Corrosion en eau supercitrique : Apport à la compréhension des mécanismes pour des alliages Fe-Ni-Cr de structure c.f.c

par Mickaël Payet

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Pierre Chevalier.

Soutenue le 28-06-2011

à Paris, CNAM , dans le cadre de Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Yves Wouters.

Le jury était composé de Jean-Pierre Chevalier, Yves Wouters, Gilles Bonnet, Krzysztof Wolski, Loïc Marchetti-Sillans, Olivier Raquet.

Les rapporteurs étaient Gilles Bonnet, Krzysztof Wolski.


  • Résumé

    L’eau supercritique peut être utilisée comme caloporteur à haute pression pour améliorer le rendement des centrales électriques. Pour un concept de réacteur nucléaire, la durée de vie des matériaux est un paramètre important en termes de sécurité. Par conséquent, les critères de sélection des matériaux pour un concept de réacteur à l’eau supercritique concernent les propriétés mécaniques à haute température pour une bonne tenue au fluage et à l’irradiation mais également une résistance à la corrosion généralisée et à la corrosion sous contrainte. Ce travail à pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de corrosion en eau supercritique à 600°C et 25 MPa pour des alliages c.f.c contenant du fer, du nickel et du chrome. Des essais de corrosion ont été réalisés sur des autoclaves échantillons d’alliages 316L et 690 en prenant en compte l’état de surface. Les couches d’oxydes formées ont été décrites en termes de morphologie, de composition et de structure, après caractérisations par microscopie électronique à balayage, par spectroscopie à décharge luminescente et par diffraction des rayons X. Si un comportement de type gazeux de l’eau supercritique est attendu dans les conditions d’essai, les résultats montrent une dissolution significative de certains éléments de l’alliage. Par conséquent, la corrosion en eau supercritique peut être considérée comme similaire à la corrosion aqueuse avec un effet de la température qui peut influencer la diffusion en phase solide par exemple. Pour l’alliage 690, la couche d’oxyde protectrice formée sur une surface polie est composée de chromine et surmontée d’un chromite ou d’un spinelle mixte de nickel et de fer. La double couche d’oxyde formée sur une surface de même finition pour l’alliage 316L semble moins protectrice. La couche externe de magnétite est poreuse et la couche interne riche en chrome est non homogène. Pour chaque alliage, l’étude des mécanismes de diffusion, grâce à des expériences utilisant des marqueurs ou des traceurs, révèle une croissance de la couche d’oxyde contrôlée par un processus anionique. Cependant, l’état de surface influence fortement les mécanismes de formation des couches d’oxyde. La comparaison des résultats sur l’acier suggère qu’il y a une concurrence entre l’oxydation du fer et celle du chrome. Une quantité suffisante de chrome est nécessaire pour former une fine couche d’oxyde protectrice. Les surfaces très déformées ou à microstructure à grains très fins conduisent à des fines couches d’oxyde de chrome, grâce à une forte densité de site de germination ou grâce aux courts-circuits de diffusion du chrome. L’état de surface est donc déterminant pour l’acier mais le même paramètre engendre des effets différents pour l’alliage à base de nickel. Les surfaces usinées deviennent sensibles à une oxydation interne du chrome, même si une fine couche d’oxyde continue et riche en chrome et manganèse se forme. Ce phénomène suggère une diffusion accélérée concurrentielle entre l’oxygène et le chrome. Pour conclure, ce travail propose un mécanisme de croissance de la couche d’oxyde dans chaque cas et discute des conditions favorables à la formation d’une couche d’oxyde protectrice riche en chrome dans l’optique d’une application au réacteur à eau supercritique.

  • Titre traduit

    Mechanism study of c.f.c Fe-Ni-Cr alloy corrosion in supercritical water


  • Résumé

    Supercritical water can be use as a high pressure coolant in order to improve the thermodynamic efficiency of power plants. For nuclear concept, lifetime is an important safety parameter for materials. Thus materials selection criteria concern high temperature yield stress, creep resistance, resistance to irradiation embrittlement and also to both uniform corrosion and stress corrosion cracking.This study aims for supplying a new insight on uniform corrosion mechanism of Fe-Ni-Cr f.c.c. alloys in deaerated supercritical water at 600°C and 25MPa. Corrosion tests were performed on 316L and 690 alloys as sample autoclaves taking into account the effect of surface finishes. Morphologies, compositions and crystallographic structure of the oxides were determined using FEG scanning electron microscopy, glow discharge spectroscopy and X-ray diffraction. If supercritical water is expected to have a gas-like behaviour in the test conditions, the results show a significant dissolution of the alloy species. Thus the corrosion in supercritical water can be considered similar to corrosion in under-critical water assuming the higher temperature and its effect on the solid state diffusion. For alloy 690, the protective oxide layer formed on polished surface consists of a chromia film topped with an iron and nickel mixed chromite or spinel. The double oxide layer formed on 316L steel seems less protective with an outer porous layer of magnetite and an inhomogeneous Cr-rich inner layer. For each alloy, the study of the inner protective scale growth mechanisms by marker or tracer experiments reveals that diffusion in the oxide scale is governed by an anionic process. However, surface finishes impact deeply the growth mechanisms. Comparisons between the results for the steel suggest that there is a competition between the oxidation of iron and chromium in supercritical water. Sufficient available chromium is required in order to form a thin oxide layer. Highly deformed or ultra fine microstructure surfaces lead to thin chromium rich oxide layers thanks to either diffusion short circuiting or increasing Cr oxide nucleation site. The nature of the surface is a determining factor in the steel instance. The same parameter breeds different effects for the Ni-based alloy. Machined surfaces lead to internal oxidation on alloy 690 even if a thin Cr and Mn rich oxide scale is formed. Competitive diffusion of oxygen and Cr species through the diffusion short circuit paths of the alloy is suggested. This work proposes oxide growth mechanisms for each case. Finally the conditions leading to the formation of chromium-rich protective oxide films in supercritical water are discussed.


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