Rôle des différents éléments chimiques

De nombreuses études, portant sur l’influence des différents éléments chimiques intervenant dans la composition des aciers ferritiques/martensitiques ODS, ont été menées afin d’optimiser leur microstructure ainsi que leurs propriétés mécaniques [97].

1.1.1. Le chrome

Le chrome est l’un des éléments de base utilisé dans les aciers inoxydables. Il permet d’augmenter la résistance à la corrosion et à l’oxydation à chaud ainsi que la résistance mécanique avec un durcissement par solution solide. Comme l’illustre la Figure 4, une faible teneur en chrome (inférieure à 12% de Cr), permet d’avoir un contrôle sur la structure de grains via la transformation de phase [98]. Cependant, en aval du cycle, les aciers à bas chrome sont plus difficiles à retraiter que les aciers à haut pourcentage de chrome [99]. En parallèle, plus la teneur en chrome est élevée, plus l’acier est fragilisé par la présence de précipités riches en chrome, issus du phénomène de démixtion . D’autres phases intermétalliques riches en chrome, telles que les phases , , ainsi que des carbures de type M23C6 sont aussi susceptibles de se former lors du

vieillissement thermique [100].

1.1.2. Le tungstène et le molybdène

En 1977, Matsuo et al. a étudié l’effet d’éléments chimiques en solution solide, dont le tungstène et le molybdène, sur les propriétés mécaniques à haute température d’un acier austénitique 17Cr- 14Ni [101]. Cette étude a mis en évidence une augmentation de la contrainte à rupture en fluage et une diminution de la vitesse de fluage secondaire lorsque la teneur en tungstène et/ou en molybdène augmente.

D’autres études, traitant de l’effet du tungstène dans un acier martensitique, confirment que lorsque le taux de tungstène augmente, les propriétés mécaniques en fluage deviennent meilleures (temps à rupture plus élevé et vitesse secondaire plus faible) [102, 103, 104].

Récemment, Narita et ses collaborateurs se sont intéressés à l’apport du tungstène sur les propriétés mécaniques en traction. Ils montrent une augmentation de la limite d’élasticité à 700°C avec la concentration en tungstène (Figure 26). Ce gain est en partie lié au durcissement du tungstène [105] présent en solution solide [106].

Cependant, Abe et ses collaborateurs observent également une variation de la température de transition ductile-fragile (TTDF) avec la teneur en tungstène [103]. Comme l’illustre la Figure 27, la TTDF passe par un minimum avant de remonter pour des teneurs de tungstène élevées. L’augmentation de la TTDF est liée à la formation de phases de Laves Fe2W qui fragiliseraient le

matériau [107].

Il apparait donc qu’une teneur en tungstène comprise entre 1% et 2% massique représente le meilleur compromis au regard de ces propriétés mécaniques.

Figure 26 : Evolution de la résistance à la traction et de la limite d'élasticité à 700°C selon le pourcentage massique de tungstène [105].

Figure 27 : Température de transition ductile-fragile (TTDF) en fonction de la concentration massique de tungstène d'un acier 9% de Cr [103].

1.1.3. L’yttrium

En 1992, Benjamin mène une étude sur les différents oxydes incorporés dans les matériaux ODS. Il confirme que l’utilisation d’oxyde de thorium – déjà utilisé par Coolidge pour renforcer le filament de tungstène d’une lampe à incandescence [108] – confère de bonnes propriétés mécaniques à haute température. En outre, il montre que l’oxyde d’yttrium possède des propriétés similaires à celles obtenues avec l’oxyde de thorium [109]. L’yttrium est donc privilégié puisqu’il permet d’éviter tous les problèmes liés à la radioactivité du thorium [110].

Dans une présentation, Inoue illustre l’apport de nanoprécipités d’oxydes d’yttrium insérés dans une matrice ferritique/martensitique (Figure 28) [111].

Les études menées par Ukai montrent également une amélioration des propriétés mécaniques, que ce soit en traction ou en fluage, lorsque le taux de renforts augmente [33].

Figure 28 : Apport de la précipitation incorporée dans un acier ferritique/martensitique [111]. 1.1.4. Le titane

Lors de la mécanosynthèse, le titane et l’oxyde d’yttrium ajoutés pour produire les nanorenforts se dissolvent sous l’effet des chocs mécaniques [11, 112]. Selon les mesures de diffusion des neutrons aux petits angles réalisées par Couvrat, une précipitation mixte de type Y-Ti-O se forme ensuite à partir de 400°C, soit durant l’étape de dégazage [113].

