CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Etude du couplage « corrosion-oxydation-comportement mécanique » par des techniques de caractérisation avancées – COMPAACT

COMPAACT: Etude du couplage « corrosion-oxydation-comportement mécanique » par des techniques de caractérisation avancées

Etude du couplage « corrosion-oxydation-comportement mécanique » par des techniques de caractérisation avancées

Vers une meilleure compréhension des effets de surface des matériaux structurels exposés à haute température en atmosphère oxydante : comportement mécanochimique des échantillons ultraminces

Les problématiques d’endommagements précoces liés à l’oxydation/corrosion sous contrainte sont largement rencontrées dans<br />l’Industrie, notamment pour des applications à haute température (650°C-1100°C) en environnements sévères. COMPAACT est un<br />projet fondamental et expérimental abordant l’influence des couplages multi-physiques sur les propriétés surfaciques et<br />sous-surfaciques de matériaux évolutifs dans le temps. L’expertise concomitante de ce consortium permettra le développement d’un<br />banc d’essais mécaniques innovant offrant la possibilité de corréler de manière in-situ et simultanée la déformation multi-échelle de<br />matériaux à leur réactivité de surface. La levée de certains verrous scientifiques permettra ainsi une compréhension nouvelle des<br />phénomènes de corrosion sous contrainte, mais aussi de renforcer le développement de technologies d’élaboration et d’ingénierie<br />des surfaces de nouveaux matériaux dédiés aux applications structurelles sévères.

- Développer un Jig de précision spécifique pour obtenir des échantillons de l'ordre du µm mais de la taille du centimètre ;
- Etudier le phénomène de breakaway généralisé et localisé lors de l'oxydation haute température en présence ou non d'un chargement mécanique;
- Développer une chambre à haute température sous atmosphère contrôlée permettant l'étude de la réactivité de surface associée au champ de déformation.

- Conception, fabrication, démonstration et validation du Jig de précision spécifique pour obtenir des échantillons de l'ordre du µm mais de la taille du centimètre (Meilleure stabilité, diminution de l’épaisseur minimale d’échantillon de 15 à 8 µm, plus faible variation d’épaisseur lors de les préparation des échantillons).
- Étude des mécanismes et cinétique d’oxydation à haute température des revêtements et des superalliages à base de Ni en utilisant différentes épaisseurs: Mise en évidence du ratio épaisseur/température/temps pour l’activation du breakaway généralisé.
- Étude de la réactivité de surface locale et généralisée affectée par une contrainte mécanique externe (charge cyclique ou statique) sur la réactivité de surface des superalliages à base de Ni de différentes épaisseurs.
- Saisir le début de la localisation de la déformation à l'échelle de la microstructure due à l'application d'une contrainte mécanique externe (charge cyclique ou statique) et l'associer à la réactivité locale de la surface.
- Caractérisation spectroscopique spatio-temporelle des événements de réactivité de surface sur les échantillons.
- Développement d’une enceinte à haute température sous atmosphère contrôlée permettant la mesure cinématique et spectroscopique aux petites échelles à haute température.

- Développer un banc d'essai permettant des essais photomécaniques à haute température et aux petites échelles pour étudier les mécanismes d'oxydation assistés par la déformation à haute température à l'échelle de la microstructure.

[1] Texier, D., Copin, E., et al. High temperature oxidation of NiCrAlY coated Alloy 625 manufactured by selective laser melting. Surf Coat Technol (2020), in press

[2] Texier, D., Cadet, C., Straub, T. et al. Tensile Behavior of Air Plasma Spray MCrAlY Coatings: Role of High Temperature Agings and Process Defects. Metall and Mat Trans A 51, 2766-2777 (2020). doi.org/10.1007/s11661-020-05722-3

[3] Cadet, C., Straub, T. Texier, D. et al. Tensile behavior of air plasma spray MCrAlY coatings: Role of high temperature aging and process defect, in: ICMCTF 2019, poster à une conference internationale (2018) San Diego (USA)

[4] Texier, D. et al. Essais micromécanique pour des caractérisations mésoscopiques
et essais macromécanique pour des caractérisations microscopiques à haute températures, in : Séminaire invité LSPM (2019) Paris (France)

[5] Texier, D. La micromécanique haute température pour le couplage «oxidation-diffusion-mécanique« in : Séminaire invité GdR COnCOrD (2019) Compiègne (France)

