Analyse par microspectroscopie Raman de l'évolution des contraintes de croissance et résiduelles au cours de la formation de films de chromine sur l'alliage Ni-30Cr : conséquences sur les mécanismes d'endommagement

par Mbaihoudou Kemdehoundja

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-François Dinhut.

Soutenue en 2008

à La Rochelle .


  • Résumé

    Lors de l’oxydation d’un métal (ou alliage), la formation d’une couche continue d’oxyde sur la surface peut constituer une barrière protectrice dont le rôle est de ralentir la cinétique du processus d’oxydation. L’efficacité de cette protection dépend également de l’intégrité de la couche d’oxyde. En effet, les contraintes inhérentes à l’apparition de l’oxyde peuvent localement être à l’origine de sa fissuration et de son écaillage, phénomènes conduisant à remettre à nu le métal et donc à permettre la poursuite de l’oxydation. Dans le but de prédire et d’améliorer la durée de vie des métaux et alliages travaillant en atmosphères oxydantes, il est nécessaire de comprendre les raisons qui gouvernent la croissance des contraintes dans les couches d’oxyde, la naissance des fissures ainsi que l’apparition de l’écaillage. La mesure du niveau des contraintes et leur distribution dans la chromine (l’oxyde de chrome Cr2O3) sont particulièrement importantes parce que la chromine est le principal constituant de la couche d’oxyde protectrice des aciers inoxydables et des alliages contenant le chrome. Dans ce travail, les couches de chromine ont été développées, à haute température (de 700°C à 900°C), sur un alliage chromino-formeur de composition proche de la stoechiométrie Ni2Cr ; trois vitesses de refroidissement ont été retenues pour cette étude (trempe à l’air, trempe à l’eau et refroidissement lent dans le four). Les cinétiques d’oxydation de l’alliage Ni-30Cr ont été réalisées in-situ (oxydation en continu) et ex-situ (oxydation en discontinu). Les analyses microscopiques ont permis de faire l’étude de la microstructure des couches d’oxydes formées. La mesure des contraintes a été réalisée par microspectrométrie Raman qui s’est révélée la technique la mieux appropriée; il a ainsi été possible de déterminer, avec une précision satisfaisante, le niveau des contraintes d’une part dans l’oxyde en cours de formation en précisant les spécificités au voisinage des joints du substrat (qui sont des chemins privilégiés pour la formation de l’oxyde) et d’autre part dans la couche d’oxyde endommagée (cloquée ou écaillée) ou non. L’étude de l’endommagement des couches de chromine a été détaillée grâce aux analyses à la spectroscopie Raman et aux différentes analyses microscopiques ; l’identification et la description (contraste, profil géométrique, profil en contrainte) des zones endommagées, le taux d’endommagement et l’influence des principaux paramètres (vitesse de refroidissement, le temps d’oxydation et la température d’oxydation) sur cette dégradation ont constitué les points essentiels de cette étude.

  • Titre traduit

    Raman microspectroscopy analysis of growth and residual stresses evolution in chromia (Cr203) films developed on Ni-30Cr alloy : consequences on the mechanisms of oxide layers degradation


  • Résumé

    When a metal (or alloy) is placed in an oxidizing environment, the formation of a continuous oxide layer which can constitute a surface protective barrier whose role is to slow down the kinetics of the oxidation process. The effectiveness of this protection also depends upon the integrity of the oxide coating. Spalling and cracking phenomena can locally induce a direct contact between oxygen and metal giving rise to a new oxidation process. To increase the metals and alloys lifetime working in oxidizing atmospheres, it is necessary to understand the reasons which control the stress generation in oxide layers and the appearance of cracks and spalls. The present work deals with chromia (Cr2O3) which is of interest particularly because it is the main protective oxide in stainless steels and various chromium alloys. In this work, chromia films are formed in air at high temperature (between 700°C and 900°C) on a chromia-former alloy Ni-30Cr. The cooling is performed using three usual cooling rates (furnace cooling, air quenching and water quenching). The oxidation kinetics have been determined both by in situ experiments (TGA) and ex situ. Microscopic analysis (optical and SEM observations) have lead to the oxide characterization, mainly oxide thickness and mean grain size of the forming oxide. Raman spectroscopy has been used to measure in situ the growth stress and a more detailed analysis has been realized in the grain boundary vicinity. Stress relaxation and residual stress measurements give a complete knowledge of the stress behaviour in chromia films. Experimental conditions for the occurrence of damage and, due to the submicronic accuracy of the micro-Raman spectroscopy, the stress distribution around buckles and spalls are determined. The stress evolution with the experimental parameters, mainly time, temperature, and cooling rate is given leading to the conditions of the oxide degradation. Each experimental measurement is compared to the corresponding theoretical result.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (153 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 141-150

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