Recherche du mécanisme d’oxydation d’un alliage Ni-Cr par la vapeur d’eau

Investigating the oxidation mechanism of Ni-Cr Alloy in water vapour

¹ CEA, DEN, DPC, SCCME, Laboratoire d’Étude de la Corrosion Non Aqueuse, 91191 Gif-sur-Yvette, France
e-mail : celine.cabet@cea.fr
² SIMAP, Surface Interfaces et Réactivité, Grenoble INP, BP 75, 38402 Saint-Martin-d’Hères Cedex, France

Reçu : 23 Novembre 2010
Accepté : 6 Avril 2011

Résumé

Pour une application dans les Réacteurs à Caloporteur Gaz, le comportement en oxydation de l’alliage Ni-22Cr-14W-1Mo a été étudié à 850 °C sous hélium avec des teneurs en vapeur d’eau de 20–80 Pa et en hydrogène de 20–4000 Pa. Il est admis que le pouvoir oxydant du gaz peut influer sur la croissance de l’oxyde de chrome superficiel des matériaux chromino-formeurs. Une étude paramétrique par thermogravimétrie a montré que les cinétiques d’oxydation de l’alliage Ni-22Cr-14W-1Mo sont paraboliques sur 250 h. La pression partielle d’oxygène n’a pas d’effet direct sur la constante de vitesse; par contre, la constante dépend à la fois de la pression partielle en hydrogène et de la pression partielle en vapeur d’eau. La surface des échantillons, caractérisée après exposition par microscopie électronique, diffraction des rayons X et analyse dispersive en énergie, est couverte d’une couche d’oxyde de chrome associé au manganèse. Des analyses plus poussées par photo-électrochimie et spectroscopie de masse d’ions secondaires révèlent que cet oxyde pourrait comporter simultanément deux types de défauts cationiques. Une description mécaniste de la croissance de la couche à partir des deux défauts offre une approche qualitative de l’influence couplée des pressions partielles en hydrogène et en vapeur.

Abstract

For use in a High Temperature Gas-cooled Reactor, the oxidation behavior of Ni22Cr14W1Mo Alloy was investigated at 850 °C under helium with a partial pressure of water vapour of 20–80 Pa and a partial pressure of hydrogen of 20–4000 Pa. For chromia-former materials, it is accepted that the oxidation potential in the gas may affect the growth of the surface oxide scale. A parametric study using thermogravimetry showed that oxidation of Ni22Cr-14W-1Mo Alloy follows parabolic kinetics for 250 h. The rate constant doesn’t directly depend on the oxygen partial pressure in the gas but it changes as a function of both the partial pressure of water vapour and the partial pressure of hydrogen. Post-test examination of the specimen surface by electronic microscopy, X-ray diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy, showed formation of scale made of chromium-oxide containing manganese. Further analyses using photo-electrochemistry and secondary ion mass spectrometry implied that this oxide may include two types of cationic defects. A mechanist analysis based on the simultaneous diffusion of these two defects theoretically accounts for the simultaneous effect of the partial pressures of water vapour and hydrogen on the oxidation rate.