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RÉSUMÉ
La corrosion à chaud, en anglais « hot corrosion », des matériaux métalliques est l’une des principales causes de dégradation des pièces des turbines aéronautiques et terrestres ainsi que des composants des unités de valorisation énergétique. Cette forme de dégradation souvent plus sévère que de l’oxydation sèche se traduit par la formation d’un dépôt corrosif à la surface des pièces et attaque le matériau et sa couche d’oxyde protectrice. Bien qu’il existe quelques moyens d’essai à l’échelle laboratoire ou à l’échelle industrielle, ce sujet reste à ce jour encore peu étudié. Cet article fait l’état de l’art des différents moyens d’essai de corrosion à chaud existants en France et à l’étranger.
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Hot corrosion of metals and alloys is one of the main causes of degradation of aeronautical and land turbine parts as well as components of waste-to-energy plants. This form of degradation is often more severe than dry oxidation and results in the formation of a corrosive deposit on the surface of the parts and attacks the alloy and its protective oxide layer. Currently, although some testing facilities at laboratory and industrial scale exist, this subject remains little studied. This article reviews the various hot corrosion test methods available in France and around the world.
Auteur(s)
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Tom SANVIEMVONGSAK : Docteur-ingénieur recherche et développement - IRT M2P, Metz, France
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Pascal LAMESLE : Docteur, directeur technique et scientifique - IRT M2P, Metz, France
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Michel VILASI : Professeur des universités, - Institut Jean Lamour, université de Lorraine, Nancy, France
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Clara DESGRANGES : Docteure-ingénieure matériaux avancés - Safran Tech, Magny-les-Hameaux, France
INTRODUCTION
L’augmentation du rendement énergétique des turbomachines, des fours et des chaudières est un enjeu majeur pour les industriels des secteurs de l’aéronautique, des transports et de l’énergie. Pour atteindre cet objectif, les composants de ces installations exposés à des gaz de combustions sont soumis à des sollicitations mécaniques et à des températures de plus en plus élevées entraînant un besoin en matériaux plus réfractaires. En effet, ces sollicitations à haute température peuvent entraîner une dégradation des matériaux par fatigue et fluage, et/ou par oxydation et corrosion à chaud. La résistance de ces alliages face à cet environnement conditionne fortement leurs propriétés mécaniques et, par conséquent, la durée de vie des pièces.
Le choix des matériaux réfractaires est une étape primordiale pour garantir la longévité des systèmes mécaniques, encore faut-il pouvoir les tester dans des conditions proches des conditions réelles de fonctionnement. Dorénavant, il existe de nombreux moyens d’essai permettant de tester les alliages dans des conditions d’oxydation sous air à haute température mais très peu de moyens permettent de réaliser des essais de corrosion à haute température sous atmosphère « complexe » (corrosion par un mélange de gaz, des dépôts corrosifs ou des sels fondus). Cet article fait l’état des lieux des différents moyens d’essai de corrosion à chaud existants en France et dans le monde. Il présente les points forts et les limitations des différents bancs d’essai.
En 2021, il faut noter que, bien que des essais de corrosion à chaud soient réalisés à travers le monde, aucune norme ne régit la méthodologie expérimentale ni le fonctionnement de ces bancs d’essai, même si le terme est défini dans la norme NF EN ISO 8044.
Cet article est un complément d’informations aux articles :
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[COR 378]Corrosion par les gaz à haute température des métaux et alliages réfractaires ;
-
[M 4 224]Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : oxydation, carburation ;
-
[M 4 225]Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : sulfuration, nitruration ;
-
[M 4 227]Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : dépôts, milieux fondus ;
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MOTS-CLÉS
Corrosion à chaud Bancs d’essai Bancs brûleurs Modules de sollicitation mécanique à haute température
KEYWORDS
Hot corrosion | Test facilities | Burner rig | High temperature mechanical stress facilities
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6. Bilan
Quelques infrastructures dédiées aux essais de corrosion à haute température sont comparées dans le tableau 6. À travers ce bilan, il est facile de constater qu’aucun banc d’essai ne permet de tester des éprouvettes dans une atmosphère totalement versatile. De plus, très peu de bancs d’essais sont dédiés à tester des alliages dans des conditions de fatigue-corrosion à haute température pour étudier les phénomènes couplés.
L’une des problématiques les plus contraignantes lors de la réalisation de tels moyens d’essai est le choix des matériaux à utiliser pour la structure et le choix des solutions technologiques pour minimiser les coûts machine, de maintenance et les coûts d’essai. Le choix d’une structure en acier inoxydable minimisera le coût machine et minimisera les coûts de maintenance. La structure sera régulièrement changée. Tandis que le choix d’une structure en céramique réfractaire impose un investissement machine plus élevé, mais minimisera les fréquences d’intervention de maintenance.
