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.

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.

ETUDE DE L'OXYDATION DE L'ALLIAGE COMMERCIAL CMSX-2, SOUS FAIBLE PRESSION D'OXYGENE ET SOUS AIR, A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE, ENTRE 900 ET 1300 NON=C. L'ETUDE CINETIQUE REVELE QUE LA TENUE A L'OXYDATION EST TRES BONNE EN CONDITION ISOTHERME. L'EXAMEN EN MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ET EN TRANSMISSION DES ECHANTILLONS OXYDES, AINSI QUE LA REALISATION DE SPECTRES DE DIFFRACTION RX ONT PERMIS D'IDENTIFIER LES OXYDES NIO, DE TYPE RUTILE (AL, CR) TAO::(4), DE TYPE CR::(2)O::(3), (NI, CO) TIO::(3) AINSI QUE LES SPINELLES AL::(2)O::(3)-GAMMA ET (NI, AL) CR::(2)O::(4). ON PROPOSE UN MECANISME D'OXYDATION

LA COMPREHENSION DES PHENOMENES D'OXYDATION A HAUTE TEMPERATURE DES ALLIAGES BASE NICKEL REVET UN INTERET PARTICULIER POUR L'INDUSTRIE NUCLEAIRE. LES PERFORMANCES DE CES ALLIAGES, TOUT COMME CELLES DES ACIERS, SONT FORTEMENT INFLUENCEES PAR LES DIFFERENTS ELEMENTS MINEURS D'ADDITION. SIX ALLIAGES COMMERCIAUX ONT ETE TRAITES ENTRE 800C ET 1000C SOUS AIR ET ETUDIES A L'AIDE DES METHODES D'ANALYSE COMPLEMENTAIRES SUIVANTES : SPECTROSCOPIE DE PHOTOELECTRONS INDUITS PAR UN RAYONNEMENT X, SPECTROSCOPIE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER, DIFFRACTION DES RAYONS X ET MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE COUPLEE AVEC UN SYSTEME D'ANALYSE EN ENERGIE DES RAYONS X EMIS. LES RESULTATS OBTENUS METTENT EN EVIDENCE LE ROLE TRES IMPORTANT DES ELEMENTS MINEURS D'ADDITION QUE SONT LE MANGANESE, LE SILICIUM, LE TITANE, L'ALUMINIUM ET LE NIOBIUM SUR LES MECANISMES D'OXYDATION. LA DIFFUSION RAPIDE DU MANGANESE ET DU TITANE A TRAVERS LA PHASE RHOMBOEDRIQUE FORMEE INITIALEMENT, CONDUIT A LA FORMATION D'UNE COUCHE D'OXYDES DE STRUCTURE DUPLEX. L'OXYDATION INTERGRANULAIRE DU TITANE ET DE L'ALUMINIUM EST SUBSTANTIELLE ET PEUT ETRE CORRELEE AVEC L'EPAISSEUR DE LA ZONE AFFECTEE PAR LA DEPLETION EN CHROME DANS L'ALLIAGE SOUS-JACENT. LE SILICIUM FAVORISE LA FORMATION DU CHROMITE DE MANGANESE, CEPENDANT, LE DEVELOPPEMENT D'UNE COUCHE CONTINUE DE SILICE A L'INTERFACE OXYDE-ALLIAGE RALENTIT LA CINETIQUE D'OXYDATION. LA PRESENCE DE NIOBIUM SEMBLE EGALEMENT AVOIR UN EFFET BENEFIQUE SUR LA RESISTANCE A L'OXYDATION. LA COMPARAISON DE CES RESULTATS AVEC CEUX OBTENUS SUR DES ACIERS FERRITIQUES ET AUSTENITIQUES ETUDIES AU LABORATOIRE ET AVEC CEUX ISSUS DE LA LITTERATURE PERMET D'APPORTER DES INFORMATIONS QUALITATIVES CONCERNANT LA VITESSE DE DIFFUSION DES DIFFERENTS ELEMENTS EN FONCTION DE LA MATRICE. AINSI, DANS LES ACIERS FERRITIQUES, OU LES VITESSES DE DIFFUSION SONT PLUS ELEVEES QUE DANS LES MATRICES AUSTENITIQUES, LA DIFFUSION DU TITANE EST PLUS RAPIDE QUE CELLE DU MANGANESE. DANS LES ACIERS AUSTENITIQUES, CES DEUX ELEMENTS DIFFUSENT A DES VITESSES COMPARABLES ALORS QUE DANS LES ALLIAGES BASE NICKEL, LE MANGANESE DIFFUSE PLUS VITE QUE LE TITANE.

