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Chapitre  2   :  Oxydation  de  l’acier  à  haute  température

2.1.   Principes  de  base  de  l’oxydation  à  haute  température

2.1.1. Approche  Cinétique  

L’approche  cinétique  est  complémentaire  de  l’approche  thermodynamique  (présentée  dans   le  Chapitre  3),  elle  renseigne  sur  la  vitesse  d’oxydation.  Celle-­‐ci  est  associée  à  la  vitesse  de  la   croissance   de   la   ou   des   couches   d’oxyde.   Généralement,   celle-­‐ci   est   quantifiée   par   l’épaisseur  de  la  couche  d’oxyde  (exprimée  en  cm)  ou  par  la  variation  de  masse  par  unité  de   surface  (exprimée  en  g.cm-­‐2).  La  Figure  2-­‐1  représente  les  différentes  cinétiques  observées   lors  de  l’oxydation  à  haute  température  selon  la  nature  de  la  couche  d’oxyde  formée.  

La  formation  d’une  couche  non  protectrice  est  associée  à  une  cinétique  linéaire,  et  donc  à   une  oxydation  importante  du  métal.  Ce  régime  est  contrôlé  par  une  ou  plusieurs  réactions   chimiques   à   l’interface   oxyde-­‐métal   et/ou   oxyde-­‐gaz.   Une   cinétique   linéaire   est   observée   dans  le  cas  où  l’oxyde  formé  ne  protège  pas  le  métal  du  gaz  oxydant.    

     

                     

Cela   est   possible   si   l’oxyde   formé   est   volatil,   liquide   ou   poreux   avec   la   présence   de   nombreuses  fissures.  La  vitesse  d’oxydation,  V,  ne  ralentit  pas  et  s’écrit  :  

V = Δm S = klt  

avec  Δm  est  le  gain  de  masse  en  mg,  S  la  surface  oxydée  en  cm-­‐2  ,  kl  la  constante  de  vitesse   linéaire,  exprimée  en  mg.cm-­‐2  s-­‐1  et  t  le  temps  en  s.  

La  formation  d’une  couche  protectrice  est  associée  à  une  cinétique  parabolique  et  donc  à   une  oxydation  qui  ralentit  avec  le  temps.  Ce  ralentissement  est  dû  à  l’épaisseur  de  la  couche   d’oxyde  qui  augmente  avec  le  temps,  augmentant  ainsi  la  distance  de  diffusion  des  espèces   dans   la   couche   d’oxyde.   L’ordre   de   grandeur   de   l’épaisseur   minimum   pour   observer   un   ralentissement  de  l’oxydation  est  de  0,5  µm  (Landolt,  2003).  Ce  régime  est  donc  limité  par  la   diffusion  des  espèces  dans  la  couche  d’oxyde.  Dans  ce  cas  la  vitesse  d’oxydation  parabolique   s’écrit  :   € V = Δm S ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 2 = kpt  

avec  kp  est  la  constante  de  vitesse  parabolique,  exprimée  en  g2.cm-­‐4.s-­‐1.  

Figure  2-­‐1:  Représentation  schématique  des  différentes  cinétiques   observées  lors  de  l'oxydation  à  haute  température  (Inspiré  de  Antoni,   Corrosion  sèche  des  métaux,  Techniques  de  l’ingénieur,  MA  228,  p9).  

Les  lois  d’oxydation  linéaire  et  parabolique  sont  les  plus  répandues,  cependant  d’autres  lois   sont  possibles  comme  la  loi  cubique,  la  loi  de  puissance,  et  d’autres  mais  ces  différentes  lois   cinétiques  ne  seront  pas  détaillées  dans  ce  mémoire.  

Un   autre   cas   répandu   est   la   formation   d’une   couche   protectrice   temporaire.   Comme   le   montre   la   Figure   2-­‐1,   dans   un   premier   temps   la   cinétique   d’oxydation   suit   une   loi   parabolique,   puis   à   partir   d’un   certain   temps,   l’oxydation   subit   une   accélération   de   sa   cinétique  suivant  une  loi  qui  peut  être  soit  parabolique  soit  linéaire.  Ce  phénomène  traduit   un   changement   important   dans   la   couche   d’oxyde,   et   le   passage   d’un   comportement   protecteur   à   un   comportement   non   protecteur   vis-­‐à-­‐vis   de   l’oxydation.   En   anglais   ce   phénomène  est  appelé  «  breakaway  »  de  la  couche  d’oxyde  (Evans,  199).  

2.1.2. Mécanismes  d’oxydation  

Lors  de  l’oxydation  des  alliages,  si  les  constituants  ont  des  affinités  différentes  vis-­‐à-­‐vis  de   l’oxygène   alors   l’oxydation   est   dite   sélective.   Par   exemple,   dans   un   alliage   fer-­‐chrome,   le   chrome   a   une   affinité   plus   grande   que   le   fer   avec   l’oxygène   d’où   son   oxydation   préférentielle.   Au   contraire   en   cas   d’affinité   proche   avec   l’oxygène,   l’oxydation   est   dite   simultanée  (Landolt,  2003).  

