Le comportement en corrosion d'alliages chromine (Cr2O3) et alumine (Al2O3) formeurs dans des verres sodo-calciques à haute température a été étudié en utilisant des techniques électrochimiques. Les mécanismes réactionnels de la corrosion par ce type de milieu ont ainsi pu être abordés, de même que les aspects cinétiques. Les résultats ont montré que l'alumine n'est pas capable de protéger les alliages, étant donnée sa très forte solubilité dans le verre. Cependant, les alliages chromine formeurs ont montré une meilleure résistance à la corrosion, et ce s'ils ont subi un traitement de pré-oxydation. Une compétition entre la croissance de la couche de chromine et sa dissolution régit la durée de vie de la couche protectrice. Ainsi la physico-chimie de la chromine en milieu verre fondu a été étudiée. Sa solubilité a été mesurée afin de comprendre l'influence des paramètres température (T), fugacité en oxygène (fO2) et composition du verre. Une étude cinétique a mis en évidence l'influence de ces paramètres sur les mécanismes et le temps de mise à l'équilibre. D'un point de vue thermodynamique, l'influence des paramètres T et fO2 sur la solubilité du chrome dans des verres ternaires Na2O-CaO-xSiO2 est cohérente avec celle déjà observée sur des verres binaires Na2O-xSiO2, la solubilité de la chromine étant bien plus faible dans les verres ternaires. L'influence de la basicité a été étudiée en prenant en compte la basicité optique théorique (^th) et l'activité en oxyde de sodium (aNa2O). Les rapports redox (CrII/CrIII et (CrVI/CrIII) ont été déterminés suite à un affinement mathématique. Les grandes différences observées par rapport aux résultats théoriques (vérifiés dans les verres binaires) dans le cas où la spéciation du chrome intervient laissent penser que l'oxyde de calcium CaO influe sur les réactions impliquant le couple O2/O2- / The corrosion behaviour of chromia (Cr2O3) and alumina (Al2O3) forming alloys in soda-lime silicate melts was studied by using electrochemical measurements. The general aspects of the corrosion by molten glass as well as the redox reactions and the kinetics ruling the corrosion process were determined. The results revealed that Al2O3 is not able to provide protection against corrosion since it has a high dissolution in the melt. However Cr2O3 forming alloy could resist against corrosion if the alloy was subjected to a preoxidation treatment. A competition between the oxide growth and its dissolution in the melt rules the durability of the protective Cr2O3 layer. Thus, the physicochemistry of Cr2O3 in molten glass was then studied in order to understand the influence of temperatures (T), oxygen fugacities (fO2) and glass composition on the limit of solubility of Cr2O3. A preliminary kinetics study revealed that the time to reach equilibrium varies with these parameters. A thermodynamic study showed that the influence of T and fO2 on the Cr2O3 solubility in ternary soda-lime silicate melts (Na2O-CaO-xSiO2) is in coherence with results previously obtained in binary melts (Na2O-xSiO2). Nevertheless, the Cr2O3 solubility in ternary melts is lower than in binary melts. The influence of basicity was studied in both melts by taking into account the theoretical optical basicity (^th) and the activity of Na2O (aNa2O). The redox ratios (CrII/CrIII and CrVI/CrIII) were determined through a mathematical refinement. The comparison with the results obtained in binary melts and the deviation from the theoretical values expected when speciation of Cr is involved, induced assumptions on the role played by CaO in influencing the reactions involving species from O2-/O2 couple

L'objectif de ce projet de recherche est de contribuer au développement de barrières environnementales pour la protection de composites SiC/SiC contre la corrosion à haute température. Pour synthétiser ces revêtements céramiques, le procédé de projection thermique par plasma RF à partir de précurseurs liquides a été choisi pour sa capacité à produire des revêtements nanostructurés de compositions chimiques complexes. Un plan d'expériences a permis d'isoler les paramètres du procédé (concentration des précurseurs, distance de projection et pression de travail) ayant une influence sur la structure des revêtements (épaisseur et densité). La chimie des précurseurs est également un paramètre important car elle conditionne tous les phénomènes physicochimiques mis en jeu lors de la transformation des gouttelettes de précurseurs solvatés en particules solides. Les revêtements de disilicate d'yttrium Y2Si2O7 et de disilicate de lutécium Lu2Si2O7 synthétisés sont sensibles au frittage à haute température. Une phase additionnelle de zircone (non miscible) a permis de stabiliser la microstructure des revêtements en évitant la croissance anormale des grains après plusieurs heures à 1500°C. Les revêtements de silicates de terres rares ont été également testés dans un four spécialement conçu pour opérer des cycles thermiques jusqu'à 1400°C sous atmosphère saturée en vapeur d'eau. Les essais de validation des performances de corrosion ont montré des vitesses d'érosion du carbure de silicium de 1 µm/h à 1200°C, ce qui est observé pour des conditions réelles de corrosion dans des turboréacteurs de l'aviation civile. Après 24 heures à 1200°C sous atmosphère saturée de vapeur d'eau, les revêtements de silicates de terres rares ont montré leur efficacité pour la protection des composites à matrice céramique de type SiC/SiC. Ces essais de corrosion/cyclage thermique ont également permis de confirmer les deux principaux points faibles de ces barrières environnementales, à savoir les fissures ouvertes sur le substrat (permettant la pénétration des espèces corrosives jusqu'au substrat) et le développement d'une couche de cristobalite à l'interface substrat/barrière environnementale (source de microfissures lorsque le système est soumis à des cycles thermiques).

