Etude de la cinétique d’oxydation et contraintes résiduelles de l’Inconel 600 sous air humide

par Ji Xiao

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Vincent Ning Ji.

Soutenue le 12-12-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Synthèse, Propriétés et Modélisation des Matériaux (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Frederico Garrido.

Le jury était composé de Vincent Ning Ji, Frederico Garrido, Julio A. Gonzalo Gonzales, Nathalie Prud'homme.

Les rapporteurs étaient Chedly Braham, Benoît Panicaud.


  • Résumé

    Des influences de l’humidité sur le comportement à l’oxydation sous air de l’alliage Inconel 600 ont été étudiées à haute température (de 600°C à 900°C) pour différentes durées d’oxydation (de 24 heures à 150 heures). La cinétique d’oxydation a été étudiée par l’analyse thermogravimétrie : à une température relativement basse (de 600°C à 700°C), la cinétique suit une seule loi parabolique ; à plus haute température (de 800°C à 900°C), une évolution en deux étapes a été observée, chaque étape suit une loi parabolique. En présence de la vapeur d’eau (de 0% à 19% d’humidité absolue), à toutes les températures étudiées, la teneur de Cr en surface de l’oxyde est plus élevée que celle oxydée sans vapeur d’eau. L’oxydation à une même température, la prise de masse diminue en présence de la vapeur d’eau. La morphologie de la surface oxydée est étudie par MEB-FEG. Avec la présence d’humidité, la couche d’oxyde est plus compacte et homogène. En couplant avec la diffraction des rayons X en faible incidence (GIXRD), deux couches d’oxyde ont été observées dans la section transversale quand la température d’oxydation est plus de 700°C avec ou sans l’humidité: la couche externe contient principalement de la phase NiO et la couche interne contient de spinelle NiCr2O4 et de la phase Cr2O3. Les fractions de chaque phase dépendent des conditions d'oxydation (température, taux humidité, durée d’oxydation etc…). Les études de contraintes dans les couches d’oxydes ont été effectuées par la méthode classique des sin2ψ en diffraction des rayons pour les contraintes résiduelles, ainsi que par la méthode de déflexion in situ pour les contraintes de croissance. Les contraintes résiduelles dans les 2 couches oxydes sont en compression, tandis que le niveau de contraintes résiduelles de compression dans la couche NiO (<600 MPa) est moins important que celui dans la couche de NiCr2O4 (> 800 MPa). En présence de la vapeur d’eau, les contraintes résiduelles en compression augmentent de façon très importante. Les analyses et les évaluations des contraintes (résiduelles, croissance et thermique) ont été effectuées. Ces résultats indiquent que le mécanisme d'oxydation n’est pas seulement un processus chimique, mais un processus mécano-chimique complexe qui fait intervenir le comportement mécanique. Les analyses par SIMS et par XPS ont été réalisées sur des échantillons oxydés pour étudier le mécanisme de diffusion atomique et le rôle de l’humidité sur l’oxydation.

  • Titre traduit

    Study of the oxidation kinetics and residual stress of the Inconel 600 in humidity air


  • Résumé

    Humidity influences on the oxidation behavior of the alloy in air Inconel 600 were investigated at high temperature (600°C to 900°C) for various oxidation periods (24 hours to 150 hours) .The oxidation kinetics were studied by thermo gravimetric analysis: at a relatively low temperature (600°C to 700°C), the kinetics following a single parabolic law; at a higher temperature (800°C to 900°C), a two-stage evolution was observed, each step follows a parabolic law. In the presence of water vapor (from 0% to 19% absolute humidity) at all temperatures studied, the content of Cr in the oxide surface is higher than that oxidized without steam. Oxidation at the same temperature, the weight gain decreases in the presence of water vapor.The morphology of the oxidized surface is studied by FEG-SEM. With the presence of water vapor, the oxide layer is more compact and homogeneous. By coupling with the X-ray diffraction in low incidence (GIXRD), two oxide layers were observed in the cross section when the oxidation temperature is over 700°C with or without humidity: the outer layer contains mainly of the NiO phase and the inner layer contains spinel NiCr2O4 and Cr2O3 phase. The fractions of each phase depend on the oxidation conditions (temperature, humidity, oxidation period etc ...).Constraints studies in the oxide layers have been made by the classical method of ray diffraction sin2ψ to residual stresses as well as the in situ method for deflection of the growth stresses. Residual stresses in the two oxide layers are in compression, while the level of compressive residual stress in the NiO layer (<600 MPa) is less than that in the layer of NiCr2O4 (> 800 MPa). In the presence of water vapor, the compressive residual stress increases dramatically. The analyzes and assessments of constraints (residual, growth and thermal) were performed. These results indicate that the oxidation mechanism is not only a chemical process, but a complex chemical mechanical process involving the mechanical behavior. Analysis by SIMS and XPS were performed on samples oxidized to study the atomic scattering mechanism and the role of humidity on the oxidation.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?