De   ces   deux   comportements   il   résulte   cinq   mécanismes   d’oxydation   possibles   (Whittle,   1983)  :   deux   mécanismes   d’oxydation   sélective,   interne   et   externe,   trois   mécanismes   d’oxydation   simultanée,   qui   diffèrent   selon   la   solubilité   des   oxydes   entre   eux.   Ceux-­‐ci   peuvent   être   peu   solubles,   solubles   ou   conduire   à   la   formation   d’oxydes   mixtes.   Ces   différents  mécanismes  pour  un  alliage  A-­‐B  sont  schématisés  Figure  2-­‐2.  

                 

Lorsque  l’oxydation  est  simultanée,  si  les  oxydes  formés  ne  sont  pas  ou  peu  solubles  entre   eux,   une   couche   d’oxyde   constituée   des   deux   oxydes   se   forme.   Des   couches   stratifiées   peuvent  aussi  se  former  (Mathieu,  1986  ;  Kofstad  1988).  Si  les  oxydes  sont  miscibles,  il  se   forme   une   seule   couche   d’oxyde   contenant   une   proportion   variable   des   cations   A   et   B   formant  l’oxyde  (A,B)zOt.  Par  exemple,  l’alumine,  Al2O3,  et  l’oxyde  de  chrome,  Cr2O3,  forment   une  solution  solide  (Cr,Al)2O3  dans  laquelle  les  cations  Cr  et  Al  sont  interchangeables.  Selon   la  mobilité  des  cations  dans  la  couche  d’oxyde  mais  aussi  selon  leurs  teneurs  dans  l’alliage,  la   stœchiométrie   de   l’oxyde   varie   dans   la   couche   d’oxyde   selon   l’épaisseur   et   sa   localisation   dans   la   couche   d’oxyde.   L’oxydation   simultanée   peut   également   conduire   à   la   formation   d’oxydes  mixtes  ABxOy  tel  que  le  spinelle  AB2O4.  L’oxyde  mixte  le  plus  répandu  à  cause  de  sa   stabilité  est  l’oxyde  Fe1+xCr2-­‐xO4  dont  la  composition  peut  changer  sans  que  sa  structure  ne   soit  modifiée.  

Lorsque   l’oxydation   est   sélective,   elle   peut-­‐être   interne   ou   externe.   La   théorie   de   Wagner   établit  que  deux  critères  doivent  être  respectés  pour  que  la  croissance  externe  d’une  couche   d’oxyde  soit  possible  (Wagner,  1952).  Le  premier  critère  à  remplir  concerne  la  concentration   en   élément   le   plus   oxydable.   Celle-­‐ci   doit   être   supérieure   à   une   valeur   critique   afin   d’empêcher  l’oxydation  interne  de  l’alliage  et  permettre  la  formation  d’une  couche  externe.   Ce  critère  est  un  critère  de  transition  entre  les  deux  types  d’oxydation  sélective.  En  dessous   de  cette  concentration  seuil,  l’oxydation  est  interne  avec  diffusion  d’oxygène  dans  le  métal,   au  dessus  de  cette  concentration,  l’oxydation  est  externe.  

Pour   l’oxydation   de   l’élément   B   dans   l’alliage   A-­‐B   par   l’oxygène,  et   formant   l’oxyde   BOx,   l’équation  s’écrit  :   € NB* o ≥ f* Vm Vox ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ πNO S DO 2xDB ⎡ ⎣ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ 1 2   avec     € NB*

o   la   fraction   molaire   critique   de   l’élément   B   dans   l’alliage   pour   permettre   la   formation  d’une  couche  externe  d’oxyde  BO.  

Vm  le  volume  molaire  de  l’alliage,  

Vox  le  volume   molaire  de  l’oxyde,  

NOS  la  solubilité  de  l’oxygène  dans  l’alliage,  

DO  le  coefficient  de  diffusion   de  l’oxygène  dans  l’alliage  et  

DB  le  coefficient  de  diffusion  de  B  dans  l’alliage.  

f*  est  une   valeur  empirique  qui  dépend  du  système  étudié,  souvent  égale  à  0,3  (Essuman,  2008).   Le  second  critère  à  remplir  concerne  la  diffusion  de  cet  élément,  du  métal  vers  l’interface   métal-­‐oxyde,   qui   doit   être   suffisamment   rapide   pour   alimenter   la   couche   d’oxyde.   La  

diffusion   doit   être   au   moins   aussi   rapide   que   la   vitesse   à   laquelle   il   est   consommé   par   la   couche  d’oxyde  (Wagner,  1959).  L’équation  s’écrit  :  

NB min o > Vm νMO πkp 2DB ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 1