2.5 Modèles d’appauvrissement du substrat
2.5.2 Modèle numérique d’appauvrissement du substrat
la solution analytique du modèle de Wagner [6]. Cette solution donne le profil de concentration de Ni dans le substrat en fonction du temps et du déplacement de l’interface.
Discussion
La solution analytique de Wagner permet de prévoir le profil de concentration de l’élément oxydable dans le substrat lors de l’oxydation sélective de l’alliage binaire Pt-Ni dans des conditions idéalisées, en émettant un certain nombre d’hypothèses fortes. Les alliages binaires composés d’un élément noble ne sont cependant pas les plus utilisés par l’industrie. Néanmoins, cette solution analytique est valide en première approximation pour l’oxydation de nombreux alliages ayant un seul élément qui s’oxyde sélectivement ; c’est notamment le cas des alliages Fe-Cr ou Ni-Cr aux pressions partielles en oxygène qui ne permettent de former qu’une monocouche de chromine Cr2O3 [27].
Les hypothèses d’un coefficient de diffusion constant et homogène dans l’alliage et de la croissance de l’oxyde purement parabolique conduisent à une concentration constante à l’interface alliage/oxyde lorsque l’épaisseur de l’alliage oxydé est suffi- samment grande pour que l’alliage soit considéré semi-infini [85]. Dans le modèle de Wagner, la concentration de l’élément oxydable est établie à l’interface dès les premiers instants. En toute rigueur, cela ne permet d’étudier que les temps d’oxy- dation relativement longs, une fois que le processus limitant est la diffusion et que la cinétique d’oxydation est parabolique. Les premiers instants d’oxydation, pour les- quels les mécanismes sont plus complexes, ne peuvent être étudiés grâce à ce modèle. Enfin, l’hypothèse d’un coefficient de diffusion constant et homogène dans l’alliage est forte, sachant que le coefficient de diffusion est normalement dépendant de la composition locale et également des défauts microstructuraux comme les joints de grains qui forment des courts-circuits de diffusion.
Par ailleurs, étant validée expérimentalement pour plusieurs alliages en se pla- çant dans les mêmes conditions idéalisées d’oxydation [85], la solution analytique de Wagner peut être utilisée pour valider les modèles numériques d’appauvrissement du substrat qui cherchent à lever les hypothèses restrictives citées ci-dessus.
2.5.2
Modèle numérique d’appauvrissement du substrat
L’objectif du modèle développé par Whittle et al. [86] est de lever l’hypothèse de concentration établie à l’interface alliage/oxyde postulée par Wagner [6] (mo- dèle détaillé dans la Partie2.5.1) pour décrire les instants précédant l’établissement d’une concentration constante à l’interface [85] lorsque la cinétique d’oxydation est parabolique. Pour cela, une approche numérique de la diffusion permet d’étudier les profils d’appauvrissement du substrat en élément oxydable en fonction du temps.
52 Mécanismes et modèles d’oxydation
Ensuite, le modèle développé permet de considérer différentes cinétiques d’oxydation de l’alliage.
Dans un premier temps, les hypothèses fortes formulées par Wagner [6] sont conservées, seule la forme de la loi de croissance parabolique et écrite de manière plus générale :
y2 = 2k0t+ k00 (2.56)
où y est le déplacement de l’interface alliage/oxyde, k0 est la constante parabolique, et k00 est une constante qui reconnaît l’existence de la germination et des proces- sus non diffusionnels qui conduisent à une cinétique non parabolique aux premiers instants, ce qui constitue une cinétique d’oxydation plus réaliste [27].
Le choix de cette cinétique (Équation (2.56)) induit une concentration à l’inter- face qui dépend du temps. En l’absence de concentration établie à l’interface allia- ge/oxyde, il n’est alors plus possible de définir une solution analytique comme l’a fait Wagner [6].