[6] Javaudin, B., Ecochard, M., Gilblas, R. et al. Suivi in-situ de l'oxydation d'un rev$ecirc;tement MCrAlY par thermoréflectométrie proche infrarouge in : Poster conférence nationale SFT (2019) Nantes (France)

[7] Texier, D., Sirvin, Q. Velay, V. et al. Oxygen/nitrogen-assisted degradation of the mechanical behavior of titanium alloys exposed at elevated temperature, in: Titanium 2018, présentation à une conference internationale (2019) Nantes (France)

Les problématiques d’endommagements précoces liés à l’oxydation/corrosion sous contrainte et à la déformation sous atmosphère réactive sont largement rencontrées dans l’Industrie, notamment pour des applications à haute température (650°C-1200°C) en environnements sévères. Ces dégradations altèrent les propriétés de surface mais aussi celles de volume des matériaux de par la consommation sélective des éléments chimiques participant à la réactivité de surface. Le matériau sous-jacent à la surface réactive présente dès lors un gradient de composition chimique, de microstructure et de propriétés physiques. Malgré les échelles négligeables de ce gradient (échelle micrométrique) au regard des dimensions des pièces de structure, la variabilité du comportement mécanique au sein du gradient gouverne généralement l’endommagement précoce et la ruine progressive des pièces de structure. L’évaluation quantitative des propriétés au sein du gradient évolutif dans le temps n’est pas triviale, qui plus est à haute température. Cependant, la connaissance des propriétés locales est nécessaire pour une meilleure compréhension et prédiction de ces endommagements précoces. Les superalliages à base de nickel et les revêtements protecteurs ont été intentionnellement choisis pour cette étude.
COMPAACT est un projet fondamental et expérimental abordant l’influence des couplages multi-physiques sur les propriétés surfaciques et sous-surfaciques de matériaux évolutifs dans le temps. Pour y parvenir, COMPAACT vise à développer un banc d’essai mécanique innovant et versatile offrant la possibilité de coupler la mesure de déformation multi-échelle (échelles macroscopiques, mesoscopiques et en deçà de la microstructure) et les évolutions locales de réactivité de surface (microfissuration de l’oxyde, écaillage, croissance rapide d’oxydes, phénomène de « breakaway », etc.) à haute température et sous diverses atmosphères. L’étude cartographique d’évolution d’émissivité locale due à la réactivité de surface (thermoréflectométrie et/ou capteur CCD) couplée à des mesures de champs cinématiques (outils photomécaniques) apporte une dimension originale et justifie de tels développements expérimentaux.
Cette étude a pour prétention d’apporter un nouveau regard sur la compréhension physique et la prédiction de comportements mécaniques au sein du matériau à gradient de propriétés évolutif dans le temps du fait des réactivités de surface. La réactivité de surface et les effets de surface sous chargement mécanique seront dans un premier temps étudiés de manière distincte. L’étude des transitions d’échelles en réactivité de surface et en mécanique permettra d’amplifier considérablement les effets de surface en jouant sur l’épaisseur des échantillons (i.e. forts et faibles rapports « surface/volume »). En ce qui concerne les phénomènes de réactivité de surface, travailler à volume de matière limité permet de sonder et d’anticiper les dégradations prématurées inhérentes à l’appauvrissement des éléments réactifs participant à la formation des oxydes protecteurs (« effet de réservoir »). Des oxydes à croissance rapide (spinelles, etc.) se forment dès que le matériau atteint une concentration seuil en aluminium et/ou chrome : le phénomène de breakaway. En parallèle, le confinement de la déformation sur la réponse mécanique d’échantillons de faible épaisseur sera étudié en présence d’une surface libre et oxydée. Ensuite, l’étude du couplage thermo-mécanochimique permettra de corréler les prémices de déformations localisées (élastiques comme plastiques) obtenus par corrélation d’images à haute résolution avec la localisation et la cinétique de réactivité de surface. Comme mentionné précédemment, la métrologie in-situ des surfaces sera spécifiquement développée dans le but ultime de proposer un critère pour l’identification des mécanismes élémentaires de réactivité surface via l’évolution spatiotemporelle de l’émissivité.

Coordination du projet

Damien Texier (Centre National de la Recherche Scientifique/Institut Clément Ader - UMR CNRS 5312)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS/ICA-UMR CNRS 5312 Centre National de la Recherche Scientifique/Institut Clément Ader - UMR CNRS 5312

Aide de l'ANR 213 246 euros
Début et durée du projet scientifique : - 42 Mois

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