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Nouvelle protection pour nos aciers ?

Publié le 29 avril 2021 Mis à jour le 29 avril 2021

Un texte de la Minute Recherche par Marion Poncet, Henri Buscail et Christophe Issartel (LVEEM).

Chaque année, les chercheurs estiment qu’un quart de la production mondiale en acier est détruite par les phénomènes de corrosion. Ainsi dans de nombreux domaines d’activité industrielle (centrales thermiques ou nucléaires, aéronautique, automobile, incinération des déchets, fours de traitement thermiques…), la résistance à la corrosion à haute température des matériaux est économiquement importante. Depuis plus de 50 ans, de nombreuses études ont permis de développer de nouveaux matériaux plus résistants comme les aciers inoxydables. Le principe est de créer une couche de chromine (Cr2O3) protectrice surfacique agissant ainsi comme une barrière physique entre l’environnement corrosif et l’alliage. Cependant les conditions d’utilisation des aciers deviennent de plus en plus corrosives – c’est le cas par exemple pour les parois des fours industriels ou des incinérateurs - et cette couche de chromine devient défaillante. Afin de l’améliorer, les études se tournent vers la création de nouvelles couches protectrices. Pour cela, l’alliage est chauffé à haute température (950°C) dans une atmosphère contrôlée. C’est le principe de l’oxydation à haute température.

Cette étude propose d'étudier la formation d’une couche protectrice de silice (SiO2), afin de protéger un alliage modèle à base de fer, de chrome et de silicium à 950°C.
Pour cela, cet alliage est oxydé à 950°C pendant 70 heures dans deux atmosphères différentes. Le premier milieu gazeux est constitué d’air, riche en oxygène. L’autre, très pauvre en oxygène, est constitué essentiellement d’azote contenant 5% en volume d’hydrogène (N2-5%H2). La Figure 1 présente les photos, prises au microscope électronique à balayage, des couches d'oxyde formées pour chaque atmosphère.
 
Figure 1 : Observation au microscope électronique à balayage des coupes des échantillons oxydés (a) sous air (grandissement x1000 et (b) sous N2-5%H2 (grandissement x4000).
Figure 1 : Observation au microscope électronique à balayage des coupes des échantillons oxydés (a) sous air (grandissement x1000 et (b) sous N2-5%H2 (grandissement x4000).

Après oxydation dans l'air, une couche de Cr2O3 (chromine) non adhérente s'est formée. Les vides observés révèlent que la couche d'oxyde peut laisser diffuser l’environnement gazeux. Elle ne peut donc pas constituer une protection efficace. Sous N2-5%H2, la coupe transversale ne présente pas de vide à l'interface oxyde/métal. Elle est parfaitement adhérente. De plus, une couche de silice (SiO2) est présente entre la chromine et l’alliage.

Grâce au faible taux d’oxygène présent dans l’environnement gazeux N2-5%H2 et une forte teneur en silicium dans l’alliage, les couches protectrices de chromine et de silice se forment à la surface de l’alliage. La suite de l’étude consistera à tester si cette structuration de la couche d'oxyde apporte une bonne protection face à la corrosion à hautes températures, dans d’autres atmosphères plus agressives comme celles constituées de méthane ou de propane par exemple.