Equipe Surface et Interface, Réactivité Chimique des Matériaux

Vitesses et mécanismes d’oxydation des matériaux métalliques à haute température

Le développement pour différents secteurs de l’industrie de nouveaux matériaux métalliques (alliages à base de nickel, de cobalt ou de niobium, TiAl, skutterudites) ou d’alliages élaborés par des méthodes nouvelles comme la fabrication additive requiert d’identifier les leviers qui permettent d’optimiser leur résistance vis-à-vis de l’environnement et d’estimer leur durabilité dans des conditions aussi proches que possible de celles rencontrées en service. Les travaux passent par la synthèse de systèmes modèles, simplifiés par rapport aux alliages industriels, permettant de mettre en évidence les relations existant entre la composition et la microstructure des matériaux et leur réactivité.

Projets :

• ANR ALUPLAT - LaSIE, IJL, Pprime, ICSM ( 2022-2026)
• ANR DENICAM - IJL, Access Technology (2025-2028)
• ANR DYNAMIC - CIRIMAT, IJL, LGC, Air Liquide, Safran (2022-2026)
• Collaborations Saint-Gobain SEVA, Saint-Gobain PAM
• Collaborations Safran Aircraft Engines, Safran Tech

Thèses :

• Pauline SPAETER (2025-2028)
• Bruno JACQUARD (2023-2026)
• Louis HUNAULT (2022-2025)

Articles :

• Oxidation at elevated temperature of carbides-reinforced nickel-based and cobalt-based alloys rich in chromium and containing titanium, Corrosion Engineering, Science and Technology 58 (2023) 567-576, P. Berthod, S.A.O. Wora
   
• Long-term isothermal oxidation behavior of two industrial polycrystalline nickel base alloys in air at 700°C – Evaluation of intergranular oxidation distribution and kinetic, Corrosion Science 188 (2021) 109500, R. Malacarne, S. Mathieu, L. Aranda, M. Vilasi, C. Desgranges, S. Knittel

Etude des mécanismes de dégradation des métaux et céramiques en présence d’une phase liquide par oxydation, corrosion, dissolution

Le comportement des matériaux en présence de phases liquides est évalué de la température ambiante jusqu’aux très hautes températures. Les techniques électrochimiques peuvent être mises en œuvre afin d’identifier la nature des systèmes électroactifs et les lois de vitesses en conditions extrêmes. Les sujets traités concernent la dégradation des échangeurs des unités d’incinération des déchets, la corrosion chaude des alliages aéronautiques par les mélanges de sels (possiblement en présence de sables), la corrosion des métaux par les milieux silicatés (industrie verrière, vitrification des déchets) ou encore la corrosion des céramiques utilisées comme barrières thermiques et environnementales par les CMAS.

Projets :

• Collaborations Safran Tech, Safran Ceramics, Safran Aircraft Engines
• Collaboration CEA Saclay
• Collaboration IRT M2P
• Collaboration ONERA Chatillon
• Collaboration Institut Clément Ader
• Collaboration Centre des Matériaux Mines Paristech

Thèses :

• Grégoire DUFOUR (2023-2026)
• Elise PERUSE (2023-2026)
• Louis SAINT-JEAN (2023-2026)
• Thomas BRUNET (2024-2027)
• André GERMAIN (2024-2027)

Articles :

• Differential aeration corrosion of silver in sulfate melts at 900°C, Corrosion Science 224 (2024) 111504, D. Diomandé, S. Mathieu, P.J. Panteix, M. Siblani, L. Aranda, C. Petitjean, M. Vilasi
• Low-temperature hot corrosion behavior of DS200+Hf nickel-based superalloy at 650°C, High Temperature Corrosion of Materials 101 (2024) 1027-1039, G. Dufour, D. Texier, T. Sanviemvongsak, T. Perez, J. Bonnal, S. Knittel, D. Bonina, M . Vilasi, S. Mathieu
• A thermodynamic study of the influence of the Al₂O₃ content on the CaO-SiO₂-YO_1.5 system, Journal of the European Ceramic Society 44 (2024) 4160-4169, J. Bonnal, S. Mermoul, C. Petitjean, P.J. Panteix, D. Bonina, C. Gendarme, S. Arnal, M. Vilasi
• Chemical degradation of the ternary Al₂O₃-YAG-ZrO₂ eutectic ceramic by molten CMAS, High Temperature Corrosion of Materials 101 (2024) 1117-1128, L. Portebois, S. Mathieu, M. Vilasi, P. Berthod, P.J. Panteix, M. Podgorski
• Type I hot corrosion of platinum-containing model γ and γ′ alloys, High Temperature Corrosion of Materials 101 (2024) 999-1011, L. Hunault, F. Pedraza, L. Aranda, M.M. Siblani, J. Cormier, R. Podor, S. Mathieu

