Synthèse, dégradation environnementale et réparabilité de revêtements de diffusion d’aluminium élaborés sur aciers utilisés dans les centrales de production d’énergie

Synthesis, environmental degradation and repairability of slurry aluminium coatings elaborated on steels employed in power plants

• Auteur / Autrice : Claire Boulesteix
• Direction : Fernando Pedraza Diaz, Vladislav Kolarik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 23/11/2017
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Pedraza Diaz, Vladislav Kolarik, Gilles Bonnet, Stéphane Mathieu, Xabier Montero, Laure Martinelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mathieu, Xabier Montero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Aluminiage

Métaux -- Revêtements protecteurs

Centrales thermiques -- Aspect environnemental

Mots clés libres

Revêtements de diffusion d’aluminium

Colmatage

Oxydation

Vapeur d’eau

Pression

Réparabilité

Aluminium diffusion coatings

Sealing

Oxidation

Steam

Pressure

Repairability

Résumé

L’augmentation des températures et des pressions de travail des centrales de production d’énergie représente un enjeu considérable en termes de réduction d’émission de polluants et d’augmentation d’efficacité énergétique. Pour cela, des matériaux plus performants par rapport à ceux employés actuellement doivent être utilisés afin de résister aux environnements sévères (hautes températures, 100% vapeur d’eau, pression…). Malgré les bonnes propriétés mécaniques de bon nombre d’aciers, l’application d’un revêtement protecteur capable de former une couche d’oxyde dense, protectrice et stable à haute température, est essentielle. Ainsi, dans le cadre du projet Européen FP-7 « POEMA », nous nous sommes intéressés aux mécanismes de formation de revêtements de diffusion d’aluminium sur des aciers ferrito-martensitiques et austénitiques fréquemment employés dans ce type de centrales. Des études sur la colmatation des fissures éventuellement parues durant l’aluminisation des aciers ont été également réalisées. Les mécanismes de dégradation des revêtements B2-(Fe (Ni))Al ont ensuite été étudiés sous 100% vapeur d’eau et sous air à 650 et 700°C jusqu’à 10000 heures et sous différentes pressions (1 et 300 bar). Nous avons démontré que la pré-oxydation induite lors de l’élaboration du revêtement permet de faire croître une fine couche protectrice de α-Al2O3 qui se développe au cours de l’oxydation. Cependant, les longues expositions sous fortes pressions de vapeur promeuvent la diffusion cationique de Fe, ceci donnant lieu à des petits nodules surfaciques d’oxyde. Enfin, les mécanismes de dissolution des revêtements avec un acide dilué ont été étudiés afin de montrer la possibilité de décaper puis de réaluminiser les matériaux initialement revêtus.

Higher energy efficiencies can be achieved by the increase of temperatures and pressures in power plant, thus allowing the reduction of the polluting emissions. Therefore, more efficient materials, compared to those currently employed, have to be used in order to resist to harsh environmental conditions (high temperatures, steam, pressure…). Despite of the good mechanical properties of many steels, the elaboration of a protective coating able to form a dense, protective and stable oxide layer at high temperature, is necessary. Thus, in the framework of the “POEMA” European project, the mechanisms of the formation of aluminium diffusion coatings were studied on ferritic-martensitic and austenitic stainless steels that are currently employed in power plants. The sealing of cracks eventually created during the aluminisation of steels was also studied. The degradation mechanisms of the B2-(Fe (Ni))Al coatings were then studied in steam and in air at 650 and 700°C up to 10000 hours and under different pressures (1 and 300 bar). We have demonstrated that the pre-oxidation induced during the elaboration of coatings grew a thin protective oxide scale composed of α-Al2O3 which developed further upon oxidation. Nevertheless, the long exposures under high steam pressures promoted the cationic diffusion of Fe, thus allowing the formation of small surface oxide nodules. Finally, the dissolution mechanisms of coatings with a diluted acid have been studied in order to demonstrate the possibility of strip and realuminise the materials initially coated.