Transformation de phases et comportement à l'oxydation d'alliages Fe-Al

Phase transformations and oxidation bahavior of Fe-Al alloys

• Auteur / Autrice : Mayerling Martinez Celis
• Direction : Bernard Viguier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages fer-aluminium

Résumé

Les alliages basés sur les composés intermétalliques de type Fe-Al possèdent encore aujourd'hui une forte attractivité pour des applications industrielles, du fait de nombreuses propriétés intéressantes : tenue mécanique à relativement haute température, résistance à l'oxydation, faible coût d'élaboration. Cette thèse porte sur deux caractéristiques de ces familles d'alliages: i) les défauts microstructuraux, en particulier ceux liés aux phénomènes de mise en ordre et ii) l'oxydation à haute température. Nous avons travaillé sur quatre alliages différents : un alliage binaire Fe-40Al, deux alliages contenant des éléments d'addition (Fe-40Al-0,01B et Fe-40Al-2,7Ni-0,02B) et un alliage semi industriel (grade 3 contenant plusieurs éléments d'addition – Ni, Mn, Cr, Mo, B - et des particules de Y2O3). De plus, des couples de diffusion ont été réalisés entre chacun de ces alliages et du fer. Ces couples nous ont permis d'étudier les phénomènes de diffusion et de disposer d'échantillons avec une teneur variable en aluminium. Au cours de la caractérisation microstructurale des alliages nous avons analysé les défauts plans complexes liés à la présence de bore. L'étude des couples de diffusion a été réalisée par analyse chimique (EDS) et par l'observation en microscopie électronique en transmission des différents domaines créés par la mise en ordre au cours des traitements thermiques (domaines d'antiphase APD). Ces résultats permettent de révéler l'influence de la composition des alliages sur la diffusion et les températures de transformation. Nous montrons en particulier que l'addition de nickel ralentit la diffusion et semble étendre le domaine d'existence de la phase B2. L'étude de la cinétique d'oxydation a été menée par analyse thermogravimétrique à 800 et 1000°C sur les différents alliages fer-aluminium ainsi que sur des sections des couples de diffusion. Les résultats des prises de masse complétées par l'analyse en diffraction de rayons X et par des observations en MEB permettent de préciser la nature des oxydes formés en fonction de la composition des alliages. Nous avons pu ainsi préciser la teneur minimale d'aluminium nécessaire pour bloquer l'oxydation du fer (19 %at. ) et le rôle du nickel sur la cinétique d'oxydation

The numerous good properties of alloys based on Fe-Al compounds still make them good candidates for industrial applications (good strength, good oxidation resistance, low production cost). This thesis word focuses on two characteristics of such alloys: i) microstructural defects, with emphasis on defects linked to ordering and ii) high temperature oxidation. We have studied four different alloys : a binary Fe-40Al, two alloys with additional elements (Fe-40Al- 0. 01B and Fe-40Al-2. 7Ni-0. 02B) and a semi-industrial alloy (grade 3 including alloying elements – Ni, Mn, Cr, Mo, B – and Y2O3 particles). Diffusion couples were also elaborated between these alloys and iron, which allowed to study diffusion and produce specimens with a varying aluminium content. The microstructural characterisation helped us to determine the precise nature of the complex planar faults observed in boron containing alloys. The study of diffusion couples was performed by chemical analysis and by characterising by transmission electron microscopy the antiphase domains due to the ordering that occurred during thermal treatments. These results reveal the incidence of alloy composition on diffusion and transformation temperatures. We showed that nickel addition slows down diffusion kinetics and seems to expand the stability domain of B2 phase. Oxidation kinetics study has been achieved by thermo gravimetric analysis performed at 800 and 1000°C on the different Fe- l alloys and on specimens extracted from the diffusion couples. Mass gain results complemented by X ray diffraction and SEM observations allow determine the oxides formed depending on the specimen composition. We could show thus determine the minimum aluminium content needed to impede iron oxidation (19 at. %) and we highlighted the effect of nickel on oxidation kinetics