Optimisation microstructurale d’un acier HP pour des applications à haute température

Microstructural optimization of HP alloy for high temperature applications

• Auteur / Autrice : Karolina Maminska
• Direction : Anna Fraczkiewicz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 28/06/2013
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Rhéologie, Microstructure, Thermomécanique
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Fraczkiewicz, Eric Andrieu, Patricia Donnadieu, Abdelkrim Redjaïmia, Wieslaw Swiatnicki, Jader Furtado
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Donnadieu, Abdelkrim Redjaïmia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Traitement thermique

Hautes températures

Acier austénitique

Matériaux -- Fluage

Aciers alliés

Mots clés libres

Alliages HP

Résistance au fluage

Précipitation secondaire

Carbure M23C6

Carbure NbC

Prétraitement thermique

Cinétique de précipitation

Hp alloys

Creep resistance

Secondary precipitation

M23C6 Carbide

NbC Carbide

Heat pre-treatment

Precipitation kinetics

Résumé

L’objectif de ce travail est d’améliorer la durée de vie en fluage d’un alliage résistant à haute température. L’alliage étudié, nommé « C », appartient à la classe des aciers austénitiques de type HP utilisés pour la fabrication des tubes de reformage. L’évolution microstructurale de l’alliage « C » a été étudiée dans une vaste gamme de températures, s’étendant de 700 à 1040°C pour des temps de vieillissement allant jusqu’à 1000 h. La caractérisation de ces états vieillis a été réalisée au moyen de la microscopie électronique (MEB-FEG, MET) et de la diffraction des rayons X. L’accent a été mis sur une caractérisation fine de la précipitation secondaire présente Ces résultats ont ensuite été utilisés afin d’identifier les conditions thermiques optimales pour l’affinement de la précipitation en vue d’amélioration du comportement macroscopique de l’alliage. La cinétique de précipitation a été modélisée à l’aide du logiciel PRISMA ThermoCalc. Un bon accord entre la simulation et les mesures expérimentales a pu être obtenu.Dans la gamme de températures étudiée, la précipitation secondaire est majoritairement constituée de deux carbures : M23C6 (M=Cr, Fe) et NbC. En condition de service (980°C), la croissance du M23C6 est rapide. La coalescence des précipités survient dès 200 h de vieillissement. Nous avons prouvé qu’un vieillissement à des températures plus basses (700-750°C) permet d’affiner cette précipitation. De plus, notre étude a montré l’efficacité d’un prétraitement à des températures basses, effectué avant la mise en service du matériau à 980°C. Une nette amélioration de la résistance en fluage dans des essais accélérés a été obtenue pour l’alliage « C » ayant subi le prétraitement cité ci-dessus. Outre l’affinement et le retardement de la coalescence du M23C6, la présence d’une précipitation nanométrique du NbC sur des lignes de dislocations est probablement à l’origine de cet effet.

The purpose of this work is to optimise the microstructure of a creep-resistant alloy of the type HP, called “C” (industrial denomination). These austenitic steels are used for the manufacture of reformer tubes. The microstructural evolution of the alloy "C" has been studied in a wide range of temperatures, ranging from 700 to 1040 °C for aging times up to 1000 h. The characterization of these aged states was performed using electron microscopy (FEG-SEM, TEM) and X-ray diffraction, with emphasis on a detailed characterization of this secondary precipitation. This knowledge was then used to identify the optimal thermal conditions for the refinement of precipitation to improve the macroscopic behaviour of the alloy. The precipitation kinetics was modelled using the PRISMA ThermoCalc. A good agreement between simulation and experimental measurements has been obtained.In the studied range of temperature, the secondary precipitation consists mainly of two carbides M23C6 (M = Cr, Fe) and NbC. In the service conditions (980°C), the growth of M23C6 is fast. The coalescence of the precipitates starts after only 200h of aging. Aging at lower temperatures (700-750°C) refines this precipitation. Our study showed the efficacy of pre-treatment of the alloy at low temperatures, before the service of the material at 980°C. In the alloy "C", treated in such conditions, a significant increase in creep resistance was obtained in accelerated testing. In addition to refinement of the secondary precipitation and delaying the effects of coalescence of M23C6, the presence of a nanoscale precipitation of NbC on dislocation lines is probably the origin of this effect.