Microscopy of Oxidation: the proceedings of the Second International Conference Held at Selwyn College, University of Cambridge, in 1991.

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.

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.

LES PROPRIETES DE SURFACE DES ACIERS INOXYDABLES SOLLICITES A CHAUD LORS DE LEUR MISE EN FORME PEUVENT ETRE MODIFIEES PAR SUITE DE LA FORMATION D'UN FILM MINCE D'OXYDES DONT LES CARACTERISTIQUES DEPENDENT DE LA PRESENCE OU NON DE VAPEUR D'EAU. EN VUE DE COMPRENDRE ET D'INTERPRETER CE PHENOMENE, LES PREMIERS STADES D'OXYDATION D'ALLIAGES BINAIRES FER-CHROME ET TERNAIRES FER-CHROME-NICKEL ONT ETE ETUDIES. POUR CE FAIRE, NOUS AVONS CONDUIT DE FACON COMPARATIVE DES ESSAIS EN ATMOSPHERES OXYDANTES SECHE ET HUMIDE A DES TAUX DE VAPEUR D'EAU CONTROLES POUR UNE TEMPERATURE DE 1200#OC. LES DUREES D'OXYDATION MAXIMALES SONT DE L'ORDRE DE LA MINUTE. LES COURBES CINETIQUES ONT ETE REALISEES PAR DEUX METHODES DISCONTINUES: MESURE DU GAIN DE MASSE PAR UNITE D'AIRE DE SURFACE EN FONCTION DU TEMPS D'OXYDATION ET DETERMINATION DE L'OXYGENE TOTAL FIXE A LA SURFACE DE L'ECHANTILLON PAR MICROANALYSE NUCLEAIRE. LA NATURE ET LA MORPHOLOGIE DES COUCHES D'OXYDES ONT ETE DETERMINEES, OUTRE PAR LES METHODES CLASSIQUES D'ANALYSES, PAR SPECTROSCOPIE RAMAN LASER ET PAR SPECTROSCOPIE A DECHARGE LUMINESCENTE. L'ADHERENCE DES COUCHES D'OXYDES AU SUBSTRAT METALLIQUE A PU AUSSI ETRE DETERMINEE PAR DES TESTS D'ARRACHEMENT, A L'AIDE D'UNE MACHINE DE MICROTRACTION. LES COURBES CINETIQUES METTENT EN EVIDENCE LA PRESENCE DE VAGUES DANS LES VARIATIONS DE MASSE TRADUISANT UN PHENOMENE DE VOLATILISATION D'ESPECES OXYDEES RICHES EN CHROME. DANS LE CAS DES NUANCES FAIBLEMENT CHARGEES EN CHROME ET/OU EN NICKEL, L'AMPLITUDE DE CES VAGUES AUGMENTE AVEC LE TAUX D'HUMIDITE CROISSANT. LA VOLATILISATION A POUR CONSEQUENCE LA FORMATION D'OXYDES DE FER NON ADHERENTS. DANS LE CAS DES NUANCES FORTEMENT CHARGEES EN CHROME ET EN NICKEL, LES AMPLITUDES DE CES VAGUES DIMINUENT AVEC LA PRESSION DE VAPEUR D'EAU CROISSANTE. CE PHENOMENE S'EXPLIQUE PAR LE FAIT QUE LA PRESENCE D'HUMIDITE FAVORISE LA FORMATION DE SPINELLES NIFE#2O#4 AND NICR#2O#4 QUI LIM

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

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.