Étude et développement d'une barrière à hydrogène par PVD - Application aux sollicitations cycliques.

Study and development of a hydrogen barrier by PVD - Application to cyclic loadings.

• Auteur / Autrice : Alex Bellanger
• Direction : Thierry Grosdidier, Julien Capelle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 22/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)

Mots clés

Mots clés libres

Acier API 5L X65

Revêtement PVD

(Ti;Al)N

Fragilisation par hydrogène

Caractérisation microscopique

API 5L X65 steel

PVD coating

(Ti;Al)N thin films

Hydrogen embrittlement

Microscopic characterization

Résumé

La diffusion et le piégeage d'hydrogène au sein du métal peuvent conduire à une dégradation de ses propriétés d'usage ; ce phénomène correspond à la fragilisation par hydrogène. On distingue deux sources d'hydrogène : - le premier, interne, qui provient des procédés d'élaborations, - et d'autre part, l'hydrogène externe, provenant d'un milieu extérieur. Pour ce dernier cas, on fera la distinction entre une forte activité (en général un environnement aqueux pour lesquels l'activité en hydrogène est due à la réaction cathodique de décharge d'hydrogène) ou une faible activité (l'environnement gazeux est le responsable à l'endommagement) en hydrogène selon la quantité d'hydrogène introduite durant les tests. La fragilisation des aciers par l'hydrogène a fait l'objet de nombreuses recherches théoriques et appliquées. Dans la littérature, on constate que les études de revêtements barrières à l'hydrogène concernent principalement les alliages métalliques, les oxydes et les nitrures. Certains chercheurs ont étudié la performance de bi-couches et tri-couches contre l'hydrogène. Dans notre projet, on vise à évaluer les technologies de dépôts en phase vapeur (PVD) par à rapport aux autres. Les nitrures, de par leurs propriétés intéressantes de perméation à l'hydrogène, sont étudiés. Plus précisément, des nitrures de titane aluminium (Ti,Al)N sont déposés par pulvérisation cathodique. Les mécanismes de germination et croissance de ces couches minces sont étudiés en effectuant des analyses microstructurales ainsi que des analyses de textures. Les conditions réelles d'utilisation des réservoirs et structures de stockage seront considérées dans cette étude afin d'évaluer la durée de vie des revêtements. Les tests in-situ des éprouvettes revêtues sous hydrogène et en sollicitations répétés présentent une bonne méthodologie et revêt un caractère original par rapport aux données bibliographiques. Le développement d'un revêtement barrière à l'hydrogène permettra de résoudre certaines difficultés scientifiques et technologiques pour l'utilisation et la mise en place de certaines pièces à utiliser sous contraintes. La nocivité de l'hydrogène est accrue sous contraintes, puisque l'élévation des contraintes internes va favoriser le piégeage de l'hydrogène. La prise en compte de la fluctuation de pression dans les réservoirs de stockage est donc primordiale dans cette étude. C'est pourquoi, des essais de fatigue à très faible fréquence (0,05Hz) seront réalisés en même temps que l'introduction de l'hydrogène dans le matériau de base. Une analyse basée sur l'étude des courbes de Wöhler sera faite pour permettre de trouver la barrière la plus efficace : l'objectif étant de se rapprocher au plus près du comportement en fatigue du matériau de base sans présence d'hydrogène. Des éprouvettes « Tuiles Romaines », éprouvettes en arc de cercle directement issues d'un pipeline ou d'un réservoir, seront utilisées pour être au plus près de la géométrie des pièces finies. Le laboratoire possède une solide expérience dans ce domaine. La perméabilité à l'hydrogène sera étudiée en fonction de plusieurs paramètres telles que : la structure, la composition chimique, l'épaisseur et la morphologie. La comparaison des propriétés physico-chimiques des matériaux obtenus par différents procédés d'élaboration permettra d'identifier les dépôts optimaux et ainsi conduire à maîtriser les propriétés des revêtements. La méthode utilisée sera d'abord basée sur le triptyque classique en science des matériaux, c'est-à-dire l'influence des paramètres d'élaboration de dépôts sur leurs caractéristiques structurales et, in fine, sur leurs propriétés électrochimiques et mécaniques. Ces influences feront l'objet d'analyses phénoménologiques et permettront de comprendre les liens entre ces trois composantes du triptyque. Cette étude originale contribuera au développement des matériaux avancés et peut répondre à des besoins industriels locaux en Grand Est dans les domaines des revêtements. Cette étude doit déboucher sur la rédaction de publications et éventuellement de brevets liés aux applications.

The diffusion and trapping of hydrogen within the metal can lead to a degradation of its working properties; this phenomenon corresponds to hydrogen embrittlement. There are two sources of hydrogen: the first is the internal source where hydrogen can pre-exist in a sufficiently large quantity in the material at the time of damage, and secondly, the hydrogen is provided by a source external. For the latter case, we will distinguish between a high activity (in general an aqueous environment for which the hydrogen activity is due to the cathodic reaction of hydrogen discharge) or a low activity (the gaseous environment is the responsible damage) to hydrogen depending on the amount of hydrogen introduced during the tests. The embrittlement of steels by hydrogen has been the subject of much theoretical and applied research. In the literature, it has been observed that studies of hydrogen barrier coatings mainly concern metal alloys, oxides and nitrides. Some researchers have studied the performance of bilayers and tri-layers against hydrogen. In our project, we aim to evaluate vapor deposition technologies (PVD) compared to others. Titanium aluminium nitrides will be deposited under reactive magnetron sputtering conditions, and the growth mecanisms of the coatings will be studied by means of texture analysis In addition, the actual conditions of use of tanks and storage structures will be considered in this study in order to assess the service life of the coatings. Different types of materials will be tested and ideal parameters will be identified for better resistance. The in-situ tests of the coated specimens under hydrogen and under repeated stresses present a good methodology and take on an original character compared to the bibliographical data. The development of a new protective coating and barrier to hydrogen will resolve certain scientific and technological difficulties for the use and placement of certain parts to be used under stress. The harmfulness of hydrogen is increased under stress, since the increase in internal stresses will promote the trapping of hydrogen. Taking into account the pressure fluctuation in the storage tanks is therefore essential in this study. Therefore, fatigue tests at very low frequency (0.05Hz) will be carried out at the same time as the introduction of hydrogen into the base material. An analysis based on the study of Wöhler curves will be made to find the most effective barrier: the objective being to get as close as possible to the fatigue behavior of the base material without the presence of hydrogen. 'Roman Tiles' specimens, circular arc specimens directly taken from a pipeline or a reservoir, will be used to be as close as possible to the geometry of the finished parts. The laboratory has solid experience in this field. The permeability to hydrogen will be studied as a function of several parameters such as: structure, chemical composition, thickness and morphology. The comparison of the physico-chemical properties of the materials obtained by different production processes will make it possible to identify the optimal deposits and thus lead to mastering the properties of the coatings. The method used will first be based on the classic triptych in materials science, that is to say the influence of the development parameters of deposits on their structural characteristics and, ultimately, on their electrochemical and mechanical properties.