montré de breakaway pour les durées d'oxydation allant jusqu'à 48 heures. Ceci est attribué au fait qu'il n'y a pas formation d'oxydes de fer sachant que l'alliage contient seulement 0,23% en masse de fer. Les résultats de DRX montrent la formation des mêmes phases quel-que-soit le gaz vecteur utilisé (en atmosphère sèche ou humide). A 900 et 1000°C, l'oxyde Cr2O3 est détecté ainsi que deux composés intermétalliques : Ni3Mo et NbNi4. En revanche à 1100°C, l'oxyde Cr2O3 est toujours présent mais les composés intermétalliques sont oxydés pour donner un oxyde mixte CrNbO4. L'oxydation du molybdène au dessus de 1000°C conduit à la formation de MoO3 qui est un oxyde volatil. Les analyses morphologiques, ont montré la présence de couches de chromine plus plastiques avec une porosité répartie sur toute l'épaisseur de la couche pour les essais réalisés en présence de vapeur d'eau. Les couches d'oxyde sont alors plus adhérentes. Ceci a été confirmé par des essais d'oxydation en conditions cycliques, qui ont montré notamment à 1100°C, une meilleure tenue mécanique de la couche d'oxyde en présence de vapeur d'eau. Les tests d'oxydation en présence d'un marquage à l'or a aussi permis de mettre en évidence un mécanisme d'oxydation mixte pour les oxydations réalisées en atmosphères riche en oxygène que l'on soit sous atmosphère sèche ou humide. En revanche, le marquage à l'or a montré la présence d'un mécanisme d'oxydation interne pour les atmosphères pauvres en oxygène, avec des couches d'oxydes présentant une adhérence parfaite. Le fait d'ajouter de la vapeur d'eau à ces atmosphères pauvres en oxygène, entraine la réapparition d'un mécanisme de diffusion mixte.

BIEN QUE L'ON SACHE DEPUIS LONGTEMPS QUE DES TRACES DE VAPEUR D'EAU PEUVENT MODIFIER LARGEMENT LA CINETIQUE D'OXYDATION DES METAUX, TRES PEU D'ETUDES SYSTEMATIQUES ONT ETE EFFECTUEES. NOUS EXAMINONS DANS CE TRAVAIL LES CAS DU TANTALE, DU TITANE ET DU NICKEL. CES TROIS METAUX ONT ETE CHOISIS PARCE QU'ILS REPRESENTENT ASSEZ BIEN LES DIFFERENTS TYPES DE LOIS CINETIQUES. POUR CHAQUE METAL, UNE ETUDE COMPARATIVE DE L'OXYDATION PAR L'OXYGENE, PAR LA VAPEUR D'EAU ET PAR DES MELANGES OXYGENE-VAPEUR D'EAU A ETE EFFECTUEE. PARALLELEMENT A L'ETUDE CINETIQUE, LES PRODUITS DE REACTION ONT ETE CARACTERISES PAR DIFFERENTES TECHNIQUES. IL APPARAIT QUE LES METAUX CHOISIS A PRIORI, COUVRENT BIEN LES DEUX GRANDS MODES D'INTERVENTION DE LA VAPEUR D'EAU SUR L'OXYDATION: SOIT PAR UNE ACTION SE MANIFESTANT PAR UNE INHIBITION CINETIQUE. C'EST CE QUI A ETE OBSERVE DANS LE CAS DU TANTALE OU L'OXYDE FORME NE SEMBLE PAS ETRE MODIFIE PAR LA PRESENCE DE VAPEUR D'EAU; SOIT PAR UNE ACTION INDUITE SUR LES PROPRIETES DE TRANSPORT DE L'OXYDE FORME, QUI PEUT SE TRADUIRE PAR UNE INHIBITION OU UNE EXACERBATION CINETIQUE. C'EST CE QUI A ETE OBSERVE DANS LE CAS DU TITANE. DES MODIFICATIONS MORPHOLOGIQUES DE LA COUCHE D'OXYDE SONT ALORS MISES EN EVIDENCE. POUR LE NICKEL, LES DEUX TYPES D'ACTION PEUVENT ETRE ENVISAGES

