Aller au contenu principal

Oxydation intergranulaire des superalliages à base de nickel et des aciers ferritiques




CONTEXTE :

L’IRT M2P est un centre de recherches mutualisées créé en juin 2013, associant des industriels et des établissements de recherches et d’enseignements supérieurs qui est positionné sur les technologies avancées d’élaborations, transformations et caractérisations des matériaux.

Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif entre une dizaine de partenaires. Ce projet a pour objectif de développer et monter une plateforme d’essai pour caractériser la durabilité des matériaux sollicités en conditions extrêmes à haute température. Il est également prévu d’étudier les mécanismes et les cinétiques de corrosion à haute température et établir une base de données pour mieux prédire la durée de vie des matériaux. Le sujet de thèse proposé par Safran, le CIRIMAT et l’UTC (Laboratoire Roberval), vise à caractériser la cinétique d’oxydation intergranulaire pour des alliages industriels et des alliages modèles.

Groupe industriel de haute technologie implanté sur tous les continents, Safran est un acteur incontournable dans les domaines de la propulsion et des équipements aéronautiques, de l’espace et de la défense.

Le Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) a été créé en 1999 par fusion de 3 laboratoires et est structuré en 6 équipes depuis janvier 2021. Il regroupe les compétences toulousaines dans le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux, réparties sur 4 sites géographiques : 3 sur le campus universitaire Toulouse-Rangueil (UPS/Chimie, UPS/Physique, UPS/Pharmacie) et un sur le campus INPT-ENSIACET. Le CIRIMAT est une Unité Mixte de Recherche (UMR CNRS INPT UPS 5085) et compte environ 240 personnes, dont un peu plus de 100 permanents et environ 90 doctorants.

Le Laboratoire Roberval a été créé en 2000, suite à la fusion du LG2mS (Laboratoire de Génie Mécanique pour les Matériaux et les Structures) dirigé à l'époque par J.F. De Belleval et dont les travaux étaient centrés autour de la mécanique numérique, de la vibro-acoustique et des matériaux, avec une petite entité baptisée "Machines et Systèmes de Haute Précision" qui conduira à faire émerger une composante "mécatronique".


DESCRIPTION DU SUJET :

Aujourd’hui, les cinétiques d’oxydation interne (formation d’oxyde dans les alliages, ces oxydes étant déconnectés de la couche d’oxyde externe) sont bien comprises et bien modélisées grâce à la théorie de Wagner de l’oxydation interne, reprise et améliorée par plusieurs auteurs.

Par contre, l’oxydation intergranulaire reste mal comprise et modélisée. A basse température (290-325°C), dans le domaine du nucléaire (REP), les cinétiques d’oxydation intergranulaires sont plusieurs ordres de grandeurs plus élevées que ce qui est prévu en extrapolant les données connues à plus hautes températures.. A plus haute température, dans le domaine aéronautique ou métallurgique, les mécanismes qui contrôlent la cinétique d’oxydation intergranulaire restent également mal connus, comme le montre l’article récent de Sanviemvongsak et al. sur le 718 cité en référence. La plupart des auteurs pensent ou sous-entendent que la cinétique d’oxydation intergranulaire est contrôlée par la diffusion de l’oxygène dans les joints de grains du métal, mais si un mécanisme similaire à celui de Wagner pour l’oxydation interne est opérant, la concentration et la diffusion des éléments d’alliage qui forment ces oxydes intergranulaires doit également influer sur la cinétique. Cela a été révélé expérimentalement dans plusieurs travaux sur différents types d’alliages (base Fe et Ni). Il s’agit alors de savoir quelle est l’étape limitante entre la diffusion de ces éléments d’alliage dans les grains et aux joints de grains. Il est également nécessaire de connaitre le coefficient de diffusion de l’oxygène dans les joints de grains et aux interfaces oxyde/métal, car une fois le joint de grain oxydé, l’oxygène doit diffuser soit dans les grains de métal, soit aux interfaces entre matrice métallique et oxyde intergranulaire.

Cette thèse propose donc d’étudier la cinétique d’oxydation intergranulaire (profondeur affectée en fonction du temps et de la température) pour 2 alliages industriels, par exemple chromino-formeurs contenant des éléments d’alliage plus oxydables que le Cr (Al, Ti, Si, ..) et plusieurs alliages modèles Ni-Cr-Al-Ti avec différents taux de Al et Ti (et si besoin des bases Fe).

Des expériences alternées 16O2/18O2 seront réalisées avec des caractérisation SIMS, pour déterminer les mécanismes de diffusion de l’oxygène. Des expériences avec de la vapeur d’eau pourront également être utilisées pour chercher une éventuelle interaction du phénomène avec l’hydrogène.

Un objectif sera de proposer une théorie et un modèle analytique de la cinétique d’oxydation intergranulaire.

Des expériences de traction lente, de fluage et de fatigue à chaud dans des conditions environnementales favorisant l’oxydation intergranulaire seront réalisées dans le but de rechercher si les déformations et structures de dislocations peuvent influer sur la diffusion des éléments d’alliage et l’oxygène et ainsi modifier la cinétique d’oxydation intergranulaire.


LIEU : 

Le/la doctorant/e sera employé/e par l’IRT-M2P, accueilli/e principalement au CIRIMAT (Toulouse), et une partie des travaux se fera à l’UTC (Compiègne).