Mouillage des métaux de transition par le sodium liquide

Les métaux de transition représentent les principaux éléments d'alliage des aciers inoxydables austénitiques tels que la nuance 304L. Il s'agit donc, dans cette partie, d'identifier

I.3.3.1. Observations générales

Les conclusions générales d'Addison [Add84] sur l'influence des conditions et paramètres expérimentaux vis-à-vis du mouillage des métaux de transition par le sodium liquide sont les suivantes :

− Les changements observés de l'angle de contact apparent mesuré θ_{* avec le temps et la}

température sont des conséquences directes de la vitesse et de la nature des réactions chimiques s'effectuant entre le sodium et le film d'oxydes sur la surface métallique.

Vuillerme [Vui76] en déduit donc que le suivi des variations de l'angle de contact θ_*

permet de connaître l’avancement de la réduction des oxydes de la surface métallique.

− En l'absence de tout film, le sodium pur s'étalera toujours pour donner θ_{* = 0 sur}

n'importe quel métal pur solide. Et inversement, la première constatation que fait Vuillerme [Vui76] est que la présence d’un film d’oxydes sur le métal empêche le mouillage immédiat par le sodium liquide. Cela est certainement dû selon lui à la différence des énergies surfaciques des deux phases. Comme l'ont suggéré Livey et Murray [Liv55], une des raisons expliquant la non-mouillabilité des oxydes par le sodium liquide peut être la répulsion mutuelle entre les anions d'oxygène sur la surface d'oxydes et le nuage d'électrons du sodium liquide. Ceux-ci ajoutent que θ_{* = 0 ne}

peut pas être atteint entre le film d'oxydes et le sodium liquide si ce dernier est incapable de réduire l'oxyde.

− Le comportement de mouillage peut être considérablement influencé par la

concentration en oxygène dans le sodium liquide. Ce point sera détaillé plus loin.

− Les métaux de transition, même lorsqu'ils ont été abrasés à l'air jusqu'à un état de surface poli miroir, sont encore recouverts d'un film surfacique d'oxydes invisible. Ce film résulte de l’oxydation à l’air humide à température ambiante. Seules quelques méthodes utilisées comme traitement final sont efficaces pour enlever ce film d'oxydes. Barlow et Planting [Bar69] ont par exemple démontré que le nettoyage par bombardement ionique sous atmosphère d'argon permet une amélioration qualitative du mouillage de certains métaux par le sodium, difficilement mouillables ou non- mouillables avec des préparations normales (traitements mécaniques ou électrochimiques) des échantillons.

Par ailleurs, Jourdan et Lane [Jou66, 67] constatent une caractéristique commune aux métaux qui sont bien mouillés par le sodium (zinc, argent, or, mercure, palladium et platine),

à savoir une solubilité marquée du métal solide dans le sodium. En groupant tous les systèmes étudiés par Jourdan et Lane du point de vue du degré de mouillabilité, une caractéristique commune ressort : la solubilité des métaux du groupe des métaux difficilement mouillés est très faible et bien plus faible que celle du groupe des métaux facilement mouillés. En effet, la solubilité du platine et du palladium dans le sodium est de plusieurs % en masse. Tandis que pour le système sodium-nickel, du groupe des métaux difficilement mouillés, la solubilité est

extrêmement faible et avoisine 10-7 % en masse. De plus, Weeks et Isaacs [Wee73] montrent

que les solubilités du fer, du chrome et du nickel sont très faibles, de l’ordre de quelques ppm, même à 800°C.

I.3.3.2. Classement des métaux de transition en trois groupes

Selon la stabilité des différents oxydes des métaux de transition, trois groupes de métaux peuvent être distingués.

Le premier rassemble les métaux nobles, tels que l'argent, l'or, le mercure, le palladium et le platine, dont les oxydes sont très facilement réduits par le sodium [Add84, Alc94]. Par conséquent, ils exhibent de très bons comportements de mouillage : mouillage complet (

θ

* = 0°) et rapide voire immédiat à de très basses températures du sodium, voisines du point de fusion [Jou65, 66, 67, Bar69]. Le fait que les oxydes des métaux nobles soient beaucoup

moins stables que Na2O sur toute la gamme de température peut expliquer le mouillage

complet. Le caractère immédiat du mouillage, quant à lui, pourrait avoir pour origine la rapidité de la cinétique de réduction de ces oxydes. Le comportement de mouillage de l'or explique ainsi l'efficacité du dépôt d'or sur le diaphragme des TUSHT qui permet d'obtenir un bon couplage acoustique dès l'immersion des capteurs dans du sodium à 105°C [Duc88]. Il pourrait être aussi intéressant d'examiner la possibilité de remplacer l'or par l'un de ces métaux nobles si le coût du traitement en était réduit.

Le second groupe rassemble les métaux tels que le fer, le nickel, le cobalt dont les oxydes sont assez facilement réduits par le sodium [Add84, Alc94]. Pour ce groupe, le

mouillage (

θ

< 90°) n'est jamais obtenu immédiatement. Le mouillage complet est obtenu en

quelques minutes à des températures supérieures à 200-250°C. Il est obtenu lentement, de quelques dizaines de minutes à quelques heures, pour des températures proches de leur "température de mouillage critique" (notion expliquée à l'annexe 2).

Le troisième groupe comprend le molybdène, le tungstène et le chrome. Ces métaux forment des oxydes ternaires qui peuvent être stables en sodium pour une certaine gamme de

températures et de concentrations en oxygène mais ont des caractéristiques de mouillage typiques des métaux du second groupe pour lesquels il existe une température de mouillage critique [Add84].

Il est important de signaler que le fer, le cobalt, le nickel et le chrome représentent les principaux constituants (voir tableau I.1) des aciers inoxydables austénitiques tels que les nuances 304L, 316L et M316. Le fer, le cobalt et le nickel font partie du second groupe et le chrome fait partie du troisième groupe. A l'annexe 2, une synthèse bibliographique sur le comportement de mouillage de ces métaux est reportée et des notions importantes, telles que la température de mouillage critique, sont introduites.

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Tableau I.1 : Composition des nuances d'aciers M316, 316L [Hod76] et 304L [Che99].

Dans le document CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA TRANSMISSION DES ULTRASONS A UNE INTERFACE SOLIDE - GAZ - LIQUIDE. Application au contrôle non destructif des réacteurs de quatrième génération refroidis par du sodium liquide (Page 46-49)