DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Tests multi-échelles en corrosion : application à la prévision de la propagation de la corrosion intergranulaire d’un alliage de référence en aéronautique. – M-SCOT

Tests multi-échelles en corrosion: application à la prévision de la propagation de la corrosion intergranulaire d’un alliage de référence en aéronautique.

Le coût de la maintenance aéronautique peut être réduit en proposant des stratégies d’inspection intégrant des outils prédictifs des risques de propagation d’un défaut existant. C'est le cas de la corrosion intergranulaire, qui constitue un site d’amorçage de rupture en fatigue qui risque d’être très dommageable pour l’intégrité d’une structure avion. La prévision de la vitesse de propagation de ce type de défaut reste un enjeu scientifique non résolu et un obstacle technique clé.

L'objectif est de pallier le manque de données prédictives sur la corrosion intergranulaire qui représente un réel blocage dans la mise en œuvre de la gestion opérationnelle des défauts de corrosion.

Les résultats attendus concernent la prévision de la vitesse de corrosion intergranulaire; ils sont issus d'essais sur éprouvettes ou d’expériences numériques, menés à l’échelle de la microstructure pour des milieux simulés numériquement, à l'échelle du laboratoire dans des environnements contrôlés et enfin à l'échelle de l'ingénieur dans des environnements normalisés représentatifs de conditions naturelles de corrosion atmosphérique (expositions en milieu marin, en brouillard salin, en immersion-émersion).

Dans le WP1 un modèle de transport réactif adapté à la géométrie du chemin de propagation de la corrosion intergranulaire sera mis en œuvre. La simulation par éléments finis (FEM) sera validée par des expériences spécifiques et cette simulation sera appliquée à des pores à fond actif de géométrie réalistes. Une attention particulière sera accordée à la définition des conditions chimiques initiales pour tester les effets environnementaux
En ce qui concerne le WP2, les objectifs restent de mettre en place une étude paramétrique pour améliorer la fiabilité des tests à l'échelle du laboratoire: (i) l'essai de traction sur des échantillons pré-corrodées ou TpC (Traction pour Corrosion) et (ii) la technique dite « thin foil penetration » (TFP). Les données de sortie concernant l'effet des modifications chimiques locales sur les propriétés mécaniques locales et la propagation de la corrosion seront utilisées comme données d'entrée dans les simulations en WP1.
Dans le cadre du WP3, il s’agira d’évaluer la robustesse des tests ainsi validés au laboratoire pour des applications à l'échelle d’essais de qualification (engineering scale) en conditions de corrosion atmosphérique normalisées. Des éprouvettes seront testées en environnements normalisés (exposition marine, brouillard salin, expositions immersion-émersion) afin d'établir une référence pour le comportement à la corrosion de l'alliage. Des essais TpC seront effectués sur des échantillons corrodés après exposition naturelle ou soumis à un brouillard salin tandis que des essais TFP seront réalisés en condition d’exposition à un brouillard salin.
Enfin, le WP4, permettra de discuter les résultats obtenus dans les WP2 et WP3, à savoir les profondeurs moyennes et maximales de pénétration, qui seront comparées à la vitesse de propagation instantanée définie dans le WP1, afin de structurer un «guide d'application«.

1. La mise au point de l’usinage d’une cavité de 100µm de diamètre en aluminium a permis de mesurer des vitesses de dissolution proche de la vitesse instantanée de propagation de la corrosion intergranulaire (CIG) : une publication est en préparation.
2. Cette vitesse a pu être comparée à des vitesses d’endommagement mesurées sur des feuillards d’alliage 2024 de 30µm d’épaisseur en milieu corrosif soumis à une CIG contrôlée en régime potentiostatique.
3. La méthode de détection initialement proposée dans la littérature pour la méthode TFP a été revisitée et a permis d’expliquer les incertitudes de mesures observées par le partenaire P2 lors d’essais menés dans des campagnes d’exploration antérieurs au projet
4. Dans le cadre de la tâche T2.1., des défauts de corrosion modèles ont été générés pour différentes conditions d’exposition (immersion continue et cyclage). La profondeur moyenne des défauts de corrosion et leur densité ont été mesurées sur la base d’observations en microscopie optique. Différentes techniques d’analyses telles que la microscopie électronique à transmission associée à la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons ont été mises en œuvre pour analyser à l’échelle locale les défauts de corrosion : on a notamment mis en évidence la présence d’une couche de nanoparticules de cuivre d’épaisseur 50-100 nm sur les parois des défauts de corrosion tout le long du chemin de propagation de ces défauts.

