Objectifs pédagogiques

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Oxydation (et corrosion) à haute
température
Réactions interfaciales et injection de
lacunes
Daniel Monceau
Institut Carnot CIRIMAT
CNRS - INP Toulouse
Protection
Remerciements à Bernard Pieraggi
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Objectifs pédagogiques
• Donner une vision synthétique du domaine, à
des ingénieurs ou scientifiques non-spécialistes
de l’oxydation haute température
• Concepts fondamentaux dont réactions
interfaciales et injection de lacunes
• Savoir où (re)trouver l’information
Oxydation haute température : Introduction

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Réaction hétérogène
Solide1 + surface + Gaz (+Liquide) -> Solide 1 + Solide2 + interfaces
Solide 1 : alliage métallique (ou céramique)
Gaz : contient des espèces oxydantes (O, N, S,..
Liquide : métaux fondus, sels fondus, verres, oxydes à bas point de fusion
Solide 2 : oxyde, nitrure, sulfure, …
Corrosion par les gaz chauds
Corrosion sèche
Oxydation haute température
M -> Mz+ + ze-
(z/4) O2+ ze--> z/2 O2-
_____________________
M + (z/4)O2-> MOz/2
Oxydation haute température : Introduction
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Domaine scientifique
-thermodynamique du solide
-physique et chimie du solide (oxydes, composés ioniques)
-surfaces / interfaces
-métallurgie
-électrochimie
-mécanique des matériaux
Oxydation haute température : Introduction

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Solide1 + surface + Gaz (+Liquide) -> Solide 1 + Solide2 +
interfaces
Ni-Cr + O2> Ni-Cr / Cr2O3
-> dégradation du solide 1 : durabilité des matériaux
(+érosion, frottements, fluage, fatigue)
-> fabrication d’un produit : ex: barrière de diffusion, ODS,
couche d’accrochage,..
Oxydation haute température : Introduction
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Exemple de dégradation dans les parties chaudes des turbines à gaz
Pale
H.P.
Sollicitations mécaniques
•Fluage
• Fatigue
Sollicitations environnementales
•Erosion
• Corrosion
• Oxydation
•Touches
Schéma général des processus de dégradation d'une pale de turbine à gaz
+ Interactions et Couplages
Durée de vie
des pièces et
des
systèmes
>> Eric Andrieu

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Exemple de l’oxydation comme moyen d ’élaboration
Industrie du silicium
Coupes transverses Si/SiO2(METHER)
Ex: Oxydation rapide à 800°C du Si (100) dans N2/O2
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Concepts
-auto-protection, concept de couche protectrice
-activation thermique
-diagramme d'Ellingham
-transition oxydation interne/externe
-oxydation intergranulaire
-croissance cationique et anionique de la couche d’oxyde
-dopage
-«breakaway»
-effet du 3eme élément
-effet préparation de surface
-effets du S, du Pt, des ER (REE), de H2Ovap
-déplacement des interfaces
-effet de la géométrie
-contraintes de croissance, RPB
-réactions interfaciales
-injection de lacunes
-contraintes d’origine thermique
- «wrinkling »
-écaillage, carte de performance p-kp
-…
Oxydation haute température : Introduction

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Causes de la dégradation, panne, rupture et ruine des installations
industrielles, des moteurs thermiques et des systèmes de production
d'énergie ?
Matériaux + Contraintes mécaniques
Environnement chimique
Températures extrêmes et variables
Pbs:
Soit mauvaise conception, mauvais choix de matériau,
Soit résultat d’une optimisation, c.à.d. d’un compromis entre performance-
rendement, coût matériaux et durée de vie,
Soit résultat de conditions extrêmes.
Oxydation haute température : Introduction
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Durée de vie Applications Tmax(°C)
0.1-1.0 h Moteurs et boucliers thermiques de fusée 2500
10-20 h Boucliers thermiques des navettes spatiales 1600-1800
100-200 h Lingotières des aciéries 1300-1500
1000 h Filaments des lampes d'éclairages 2500
4000-6000 h Moteurs thermiques à essence ou diesel 600-900
2000-45000 h Pétrochimie – Fours industriels - Cimenteries 1000-1200
15000-30000 h Réacteurs (avions civils) – résistances de fours 1050-1300
50000-150000 h Turbines à gaz industrielles de production d'énergie 900-1150
250000 h Industrie électronucléaire – Turbines à vapeur 300-650
1an = 8760 h
Oxydation haute température : Introduction