CHAPITRE III : Etude de la croissance de la couche d’oxyde de l’Inconel 617 à 850°C
III.2.3 Résultat sur l’oxydation de l’alliage NiCrMoC-2Al-0,4Ti
III.2.3.1 Analyses par thermogravimétrie et par CPG
La figure 53 présente les résultats expérimentaux de la prise de masse et des analyses de gaz obtenus lors d’un essai réalisé à partir de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti testé sous 6 µbar de vapeur d’eau. La présence de titane dans l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti diminue légèrement le gain de masse final puisque nous passons de 0,23 mg.cm-2 à 0,19 mg.cm-2. Il faut remarquer aussi que la présence de titane modifie la variation de la consommation du monoxyde de carbone puisqu’elle est identique à celle enregistrée avec l’Inconel 617 c’est-à-dire juste une consommation transitoire avec un maximum observé en début d’isotherme à 850°C (au point B). L’absence de consommation du monoxyde de carbone tout au long du palier à 850°C devrait conduire in fine à une conclusion sur l’effet bénéfique du titane.
Figure 53 : Variations des impuretés gazeuses H2 et CO et de la prise de masse au cours d’un essai à 850°C (20 h) avec l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti sous l’atmosphère d’hélium impur composée de 6 µbar de H2O, 130 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
Résumé :
L’ajout de titane à la hauteur de 0,4 % en masse dans l’alliage modèle NiCrMoC-2Al permet de diminuer légèrement le gain de masse final et d’obtenir une variation de consommation de monoxyde de carbone transitoire (analogue à celle de l’Inconel 617) par rapport à l’alliage modèle NiCrMoC-2Al.
Chapitre III : Etude de la croissance de la couche d’oxyde sous hélium impur à 850°C
III.2.3.2 Bilan massique
La comparaison entre les alliages modèles NiCrMoC-2Al et NiCrMoC-2Al-0,4Ti permet de mettre en évidence l’effet du titane qui se résume par une diminution de la consommation du monoxyde de carbone : la masse de carbone est diminuée d’un facteur 6 (tableau 19). Il est intéressant de souligner que la masse de carbone apportée est identique à celle de l’Inconel 617 testé sous une moyenne teneur en vapeur d’eau. Par contre, ce qui différencie l’alliage modèle à l’alliage 617, c’est la prise de masse qui est environ trois fois plus importante avec l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti.
m(C)CO m(O)CO m(O)H2
masse expérimentale
masse calculée
m(CO)CO + m(O)H2 (Eq. 9)
mg.cm-2 18,65.10-2 18,63.10-2 0,23.10-2 3.10-2 18,10.10-2
% - 100 1,2 1,6 97,1
Tableau 19 : Comparaison entre le signal thermogravimétrique et la masse calculée, décomposée en une masse liée à la consommation du monoxyde de carbone (m(CO)CO) et en une masse liée à la production
d’hydrogène (respectivement à la consommation de la vapeur d’eau) (m(O)H2), au cours d’un essai à 850°C
(20 h) avec l’alliage modèleNiCrMoC-2Al-0,4Ti sous l’atmosphère d’hélium impur composée de 6 µbar de H2O, 134 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
III.2.3.3 Observations de surface
L’observation de la surface oxydée de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti (figure 54) apparaît légèrement ondulée (Zone A) et présentant toujours une oxydation privilégiée à l’aplomb des joints de grains (Zone C). La morphologie de l’oxyde est de type « mousse ».
Figure 54 : Vues de surface de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti après un essai à 850°C (20 h) sous l’atmosphère d’hélium impur composée de 6 µbar de H2O, 130 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
100 µm Vue générale Zone A A 100 nm 2 µm Zone C
Oxyde à l’aplomb des joints de
Zone C
C
grains
Vue inclnée
Oxyde à l’aplomb des joints de grains
Chapitre III : Etude de la croissance de la couche d’oxyde sous hélium impur à 850°C
Les pointés EDS (tableau 20) effectués dans les Zones A et C montrent une couche formée de chrome avec la présence de titane (∼ 4 %). Nous retrouvons comme pour l’Inconel 617 un fort enrichissement de titane au niveau de l’oxyde à l’aplomb des joints de grains (∼ 7 %).
Tableau 20 : Résultats en pourcentage massique des pointés EDS réalisés avec une tension de 20 kV et de 5 kV dans la Zone A (oxyde à l’aplomb des grains) et la Zone C (oxyde à l’aplomb des joints de grains) dans la couche de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti après un essai à 850°C (20 h) sous l’atmosphère d’hélium composé de 6 µbar de H2O, 130 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
Résumé :
La couche d’oxyde de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti est à base de chrome avec des zones plus ou moins enrichies en titane : nous relevons une teneur en titane de 4 % environ dans l’oxyde à l’aplomb des grains et de 7 % environ dans l’oxyde à l’aplomb des joints de grains. Enfin, la morphologie de la couche est relativement homogène et de type « mousse ».
