Les alliages étudiés

II.1.1 Composition et microstructure de l’Inconel 617

L’Inconel 617 dont la composition est rappelée au tableau 4 a été fourni par Special Metals sous forme d’une tôle de 2 mm d’épaisseur après avoir subi un traitement thermique de 15 minutes à 1177°C suivi d’une trempe à l’eau. La microstructure à l’état de réception est illustrée à la figure 15.

Ni Cr Mo Co C Al Ti Mn Fe Si

Inconel

617 Reste 21,56 9,21 12 0,06 1,01 0,4 0,10 0,95 0,15

Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales

Figure 15 : Microstructure d’une éprouvette en Inconel 617 à l’état de réception observée par microscopie optique (attaque chloroacétique, 3 V, 25 s).

Les grains sont relativement équiaxes et présentent une taille variant entre 20 et 50 µm. Nous notons également la présence de nombreuses macles probablement d’origine thermique et/ou mécanique. L’observation de la microstructure à plus fort grandissement, présentée figure 16a, montre la précipitation de carbures en position intra et intergranulaire. Nous nous sommes appuyés sur les résultats de la littérature pour identifier la stœchiométrie de ces carbures. Takahashi et al. [64] identifient les gros précipités facettés (majoritairement en position intragranulaire) comme étant soit des carbo-nitrures de titane, soit des carbures de type M6C avec

M le composé suivant Mo3Cr2(Ni,Co). Wu [65] trouve également d’autres carbures de type MC

de composition (Si, Mo)C. Les précipités fins observés aux joints de grains sont identifiés comme étant des carbures de type M23C6 dont la formule chimique est essentiellement

Cr21Mo2C6. On trouve aussi les carbures de type M6C mentionnés précédemment [66-68]. Des

analyses récentes par Microscopie Electronique en Transmission (MET) [69] ont permis de confirmer la présence de ces différents types de carbures (figure 16b) dans l’alliage étudié.

(a)

(b)

Figure 16 : Micrographie d’un échantillon d’Inconel 617 à l’état de réception : (a) microscopie optique et (b) caractérisation par MET des carbures typiques de la microstructure de l’alliage 617 à l’état de réception [69].

La présence de ces différents types de carbures est également en accord avec le diagramme Temps – Température – Précipitation de l’Inconel 617 présenté à la figure 17. Ces constatations expérimentales suggèrent que le traitement thermique à 1175°C de 15 minutes ne permet pas de mettre en solution la totalité des carbures dans l’alliage, soit parce qu’ils n’ont pas été dissous lors du traitement thermique, soit parce qu’ils précipitent lors du refroidissement.

Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales

Figure 17 : Diagramme Temps – Température – Précipitation de l’Inconel 617 [67].

II.1.2 Compositions et microstructures des alliages modèles

Au chapitre I, nous avons montré que les éléments d’addition tels que l’aluminium et le titane des alliages à base de Ni-Cr participent aux processus de corrosion. Afin de clarifier le rôle de ces deux éléments mineurs sur les mécanismes d’oxydation de l’Inconel 617, nous optons pour l’élaboration de coulées modèles dont la composition pondérale évolue autour de celle de l’Inconel 617 à savoir Ni-22Cr-9Mo-0,06C notée par la suite NiCrMoC. Cette étude phénoménologique s’inscrit également dans une perspective d’optimisation de la composition de l’Inconel 617 vis-à-vis de la corrosion. Dans cette optique, nous nous sommes appuyés sur la norme ASTM (tableau 1) afin de définir les teneurs en aluminium et en titane des coulées modèles. Les trois coulées à teneur en aluminium variable sont alors la coulée sans aluminium (NiCrMoC), une coulée présentant une teneur moyenne en aluminium (1 % mass.) : NiCrMoC1Al et une coulée à forte teneur en aluminium (2 % mass.) : NiCrMoC2Al. Pour étudier la synergie entre l’aluminium et le titane, nous nous appuierons sur une coulée associant 0,4 % mass. de titane à la teneur élevée en aluminium (2 %) : NiCrMoC2Al0,4Ti.

L’étude de l’influence de l’aluminium et de la synergie aluminium – titane sur le comportement des alliages modèles à base de NiCrMoC en milieu RHT est complétée par l’analyse du comportement d’un autre alliage modèle permettant d’enrichir ponctuellement nos résultats expérimentaux. Cet alliage a pour composition NiCrMo, c’est-à-dire ne contenant pas de carbone. Cet alliage permettra de déduire l’influence du carbone dans la réaction de destruction de la couche, partie discutée dans le chapitre IV. Le tableau 5 regroupe les différentes compositions chimiques des alliages modèles étudiés.

Alliages modèles Ni Cr Mo C Al Ti Co Mn Si NiCrMoC base 22 9 0,06 0 0 0 0 0 NiCrMoC1Al base 22 9 0,06 1 0 0 0 0 NiCrMoC2Al base 22 9 0,06 2 0 0 0 0 NiCrMoC2Al0,4Ti base 22 9 0,06 2 0,4 0 0 0 NiCrMo base 22 9 0 0 0 0 0 0

Tableau 5 : Compositions pondérales des alliages modèles. La valeur zéro indique que la teneur est en dessous de la limite de détection par spectrométrie à émission d’étincelle.

Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales

Les alliages modèles ont été préparés au centre Sciences des Matériaux et des Structures de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de St Etienne. Le procédé d’élaboration comprend trois étapes qui sont détaillées ci-dessous :

- Etape 1 : Fusion des coulées modèles à base NiCrMoC entre un alliage Ni-30Cr et du nickel pur sous atmosphère d’argon hydrogéné (atmosphère réductrice) pour obtenir par dilution l’alliage de composition appauvrie en chrome sachant qu’ensuite les ajouts de molybdène, de carbone, d’aluminium et de titane purs sont effectués dans des proportions adéquates pour obtenir les compositions détaillées dans le tableau 5. Les alliages modèles se présentent sous forme de lingot d’environ 1 kg. Un exemple de microstructure de l’alliage NiCrMoC avant l’étape de transformation à chaud (étape 2) est présenté figure 18.

Figure 18 : Microstructure du lingot NiCrMoC après solidification.

- Etape 2 : Forgeage du lingot par pilonnage et par martelage rotatif aux alentours de 1250°C en un barreau de diamètre de 18,5 mm. Cette opération à 1250°C conduit à une décarburation en surface du barreau sur une profondeur de l’ordre de 1 mm. Les barreaux sont donc usinés pour enlever la partie décarburée et sont ramenés à un diamètre de 15 mm excepté pour l’alliage NiCrMoC dont le diamètre final est de 12,5 mm compte tenu de la présence d’une profondeur décarburée plus importante.

- Etape 3 : Succession de deux traitements thermiques réalisés sous argon dans des ampoules en quartz afin d’éviter la décarburation des alliages. Le premier vise à homogénéiser la microstructure de l’alliage et s’effectue aux alentours de 1300°C sur une durée d’une heure. Les conditions d’homogénéisation conduisent à un grossissement des grains. Ce recuit est suivi par un second traitement thermique de 15 minutes à 1175°C dans le but d’obtenir une microstructure la plus proche possible de celle de l’Inconel 617. Les microstructures des alliages modèles sont illustrées à la figure 19. Les coulées modèles contenant de l’aluminium conduisent après forgeage à une microstructure hétérogène dans la répartition des carbures due à la solidification dendritique et à un taux de déformation relativement faible entre le lingot et la barre finale. Plusieurs tests de traitement thermique d’homogénéisation ont été réalisés pour tenter d’éviter la répartition hétérogène de carbures mais à ce jour aucune condition ne s’est avérée satisfaisante.

Les mesures de taille de grains des alliages modèles estimées à partir de micrographies (figure 19) sont regroupées dans le tableau 6. La nuance NiCrMo présente la taille de grains la plus faible puisque c’est la seule qui n’a pas subie de traitement thermique d’homogénéisation à 1300°C.

Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales

Alliages Taille de grain

NiCrMo 30 à 50 µm

NiCrMoC 200 à 400 µm

NiCrMoC1Al 100 à 200 µm

NiCrMoC2Al 100 à 200 µm

NiCrMoC2Al0,4Ti 100 à 200 µm

Tableau 6 : Tailles de grains des alliages modèles.

Figure 19 : Microstructures des alliages modèles observées par microscopie optique.

200 µm 80 µ m

200 µm 80 µm

200 µm 200 µm

NiCrMoC

NiCrMo

NiCrMoC1Al (microstructure similaire pour NiCrMoC2Al et NiCrMoC2Al0,4Ti)

Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales

II.1.3 Les éprouvettes

Les échantillons en Inconel 617 sont des plaquettes de dimensions 15 x 15 x 1,5 mm3, percés d’un trou de diamètre 1,5 mm permettant de les suspendre par des crochets en platine dans la thermobalance lors des tests d’oxydation. Avant exposition, ils sont polis mécaniquement avec des papiers abrasifs du grade 500 au grade 2400, puis polis « miroirs » à l’aide de pâte diamantée 6 µm et 3 µm pour ensuite être nettoyés à l’eau.

Les échantillons issus des coulées modèles sont des pastilles de diamètre 12,5 mm pour NiCrMoC et de 15 mm pour les autres alliages modèles. Un trou de diamètre 1,5 mm est également présent sur tous les alliages. L’épaisseur des pastilles est de 1,5 mm.

Le tableau 7 résume les dimensions des différents alliages à étudier.

Alliages Forme de l’éprouvette Dimension (mm)

NiCrMo Ø 15 / e = 1,5 NiCrMoC Ø 12.5 / e = 1,5 NiCrMoC-1Al Ø 15 / e = 1,5 NiCrMoC-2Al Ø 15 / e = 1,5 NiCrMoC-2Al-0,4Ti (trou de suspension : Ø 1,5 mm) _{Ø 15 / e = 1,5} Inconel 617 15 x 15 / e = 1,5

Tableau 7 : Dimensions des éprouvettes usinées dans les alliages modèles et l’Inconel 617.