Bilan de matière à l’interface alliage/oxyde
Un bilan de matière à l’interface alliage/oxyde mobile permet d’exprimer la pos- sible variation au cours du temps de la concentration en élément oxydable à cette interface. La Figure 2.9 schématise l’oxydation d’un alliage AB où sont représen- tés le profil de concentration de l’élément oxydable B dans l’alliage — CB — et la concentration moyenne en élément B dans l’oxyde BO — CB,OX —, ainsi que le flux des éléments B dans l’alliage vers l’interface alliage/oxyde — JAB — et dans l’oxyde depuis l’interface — JOX
B — qui se déplace vers l’intérieur de l’alliage avec une vitesse v [27]. Le bilan de matière à l’interface mobile s’écrit alors :
JAB−JOXB = vCB,OX−CB,i (2.57)
Figure 2.9 – Transfert de matière au niveau de l’interface alliage/oxyde mobile vers
l’intérieur de l’alliage avec une vitesse v lors de l’oxydation sélective de l’alliage AB pour former l’oxyde BO, et représentation des profils de concentration en élément oxydable B dans l’alliage et dans l’oxyde ainsi que des flux en élément B dans l’alliage vers l’interface — JAB — et dans l’oxyde depuis l’interface — JOXB — [27].
2.5 Modèles d’appauvrissement du substrat 53
Whittle et al. [86] montrent que l’écriture du bilan de matière à l’interface allia- ge/oxyde (Équation (2.57)) conduit à l’égalité :
DAB ∂CB ∂x x=x c = dxc dt VBO VAB CB,OX−CB,i ! (2.58) où DAB est le coefficient d’interdiffusion dans l’alliage, xc est la position de l’inter-
face alliage/oxyde par rapport à la position initiale de l’interface alliage/gaz (ligne pointillée sur la Figure 2.9), et VBO et VAB correspondent aux volumes molaires de l’oxyde et de l’alliage. Le premier membre de l’Équation (2.58) correspond à la dif- fusion des éléments oxydables dans l’alliage, donnée par la 1re loi de Fick, au niveau de l’interface. Le second membre dépend quant à lui du rapport des volumes mo- laires dans l’oxyde et l’alliage et également de dxc
dt qui n’est autre que la vitesse v de l’interface alliage/oxyde vers l’intérieure de l’alliage.
Concentration non établie à l’interface alliage/oxyde
Figure 2.10 – Variation de la concentration en élément oxydable calculée à l’interface
alliage/oxyde au cours du temps d’oxydation suivant les cinétiques parabolique, cubique et logarithmiques définies par Whittle et al. [86].
Le bilan de matière à l’interface alliage/oxyde permet donc d’exprimer la concen- tration en élément oxydable à cette interface — CB,i — en fonction de la position de l’interface xc, également notée y par Whittle et al.. Ceci permet alors d’envisager
différentes cinétiques d’oxydation de l’alliage : parabolique, cubique ou logarith- mique. Une cinétique parabolique de la forme de celle donnée par Whittle et al. (Équation (2.56)) conduit à une concentration en élément oxydable à l’interface qui décroit fortement aux premiers instants, lorsque le flux en élément oxydable à travers l’interface est maximum, puis remonte pour se stabiliser. L’évolution de la concentration à l’interface alliage/oxyde, exprimée θ∗ = NB,i/N
B,bulkde manière adi- mensionnelle, est représenté sur la Figure 2.10 pour les trois cinétiques d’oxydation citées précédemment [86].
54 Mécanismes et modèles d’oxydation
Dans le cas d’une cinétique parabolique, la concentration constante à l’interface alliage/oxyde est atteinte rapidement lorsque le régime d’oxydation parabolique est établi. Ceci prouve la validité de la solution analytique de Wagner [6] pour les temps d’oxydation relativement longs, mais montre ses limites dans l’étude des premiers instants d’oxydation pour lesquels la cinétique n’est jamais purement parabolique.
Discussion
Le modèle de Whittle et al. [86] est une des premières études à avoir utiliser la méthode des différences finies [87] pour simuler le transport de l’élément oxydable dans les alliages binaires au cours de l’oxydation. La prise en compte de l’oxyde est alors nécessaire pour calculer la condition à l’interface (Équation (2.58)), mais la concentration dans l’oxyde est fixée constante et homogène. Cette approche numé- rique du problème de Wagner [6] permet donc d’étudier des alliages ayant différentes cinétiques d’oxydation, et de prendre en compte les états "transitoires" des premiers instants d’oxydation.
Par ailleurs, Wulf et al. [88] ont utilisé le modèle numérique de Whittle et al. pour considérer un coefficient de diffusion dépendant de la composition de l’alliage lors de l’oxydation de l’alliage Fe-Cr avec une cinétique parabolique. Cependant, ils ont montré que ceci n’a que peu d’effet sur la concentration à la surface de l’alliage qui reste constante au cours du temps.