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Dégradation dans les milieux industriels contenant des métaux liquides

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Admin Hania


Phénomènes de corrosion dans les métaux liquides

 

Les métaux liquides (Pb, Na, Ga, Al, Zn…) et leurs alliages sont utilisés dans de nombreux secteurs de l’industrie : énergie, aéronautique, métallurgie. Leurs propriétés thermiques rendent leur utilisation particulièrement intéressante comme fluides caloporteurs, par exemple, de réacteurs nucléaires. Cependant, la nécessité évidente de la durabilité des matériaux de structure en contact avec ces métaux liquides requiert la connaissance, la compréhension et la modélisation des phénomènes de corrosion potentiellement rencontrés.


Les métaux liquides sont utilisés dans de nombreux secteurs d'industrie : métallurgie, énergie, aéronautique. Ils sont principalement utilisés comme fluides caloporteurs dans des composants échangeurs de chaleur (Na, Pb, Pb-Bi, Pb-Li, Ga, Hg) du fait de leur conductivité thermique élevée leur assurant un pouvoir calovecteur exceptionnel (le pouvoir caloporteur du fluide va déterminer les diamètres des canalisations et des éléments de tuyauterie, il est fonction de la capacité thermique massique du fluide et le pouvoir calovecteur va, quant à lui, déterminer les surfaces d'échange des échangeurs thermiques, il est fonction de la conductivité thermique du fluide [BE 9 570] [BE 9 571]), comme bains de réalisation de dépôts métalliques [M 1 534] sur des pièces solides (par exemple, pour la réalisation de revêtements anticorrosion : Zn, Al, Sn) ou comme bains de traitements thermiques (Pb)).

Les métaux liquides peuvent être corrosifs pour les matériaux solides au contact desquels ils se trouvent, et cela d'autant plus que leur température d'utilisation est élevée. Les matériaux utilisés sont soit des matériaux métalliques (essentiellement à base fer), soit des matériaux réfractaires. Le besoin de garantir les durées de vie des structures contenant ces métaux liquides et d'anticiper les éventuels changements de composants à réaliser nécessite de comprendre et de modéliser les mécanismes de corrosion. Cela est d'autant plus indispensable dans le cas de l'industrie nucléaire qui utilise ou envisage d'utiliser des métaux liquides comme : fluides caloporteurs des réacteurs nucléaires de génération IV (Na, Pb) [BN 3 020] [BN 3 680], comme couverture tritigène et caloporteur des réacteurs à fusion (Li, Pb-Li) [BN 3 013] ou comme cible de spallation permettant la production de neutrons à des fins de recherche ou de transmutation de déchets nucléaires (Pb-Bi, Hg). En effet, dans ce type d'installations, les composants sont peu voire pas remplaçables et doivent fonctionner pendant de longues durées sous des sollicitations multiples. À titre d'exemple, dans le cas des réacteurs de quatrième génération, on envisage des durées de vie de 60 ans pour les composants non remplaçables. De plus, ces composants doivent être fabriqués dans des matériaux qualifiés pour la construction d'installations nucléaires et répondre aux cahiers des charges de ces installations : résistance à l'irradiation, à la haute température, à l'environnement et doivent être également disponibles industriellement, usinables, soudables... Ce sont donc, généralement, soit des aciers inoxydables austénitiques de type 316L, soit des aciers ferritiques ou ferrito-martensitiques de type Fe-9Cr. Dans cet article nous allons donc nous intéresser à différents systèmes matériaux métalliques/métal liquide qui vont nous permettre de présenter les principales phénoménologies de corrosion, de décrire les mécanismes associées et les modélisations actuellement développées (…).

Aujourd'hui, de nombreuses données phénoménologiques ont été accumulées sur la corrosion des aciers par les métaux liquides mais la connaissance fine des mécanismes de corrosion, la modélisation associée et les moyens de lutter contre cette corrosion doivent continuer à être développés.

En ce qui concerne les mécanismes de corrosion et leur modélisation, les modèles présentés dans ce document sont récents et les mécanismes de corrosion doivent être plus systématiquement recherchés.

