Étude de la cinétique d’électrodéposition du zinc et des alliages de zinc en régime dynamique

Study of the electrodeposition kinetics of zinc and zinc alloys in a dynamic regime

• Auteur / Autrice : Charles Petit
• Direction : Clotilde Boulanger, Sébastien Diliberto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 23/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Mathieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clotilde Boulanger, Sébastien Diliberto, Catherine Savall, Marie-Laure Doche, Laurent Arurault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Savall, Marie-Laure Doche
• DOI : 10.70675/39e2a72ez681dz4b38za339z79ade50bec22

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Dépôt électrolytique

Zingage

Zinc -- Alliages

Traitements de surface

Mots clés libres

Cinétique

Alliages zinc

Additifs

Zinc

Revêtements

Électrodéposition

Kinetic

Zinc alloys

Additives

Zinc

Coatings

Electrodeposition

Résumé

Dans le domaine OCTG (Oil Country Tubular Goods), les colonnes servant à extraire le pétrole ou le gaz dans les puits sont constituées de tubes vissés les uns aux autres. La partie vissée, appelée connexion, est conçue de manière à garantir l'étanchéité des jonctions durant l'utilisation. Pour ce faire, la connexion a un design spécifique, avec des tolérances très précises à garantir. Des traitements de surface sont appliqués sur les connexions pour les protéger durant les opérations de stockage et de vissage. Cette thèse aborde l'utilisation du zinc et de ses alliages, en particulier le ZnNi, pour les applications OCTG en tant que revêtements protecteurs sacrificiels. L'électrodéposition du zinc-nickel est aujourd'hui cruciale, mais elle est confrontée à des défis environnementaux. Vallourec utilise un procédé spécifique pour le traitement des connexions filetées de ses tubes, par conséquent l'enjeu est d'anticiper l'impact du procédé sur d'autres types de revêtements sacrificiels. Par conséquent, cette thèse met en avant la nécessité de comprendre et d'optimiser le processus d'électrodéposition des alliages de zinc, pour répondre au besoin industriel. Ces travaux ont permis de comprendre les mécanismes d'électrodéposition des alliages de zinc, en se basant sur des études électrochimiques (voltampérométrie, spectroscopie d'impédance électrochimique) et des caractérisations des couches déposées (MEB-EDX, DRX, contraintes, adhérence…). Ces études ont été menées avec plusieurs types de bains, en milieu chlorure et sulfate, soulignant l'influence de la composition électrolytique, mais aussi de la préparation de surface sur le comportement électrochimique des électrolytes. Une solution alternative, à base de zinc et de chrome III, a également été étudiée en milieu sulfate afin de comprendre les mécanismes communs aux différents dépôts en procédé dynamique. Enfin, des plans d'expériences ont permis de définir les conditions opératoires significatives (rapport de surface anode/cathode, densité de courant, vélocité et température) sur la cinétique d'électrodéposition, permettant ainsi à Vallourec de prévoir la répartition de ses dépôts sur connexion, mais aussi d'étudier l'impact sur les propriétés mécaniques et microstructurales des alliages et sur les phénomènes de brûlure en régime dynamique.

In the OCTG (Oil Country Tubular Goods) field, the columns used to extract oil or gas from wells are made of tubes screwed together. The screwed part, called the connection, is designed to guarantee the tightness of the joints during use. To do this, the connection has a specific design, with very precise tolerances to be guaranteed. Surface treatments are applied to the connections to protect them during storage and screwdriving operations. This thesis addresses the use of zinc and its alloys, particularly ZnNi, for OCTG applications as sacrificial protective coatings. The electroplating of zinc-nickel is crucial today, but it faces environmental challenges. Vallourec uses a specific process for the treatment of the threaded connections of its tubes, therefore the challenge is to anticipate the impact of the process on other types of sacrificial coatings. Consequently, this thesis highlights the need to understand and optimize the electroplating process of zinc alloys, to meet industrial needs. This work made it possible to understand the mechanisms of electrodeposition of zinc alloys, based on electrochemical studies (e.g. voltamperometry, electrochemical impedance spectroscopy) and characterizations of the deposited layers (e.g. SEM-EDX, XRD, stresses, adhesion, etc.). These studies were carried out with several types of baths, in chloride and sulfate medium, highlighting the influence of the electrolytic composition, but also of the surface preparation on the electrochemical behavior of the electrolytes. An alternative solution, based on zinc and chromium III, was also studied in a sulfate medium to understand the mechanisms common to the different deposits in a dynamic process. Finally, experimental plans made it possible to define the significant operating conditions (anode/cathode surface ratio, current density, velocity and temperature) on the kinetics of electrodeposition, thus allowing Vallourec to predict the distribution of its deposits on connection, but also to study the impact on the mechanical and microstructural properties of alloys and on burning phenomena in dynamic regime.