Développement d'un revêtement haute température anticorrosion pour pièces en acier fonctionnant jusqu'à 450 °C et respectant la réglementation REACH

Development of a high temperature anticorrosion coating for steel parts operating until 450°C and complying with REACH regulation

• Auteur / Autrice : Julien Wagner
• Direction : Florence Ansart, Pierre-Louis Taberna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Ansart, Pierre-Louis Taberna, Stéphane Mathieu, Eric Franck Benoist
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Juan Creus, Anne Julbe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Droit

Industries chimiques

Anticorrosifs

Mots clés libres

Revêtement anticorrosion

Dépôt électrophorétique

Forme complexe

Anticorrosion coating

Electrophoretic deposition

Complex shape

Résumé

Actuellement, les revêtements ''haute température'' sacrificiels utilisés pour protéger certaines pièces de turbomachines en acier de la corrosion sont appliqués par pulvérisation de peintures inorganiques chromatées impactées par la réglementation REACH. Il est nécessaire de développer de nouveaux revêtements compatibles avec cette réglementation. L'application par pulvérisation de ces peintures s'accompagne de difficultés d'obtention de revêtements d'épaisseurs uniformes à la surface de grandes pièces de géométries complexes. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'élaboration de revêtement ''haute température'' anticorrosion sur acier respectant la réglementation REACH et permettant de réaliser des dépôts d'épaisseur uniforme sur des pièces de forme complexe. Le processus d'élaboration du revêtement développé au cours de cette thèse est composé de trois étapes. La première étape est dédiée au dépôt électrophorétique de particules d'aluminium jouant le rôle de protection cathodique sacrificielle vis-à-vis du substrat en acier. Au cours de ces travaux de thèse, deux formulations de suspension, disposant de caractéristiques physico-chimiques différentes, ont été étudiées. Une étude sur géométrie plane a permis de définir l'influence des paramètres procédés permettant d'obtenir les épaisseurs cibles. Les essais conduits ont permis d'aboutir à une formulation optimisée. La seconde étape d'élaboration est consacrée à l'ajout d'une matrice inorganique via une étape d'imprégnation de silicate de sodium, afin d'obtenir une tenue mécanique du revêtement suffisante. Les revêtements obtenus restent cependant poreux et isolants électriquement. Les conditions opératoires d'incorporation du liant ont été optimisées en lien avec la tenue des revêtements à l'étape densification. La troisième étape est dédiée à la percolation des particules d'aluminium et la création de chemins de conduction électrique. Cette opération de densification a été réalisée par projection mécanique d'un média sur les revêtements (aussi appelée compactage). Cette étape a pour conséquence une activation de la protection cathodique. Les revêtements développés au cours de la thèse permettent d'offrir une résistance pour au moins 1 000 h à l'essai d'exposition en Brouillard Salin Neutre (BSN). Une nouvelle méthode d'évaluation accélérée des performances sacrificielles, basée sur la polarisation anodique, est proposée au cours de la thèse afin de proposer une méthode complémentaire à l'essai de Brouillard Salin Neutre. Cette approche permet de réduire significativement les durées d'évaluation des performances anticorrosion des revêtements développés. Enfin, les premiers essais de transfert du procédé de l'éprouvette plane vers une pièce de forme complexe ont été réalisés.

Sacrificial ''high temperature'' coatings, currently used to protect turbomachine steel parts from corrosion, are applied by spray of inorganic paints containing hexavalent chromium compounds. As chromium trioxide is forbidden in Europe by REACH regulation since 21 september 2017, it is necessary to develop new performant coatings more efficient than the current paint system. Furthermore, paint application by spray display important limitations and serious difficulties of implementation on larges pieces with complex geometries. It is to address these two issues - formulation and application - that this thesis work has been undertaken. The objective of this thesis is to develop an elaboration method of anticorrosion ''high temperature'' on steel meet REACH requirements and permitting realize uniform thickness deposit onto complex shape part. Coating elaboration process developed during this thesis is composed of several steps. The first step is the electrophoretic deposition of aluminum particles deposit acting as sacrificial cathodic protection toward steel substrate. During this thesis work, two suspension formulations, with different physico-chemical characteristics, have been studied. A two plane and parallel electrode cell have been set up to investigate process parameters (deposition time and applied electric field) influence on thickness and microstructure deposit. Hull cell deposits, electric field over the suspension measurement and 2D simulation have been performed to select the most suitable suspension formulation for obtaining uniform thickness deposit onto complex shape part. The second coating elaboration step is dedicated to the incorporation of inorganic binder by liquid sodium silicate impregnation. Mechanical resistance coatings are obtained by particles linking together and with the steel substrate. However, as-obtained coatings are porous and insulating. Operational conditions of binder incorporation have been optimized regarding the coating mechanical strength associated with the next step. The third step is a mechanical densification by media projection on the coating. Aluminum particles are percolated and electrical conduction paths are obtained. The obtained coatings are dense and cathodic protection is effective. Developed coating during thesis work meet anticorrosion requirement specifications, 1 000 h in neutral salt spray test. A new accelerated evaluation method, assessing sacrificial performances by electrochemical polarization, has been proposed during this thesis to replace the salt spray test. Evaluation time is lowered from several tens of hours to few hours for the new test. Finally, first process transfer tests from plane electrode to a complex shape part have been performed. Optimization of the cell geometry has been preliminary realized by COMSOL software simulation.