Etude des mécanismes de corrosion de l'Inconel 617 dans le circuit primaire des Réacteurs à Haute Température refroidis par hélium

par Jérôme Chapovaloff

Thèse de doctorat en Science des Matériaux

Sous la direction de Krzysztof Wolski et de Michèle Pijolat.

Soutenue en 2009

à Saint-Etienne, EMSE .


  • Résumé

    L’Inconel 617 est un alliage à base de nickel, de chrome et de molybdène et il se positionne comme l’un des matériaux candidats à la réalisation de l’échangeur thermique des Réacteurs à Haute Température (RHT) refroidis par hélium (réacteurs de Génération IV). Le retour d’expériences montre que l’hélium contient des impuretés gazeuses H₂O, H₂, CO, CH₄ en quantité réduite (de l’ordre du micro bar), responsables de réactions d’oxydation, de carburation ou de décarburation entre 850°C et 1 000°C. La formation d’une couche d’oxyde protectrice est envisagée pour éviter la dégradation des propriétés mécanique de l’échangeur de chaleur. Dans le cadre de l’analyse des processus d’oxydation de l’Inconel 617, deux axes de recherche sont abordés. L’un est centré sur l’influence de la vapeur d’eau et du monoxyde de carbone et l’autre sur le rôle des éléments mineurs, en occurrence, l’aluminium et le titane. Cette étude spécifique sur le rôle de l’aluminium et du titane fait appel à l’utilisation d’alliages modèles à base de NiCrMoC. Après avoir étudié l’ensemble de ces paramètres sur des essais de 20 heures à 850°C, les résultats sont les suivants. La vapeur d’eau est responsable à plus de 90 % de l’oxydation de l’Inconel 617 et elle inhibe dans certains cas la réaction entre le monoxyde de carbone et l’alliage. La couche d’oxyde formée est à base de chromine (Cr₂O₃) et elle est enrichie en titane et en manganèse. Nous montrons que le dopage de la chromine par le titane favorise la formation d’une couche d’oxyde protectrice. Quant à la présence d’alumine à l’interface métal/oxyde, nous montrons qu’elle ralentit la vitesse de croissance de la couche d’oxyde. Selon la teneur en vapeur d’eau, la croissance de la couche d’oxyde de l’Inconel 617 est décrite soit par un régime cinétique mixte de diffusion et d’interface (pour PH₂O ≤ 10 µbar), soit par un régime de diffusion pur (pour PH₂O > 10 µbar). Dans les deux cas, la vitesse de consommation du monoxyde de carbone est modélisée par un processus d’adsorption à la surface de la couche d’oxyde. Cependant, l’intégrité de la couche d’oxyde est compromise lors de l’élévation de la température. Au-delà d’une température critique, notée TA, nous observons la destruction de la couche d’oxyde. Nous montrons que la réaction de destruction qui se déroule à l’interface métal/oxyde met en jeu le carbone de l’alliage et la chromine pour produire du chrome dont une partie s’évapore et un dégagement de monoxyde de carbone. Sur la base de nos résultats, nous proposons un modèle cinétique.

  • Titre traduit

    Study of the corrosion mechanism of Inconel 617 in the primary circuit of high temperature reactors cooled by helium.


  • Résumé

    Inconel 617 is an alloy containing nickel, chromia and molybdenum and is ranked as one of the candidate materials in the realization of heat exchangers of High Temperature Reactors (HTR) cooled by helium (reactors of generation IV). The experience feedback shows that helium contains gas impurities H₂O, H₂, CO, CH₄ in reduced quantities (on the micro bar scale), responsible for reactions of oxidation, carburization or decarburization between 850°C and 1 000°C. The formation of a protective oxide layer is planned to avoid the degradation of the mechanical properties of the heat exchanger. Within the framework of the analysis of the processes of oxidation of Inconel, two research orientations are approached. One is centred on the influence of water vapour and carbon monoxide and the other on the role of the minor elements, notably, aluminium and titanium. The specific study on the role of aluminium and titanium calls upon the alloy model containing NiCrMoC. After having studied each of these parameters during 20 hours of tests at 850°C, the results are the following. The water vapour is responsible for more than 90 % of the oxidation of Inconel 617 and it inhibits in certain cases the reaction between carbon monoxide and alloy. The oxide layer formed contains chromine (Cr₂O₃) and is rich in titanium and manganese. We show that the doping of the chromine by titanium favours the formation of a protective oxide layer. As for the presence of alumina to the interface metal/oxide, we show that it slows down the growth rate of the oxide layer. According to the content of water vapour, the growth of the oxide layer of Inconel 617 is described either by a mixed kinetic mode of diffusion and interface (for PH₂O ≤ 10 µbar), or by a pure mode of diffusion (for PH₂O > 10 µbar). In both cases, the speed of consumption of carbon monoxide is modelled by a process of adsorption on the surface of the oxide layer. However, the integrity of the oxide layer is compromised during the rise of temperature. Beyond a critical temperature, noted TA, we observe the destruction of the oxide layer. We show that the reaction of destruction which proceeds at the interface metal/oxide brings into play the carbon of alloy and the chromine to produce chromium of which one part evaporates and carbon monoxide is released. On the basis of our result, we propose a kinetic model.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 volume (198 pages)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie pages 190-198

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque :
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 539.7 CHA
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.