L'objectif de ce travail est d'étudier l'oxydation des alliages fecral à haute température. Les traitements thermomécaniques préalables influent nettement sur la taille et sur la quantité des précipités, ainsi que sur la cinétique de croissance de la couche. Ils ne semblent guère avoir une influence sur la nature de la couche d'oxyde ni sur celle des précipités. Le traitement thermique semble jouer un rôle favorable sur la morphologie de la structure externe. Elle est en roses des sables, favorable pour l'accrochage du catalyseur. La vapeur d'eau dans l'atmosphère, à 900c, accélère l'oxydation mais à forte teneur, favorise la transformation de l'alumine theta en alumine alpha. Elle provoque une diffusion de surface et la structure se présente sous forme de plaquettes assez épaisses. Une étude qualitative et quantitative de la précipitation à la face interne de l'oxyde formé a été menée. La précipitation semble jouer un rôle particulièrement important durant la période initiale transitoire d'oxydation. Les techniques utilisées nous ont permis de préciser la nature des précipités à l'interface interne tels que: la zircone, des spinelles et des oxydes mixtes. Les précipités obtenus à l'interface présentent des morphologies telles que les contraintes internes pourraient être alors considérablement modifiées en termes d'intensités et de distribution. La structure de l'interface metal / oxyde montre que la zone externe de la couche d'oxyde est à grains fins. Elle se forme dans les premières heures d'oxydation. Elle renferme une porosité inter et intragranulaire importante. La zone interne, plus dense, a des grains qui ont tendance àse développer de façon colonnaire. La structure de l'interface est hétérogène et extrêmement complexe, due en particulier à la diversité des phases en présence. Ceci n'a pas permis de mettre en évidence une valeur critique d'un paramètre particulier, déterminante pour la cinétique d'oxydation.

L'INFLUENCE DES CONTRAINTES SUR L'OXYDATION DANS L'AIR DE TROIS ALLIAGES FERRITIQUES DE TYPE FECRAL (OBTENUS SOIT PAR METALLURGIE DES POUDRES SOIT PAR FUSION AVEC ET SANS AJOUT D'YTTRIUM), A ETE ETUDIEE EN SYMETRIE CYLINDRIQUE (DIAMETRE 3,25 MM ENVIRON) A HAUTE TEMPERATURE (800-1350C). L'ETUDE CINETIQUE DE L'OXYDATION MONTRE LA PRESENCE D'UN REGIME DE DIFFUSION ACTIVE A HAUTE TEMPERATURE (EA=250 KJ.MOL##1) AVEC FORMATION D'ALUMINE ALPHA, MAIS UNE ANOMALIE SYSTEMATIQUE APPARAIT VERS 900C. A CETTE TEMPERATURE UNE MORPHOLOGIE PARTICULIERE LAMELLAIRE EST OBSERVEE, DE PLUS LES PROPRIETES MECANIQUES EVOLUENT EN COURS D'OXYDATION. LE CYCLAGE THERMIQUE DE CES PRODUITS N'EST PAS PLUS DEFAVORABLE QUE L'OXYDATION ISOTHERME. CES ALLIAGES RESISTENT RELATIVEMENT BIEN A L'OXYDATION MAIS POSSEDENT DE MAUVAISES PROPRIETES MECANIQUES (TRACTION, FLUAGE, MODULE D'YOUNG, DILATOMETRIE), ILS NE PEUVENT SUBIR QUE LEUR PROPRE POIDS A HAUTE TEMPERATURE. UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL ET UN MODELE MATHEMATIQUE SONT PROPOSES POUR DETERMINER L'AVANCEMENT DE LA REACTION D'OXYDATION DE MATERIAUX SOUS CHARGE IMPOSEE. LES CONTRAINTES DE CROISSANCE DANS LA COUCHE D'ALUMINE SONT FAIBLES A 1300C, ELLES ATTEIGNENT UN MAXIMUM VERS QUATRE HEURES D'OXYDATION (-337 MPA) POUR ENSUITE S'ANNULER PROGRESSIVEMENT. LES CONTRAINTES RESIDUELLES DETERMINEES A FROID NE SONT PAS TOUJOURS DU MEME ORDRE DE GRANDEUR QUE LES CONTRAINTES THERMIQUES CALCULEES (-4 GPA ENVIRON) ET DEPENDENT DE LA MORPHOLOGIE DE L'OXYDE. CETTE DERNIERE EST ELLE-MEME FONCTION DE TROIS PRINCIPAUX PARAMETRES: LE TYPE DE MATRICE METALLIQUE, LE MODE D'ELABORATION DE L'ALUMINE, L'ETAT MECANIQUE SUPERFICIEL DU METAL. LES CONTRAINTES DE CROISSANCE ET LES CONTRAINTES THERMIQUES PEUVENT ETRE RELAXEES SOIT PAR DEFORMATIONS PLASTIQUES DU METAL ET DE L'ALUMINE, SOIT PAR ECAILLAGE ET/OU PAR FISSURATION DE LA COUCHE D'OXYDE