Étude de la précipitation de la phase σ dans un acier super austénitique

Study of the σ phase precipitation in a superaustenitic steel

• Auteur / Autrice : Raphaël Marin
• Direction : Hervé Combeau, Moukrane Dehmas, Julien Zollinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Combeau, Moukrane Dehmas, Julien Zollinger, Vladimir Esin, Jacques Lacaze, Marie Bedel, Natalia Loukachenko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vladimir Esin, Jacques Lacaze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ségrégation (métallurgie)

Composés intermétalliques

Solidification

Acier inoxydable austénitique

Mots clés libres

Phase sigma

Solidification

Acier super austénitique

Microségrégation

Sigma phase

Solidification

Super austenitic steel

Microsegregation

Résumé

L’amélioration de la résistance à la corrosion de lingots d’aciers inoxydables industriels de plusieurs tonnes reste un défi scientifique. Lors de la solidification des hétérogénéités chimiques – à l’échelle du micromètre – se développent et peuvent conduire à la formation de phases intermétalliques, notamment la phase σ (riche en chrome et molybdène), diminuant ainsi la résistance à la corrosion de la matrice austénitique. L'objectif de ce travail de thèse a donc été d'étudier les mécanismes de formation de la phase σ dans des conditions réelles de solidification et d'étudier l'impact de la microségrégation chimique résultante sur les mécanismes de changement de phases lors d'un traitement de mise en solution. L’exploitation d’échantillons élaborés par la technique de Trempe en cours de Solidification Dirigée a permis d’identifier : le chemin de solidification, les domaines de transformation de phases pour les conditions de solidifications réalisées et le mécanisme de formation de la phase σ. La complémentarité des caractérisations microstructurales et chimique ont permis de conclure que les agrégats (σ + γ2) présents dans le lingot brut de solidification sont hérités de la microségrégation du molybdène dans le liquide lors de la solidification et proviennent de la décomposition eutectoïde de la ferrite δ formée dans l'intervalle de solidification. Nous avons également identifié la séquence complexe de dissolution des agrégats (σ +γ2) et également les grandeurs qui gouvernent la cinétique de dissolution lente. Ainsi, les espacements interdendritiques, la taille des agrégats (σ + γ2) et la microségrégation en molybdène dans l'austénite primaire héritée de la solidification semblent être les grandeurs principales.

Improving the corrosion resistance of industrial stainless steels ingots remains a scientific challenge. During ingot casting, chemical heterogeneities at the micrometer scale can arise and lead to the formation of chromium and molybdenum rich intermetallic precipitates that lower the corrosion resistance by removing these elements from the matrix. As-cast ingots exhibit σ-phase in the interdendritic region. The aim of this thesis work was to study the formation mechanism of σ phase with real solidification conditions and to study the impact of the microsegregation on the phase transformation during solution heat treatment. The characterization of samples elaborated with a Quenching Directional Solidification (QDS) set-up helped us to determine establish the solidification path, the phase transformations areas for the solidification conditions carried out and the σ-phase transformation mechanism of the steel. The complementarity of microstructural and chemical characterizations led to the conclusion that the (σ + γ2) precipitates present in the as-cast ingot are inherited from the microsegegation of molybdenum in the liquid during solidification and come from the eutectoid decomposition of the ferrite formed in the solidification interval. We also identified the complex dissolution sequence of the (σ + γ2) precipitates and the quantities that govern the slow dissolution kinetics. Thus, the interdendritic spacings, precipitates size σ + γ2) and molybdenum microsegregation in primary austenite inherited from solidification appear to be the main quantities.