Évolution métallurgique et corrosion à haute température de matériaux à gradient de composition élaborés par procédé Laser Metal Deposition - powder

Metallurgical evolution and high temperature corrosion of compositionally graded materials additively manufactured by Laser Metal Deposition - powder

• Auteur / Autrice : Agathe Curnis
• Direction : Sébastien Chevalier, Ioana Popa, Aurélien Prillieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 19/04/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Monceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bernard, Xavier Boulnat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Martinelli, Fernando Pedraza Diaz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chlorures alcalins

Cinétique chimique

Oxydation

Corrosion sèche

Acier

Matériaux à gradient fonctionnel

Mots clés libres

Corrosion à haute température

Matériaux à gradient de composition

Fabrication additive

Dépôt solide de NaCl

High temperature corrosion

Compositionally graded materials

Additive manufacturing

NaCl solid deposit

Résumé

Les matériaux à gradient de composition présentent de nombreux avantages et notamment celui d’adapter localement le matériau en fonction de la sollicitation perçue par la pièce tout en limitant les risques d’incompatibilités entre les matériaux. Ce travail de thèse s’est concentré sur la réalisation d’un système de matériaux à gradient de composition par procédé Laser Metal Deposition-powder à partir d’un substrat en acier faiblement allié jusqu’à un alliage 625. Ce système multi-matériaux devant présenter une bonne tenue à la corrosion à haute température, son comportement à 800 et 650°C sous air de laboratoire, en absence ou en présence d’espèces chlorées, a été étudié.La caractérisation du système à gradient, dans un état brut de fabrication a révélé différentes microstructures et phases en présence dans les différentes régions du gradient. Lors de vieillissements à 800°C, des évolutions métallurgiques ont été mises en avant, notamment au niveau de l’alliage 625, avec la précipitation de la phase δ.La résistance à l’oxydation du système a été étudiée sous air de laboratoire à 800°C jusqu’à 2 500 h. Une cinétique parabolique liée à la formation de couches protectrices de chromine a été mise en avant. La présence d’un dépôt de NaCl accélère de manière catastrophique la dégradation de l’alliage 625. Dans ce cas, les couches de produits de corrosion sont très épaisses, très fissurées ou écaillées, composées majoritairement de NiO, Cr2O3 et d’oxydes de type spinelle Ni-Cr-Fe. La région de métal située à l’interface avec la couche d’oxyde est fortement endommagée, notamment par la formation d’un réseau de pores interconnectés permettant la diffusion rapide des espèces chlorées dans le cadre du mécanisme d’oxydation active se produisant dans ces conditions. En comparaison, à 650°C, la dégradation du matériau en présence du dépôt solide de NaCl est nettement ralentie, les couches de produits de corrosion sont moins épaisses et le substrat métallique très peu endommagé. Les différences de comportements entre les deux températures peuvent être comprises à travers des différences microstructurales et de volatilité de chlorures métalliques.

Compositionally graded materials offer numerous advantages, including the ability to locally adjust the material composition to adapt it to service conditions while minimizing the risks of incompatibilities between materials. This thesis work focused on the development of a compositionally graded material system using the Laser Metal Deposition-powder process, starting from a low-alloy steel substrate to alloy 625. As this multi-material system is expected to exhibit good high-temperature corrosion resistance, its behavior in an air atmosphere at 800°C and 650°C, with and without a NaCl solid deposit, was studied.Characterization of the as-built compositionally gradient system revealed various microstructures and phases depending on the regions of the gradient. Metallurgical evolutions were highlighted during aging at 800°C, particularly in alloy 625 with the precipitation of the δ phase.The oxidation resistance of the system was studied in an air atmosphere at 800°C for up to 2 500 h. Parabolic kinetics related to the formation of a protective Cr2O3 layer were highlighted. The presence of a NaCl deposit catastrophically accelerated the degradation of alloy 625. In this case, the corrosion scale was thick, highly cracked or spalled and mainly composed of NiO, Cr2O3, and (Ni,Cr,Fe)3O4. The metal region at the interface with the oxide layer was severely damaged, especially by the formation of an interconnected voids network allowing the rapid diffusion of chlorinated species in the active oxidation mechanism occurring under these conditions. In comparison, at 650°C, material degradation with a NaCl deposit was significantly slowed, with a thinner corrosion scale, and a less damaged substrate. Differences in behavior between the two temperatures can be understood through differences in microstructural characteristics and the volatility of metal chlorides."