Au cours des dernières décennies, le contrôle de la corrosion des alliages exposés à des conditions sévères et complexes a été un grand défi pour les applications industrielles. Les coûts de la corrosion sont élevés et les stratégies de prévention sont devenues une demande industrielle importante. Le projet SCAPAC financé par l’ANR, a proposé d’étudier la corrosion lors de deux procédés industriels: le vapo-réformage du méthane et l’incinération des déchets ménagers. Bien que les conditions de fonctionnement de ces deux procédés soient différentes, les approches de modélisation peuvent être similaires. Dans le procédé de vapo-réformage du méthane, les composants métalliques sont soumis à la corrosion par « metal dusting », qui est une forme d’endommagement catastrophique qui affecte les alliages exposés à des températures élevées (400-800 °C) et des atmosphères sursaturées en carbone. De même, les composants métalliques des incinérateurs de déchets qui sont exposés à des atmosphères de combustion sont soumis à la corrosion à haute température sous dépôts de cendres. Le « metal dusting » est un phénomène critique qui a mené à des pertes matérielles importantes et à l’arrêt d’installations industrielles pendant les 50 dernières années. Les mécanismes de cette dégradation ont été identifiés et sont disponibles dans la littérature. Cependant, l'effet de certains paramètres des procédés ne sont pas encore bien compris et nécessitent des compléments d'études. En ce qui concerne la corrosion à haute température, les mécanismes sont bien documentés et une quantité considérable de travaux ont été publiés au cours des dernières décennies. De nombreux matériaux et revêtements ont été développés. Cependant, la performance des matériaux dans des environnements différents n'est pas assez bien comprise pour créer des modèles de prédiction de durée de vie. Une revue bibliographique de ces deux domaines a révélé qu’il existait des approches de modélisation. Néanmoins, il n'y a pas actuellement de modèle prédictifs fiables de durée de vie qui soit disponible dans la littérature pour les alliages commerciaux, et pour une gamme étendue de conditions expérimentales. La présente étude présente une méthodologie pour développer des modèles statistiques de prévision de durée de vie. Il s’agit d’évaluer la performance de matériaux soumis au « metal dusting » et à la corrosion à haute température sous dépôt. Deux bases de données ont été construites pour intégrer les résultats expérimentaux du projet SCAPAC, aussi bien que résultats de la littérature. Ceci afin d’avoir suffisant des données pour la modélisation. Ces bases de données ont permis d'analyser plus de 4000 vitesses de corrosion à l’aide de méthodes statistiques appliquées à différents scénarios. La méthodologie de l’Analyse des Composantes Principales (ACP) a été utilisée pour identifier les paramètres clés des mécanismes de corrosion, qui ont été ensuite utilisés pour construire des modèles de prédiction de durée de vie par Régression Linéaire Multiple (RLM). Pour la corrosion à haute température, trois modèles ont été obtenus dans le scénario de gradient thermique pour trois familles d'alliages: des aciers ferritiques, des alliages austénitiques à base de fer et nickel et des alliages à base de nickel, en montrant des résultats encourageants. Pour la corrosion par « metal dusting », deux modèles ont été obtenus pour expliquer le temps d'incubation et la cinétique croissance de profondeur de piqures, avec des résultats satisfaisants. Les modèles statistiques dans les deux cas ont été comparés avec deux résultats expérimentaux et théoriques montrant un bon accord, qui permet l'évaluation de la durée de vie des matériaux dans les conditions définies. / Over the last decades, the corrosion control of alloys exposed to severe and complex conditions in industrial applications has been a great challenge. Currently, corrosion costs are increasing and preventive strategies have become an important industrial demand. The SCAPAC project funded by the French National Research Agency has proposed to study the corrosion for two separate processes: Steam Methane Reforming (SMR) and Waste to Energy (WtE). Although the operating conditions of both processes are different, the modeling approaches can be similar. Metallic components in the SMR process are subjected to metal dusting corrosion, which is a catastrophic form of damage that affects alloys exposed to highly carburising gases (aC>1) at high temperatures (400–800 °C).