La corrosion haute température d'alliages par les verres fondus est un problème rencontré dans plusieurs procédés industriels tels que la vitrification des déchets nucléaires ou encore la production de la fibre de verre. Les alliages base nickel contenant une grande quantité de chrome sont particulièrement intéressants pour ces applications, notamment grâce à leur bonne résistance à la corrosion due à leur capacité à développer une couche homogène et couvrante de chromine (Cr2O3) lors d'une oxydation à haute température. De par la faible solubilité de l'oxyde dans les silicates fondus, cette couche protège l'alliage d'une corrosion rapide par le verre. Lors de la mise en contact avec le milieu corrosif à haute température, la couche de chromine est soumise à une compétition entre sa dissolution par le verre fondu et à sa formation simultanée par oxydation de l'alliage. La dissolution totale de la couche est appelée dépassivation et est néfaste car elle conduit à une corrosion accélérée de l'alliage par remise en contact direct avec le liquide. La stabilité de la couche d'oxyde au contact du verre est donc un point clé pour optimiser la durée de vie des matériaux. Ainsi, il convient de comprendre les phénomènes assurant ou non la stabilité de cette couche d'oxyde. In fine, le développement d'outils prédictifs permettrait l'optimisation des matériaux et des conditions opératoires des procédés industriels. Pour répondre à cette problématique, l'alliage modèle Ni-30Cr a été sélectionné de même que des compositions de verres binaires Na2O-SiO2 et borosilicatés Na2O-B2O3-SiO2. L'approche consiste en une étude expérimentale visant à déterminer les conditions de température et de composition assurant la stabilité de la couche d'oxyde développée sur l'alliage immergé. Une modélisation de la corrosion de l'alliage est ensuite proposée afin de définir les paramètres prédisant la stabilité de la couche d'oxyde. L'étude de ce modèle révèle que la dépassivation est liée à un manque d'O2 dans liquide, ce qui limite la cinétique de formation de l'oxyde. La confrontation du modèle aux résultats expérimentaux permet valider cette conclusion.

LA VAPEUR D'EAU EST CONNUE POUR MODIFIER LE COMPORTEMENT A HAUTE TEMPERATURE DE NOMBREUX MATERIAUX, EN PARTICULIER DES ACIERS INOXYDABLES. SA PRESENCE DANS LES ATMOSPHERES OXYDANTES SE MANIFESTE PAR UNE AUGMENTATION SOUDAINE DE LEUR VITESSE D'OXYDATION CORRESPONDANT A LA FORMATION D'OXYDES DE FER SUR LA SURFACE. LE PRESENT TRAVAIL VISE A COMPRENDRE LES MECANISMES DE CETTE PERTE DE PASSIVITE SUITE A LA NUCLEATION ET LA CROISSANCE DE CES OXYDES. LES MECANISMES DE L'OXYDATION SONT ETUDIES PAR ANALYSE THERMOGRAVIMETRIQUE PUIS CARACTERISATION DES COUCHES D'OXYDE FORMEES. CE TRAVAIL PRESENTE TOUT D'ABORD L'OXYDATION A HAUTE TEMPERATURE DU CHROME PUR, EN TANT QUE MATERIAU MODELE, ET L'INFLUENCE DE LA VAPEUR D'EAU SUR LE MECANISME DE CROISSANCE DE SON OXYDE CR 2O 3. LES ACIERS FERRITIQUES CHOISIS SONT ENSUITE ETUDIES AU REGARD DES RESULTATS OBTENUS POUR LE CHROME. LES DIFFERENTS MECANISMES PROPOSES DANS LA LITTERATURE POUR EXPLIQUER L'OXYDATION CATASTROPHIQUE EN PRESENCE DE VAPEUR D'EAU SONT DISCUTES, ET UN MECANISME ORIGINAL EST PROPOSE, QUI DECRIT BIEN LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS SUR LES DEUX SYSTEMES (CHROME ET ACIER). CELUI-CI FAIT INTERVENIR LE TRANSPORT DES IONS HYDROXYDE A TRAVERS LA COUCHE PROTECTRICE DE CR 2O 3 ET LEUR DECOMPOSITION A L'INTERFACE METAL/OXYDE. LE ROLE DES ELEMENTS D'ALLIAGE, CHROME ET SILICIUM, DE L'ACIER EST ENFIN DISCUTE A LA LUMIERE DES MECANISMES DETERMINES PRECEDEMMENT.