Contrairement à l’hypothèse faite par Dou, qui dit que le titane couplé avec du tungstène permet d’affiner la taille des nanoparticules [42], Okuda montre que le titane est l’élément responsable de cet affinement [31]. Les études de Kim, Ratti et Alinger confirment cet effet du titane sur la précipitation [106, 114, 115]. On observe également la présence de précipités grossiers riches en titane présents sous forme de carbures, de nitrure et/ou d’oxydes [11]. Selon Inoue, la teneur massique optimale en titane serait de 0,3% avec 0,25% d’Y2O3 [111]. Elle permettrait de contrôler la

recristallisation tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques (que ce soit en traction ou en fluage). Cependant, elle n’est valable que pour des aciers à base Fe-12%Cr. La teneur optimale en titane d’un acier ODS Fe-14Cr n’est que très peu discutée dans la littérature.

En 1993, Ukai et ses collaborateurs publient un article expliquant que le titane améliore la résistance mécanique en fluage des aciers ODS. En effet, lorsque la teneur en titane augmente, la contrainte à rupture en fluage augmente [32]. Il est en de même pour les propriétés en traction [28]. Cette amélioration des propriétés mécaniques des matériaux ODS est associée à la diminution de la taille des nano-particules [28].

1.1.5. L’oxygène

L’oxygène, présent en excès, est un élément nécessaire pour la formation des nanoparticules d’oxydes complexes [116]. En outre, il permet de contrôler la microstructure d’aciers ODS martensitiques déformés par laminage à froid. En effet, lorsque le pourcentage massique de l’oxygène en excès dépasse les 0,13%, des aciers tels que MA957 ne recristallisent plus [116]. Ohtsuka et ses collaborateurs ont également étudié la stœchiométrie optimale des précipités grossiers de Ti-O permettant d’avoir la meilleure distribution de nano-oxydes au sein des grains. Ils préconisent des précipités de type TiOx avec x autour de 1 [117].

Lorsque la teneur massique de l’oxygène en excès est trop élevée, les propriétés mécaniques diminuent [46, 118, 119]. Ohtsuka a étudié les propriétés en traction et en fluage d’aciers ODS 9%Cr

pour lesquels le taux d’oxygène en excès était contrôlé. Il montre que pour un pourcentage massique d’oxygène en excès égal à 0,08%, les propriétés mécaniques sont optimales (Figure 29) [120].

Figure 29 : Fluage uni axial et propriétés de traction d'aciers 9Cr ODS contenant différentes concentrations d'oxygène ;.(a) contrainte à rupture pour 1000 h de fluage, (b) limite d’élasticité et contrainte maximale en traction [120].

1.1.6. L’aluminium

Utilisé dans les premières nuances, notamment dans le MA956 et le PM2000 avec un pourcentage massique compris entre 4 et 6%, l’aluminium permet d’améliorer la résistance à la corrosion grâce à la formation d’une couche passive d’alumine [121]. Cependant Furukawa a montré que la résistance mécanique en traction d’une nuance Fe-16Cr-0,1Ti-0,35Y2O3, obtenue à

température ambiante, chute lorsque l’on augmente le taux d’aluminium [122]. Cette chute des propriétés mécaniques peut s’expliquer par la formation de précipités grossiers riches en aluminium et en yttrium [123]. Comme l’illustre la Figure 30, la résistance maximale ne diminue que légèrement à 700°C lorsque l’on augmente le taux d’aluminium [122]. L’effet néfaste de l’aluminium sur les propriétés mécaniques est plus prononcé à 450°C. Ohtsuka et ses collaborateurs ont confirmé cet effet néfaste de l’aluminium sur les propriétés mécaniques [124].

Figure 30 : Evolution de la résistance maximale en traction (Ultimate Tensile Strength) en fonction de la concentration massique d'aluminium [122].

Malgré cette chute des propriétés mécaniques, les nuances 14/16Cr–4/5Al restent parmi les matériaux les plus étudiés ces dernières années [125, 126, 127, 128, 129, 130, 131].

1.1.7. Autres éléments d’addition

Ukai et ses collaborateurs ont également étudié les effets microstructuraux liés à l’utilisation d’autres éléments d’addition. L’ajout de vanadium ou de niobium ne change rien à la microstructure. Ils confirment que le titane permet de réduire la taille des oxydes et montrent que cet affinement est reproductible en présence de zirconium [132]. Par la suite, Isselin et al. ont confirmé la diminution de la taille des précipités en présence de zirconium [133]. En outre, le zirconium permettrait d’améliorer la résistance à la corrosion des aciers ODS [121]. L’addition du silicium dans un acier Fe-12Cr-2,5W- 0,4Ti-0,3Y2O3 a récemment été étudiée. L’ajout de cet élément chimique améliore la résistance à

l’oxydation ainsi que les propriétés en traction [134]. Cependant, le silicium est en compétition avec le titane pour la formation d’oxydes nanométriques complexes [135].

1.2.

Microstructure d’aciers ODS élaborés par Compaction Isostatique à Chaud