[1]. Likewise, metallic components in the Waste to Energy (WtE) process are subjected to high temperature corrosion under deposit that takes place in equipment exposed to atmospheres with high content of corrosive products of combustion. Metal dusting corrosion is considered as a critical phenomenon that has led to worldwide material loss for 50 years. A basic understanding of the degradation mechanisms is available. However, the effect of some process parameters is still not well understood in current literature and requires further study. Otherwise for high temperature corrosion, a considerable amount of literature has been published over the last few decades and the mechanisms are well documented. Also many materials and coatings have been developed. However, the material performance in different environments has not been sufficiently well understood to define suitable criteria for lifetime prediction models regarding operating conditions, due to the high complexity of the corrosion phenomena involved. Literature research in both fields revealed modeling approaches in different kinds of complex conditions and applications. Nevertheless, there are no lifetime models currently available in the open literature for commercial materials that consider a wide range of conditions and the relative weight of the variables involved in the corrosion processes. This dissertation presents a methodology to develop lifetime prediction models to evaluate materials performance under metal dusting and high-temperature corrosion conditions. Two databases were created to integrate experimental results from the SCAPAC project, as well as results from literature to enable sufficient amount of data for modeling. The databases allowed analyzing approximately 4000 corrosion rates by different statistical methods over different scenarios. The Principal Component Analysis (PCA) methodology was performed to identify the key parameters to create lifetime prediction models using Multiple Linear Regressions (MLR). For high-temperature corrosion, three models were obtained in the thermal gradient scenario for three families of alloys: low alloyed steels, Fe/Ni-based high temperature alloys and Ni-based alloys, showing agreeable results. For metal dusting corrosion, two models were obtained to explain the incubation times and the kinetic of pit depth growing, showing satisfactory results. The statistical models in both cases were compared with experimental and theoretical results showing good agreement with experimental findings, which allows performing the lifetime assessment of materials under defined conditions.

L’usage de l’alliage de vanadium V-4Cr-4Ti comme matériau de gainage du combustible dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na) représente un intérêt tout à fait particulier de par ses propriétés physico-chimiques attractives à savoir : une bonne compatibilité avec le sodium liquide, une transparence neutronique élevée et de bonnes propriétés mécaniques sous irradiation. Toutefois, la dissolution de l’oxygène dans le vanadium conduit à son durcissement de manière considérable et rend, par conséquence, son utilisation conditionnée par l’utilisation de protection externe moyennant des revêtements faisant office de barrière de diffusion à l’oxygène présent dans le sodium liquide à hauteur de quelques ppm. Au cours de ce travail, des revêtements diffusionnels à base siliciures binaires et ternaires sont élaborés essentiellement par cémentation activée en caisse. Leur capacité à protéger le substrat dans des milieux simulant les conditions d’un RNR-Na, caractérisés par un faible potentiel oxydant de O2, est avérée suite à des tests d’oxydation sous hélium impur à 650°C et de corrosion dans le sodium liquide à 550°C (test CorroNa au CEA de Saclay). D’autres tests d’oxydation sous air (cycliques, isothermes et fluage-flexion 3 points) ont montré la bonne résistance des revêtements à des températures au-delà de 900°C grâce à la formation d’une couche protectrice de SiO2, adhérente et compacte. Un autre volet de ce travail a permis d’aborder la stabilité microstructural du système gaine/revêtement dans les conditions accidentelles. Ceci a nécessité le calcul des coefficients d’interdiffusion en s’appuyant parallèlement sur les modèles de croissance multicouche de Wagner et de consommation mutuelle de Buscaglia. En dernier lieu, la coupe isotherme à 1200°C et la projection liquidus du système V-Cr-Si sont étudiés. Cette étape, préliminaire à l’étude du système quaternaire V-Cr-Ti-Si, doit permettre en perspective l’optimisation de l’architecture du revêtement et aider à la compréhension des mécanismes d’oxydation / The use of vanadium alloy V-4Cr-4Ti as fuel cladding in the generation IV sodium cooled fast reactor (SFR) is considered with a great interest thanks to its attractive physico-chimicals properties namely: a good compatibility with liquid sodium, a high neutronic transparency,a good mechanical properties even under irradiation. However, the dissolution of oxygen in vanadium leads to its hardening. This behavior imposes, consequently, the use of on external protection as coatings that can be considered as a barrier against oxygen diffusion contained in liquid sodium at very low concentrations (a few ppm). In this work, binary and