Développement d'un nouvel alliage austénitique résistant en fluage à forte teneur en Al : Relation microstructure/propriétés mécaniques/vieillissement

• Auteur / Autrice : Antoine Facco
• Direction : Cristelle Schmuck-Pareige
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Roussel, Jonathan Cormier, Alain Guillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Fraczkiewicz, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium -- Alliages

Matériaux -- Fluage

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Alliages réfractaires

Alliages austénitiques aluminoformeurs (AFA)

Précipitation

Comportement en fluage

Développement et optimisation d’alliages

Simulations thermodynamiques

Heat-resistant alloys

Aluminaforming austenitic alloys (AFA)

Precipitation

Creep behaviour

Alloy development

Alloy optimization,

Thermodynamic simulations

Résumé

Les alliages austénitiques réfractaires Fe-Ni-Cr sont utilisés pour la fabrication des tubes coulés par centrifugation constituant les fours de vapocraquage. Ces tubes sont soumis à de très hautes températures (950-1150°C) sous quelques bars dans un environnement sévère (oxydation, carburation, cokage, …). Les développements actuels portent sur des alliages alliés avec de l’Al afin d’améliorer leur résistance à l’environnement via la formation d’une couche d’alumine protectrice. Cependant l'ajout d'Al diminue les propriétés en fluage. La problématique majeure de ce travail est de comprendre l’influence de la composition chimique et plus particulièrement de l’Al sur la microstructure et les propriétés en fluage dans l’optique de proposer une nouvelle nuance à forte teneur en Al (>3.5%m) résistante en fluage. Dans cette étude, plusieurs alliages aluminoformeurs (AFA) ont été testés en fluage et caractérisés microstructuralement après solidification, après vieillissement thermique et après fluage dans l’optique de faire le lien entre leurs propriétés en fluage et leurs microstructures. Ce travail a montré que : - La nature des carbures primaires de Cr conditionne la résistance en fluage des alliages dans le régime haute contrainte. - La précipitation secondaire de carbures M23C6 est déterminante concernant les propriétés en fluage dans le régime haute contrainte mais a peu d’effet dans le régime basse contrainte. - L’addition de teneur élevée en Y empêche le développement de la précipitation secondaire de M23C6 malgré la transformation des M7C3 primaires en M23C6. - L’ajout de fortes teneurs en Al associé à de fortes teneurs en Cr stabilise les phases ductiles NiAl et α’ aux températures de service. La phase NiAl a été identifiée comme étant néfaste en fluage. Toutes ces conclusions ont permis de développer une méthode d’optimisation de la composition chimique d’alliages austénitiques à forte teneur en Al résistant en fluage. L’objectif industriel consistant à développer des alliages à forte teneur en Al (>3.5%m d’Al) alliant de bonnes propriétés en fluage et une bonne résistance à l’environnement a été rempli et s’est concrétisé par le développement de la Manaurite® XAl4 actuellement commercialisée par Manoir Industries.

Heat resistant Fe-Ni-Cr austenitic stainless alloys are used in centrifugally cast tubes for cracking furnaces. These tubes undergo high temperatures (950-1150°C), low pressure (few bars) in a harsh environment (oxidation, carburization, coking, …). The current developments are focused on alloys with high Al-content in order to improve the environmental resistance thanks to the formation of a protective alumina scale. Nevertheless, Al is known to decrease the creep properties. The main goal is to understand the influence of the chemical composition especially the Al-content on the microstructure and the creep properties in order to propose a new creep-resistant alloy with high Al-content (>3.5wt.%). In this study, several aluminaforming austenitic alloys (AFA) were tested in creep and their microstructures characterized after solidification, after thermal ageing and after creep in order to make the link between creep properties and microstructures. This work showed: - The nature of primary Cr-carbides determines the creep resistance of these alloys in the high stress regime. - The secondary precipitation of M23C6 is crucial regarding the creep properties in the high stress regime but has low impact in the low stress regime. - The addition of high level of Y prevents the secondary precipitation of M23C6 despite the M7C3 transformation into M23C6. - The addition of high Al and Cr contents stabilizes the NiAl and α’ ductile phases at service temperature. The NiAl phase was identified as deleterious for the creep properties. These conclusions allowed to develop a method for chemical composition optimization of creep resistant austenitic alloy with high Al-content. The industrial aim consisting to develop alloys with high Al-content (>3.5wt.%) with good environment resistance while keeping good creep properties was filled and resulted in the development of the Manaurite® XAl4 currently commercialized by Manoir Industries.