Il est important pour l'industrie nucléaire de mener des études amont pour mieux appréhender les phénomènes en lien avec la corrosion des alliages chromino-formeurs. Cette étude a pour objectif de mieux comprendre les paramètres influant sur les mécanismes et la cinétique de croissance des couches de chromine formées par oxydation à haute température. Ce travail s'articule en deux parties complémentaires : une partie de modélisation qui est focalisée sur les aspects cinétiques, et une partie expérimentale axée sur la compréhension des mécanismes de croissance de la chromine. La partie modélisation a pour objectif de prendre en compte l'effet des courts-circuits de diffusion dans la description des cinétiques de croissance de la chromine. Le but est d'évaluer quantitativement comment une diffusion mixte par le volume et les joints de grains peut influencer la cinétique de croissance d'une couche d'oxyde dont la microstructure évolue avec le temps. Ce travail a été réalisé à l'aide de modèles analytiques et grâce à de nouveaux développements d'un modèle numérique existant (EKINOX). Plusieurs lois de croissance de grains ont été étudiées (croissance parabolique, croissance cubique et prise en compte de l'existence d'un gradient de taille de grains dans la couche d'oxyde). Une étude paramétrique a été réalisée pour étudier l'influence de la vitesse de croissance des grains sur la cinétique de croissance de la couche de chromine. Ces simulations ont permis d'évaluer la déviation de lacinétique d'oxydation par rapport à la loi parabolique simple suivant la vitesse de croissance des grains d'oxyde, choisie comme donnée d'entrée du modèle. Ces calculs permettent également d'évaluer les ordres de grandeurs de la durée du régime transitoire durant lequel l'évolution de la taille de grains de l'oxyde influence la cinétique d'oxydation de façon significative. Les cinétiques d'oxydation calculées pour les différents cas étudiés ont été extrapolées à l'aide des méthodes classiquement utilisées dans le domaine de l'oxydation à haute température : la méthode « log-log» et la méthode dite du « kp local ». La comparaison des extrapolations et des solutions exactes permet de proposer des « bonnes pratiques » à adopter pour interpréter les cinétiques d'oxydation expérimentales. Dans la partie expérimentale de ce travail, des essais d'oxydation d'un alliage modèle Ni-30Cr à 700°C sous atmosphère d'argon technique (10-5 atm de O2) ont été réalisés en thermobalance pour des durées allant de 30 minutes à 50 heures. La couche de chromine formée à l'issue de ces essais a été finement caractérisée afin de déterminer le mécanisme d'oxydation ainsi que l'étape cinétiquement limitante. Dans les conditions de l'étude, la couche d'oxyde formée a été identifiée comme étant de la chromine de structure corindon dont les grains adoptent une orientation préférentielle de croissance 0001. La cinétique d'oxydation suit une loi parabolique au terme d'un régime transitoire de 3 h environ. La valeur de la constante cinétique parabolique kp a été évaluée pendant le régime stationnaire et est égale à 10-15 cm2 s-1. Des expériences d'oxydation séquencée et de marqueurs ont également été réalisées. Elles ont permis de mettre en évidence une croissance anionique de la couche de chromine. La croissance de l'oxyde apparait, selon les essais de marquage isotopique dans 18O2, contrôlée par la diffusion de l'oxygène par les joints de grains et le volume de l'oxyde. Les analyses complémentaires des couches d'oxyde, par photoélectrochimie, suggèrent que le défaut majoritaire permettant cette diffusion est la lacune d'oxygène. Enfin, la morphologie de la couche d'oxyde indique une croissance plus rapide de la couche au niveau des joints de grains de métal.