ternary diffusional silicides coatings are produced mainly by halide activated pack cementation. Their ability to protect the substrate in media simulating a SFR’s conditions, with a low oxidation potential of O2, is proved according to the results of oxidation tests in impure helium at 650 ° C and corrosion in sodium liquid at 550 ° C (CorroNa test at CEA de Saclay). Other air oxidation tests (cyclic, isothermal and creep-bending 3 points) showed good resistance of coatings at temperatures above 900°C due to the formation of a protective layer of SiO2, adherent and compact. In another part of this work, the microstructural stability of the cladding/coating system in accidental conditions is studied. This required the calculation of interdiffusion coefficients using models of multilayer growth as proposed by Wagner and mutual consumption as proposed by Buscaglia. Finally, the isothermal section at 1200 ° C and the liquidus projection of V-Cr-Si system are studied. This step, preliminary to the study of quaternary V-Cr-Ti-Si system, should allow as a perspective the optimization of the architecture of the coating and help to understand the oxidation mechanisms

L’utilisation des alliages de titane dans de nombreuses applications (transport, énergie, chimie,...) permet des gains de masse importants en tirant profit du rapport propriétés mécaniques/masse volumique qui est avantageux pour ce type de matériaux. L’utilisation de ces alliages dans des environnements à hautes températures (T>500°C) nécessite de se préoccuper de leur comportement et de comprendre les mécanismes de dégradation dans ces conditions sévères. Certains facteurs peuvent influencer le comportement des alliages de titane en oxydation, comme l’application de cycles de chauffage/refroidissement, la présence de vapeur d’eau ou la présence de sels, selon les conditions d’utilisation.Ce travail de thèse s’est attaché à comprendre les mécanismes d’oxydation d’un alliage de titane utilisé dans l’aéronautique : l’alliage Ti6242S. Il a été étudié à 560°C sous air, sous air humide et en présence de dépôts solides de sel(s) de type NaCl et/ou Na2SO4. Pour cela, des oxydations de longues durées avec et sans dépôts solides de sels ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que la présence de NaCl provoque une dégradation importante du comportement en oxydation des échantillons. La dissolution d’oxygène dans le métal observée sous air ne se produit plus en présence de dépôts de sels. En revanche, une oxydation interne de l’alliage a lieu et des fissures apparaissent dans la profondeur du substrat métallique. La dégradation du matériau est attribuée à la présence de dichlore et à la formation de chlorures métalliques volatiles. Un mécanisme réactionnel a été proposé afin d’expliquer l’effet néfaste des dépôts de NaCl. L’effet d’un dépôt de sels mixte NaCl/Na2SO4 sur l’oxydation de l’alliage Ti6242S est cependant moins marqué.L’évolution des propriétés mécaniques de l’alliage Ti6242S a également été étudiée après oxydation. Une simple oxydation de 100 h sous air provoque une diminution importante de la ductilité du matériau à cause de la zone de dissolution d’oxygène formée pendant l’oxydation. En présence d’un dépôt de NaCl et après 100h d’oxydation à 560°C, la perte de ductilité est encore plus importante et la rupture de l’éprouvette intervient dès la fin du domaine élastique. Dans ces conditions, la pièce perd une partie de sa section porteuse et la limite élastique et le module élastique du matériau restant sont fortement impactés. La présence d’un dépôt mixte NaCl/Na2SO4 pendant l’oxydation a un effet moins marqué sur les propriétés mécaniques du matériau, en accord avec la plus faible réactivité de l’alliage Ti6242S avec ce type de dépôt. Les mécanismes inhérents au changement de propriétés mécaniques sont expliqués dans le travail de thèse. / The use of titanium alloys in many applications (transport, energy, chemistry,...) allows significant weight savings in relation to the good mechanical properties/density ratio of these materials. Since titanium alloys are employed at high temperatures (T>500°C), their behavior in such conditions has to be studied in severe conditions in order to understand degradation mechanisms. Moreover, some specific conditions can be met during application, like thermal cycling, water vapour or presence of salts. These parameters are known to influence oxidation behavior of titanium alloys.In this thesis work, oxidation behavior of an aeronautics titanium alloy (Ti6242S) has been studied in air and moist air at 560°C. The effect of solid salt deposits (NaCl and/or Na2SO4) on the oxidation behavior of Ti6242S alloy has also been taken into account. Ti6242S samples were oxidized at 560°C for oxidation times up to 19 000 hours with or without solid salt deposits. NaCl deposit resulted in an important deterioration of Ti6242S alloy behavior at this