Développement de solutions de protection par l’étude de nouveaux matériaux et de revêtements multifonctionnels

La fonctionnalisation des surfaces des alliages métalliques est très souvent nécessaire afin d’adapter les propriétés des matériaux de structure aux caractéristiques physico-chimiques de l’environnement ou aux conditions d’emploi. Dans ce cadre les travaux couvrent tant les aspects liés à l’inhibition des phénomènes de corrosion que l’élaboration de revêtements fonctionnels. L’équipe met en œuvre les méthodes chimiques (en phases aqueuse et gazeuse) et électrochimiques, notamment à potentiel élevé (oxydation micro-arc), pour proposer des propriétés d’usage nouvelles et multiples (anti-oxydants et anti-carburants, anti-oxydants et résistants à l’usure ; anti-oxydants et lubrifiants ; des revêtements auto-cicatrisants, etc.) :

• Etude de la croissance et du colmatage de couches anodisées,
• Fonctionnalisation par voie liquide de surfaces internes de composants de forme complexe imprimés 3D,
• Dépôt de revêtements en phase gazeuse.

Projets :

• ANR C.ADER - IJL, Institut de Soudure, Musée de l’Air et de l’Espace, C2RMF (2023-2027)
• AAP Région PIMP (cofinancement C2RMF)
• Collaboration BASF
• Collaboration Safran Landing Systems

Thèses :

• Roua KADDAH (2023-2026)
• Yasser RASSIF (2023-2026)
• Dorian LEPESANT (2024-2027)

Articles :

• Bipolar pulse anodizing of aluminum: understanding the fundamental electrochemical mechanisms, Electrochimica Acta 492 (2024) 144303, A. Gasco-Owens, D. Veys-Renaux, E. Rocca
• Designing bipolar anodizing towards white anodic aluminum oxide (AAO), Surfaces and Interfaces 53 (2024) 105103, A. Gasco-Owens, D. Veys-Renaux, E. Rocca
• a-Zirconium hydrogenophosphate as a nano-container of 2-aminobenzimidazole for the corrosion protection of zinc in NaCl medium, Dalton Transaction 53 (2024) 7857-7865, I. Bouali, E. Rocca, D. Veys-Renaux, B. Rhouta, A. Khalil
• Intercalation of decanoate anions (C₁₀) in layered double hydroxide Mg-Al and its applications as controlled-release corrosion inhibitor of steel, Surface & Coatings Technology 489 (2024) 131055, A. AitAghzzaf, Y. Zarki, B. Rhouta, A. Khalil, D. Veys-Renaux, H. Majdoub, E. Rocca

Modélisation cinétique et thermodynamique

L’étude des processus de dégradation et la mise en œuvre de traitements thermochimiques requièrent l’utilisation de données thermodynamiques. Lorsqu’elles sont disponibles, elles permettent d’identifier les espèces présentes et la nature des phases attendues.  Lorsqu’elles ne le sont pas, il s’agit de les déterminer expérimentalement et de modéliser les diagrammes d’équilibre correspondant. La modélisation est également mise en œuvre afin de prévoir la durée de vie des matériaux. La durabilité d'une couche d'oxyde protectrice, par exemple en milieu silicaté liquide à haute température, dépend de la compétition entre croissance et dissolution. Il s’agit alors d’établir les modèles analytiques traduisant le comportement de ces oxydes en service en fonction des paramètres du système (T, P(O₂), basicité, viscosité).


