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 ( 2022-2026)
  BPI FAIR - Fabrication Additive pour Intensification des Réacteurs, porteur Air Liquide (2016-2020)
• Collaborations Saint-Gobain SEVA, Saint-Gobain PAM, Safran SAE, Safran Tech
• Projet RESEM IRT M2P (2022-2023)

Thèses :

• Mickaël BOLMONT (2016-2019)
• Thomas PEREZ (2016-2019)
• Nicolas RAMENATTE (2017-2020)
• Mostafa OULFARSI (2017-2020)

Articles :

• A study of the dependence on the Co and Ni proportions of the oxidation at elevated temperature of TaC-strenghened (Ni and Co)-based cast superalloys, Materials Chemistry and Physics 251 (2020) 123088, P. Berthod, J.P. Gomis, G. Medjahdi, P.J. Panteix, L. Aranda
   
• A comparison of the high-temperature oxidation behaviour of conventional wrought and laser beam melted Inconel 625, Corrosion Science 2020, 164, N. Ramenatte, A. Vernouillet, S. Mathieu, A. Vande Put, M. Vilasi, D. Monceau
• 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, Malacarne, S. Mathieu, L. Aranda, M. Vilasi, C. Desgranges, S. Knittel,
• About the Synergetic Influence of Manganese and Silicon on the Oxidation Rate of Chromia Forming Nickel-Based Model Alloys at 1050 degrees C, Oxidation of Metals 94 (2020), 235-249, T. Perez, S. Mathieu, Y. Parsa, L. Latu-Romain, Y. Wouters, M. Vilasi

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 sont 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, la corrosion des alliages chromino-formeurs par les milieux silicatés (industrie verrière, vitrification des déchets) ou encore la corrosion des barrières thermiques et environnementales par les CMAS.

Projets :

• Collaboration Safran Tech (2018-2021)
• Collaboration Safran Ceramics (2020-2023)
• Collaboration CEA marcoule
• Collaboration IRT M2P

Thèses :

• Romain MALACARNE - CIFRE Safran (2018-2021)
• Victor SZCZEPAN - Contrat doctoral (2017-2020)
• Djénéba DIOMANDE - Contrat doctoral (2021-2024)
• Justine BONNAL - Partenariat Safran Ceramics (2020-2023)
• Erik HANSEN - Partenariat CEA Marcoule (2019-2022)

Articles :

• Corrosion and depassivation of a chromia-forming Ni-based alloy in the 0.75Na₂O-B₂O₃-2.75SiO₂ melt, Corrosion Science 2020, 168, V. Szczepan, C. Petitjean, P.J. Panteix, M. Vilasi
   
• Influence of rare-earth oxides on kinetics and reaction mechanisms in CMAS silicate melts, Journal of the European Ceramic Society 2019, 39, 4223, F. Perrudin, M.H. Vidal-Sétif, C. Rio, C. Petitjean, P.J. Panteix, M. Vilasi
   
• Chromium enriched peraluminous glasses: incorporation limit, crystalline phase equilibrium and impact of chromium on the rheological properties of the glass, Journal of Nuclear Materials 567 (2022) 153802, E. Hansen, D. Perret, I. Bardez-Giboire, S. Mure, P.J. Panteix, C. Rapin

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 :

• Collaborations : Graphocolor, De Buyer, AML, Cerfav
• DGA : Picasso (Mäder Aero)
• PHC UTIQUE AMAAS (2018-2021)

Thèses :

• Ana-Sofia GASCO-OWENS - Contrat doctoral (2019 -2022)
• Anas BEN ROMDHANE - Cotutelle Sfax, Tunisie (2018-201)
• Guillaume LECANUET - CIFRE Cerfav(2019-2022)

Articles :

• Large-pore anodizing of 5657 aluminium alloy in phosphoric acid: an in-situ electrochemical study, Electrochimica Acta 382 (2021) 138303, A.S. Gasco-Owens, D. Veys-Renaux, V. Cartigny, E. Rocca
• Mechanism of alteration of the surface of lead crystal glass in contact with food: a chemical study of the surface layer, Applied Surface Science 580 (2022) 152281, G. Lecanuet, E. Rocca, P. Hee, M.A. Skaper, C. Rapin
• Anodizing of AS12 alloy in alkaline media, Applied Surface Science 572 (2022) 151436, A. Ben Romdhane, D. Veys-Renaux, M.M. NDiaye, S. Bruyère, K. Elleuch, E. Rocca
• Pack cementation to prevent the oxidation of CoSb3 in air at 800 K, Surface & Coatings Technology 385 (2020) 125401, R. Drevet, L. Aranda, N. David, C. Petitjean, D. Veys-Renaux, P. Berthod

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).

Projets :

• Collaboration Safran Ceramics (2020-2023)
• Collaboration IRT M2P

Thèse :

• Victor SZCZEPAN - Contrat doctoral (2017-2020)

Articles :

• Heat capacity measurements of the Fe2Nb and Fe7Nb6 intermetallics compounds, Journal of Alloys and Compounds 878 (2021) 160411, A.A.A.P. Silva, M.S. Lamoglia, G. Silva, J.M. Fiorani, N. David, M. Vilasi, G.C. Coehlo, C.A. Nunes, L.T.F. Eleno
   
• Kinetic modelling of Cr2O3 growth on a Ni-30Cr alloy in silicate melts, Corrosion Science 175 (2020) 108873, E. Schmucker, V. Szczepan, L. Martinelli, C. Petitjean, P.J. Panteix, S. Ben Lagha, M. Vilasi
   
• Structures of quaternary chromium silicides revealed by a combination of resonant X-ray diffraction and ab initio calculations, Intermetallics 105 (2019) 130, F. Brix, E. Gaudry, M. Francois, E. Elkaim, C. Desgranges, P. Sallot, S. Mathieu, 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
• Djeneba DIOMANDE
• Grégoire DUFOUR
• Bruno JACQUARD
• Roua KADDAH
• Elise PERUSE
• Yasser RASSIF
• Louis SAINT-JEAN