temperature. Oxygen dissolution in the metal was no longer observed compared to ageing in air, but internal oxidation of the alloy could be evidenced, and cracks were observed deeply into the metallic substrate after oxidation. The corrosion resistance decrease in such conditions was attributed to the presence of chlorine and formation of volatile metallic chlorides due to the presence of NaCl. A degradation mechanism based on active oxidation of Ti6242S alloy exposed to NaCl salt was proposed. The second salt deposit tested consisted in a mixed NaCl/Na2SO4 salt deposit. The harmful effect of this salt deposit on the oxidation behavior of Ti6242S alloy was lower than that of a simple NaCl deposit.Mechanical properties of Ti6242S alloy exposed to solid salt deposits at 560°C were then studied. A simple oxidation in air for 100 hours without salt deposit resulted in an important loss of ductility of the tested samples due to the presence of oxygen solid solution into the metal. The same oxidation time caused an even more important loss of ductility for the samples covered by NaCl deposits. In this case, sample failure occurred at the end of the elastic deformation domain. Elastic modulus and yield strength were also strongly decreased. Mixed NaCl/Na2SO4 deposit exhibited a lower impact on the mechanical properties of the oxidized Ti6242S sample, in accordance with the lower reactivity of Ti6242S alloy with this type of salt deposit. Mechanisms explaining Ti6242S alloy mechanical behavior in such conditions were explained in this thesis work.

La corrosion à haute température d'alliages métalliques représente un processus d’endommagement critique dans de nombreux domaines industriels. Le suivi en service de la dégradation des équipements opérant sous une atmosphère agressive à haute température devient un objectif majeur pour les industriels. Grâce à sa sensibilité et à son caractère non destructif, l'émission acoustique constitue une méthode intéressante pour suivre l’évolution de la détérioration des matériaux soumis à des formes sévères de corrosion comme le metal dusting pour les alliages de fer ou de nickel en pétrochimie. Notre étude a montré que les transformations irréversibles des matériaux telles que la fissuration peuvent être détectées grâce aux signaux acoustiques émis pendant la corrosion. Un couplage innovant a été développé associant l'émission acoustique in situ avec la thermogravimétrie. Dans un premier temps, ce couplage nous a permis d’étudier et d’approfondir nos connaissances de la corrosion à 900 °C sous atmosphère oxydante d’un alliage de zirconium. Les phénomènes comme la diffusion de l’oxygène dans la zircone ne sont pas émissifs ; par contre les mécanismes de dégradation irréversibles, comme l'initiation et la propagation des fissures dans la couche de zircone, sont décelables dès leur apparition. Dans un second temps, lors de l’étude de la carburation du fer pur ou du fer pré-Oxydé, nous avons démontré que la corrosion par metal dusting qui comporte une étape d’insertion des atomes de carbone dans la matrice de fer est détectable grâce à l’émission acoustique. Il est donc envisageable de suivre ce type de dégradation au moyen de l’émission acoustique lorsqu’il affecte les équipements industriels. / High temperature corrosion of metallic alloys can cause damage to chemical and petrochemical industrial equipment. On line monitoring of the behaviour of components, which operate under corrosive atmosphere at high temperature, has become an important challenge. In order to quantify the level of damage of materials affected by corrosion, acoustic emission seems to be an interesting method due to its sensitivity and its non-Destructive aspect. Based on bibliographic supports, we have developed an experimental device combining thermogravimetric analysis with acoustic emission in order to simultaneously record the sample mass variations and the acoustic signals mainly due to the degradation of materials such as cracks formation during oxidation of metal at high temperature for example.First of all, we have studied Zircaloy-4 corrosion behavior at 900 °C under oxidant gas by means of this innovative equipment. We have demonstrated the feasibility of such a coupling method; mass measurements are not disrupted by acoustic emission chain connected to the thermobalance. Irreversible mechanisms, as cracks initiation and propagation, generate acoustic emission bursts. Analysis of the burst waveforms and of the oxidized sample cross sections allows us to attribute the acoustic events to corrosion or cooling processes. Secondary, metal dusting of pure iron at 650 °C under highly carburising gases (i-C4H10 + H2) was studied. Iron bulk degradation caused by graphite deposition and insertion has been detected using acoustic emission. This result lets us think that this technique can be adapted to monitoring of industrial equipment.