Articles :

• New approach to the compound energy formalism (NACEF) part I. Thermodynamic modeling based on the sublattice model, CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 80 (2023) 102509, J.M. Fiorani, M. Badran, A.A.A.P. da Silva, N. David, M. Vilasi
• New approach to the compound energy formalism (NACEF) part II. Thermodynamic modelling of the Al-Nb system supported by first-principles calculations, CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 80 (2023) 102522, J.M. Fiorani, M. Badran,J.M. Joubert, J.C. Crivello, A.A.A.P. da Silva, G.C. Coehlo, C.A. Nunes, N. David, M. Vilasi
• Thermodynamic modeling of the Mo-Pt system based on the NACEF approach, CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 84 (2024) 102665, J.M Fiorani, M. Siblani, J.M. Joubert, C. Barreteau, J.C. Crivello, N. David, M. Vilasi

L’équipe dispose d’un parc d’équipements en propre lui permettant de mener les études de dégradation et d’évaluer le potentiel de différentes solutions de revêtement, et du savoir-faire spécifique associé :

Méthodes d’élaboration de matériaux de structure et de revêtements

• Fusion à l’arc
• Fusion par induction
• Frittage de poudres
• Conversion chimique
• Anodisation et oxydation par plasma électrolytique
• Cémentation (transport en phase vapeur)
• Méthode « Slurry » (Réaction métal liquide - substrat)

Méthodes d’analyses thermiques

• Analyse thermique différentielle
• Analyse thermogravimétrique
• Dilatométrie
• Calorimétrie
• Calculs prévisionnels (ThermoCalc, FactSage)

Caractérisations électrochimiques spécifiques

• Méthodes stationnaires de détermination des cinétiques et processus de corrosion
• Spectroscopie d’impédance électrochimique
• Electrochimie en milieux sels fondus et silicates fondus (jusqu’à 1300°C)
• Electrochimie jusqu’à 700 V et en régime pulsé

Sollicitations aux environnements

• Fours de traitement en atmosphère contrôlée jusqu’à 1700°C
• Thermogravimétrie en atmosphère corrosive (SO₂, HCl)
• Banc de cyclage thermique
• Enceintes climatiques : tests brouillard salin, VDA, etc.

Transfert technologique

• Brevet : Procédé de dépôt d'un revêtement contre la corrosion, N. Ramenatte et al. (Université de Lorraine, CNRS, AIR LIQUIDE) (2015) WO2015044559 A1
   
• Brevet : Procédé de fabrication d'une pièce revêtue d'un revêtement protecteur, S. Knittel et al. (Université de Lorraine, SNECMA, SAFRAN) (2018) WO2016087766 – 2016
   
• Brevet : Pièce de turbomachine revêtue d'un revêtement céramique de protection, procédé de fabrication et d'utilisation d'une telle pièce, L. Portebois, S. Mathieu, P. Berthod, M. Vilasi, M. Podgorski (Université de Lorraine, SAFRAN) (2019) EP 3359707 B1
   
• Brevet :  Method for depositing an anti-corrosion coating,  N. Ramenatte et al. (Université de Lorraine, CNRS, AIR LIQUIDE), Accepté n°US 10 053750 B2 (2018)
   
• Brevet : Procédé de dépôt d'un revêtement à partir d’une suspension de composition améliorée, N. Ramenatte et al. (Université de Lorraine, CNRS, AIR LIQUIDE), Demande FR n° 1912028 (2019)
   
• Brevet : Dépôt d’argent par un procédé liquide en surface de pièces de géométries complexes en alliage base Ti, N. Ramenatte et al. (Université de Lorraine, CNRS,  AML), Demande FR n° BT7148FR00 (2019)

Enseignants-Chercheurs

• Patrice BERTHOD
• Nicolas DAVID
• Jean-Marc FIORANI
• Stéphane MATHIEU
• Carine PETITJEAN
• Christophe RAPIN
• Emmanuel ROCCA
• Delphine VEYS-RENAUX
• Michel VILASI

Personnels d'appui à la recherche

• Lionel ARANDA
• David BONINA
• Louise COLIN
• Pierre-Jean PANTEIX

Doctorants

• Thomas BRUNET
• Grégoire DUFOUR
• Bruno JACQUARD
• Roua KADDAH
• Dorian LEPESANT
• Elise PERUSE
• Yasser RASSIF
• Louis SAINT-JEAN
• Pauline SPAETER