Détermination et compréhension du rôle des éléments d'alliage sur le comportement passif des alliages à base de Ni par investigation électrochimique

Determination and understanding of the role of alloying elements on the passive behavior of Ni-based alloys by electrochemical investigation

• Auteur / Autrice : Zhiheng Zhang
• Direction : Bernard Normand, Benoît Ter-Ovanessian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 19/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Philippe Marcus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Normand, Benoît Ter-Ovanessian, Philippe Marcus, Martin Bojinov, Nadine Pebere, Adrien Couet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin Bojinov, Nadine Pebere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse électrochimique

Spectroscopie d'impédance

Passivité (chimie)

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Matériaux

Alliage de Nickel

Passivation

Spectroscopie d’impédance électrochimique

Film passif

Alliage binaire

Alliage tertiaire

Nucléation

Caractérisation électrochimique

Analyse électrochimique

Materials

Ni-Based alloys

Passivation

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Passive film

Binary alloy

Tertiary alloy

Nucleation

Electrochemical Characterization

Electrochemical analysis

Résumé

Les alliages base nickel sont largement utilisés dans divers domaines d’application, tels que le pétrole et le gaz, le nucléaire et la chimie, grâce à leur excellente résistance à la corrosion et leurs bonnes propriétés mécaniques à haute température. Dans le but de prolonger la durée de vie de certains composants stratégiques, de nombreuses études sur l’influence des éléments d'alliage sur les propriétés et la résistance à la corrosion des alliages base nickel ont été réalisées ou sont toujours en cours. Dans ce cadre, l'objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie basée sur la caractérisation et l'analyse électrochimique permettant de comprendre l’effet des éléments d'alliage sur les propriétés du film passif des alliages base nickel. La méthodologie proposée se base sur des mesures successives de spectroscopie d'impédance électrochimique et sur une analyse approfondie des diagrammes d’impédance, permettant de suivre l'évolution des propriétés du film passif formé sur différents alliages binaires (Ni-Cr) et ternaires (Ni-Cr-Fe) à différents potentiels. Les diagrammes d’impédance obtenus ont été interprétés avec une méthode graphique avancée et ajustés par le modèle en loi de puissance fournissant ainsi des informations caractéristiques du film passif. Cette méthodologie permet ainsi de déterminer et d’obtenir des informations complémentaires aux traditionnelles courbes de polarisation, telles que l’évolution de l’épaisseur du film et des profils de résistivité au travers de son épaisseur. Cette méthodologie a aussi été appliquée à des alliages commerciaux. Leurs réponses ont été comparées à celles obtenues pour les alliages binaires ou tertiaires dont les compositions sont les plus proches afin de mettre en évidence quels sont les paramètres microstructuraux ou chimiques les plus discriminants. Dans ce travail, le rôle des éléments d'alliage, en particulier le chrome et le fer, sur les propriétés et la réactivité du film passif a été étudié. Comprendre comment les éléments d'alliage agissent sur la nature, la structure et les propriétés du film passif fournira quelques lignes directrices aux ingénieurs et scientifiques pour la conception ou le choix des alliages les plus adaptés.

Ni-based alloys are widely used in various engineering applications, such as oil and gas, nuclear power plant and chemical process, due to their excellent corrosion resistance and good mechanical properties at elevated temperature. To extend the sustainability and the versatility of Ni-based alloys, development of new grades or improvement of the existing ones is still ongoing. To carry out the alloy design, the study on the role of alloying elements on nickel-based alloys properties and corrosion resistance remains the best scientific approach. Within this framework, the main objective of this thesis is to develop a methodology based on electrochemical characterization and analysis for understanding the role of the alloying elements on the corrosion behavior and on the passive film properties of Ni-based alloys. The proposed methodology relies on successive electrochemical impedance spectroscopy measurements and advanced analyses of the impedance data, to follow the evolution of the passive film properties grown on different binary (Ni-Cr) and ternary (Ni-Cr-Fe) alloys at different potentials. The obtained impedance diagrams were interpreted with enhanced graphical method and fitted with Power-Law Model for giving physical meanings to passive film. This experimental procedure provides supplementary data from conventional polarization curves, such as evolution of the passive film thickness and resistivity profiles through the film. In this work, the role of alloying elements, especially chromium and iron, on the passive film properties and reactivity is studied. Understanding how alloying elements act on the passive film nature, structure and properties will provide some guidelines to engineers and scientists for designing or choosing the more adapted alloys. Finally, the proposed experimental method is also applied on certain commercial alloys. Their responses are compared with that of the closest binary and ternary alloys to evidence the discriminating factors that control the passive behavior.