Comportement mecanique et oxydation d'alliages fecral a haute temperature

par GAETAN MERCERON

Thèse de doctorat en Terre, océan, espace

Sous la direction de Jean-Loup Strudel.

Soutenue en 2000

à Paris, ENMP .

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  • Résumé

    Afin d'augmenter les performances des fours industriels, edf et gdf participent au developpement de systemes de chauffage necessitant l'utilisation de materiaux refractaires. Ces materiaux doivent resister a une sollicitation mecanique (fluage) et a une sollicitation chimique (oxydation, nitruration. . . ) entre 1100\c et 1300\c. Deux alliages de type fecral ont ete etudies : l'alliage apm (fe20cr5al sans dispersoide) et l'alliage ma 956 renforce par dispersion d'oxydes (fe20cr5al + y 2o 3). La presence d'une fine dispersion de particules d'yttrine ameliore a la fois les proprietes mecaniques et le comportement face a l'oxydation. L'objectif de cette etude est de determiner les parametres pertinents pour le dimensionnement des elements de chauffage face aux sollicitations mecanique et chimique pour les deux alliages (apm et ma 956). Les traitements d'oxydation menes a 1200\c et 1300\c ont montre l'effet benefique de la dispersion de particules d'yttrine sur les qualites protectrices de la couche d'oxyde developpee sur l'alliage ods. Apres plusieurs milliers d'heures, de film d'oxyde presente une bonne adherence et un faible endommagement. Les evolutions de la couche d'oxyde (morphologie, adherence. . . ) et du substrat (taux d'aluminium) ont ete etudies a partir de traitements isothermes et anisothermes de longue durees (jusqu'a 16 mois). La croissance de l'oxyde entraine une diminution du taux d'aluminium du substrat. Un modele permettant de prevoir l'evolution de ce taux d'aluminium en conditions isothermes a ete etabli a partir de la loi de croissance parabolique de l'oxyde. Pour les temps d'exposition les plus longs, ce taux d'aluminium atteint une valeur critique, estimees a 1,7% en masse, en dessous de laquelle l'alliage ne peut plus former de couche d'alumine continue et protectrice. Un regime d'oxydation catastrophique apparait alors avec la formation d'oxydes de fer et de chrome conduisant a la ruine chimique de l'element. Les caracteristiques mecaniques des deux materiaux ont ete etudiees a partir d'essais de fluage en tension et en compression. Au dessus de 1100\c, le comportement de l'alliage apm se caracterise par une faible resistance mecanique (fluage sous quelques mpa) et une ductilite importante (>25%). Le developpement d'un endommagement intergranulaire sous un sollicitation de fluage en tension entraine une asymetrie de comportement entre les deux modes de sollicitation. Les proprietes mecaniques de l'alliage ma 956 sont tres superieures a celles de l'alliage apm. Un comportement viscoplastique apparait uniquement pour les contraintes proches de la limite d'elasticite (entre 90 et 110 mpa) et se caracterise par des valeurs elevees des exposants de contrainte apparents (n 50) et des energies d'activation apparentes (h a 1000 kj/mol). Sur une large partie du domaine d'elasticite (70 a 80%), aucun comportement viscoplastique n'est decelable sous une sollicitation de fluage en tension et la duree de vie des eprouvettes depend alors de la repartition aleatoire des defauts initialement present dans la structure etudiee (cavites, heterogeneites de repartition du dispersoide). L'alliage ods doit donc etre considere comme un materiau heterogene. Pour les contraintes les plus faibles, les defauts initiaux ont une taille inferieure a la taille critique et la duree de vie depend alors des evolutions microstructurales de la structure consideree dans les conditions de services. Des expositions de plusieurs mois a ces niveaux de temperature entrainent une coalescence des particules d'yttrine et des cavites presentes dans le pieces de ma 9856. L'evolution de ces parametres microstructuraux conduit a une diminution de la resistance mecanique des pieces en ma 956 qui a ete evaluee a partir d'essais de fluage. La prise en compte des deux types de degradation (mecanique et chimique) apres une longue exposition sous air permet d'etablir un diagramme d'aide au dimensionnement des elements de chauffage en fonction de ces deux types de sollicitation.


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Informations

  • Détails : 200 p.
  • Annexes : 122 ref.

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