Influence du silicium sur l'oxydation thermique des aciers inoxydables ferritiques Fe-Cr sous oxygène ou dans la vapeur d'eau

Oxygen and water vapour oxidation of 15Cr ferritics stainless steels with different silicon contents

• Auteur / Autrice : Gaoussou Bamba
• Direction : Alain Galerie, Yves Wouters
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse des ions secondaires

Silicium

Cinétique chimique

Acier inoxydable

Mots clés libres

Oxydation alternée

Nodules Mpec

Résumé

Pour assurer leur protection à long terme contre la corrosion sèche à haute température sous atmosphère oxydante, les aciers inoxydables doivent établir une couche d'oxyde de chrome dense, continue, et adhérente dont la croissance doit être relativement lente. L'addition du silicium dans l'acier permet d'améliorer la résistance à l'oxydation grâce à l'établissement d'une couche de silice localisée à l'interface entre le métal et l'oxyde. Nous avons confirmé cet effet bénéfique en suivant les cinétiques d'oxydation d'alliages Fe-15Cr, Fe-15Cr-0,5Si et Fe-15Cr-ISi en atmosphère d'oxygène ou de vapeur d'eau. La caractérisation de la silice a été réalisée par microscopie électronique à transmission. Ce travail a permis également d'indiquer les mécanismes de croissance de l'oxyde dans les deux atmosphères oxydantes O2 et H2O. Pour la première fois, une série d'expériences d'oxydation alternée 18O2/1 O2 et H218O/ H216O suivies d'une détermination du sens de croissance par SIMS à montrer clairement les différences de mécanisme d'oxydation, cationique sous O2 et anionique sous H2O. L'utilisation de la Microscopie Photoélectrochimie (Mpec) a permis de discriminer à une échelle très fine les nodules d'oxydes générés par « oxydation catastrophique» à différents stades d'avancement. La détermination de l'énergie d'adhérence des couches de chromine Cr2O3 sur leurs substrats métalliques par traction sous MEB a montré l'effet bénéfique de H20 lié au transpon anionique. Au contraire, le silicium détériore notablement l'adhérence des couches.

To improve their corrosion resistance at high temperatures under oxidising atmospheres, stainless steels must establish a dense oxide film which must be continuous, uniform and adherent to the substrate. Lt is also known that relatively small additions of silicon have a beneficial effect on oxidation resistance due to the formation of a layer of silica adjacent to the metal. This film can act as a diffùsion barrier inhibiting outward cationic transport. This effect was confirnled by kinetics measurement during oxidation of Fe-15Cr, Fe-15Cr-0,5Si, Fe-15Cr-1 Si alloys in oxygen or water vapour. Silica was detected by TEM analysis. By means of oxygen labelling in two stage oxidations, H216O followed by H218O, the growth direction within the oxide scale was determined with secondary ion mass spectrometry (SIMS). Simitar experiments were made in oxygen with the isotopes 18O2 /16O2. An increased metal transport was observed when the samples were oxidised in O2 while in H2O the transport was essentially anionic. The use of photoelectrochemical microscropy analysis permitted us to discriminate the formation of nodular oxides at differents stages of their evolution and understand the breakaway phenomenon. The adhesion energies of chromia scales were dctermined by in situ tensile test. The beneficial effect of H2O was confirmed, due to anionic transport. On the contrary, silicon strongly decreased scale adhesion energies.