Le projet M- SCOT se déroule suivant le planning pré-defini. Trois résultats marquants ont été obtenus :
- La mise au point de l’électrode « 1-D Artificiel pit » constitue un résultat marquant.
- La détection de cuivre en fond de fissure qui confirme l’importance des réactions de réduction électrochimiques en fond de fissure.
- La mise au point de la détection dans la technique « thin foil penetration » revisitée.
On peut raisonnablement penser qu’on sera en mesure d’aborder suivant le planning, la tâche clé du projet T4.1. relative à la comparaison des différentes approches de mesure de la vitesse de propagation de la corrosion intergranulaire.

R.OLTRA, R.BONZOM
Revisiting Thin Foil Penetration Technique for Intergranular Corrosion Tests on Aluminum Alloys, Journal of The Electrochemical Society, 163 (6) C1-C3 (2016)

Comme les appareils vieillissent, la maintenance aéronautique représente un coût de plus en plus élevé qu’il devient important de réduire, en proposant des stratégies d’inspection intégrant des outils prédictifs des risques de propagation d’un défaut existant. La présence d’un défaut de corrosion, comme peut le provoquer la corrosion intergranulaire, forme donc un site d’amorçage de rupture en fatigue qui risque d’être très dommageable pour l’intégrité d’une structure avion. La prévision de la vitesse de propagation de ce type de défaut reste un enjeu scientifique non résolu et un obstacle technique clé. La construction du projet M-SCOT est motivée par le besoin important défini par le partenaire industriel de ce projet, AIRBUS Group Innovations, qui souhaite développer des stratégies de R&D permettant de valider des tests afin de statuer sur la nocivité d’un défaut de corrosion intergranulaire et sur la durée de vie restante pour la structure concernée. Dans ce projet M-SCOT, on propose de revisiter en particulier des tests de laboratoire en s’appuyant sur des simulations à l'échelle micro-environnementale.
La vitesse de propagation d’un défaut de corrosion intergranulaire, et donc la validation des tests, étant très liée à la microstructure des alliages concernés, le projet M-SCOT s’intéresse à l’alliage emblématique de l’aéronautique, l’alliage d’aluminium 2024. Le comportement en corrosion de ce dernier est en effet plus que largement décrit du point de vue phénoménologique dans la littérature et constitue une cause importante de dommage structural associé au vieillissement des avions civils et militaires. L'objectif final attendu est de pallier le manque de données prédictives pour ce qui concerne la corrosion intergranulaire; cela représente en effet un réel blocage dans la mise en œuvre de la gestion opérationnelle des défauts existants dans les structures, lorsque ceux-ci ont pour origine un phénomène de corrosion.
Le plan de travail scientifique et technique a été défini pour couvrir l’ensemble des échelles pertinentes pour ce type de corrosion afin de développer une méthodologie utilisable par les ingénieurs en charge de la maintenance qui soit basée sur la quantification des mécanismes de propagation (essais à l'échelle laboratoire) et sur la simulation numérique de la propagation de la corrosion intergranulaire (modélisation à l'échelle de la microstructure). Les résultats attendus concernent la prévision de la vitesse de corrosion intergranulaire; ils sont issus des essais sur éprouvettes ou d’expériences numériques, menés à l’échelle de la microstructure pour des milieux simulés numériquement, à l'échelle du laboratoire dans des environnements contrôlés et enfin à l'échelle de l'ingénieur dans des environnements normalisés représentatifs de conditions naturelles de corrosion atmosphérique (expositions en milieu marin, en brouillard salin, en immersion-émersion). Les tâches ont été construites, sur la base des compétences des trois partenaires impliqués, de façon à démontrer que la prédiction de la vitesse de corrosion intergranulaire nécessite la comparaison des profondeurs de pénétration moyennes et maximales obtenues lors des essais sur éprouvettes métalliques à la vitesse de propagation instantanée définie à partir de la modélisation. Au-delà des résultats immédiats du projet, le livrable final se présentera comme un guide d’application (pouvant constituer les bases d’une norme) qui aidera les ingénieurs à améliorer et à rationaliser leurs connaissances des tests de corrosion, afin de proposer des règles d’évaluation suivant une démarche reposant sur des lois de tolérance aux dommages. Les tests développés permettront de prédire la performance des pièces de structure qui sera de plus en plus importante d’autant que les matériaux métalliques sont, et seront combinés avec des matériaux composites par assemblages hybrides qui risquent de générer des dommages de corrosion complexes.

Coordinateur du projet

Monsieur Roland OLTRA (Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne)

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

ICB/UMR 6303 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
AGI AIRBUS Group Innovations
CIRIMAT Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux

Aide de l'ANR 551 928 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

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