À travers cet état de l’art, six moyens d’essai de corrosion à chaud différents ont été recensés. Les essais les moins coûteux et les moins contraignants à mettre en place sont ceux réalisés dans des fours tubulaires sous une atmosphère contrôlée (air + xSO2) avec des échantillons préalablement revêtus d’une solution corrosive (par exemple Na2SO4). Ces bancs d’essai permettent de tester quelques échantillons de petites dimensions. Ils sont les bancs les plus utilisés dans les laboratoires de recherche académique.
Les brûleurs à gaz naturel, utilisés sans enceinte fermée, sont très utilisés pour réaliser des essais de choc et de cyclage thermique pour évaluer la résistance et l’adhérence des barrières thermiques sur leur substrat. Ces moyens, peu coûteux et peu contraignants à mettre en place, ne permettent de tester qu’un échantillon par brûleur. Ils peuvent également être utilisés pour tester des systèmes alliage/barrière thermique (BT) revêtus d’une solution corrosive. Quelques laboratoires utilisent ce type d’essai pour évaluer la résistance des barrières thermiques exposés aux CMAS (CaO, MgO, Al2O3,...
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Bilan
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BIRKS (N.), MEIER (G.), PETTIT (F.) - High-temperature corrosion resistance. - JOM, 39, p. 28-31 (1987).
-
(2) - YOUNG (D.J.) - High temperature oxidation and corrosion of metals. - Elsevier (2008).
-
(3) - MEIER (G.H.) - Invited Review Paper in Commemoration of Over 50 Years of Oxidation of Metals: Current Aspects of Deposit-Induced Corrosion. - Oxidation of Metals (2021), https://doi.org/10.1007/s11085-020-10015-6.
-
(4) - SANVIEMVONGSAK (T.) - Oxydation et corrosion à haute température de superalliages à base de nickel issus de la fabrication additive. - Thèse, université de Toulouse (2020).
-
(5) - STRINGER (J.) - High-temperature corrosion of superalloys. - Materials Science and Technology, 3, p. 482-493 (1987), https://doi.org/10.1080/02670836.1987.11782259.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Corrosion par les gaz à haute température des métaux et alliages réfractaires.
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Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : oxydation, carburation.
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Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : sulfuration, nitruration.
-
Corrosion sèche des métaux – Cas industriels : dépôts, milieux fondus.
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NORMES
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Corrosion des métaux et alliages – Méthode d’essai pour essais de corrosion à haute température de matériaux métalliques par application d’un dépôt de sel, de cendres ou d’autres substances. AFNOR - NF ISO 17224 - 2015
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Corrosion des métaux et alliages – Méthode d’essai pour essais de corrosion à haute température de matériaux métalliques par enfouissement dans du sel, des cendres ou d’autres solides. AFNOR - NF ISO 17248 - 2015
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Corrosion des métaux et alliages – Méthode pour essais de corrosion à haute température, avec exposition à des cycles thermiques, sur des matériaux métalliques. ISO - ISO 13573:2012 - 2012
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Corrosion des métaux et alliages – Méthode d’étude métallographique d’échantillons soumis à des environnements corrosifs à haute température. ISO - ISO 26146:2012 - 2012
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Corrosion des métaux et alliages – Méthode d’essai pour les essais d’oxydation en exposition isotherme des matériaux métalliques dans des environnements corrosifs à haute température. AFNOR - NF ISO 21608 - 2012
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ANNEXES
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Centre français de l’anticorrosion :
Groupe de recherche 2081 COnCOrD « Couplage méCanique Oxydation Diffusion » :
Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)Colloque national annuel de la communauté scientifique française travaillant sur la cinétique hétérogène, JECH (journées d’études sur la cinétique hétérogène)
Congrès international HTCPM (High-Temperature Corrosion and Protection of Materials)
Congrès international High Temperature Corrosion GRC (Gordon Research Conference) et GRS (Gordon Research Seminar)
Congrès international ISHOC (international Symposium on High-temperature Oxidation and Corrosion)
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)IJL (Institut Jean Lamour), Campus Artem, Nancy :
Laboratoire LaSIE (Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement), pôle Sciences et Technologie, La Rochelle :
https://lasie.univ-larochelle.fr
Laboratoire CIRIMAT (Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux), Toulouse :
Laboratoire ICB (interdisciplinaire Carnot de Bourgogne), Dijon :
Laboratoire SIMAP (Science et Ingénierie des MAtériaux et Procédés), Saint-Martin d’Hères :
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