La compréhension des mécanismes se fonde d'abord sur la réalisation d'essais expérimentaux finement contrôlés (teneur en oxygène et en impuretés, vitesse du métal liquide, température, connaissance fine du matériau et de son état de surface) et de longue durée afin d'obtenir un état stationnaire du système. L'investigation approfondie des faciès de corrosion est le deuxième point indispensable pour déterminer le mécanisme de corrosion. Cette investigation est rendue actuellement plus aisée grâce aux techniques d'analyses de pointe utilisables systématiquement comme le MEB-(FEG) [P 865] [P 866] avec et sans analyse EDX, la microsonde de Castaing [P 885], la DRX [P 1 080], le MET avec et sans analyse [M 4 134] [M 4 136], la SDL [P 2 715v2], le SIMS et le nano-SIMS [P 2 618], le Raman [P 2 865] ou moins systématiquement comme la sonde atomique tomographique [P 2 563], la microsonde nucléaire [P 2 563] [P 2 564], etc. L'observation et l'évolution des faciès de corrosion au cours du temps permettent de proposer des mécanismes en accord avec la totalité des observations expérimentales.

Une fois le mécanisme validé, la modélisation permet de prévoir les vitesses de corrosion sur du long terme ou tout simplement pour des paramètres expérimentaux (température, vitesse et chimie du métal liquide, matériau) différents (…).

Les mécanismes et les modèles de corrosion peuvent être similaires pour différents métaux liquides : l'oxydation des Fe-9Cr se modélise identiquement dans Pb pur, Pb-Bi et Bi pur ; le mécanisme de dissolution des aciers austénitiques semble similaire dans Na, Pb, Pb-Li, Pb-Bi. Aussi, l'obtention des mécanismes de corrosion dans un métal liquide peut être très instructive pour les mécanismes de corrosion dans les autres métaux liquides. L'alliage Pb-Bi et le Pb pur semblent être des métaux liquides particulièrement intéressants pour la compréhension des mécanismes de corrosion des aciers en régime de dissolution et en régime d'oxydation. Ils peuvent être utilisés comme métaux liquides modèles pour comprendre les mécanismes de corrosion dans des métaux liquides moins faciles d'utilisation, comme le sodium ou le lithium.

En ce qui concerne les moyens de lutte contre la corrosion par les métaux liquides, la recherche s'oriente particulièrement sur les moyens de mesure et de contrôle de la chimie du métal liquide et sur les études matériaux afin de sélectionner les nuances présentant le meilleur comportement dans le métal liquide.

En effet, il a été montré que la chimie du métal liquide pouvait fortement influencer le régime puis la cinétique de corrosion. Aussi, les études sur la connaissance fondamentale de la chimie du métal liquide sont primordiales pour trouver les moyens technologiques de la contrôler.

Avant de pouvoir contrôler la teneur en impuretés dissoutes dans le métal liquide il est nécessaire de pouvoir mesurer ces teneurs. La technologie des oxygène-mètres fiables, résistants et simples d'utilisation, très largement utilisés pour les alliages de plomb, est en cours de développement pour d'autres métaux liquides comme le sodium. De manière plus générale, la technologie de mesure des impuretés comme l'oxygène, le carbone, l'hydrogène dissous dans les métaux liquides est en cours de développement.

Le contrôle des impuretés est actuellement réalisé via différentes technologies : balayage gazeux, passage dans une boucle secondaire fixant la chimie ou la physique du milieu (mélange tampon, piège froid...), ajout d'autres impuretés ou de filtres destinés à piéger les impuretés à contrôler, ajout de pompes ou sources à impuretés comme pour le cas de l'oxygène par voie électrochimique à travers une membrane en zircone yttriée... Ces technologies sont plus ou moins fiables, rapides, résistantes et utilisables dans un procédé industriel et ont besoin de développements plus approfondis pour acquérir de la robustesse et de la fiabilité.

Enfin, les matériaux considérés dans les procédés industriels sont fréquemment choisis sur des critères autres que la tenue à la corrosion en milieu métal liquide (tenue à l'irradiation neutronique pour l'industrie nucléaire, résistance mécanique...). Peu d'optimisation des matériaux a été jusqu'à présent réalisée du point de vue de la corrosion. Les études visant à développer des matériaux ou des revêtements résistants quelles que soient les conditions dans les métaux liquides sont, ces derniers temps, en expansion en Europe et en Corée pour la technologie des alliages de plomb. Des nuances de matériaux et/ou de revêtement enrichis en silicium ou en aluminium sont étudiées. L'ajout d'autres éléments mineurs (Nb, Cr...) dans le but de stabiliser les couches protectrices d'alumine ou de silice est une voie aussi investiguée. Ainsi, la recherche de nouvelles nuances d'aciers dont le but est la résistance à la corrosion mérite d'être plus approfondie.


Techniques de l'Ingénieur
Référence COR640 | Date de publication : 10 juin 2013 | Fanny BALBAUD-CELERIER, Laure MARTINELLI

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