Couplage diffusion-plasticité au cours de l’oxydation sélective d’alliages métalliques – DIPLOX

Deux méthodes sont utilisées pour obtenir les profils de diffusion: la technique des radiotraceurs et le SIMS.

Le programme de travail est structuré de la manière suivante:
1/ La diffusion du Cr dans du Ni à grains ultrafins avec des tailles de grain différentes est étudiée avec les deux techniques et comparée. La pertinence de l'une ou l'autre des méthodes est ainsi examinée pour différentes conditions expérimentales.

2/ diffusion du Cr en volume et aux JdG sans pré-déformation et sans contrainte appliquée. Des monocristaux ainsi que des échantillons polycristallins haute pureté d'alliages Ni-Cr sont utilisés. Les résultats obtenus serviront de résultats de référence pour le reste du projet.

3/ Effet de la pré-déformation sur la diffusion en volume et aux JdG entre 350 et 750°C. Dans cette gamme de températures, la microstructure de dislocation induite par la pré-déformation est susceptible d'évoluer pendant le traitement de diffusion, en particulier aux températures les plus élevées. C'est pourquoi l'évolution des microstructures de dislocation et leur influence sur la diffusion en volume et aux JdG sera étudiée par MET. Les expériences seront menées sur des monocristaux et des polycristaux afin de distinguer facilement la contribution des JdG de celle du volume.

4/ diffusion en volume et aux JdG sous chargement mécanique. L'objectif est d'étudier l'accélération de la diffusion sous l'effet de la plasticité dans des alliages Ni-Cr monocristallins et polycristallins.

5/ Application à la modélisation de l'oxydation sélective. Des essais d'oxydation et des calculs sont conduits sur les alliages Ni-Cr polycristallins étudiés précédemment, dans des conditions où seul l'oxyde de chrome se forme. Les coefficients de diffusion mesurés précédemment seront utilisés comme données d'entrée pour modéliser l'oxydation sélective en utilisant le code EKINOX.

Méthodologie
Une méthodologie de préparation des échantillons avant traitement de diffusion a été définie entre les 3 partenaires. Le but est d'éviter la formation d'une couche écrouie en surface.

Comparaison des méthodes radiotraceurs et SIMS
Des traitements de diffusion ont été réalisés à différentes températures sur le Ni UFG. Les profils de diffusion ont été acquis par la technique des radiotraceurs et par SIMS. La première permet d'étudier des profils de diffusion profonds sur une large surface alors que la seconde donne accès à des distances de diffusion plus courtes sur une surface plus restreinte.
La comparaison des résultats obtenus montre que les coefficients de diffusion obtenus avec le SIMS sont plus faibles.
Cette différence pourrait s'expliquer par le fait qu'une quantité un peu plus importante de Cr est déposée en surface des échantillons pour les analyses SIMS que pour la technique des radiotraceurs. Or, pour la gamme de températures intermédiaires étudiée, la diffusion aux JdG est fortement affectée par la ségrégation aux JdG. Les différentes concentrations en Cr utilisées pour le SIMS et les radiotraceurs pourraient conduire à des niveaux de ségrégation différents et ainsi affecter les valeurs mesurées, résultant en une diffusion plus lente lors des analyses SIMS.

Diffusion en volume et aux JdG
Les profils de diffusion du Cr dans du Ni monocristallin ont été acquis par SIMS entre 500 et 860°C. Afin de valider la méthodologie de préparation des échantillons, la diffusion du Cr dans Ni a été étudiée à 860°C après 5 et 168h de traitement thermique. Les coefficients de diffusion obtenus dans les deux cas sont similaires, signe que la distance de diffusion n'a pas d'effet sur le résultat et que la procédure de préparation est fiable.
Les résultats obtenus entre 600 et 500°C sont deux ordres de grandeur plus élevés que les données extrapolées de la littérature. Des analyses complémentaires sont en cours pour expliquer cette différence.

- Finalisation des analyses sur la comparaison SIMS vs radiotraceurs

- Poursuite des mesures de coefficients de diffusion en volume et aux JdG sans pré-déformation ou charge appliquée sur les alliages Ni-Cr

- Etude de l'effet de la pré-déformation et de la plasticité sur la diffusion en volume et aux JdG dans les alliages Ni-Cr

Conférence internationale « Diffusion in solids and liquids », Athènes (juin 2019):
- Organisation de la session « Diffusion processes under straining »
Deux communications orales:
- C. Duhamel et al. « Plasticity-enhanced diffusion of Cr in Ni »
- L. Martinelli et al. « Experimental study of Cr tracer diffusion in Ni(-Cr) and application to NiCr oxidation«

L'objectif du projet est d’étudier l'effet de la déformation plastique sur la diffusion en volume et aux joints de grains dans des alliages modèles (Ni-Cr, Ni-Cr-Fe) dans une gamme de température incluant les basses températures pour lesquelles la diffusion en volume ne peut être aisément étudiée (350°C-750°C). Les coefficients de diffusion du chrome, du nickel et du fer seront mesurés par deux méthodes complémentaires: la spectrométrie de masse d’ions secondaires (SIMS) avec isotopes stables (France) et la technique des radiotraceurs (Allemagne). Les expériences de diffusion seront effectuées à différentes températures (i) sur des échantillons non déformés, (ii) sur échantillons pré-déformés afin d’étudier l’effet du réseau de dislocations et de son évolution pendant la diffusion; (iii) sur des échantillons en cours de fluage afin d’étudier l’effet de la mobilité des dislocations. Enfin, les coefficients de diffusion mesurés seront intégrés dans un code cinétique d'oxydation afin de prendre en compte la plasticité dans le phénomène d’oxydation sélective.

Les partenaires suivants seront impliqués dans le projet : ARMINES agissant via le Centre des Matériaux (CDM), centre de recherche commun à ARMINES et MINES ParisTech (coordinateur du projet, France), le CEA (France) et l’Université de Münster (Allemagne).