Caractérisation des mécanismes d'usure par tribocorrosion d'alliages modèles Ni-Cr

par Claudiu Constantin Ionescu

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Pierre Ponthiaux.

Le président du jury était Patrick Perré.

Le jury était composé de Pierre Ponthiaux, Jean-Pierre Celis, Damien Féron, Tony Prezeau, Olivier Raquet.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Celis, Damien Féron.


  • Résumé

    Les alliages à base nickel sont utilisés dans les centrales nucléaires pour la fabrication des tubes générateurs de vapeur, parce qu’ils présentent une bonne résistance aux sollicitations mécaniques élevées dans un milieu corrosif à haute température. La résistance au milieu corrosif est attribuée à une couche protectrice très fine de Cr2O3 qui se forme à la surface de l’alliage. Les tubes générateurs de vapeur comptent parmi les composants les plus délicats à entretenir, d’une part, du fait de leur importance pour la sûreté et, d’autre part, parce que les tubes d’échange sont soumis à de nombreux mécanismes de dégradation à cause de conditions sévères de fonctionnement.. L’objectif de cette étude a été d’évaluer et de comparer le comportement en tribocorrosion de deux alliages modèles Ni – 15%Cr et Ni – 30%Cr. Ces alliages ont été utilisés pour mettre en évidence, évaluer et comparer l’influence de la teneur en chrome sur la formation de la couche d'oxyde superficielle et le rôle de cette dernière sur les mécanismes et cinétiques d'usure par tribocorrosion. L’étude de la tribocorrosion a été effectuée à l’aide d’un tribomètre pion – disque par application d’un frottement unidirectionnel, en régime continu et intermittent en milieu aqueux boré – lithié à la température ambiante. La dégradation de la couche protectrice formée à la surface des deux alliages a été suivie en mettant en œuvre un protocole expérimental en trois étapes. Dans la première étape du protocole, le suivi de l’évolution du potentiel libre et l’enregistrement des diagrammes d’impédance électrochimique ont été utilisés pour analyser le comportement électrochimique des deux alliages en absence de frottement. Lors de la deuxième étape, les mêmes techniques électrochimiques ont été employées en présence d’un frottement continu et pour différentes pressions de contact. Durant l’étape trois du protocole, des essais de tribocorrosion en régime de frottement intermittent ont été réalisés pour mettre en évidence la capacité d’auto cicatrisation de la surface des deux alliages modèles. Pour les deux alliages Ni - Cr, les essais de tribocorrosion ont mis en évidence une augmentation de l’usure totale avec la pression de contact appliquée. Quel que soit la force normale appliquée, la principale composante de l’usure totale est l’usure mécanique du substrat mis à nu. L’usure purement corrosive du substrat diminue avec l’augmentation de la teneur en chrome. Du point de vue qualitatif, le principal mécanisme d’usure identifié a été l’usure abrasive par micro - labourage. Dans cette étude a été effectuée une étude de l’usure d’alliages modèles Ni – Cr, dans les conditions de tribocorosion, ainsi que une analyse du mécanisme et la cinétique d’usure. Le comportement de la couche superficielle d’oxyde de chrome et son effet sur la résistance à la tribocorrosion ont été évalués. Ces résultats peuvent servir de base à la compréhension de l’origine des problèmes qui peuvent apparaître pendant la vie d’un alliage inoxydable à base nickel soumis à des efforts mécaniques en milieu agressifs et permettre une sélection plus pertinente des matériaux métalliques pour diverses applications industrielles, particulièrement dans le domaine nucléaire.

  • Titre traduit

    Characterization of wear mechanism by tribocorrosion of nickel base alloys


  • Résumé

    Some components of nuclear power plants, as steam generator tubes are made from Ni base alloys. These components are exposed to severe environment of high temperature and high pressure and submitted to contact mechanical stresses. These Ni – based alloys properties are determined by their ability to form on their surface an inner protective barrier film mainly composed of Cr2O3. The steam generator tubes are among the most difficult components to maintain, on the hand, because of their safety importance and secondly, the exchange tubes are subject to various degradation mechanisms, because of the harsh conditions of work. Wear by tribocorrosion is a physicochemical aging mechanism which occurs in the management of the nuclear power plants life time.Tribocorrosion is an irreversible process which involves mechanical and chemical / electrochemical interactions between surfaces in relative motion, in the presence of a corrosive environment. The goal of this study was to quantify in terms of quantity and quality the wear generated by tribocorrosion process on Ni – Cr model alloys. Two model alloys: Ni -15Cr and Ni -30Cr were used to highlight, evaluate and compare the influence of the chromium content on the formation of the protective oxide layer and the role played by the latter one on the kinetics and mechanisms of wear by tribocorrosion. The tribocorrosion experiments were performed by using a pin -on–disc tribometer under controlled electrochemical conditions in LiOH – H3BO3 solution. The corrosion – wear degradation of the protective layer during continuous and intermittent unidirectional sliding tests was investigated by a three-stage tribocorrosion protocol. In the first stage, electrochemical techniques (open circuit potential measurements and electrochemical impedance measurements) were used without applying unidirectional sliding to monitor and evaluate the characteristics of protective oxide layer formed on the surface of the two model alloys. In the second stage, the same electrochemical techniques were employed during the application of the unidirectional sliding test to evaluate the total material loss for different applied contact pressures. In the last stage of the experimental procedure the self healing process was investigated by intermittent unidirectional sliding tests.The total material loss after a tribocorrosion experiment, determined by profilometric measurements, is the sum of two components: the material loss due to corrosion of active material in the wear track, which can be calculated fro, the corrosion current values given by impedance measurements; applying Faraday’s law, and the material loss due to mechanical wear, the difference between total material loss and the material loss due to corrosive wear. Experiments proved that the total material loss increases with the increase of the contact pressure in both cases of Ni – Cr model alloys. The prevailing contribution in the total volumetric material loss is the material loss due to mechanical wear of active material in the sliding track. Nevertheless, the increase of the chromium content improves the resistance to the corrosive wear of active material in the sliding track. From qualitative viewpoint, a mechanism of abrasive wear by micro-ploughing was revealed in the sliding tracks.


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