III.2.3.4 Analyses en profondeur
L’analyse de la coupe transverse de l’alliage NiCrMoC-2Al-0,4Ti (figure 55) révèle une couche d’oxyde d’épaisseur moyenne de 0,6 µm à l’aplomb des grains et de 0,8 µm à l’aplomb des joints de grains. L’ajout de titane se traduit par une légère diminution de l’épaisseur de la couche d’oxyde par rapport à l’alliage modèle NiCrMoC-2Al. D’autres effets peuvent être mentionnés comme par exemple, la présence de protrusions métalliques à l’interface métal/oxyde et la mise en évidence d’un film d’oxyde discontinu à l’interface métal/oxyde. Le cliché MEB en électrons rétrodiffusés (mode composition) indique un contraste similaire entre le film d’oxyde discontinu et l’oxyde interne d’aluminium ce qui conduit à penser que le film d’oxyde discontinu est de l’alumine. C’est le seul alliage modèle où nous discernons clairement un film discontinu d’alumine à l’interface métal/oxyde. Bien que ce film d’alumine ne soit pas continu comme dans le cas de l’alliage modèle Fe-21Cr-32Ni-2Al-0,4Ti (voir paragraphe I.3), l’addition de 0,4 % de titane dans l’alliage modèle contenant 2 % d’aluminium favorise la formation d’alumine à l’interface métal/oxyde. En sous-couche nous observons une profondeur de pénétration de l’oxydation interne (∼ 1µ m) diminuée par un facteur de 2 voire 3 par rapport à l’alliage modèle à NiCrMoC-2Al. Enfin, l’analyse EDS (tableau 21) confirme la présence de titane dans la couche d’oxyde. Zone Tension (kV) Ni Cr O Mo C Al Ti 20 16,86 53,76 20,90 1,94 1,73 0,70 4,11 A 5 2,25 58,68 33,21 0,75 0,39 0,86 3,86 20 4,75 50,96 31,98 0,26 1,65 0,1 10,3 C 5 1,12 59,68 30,27 0,12 0,64 0,28 7,89
Chapitre III : Etude de la croissance de la couche d’oxyde sous hélium impur à 850°C
Figure 55 : Vues en coupe de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti après un essai de 850°C (20 h) sous l’atmosphère d’hélium impur composée de 6 µbar de H2O, 130 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
Tableau 21 : Résultats en pourcentage massique des pointés EDS réalisés avec une tension de 5 kV dans la Zone A (oxyde à l’aplomb des grains) et la Zone C (oxyde à l’aplomb des joints de grains) de la couche de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti après un essai à 850°C (20 h) sous l’atmosphère d’hélium impur composée de 6 µbar de H2O, 130 µbar de H2 et 14 µbar de CO.
Résumé :
L’analyse de la coupe transverse de l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti a permis de noter un effet bénéfique du titane puisqu’il diminue l’épaisseur de la couche d’oxyde ainsi que la profondeur affectée par l’oxyde interne et favorise un film quasi continu d’alumine à l’interface métal/oxyde.
III.2.4 Synthèse des résultats expérimentaux.
Ce second volet expérimental avait pour but de mettre en évidence l’influence de l’aluminium et du titane en étudiant les alliages modèles suivants NiCrMoC, NiCrMoC-1Al, NiCrMoC-2Al et NiCrMoC-2Al-0,4Ti. Ces alliages modèles ont été testé sous une atmosphère d’hélium impur composée d’une moyenne teneur en vapeur d’eau, de 130 µbar d’hydrogène et de 15 µbar de monoxyde de carbone durant 20 heures à 850°C.
Zone Tension (kV) Ni Cr O Mo C Al Ti A 5 5,66 60,74 26,89 0,78 1,45 0,30 4,18 C 5 1,89 55,89 32,57 0,23 1,1 0,16 8,16 200 nm Electrons rétrodiffusés en mode composition Film Al2O3 à l’interface métal/oxyde Oxydation interne Al2O3 1 µm C Z o n e A Protrusions métalliques A 200 nm
Chapitre III : Etude de la croissance de la couche d’oxyde sous hélium impur à 850°C
► L’augmentation de la teneur d’aluminium dans l’alliage modèle NiCrMoC de 0 % à 2 % a
permis de noter les évolutions suivantes :
- la quantité de monoxyde de carbone consommée augmente. Il faut noter ici, que la consommation du monoxyde de carbone a lieu jusqu’à la fin du palier de température à 850°C mais reste un processus minoritaire face à l’oxydation ;
- la masse de l’oxyde d’aluminium augmente ; - l’épaisseur de la couche d’oxyde diminue ;
- les protrusions métalliques observées à l’interface métal/oxyde sont dues à la présence d’aluminium.
► L’ajout de titane dans l’alliage modèle NiCrMoC-2Al a permis de modifier la variation de la
consommation du monoxyde de carbone. En effet, nous observons une consommation transitoire sur le palier thermique de 20 heures à 850°C avec une consommation maximale correspondant au début du palier thermique (similaire à l’Inconel 617). Nous pouvons rajouter que l’épaisseur de la couche d’oxyde et la profondeur affectée par l’oxydation interne diminuent.
► L’analyse de la couche d’oxyde montre un oxyde de chrome qui est enrichi en titane (∼ 5 %)
quand celui est ajouté dans la composition de l’alliage. Excepté avec l’alliage modèle NiCrMoC, des particules d’alumines sont présentes à l’interface métal/oxyde (clairement observée avec l’alliage modèle NiCrMoC-2Al-0,4Ti). A l’instar de l’Inconel 617, nous pouvons conclure que la croissance des couches d’oxyde est externe.