Endommagement de films d’oxydes thermiques de chromine sur NiCr30. Relaxation de contrainte par fluage ou par cloquage mécanique

Damage of chromia thermal oxide films formed on NiCr-30 alloys. Stress relaxation mechanisms either by creep or mechanical buckling

¹ LEMMA, Université de La Rochelle, France
e-mail: jlgrouss@univ-lr.fr; jfdinhut@univ-lr.fr
² LASMIS, Université de Technologie de Troyes, France
e-mail: benoit.panicaud@utt.fr

Reçu : 23 Novembre 2010
Accepté : 4 Janvier 2011

Résumé

Dans cette étude, on s’intéresse aux mécanismes d’endommagement de films minces d’oxydes thermiques de chromine qui se forment lors de l’oxydation d’alliages Ni-Cr30. En particulier, l’influence de certains paramètres physiques et microstructuraux sur l’évolution des niveaux de contrainte résiduelle dans les films d’oxyde est évaluée. Une approche fondamentale du problème de la durabilité de la protection apportée par le film de chromine a été réalisée en étudiant successivement la genèse du film d’oxyde et des contraintes de croissance qui l’accompagne et la perte d’intégrité par formation de cloques et d’écailles. L’essentiel des analyses a été conduite par spectrométrie Raman. Il a été possible de déterminer les contraintes de croissance prenant naissance dans la chromine en cours de formation entre 700 ° et 900 °C, ainsi que les contraintes résiduelles correspondantes permettant d’accéder à la composante thermique des contraintes à tout instant du processus d’oxydation. En outre, l’évolution du niveau de contrainte de croissance a pu être reliée à la cinétique de grossissement des grains de l’oxyde. La stabilisation ou la diminution ultérieure résulte de l’entrée en action du processus de relaxation, conséquence d’un fluage de type Coble expliqué par le niveau de contrainte atteint dans l’oxyde en relation avec la taille de grain correspondante. Les principales caractéristiques thermomécaniques décrivant ces évolutions ont pu être déterminées au moyen d’une modélisation du système en fonctionnement, soit à partir de formes analytiques asymptotiques, soit par un processus d’optimisation. Par ailleurs, l’endommagement localisé a été étudié expérimentalement de manière détaillée. Lors du refroidissement, l’oxyde peut se détacher du substrat métallique pour donner naissance à des cloques puis des écailles, dont la morphologie a été analysée. De même, le taux d’endommagement défini comme la proportion de surface délaminée, a également été déterminé en fonction de la température et de la durée d’oxydation. Son évolution a pu être mise en relation directe avec le niveau de contrainte de croissance dans le film d’oxyde de chromine, avant que celui-ci ne soit refroidi. Il apparaît au final qu’en fonction de certains paramètres (durée d’oxydation, vitesse de refroidissement), le mécanisme d’endommagement par cloquage suivi d’écaillage, doit être considéré comme un processus de relaxation local intervenant en complément des autres mécanismes principaux de relaxation par fluage.

Abstract

The present study investigates damage mechanisms for chromia thin thermal oxide films formed during the high temperature oxidation of Ni-Cr30 alloys. In particular, the influence of different physical and microstructural parameters on the evolution of the residual stress level in the film is studied. From a fundamental point of view the durability of the protection due to the chromia film has been investigated by studying consecutively the initial growth of the film with the associated growth stress level evolution, and the loss of integrity providing from buckling and spalling formation. Main of the analyses has been done by Raman spectroscopy. It has been possible to determine both the growth stress level during the course of oxidation in the temperature range (700–900 °C) and the corresponding residual stress. Thus, the thermal stress component has been deduced all along the oxidation procedure. Moreover, the growth stress evolution has been related to the oxide grains growth kinetic. The observed stabilisation or diminution of the growth stress magnitude provides from a relaxation mechanism associated with a Coble type creep depending on the attained stress magnitude via the oxide grain size. The main thermomechanical features describing these evolutions have been determined by a modelling of the system, either via analytic asymptotical forms or by an optimisation procedure. Furthermore, local damages of the oxidized surface have also been studied in details. On cooling, the oxide film can delaminated from the substrate giving rise to buckling and spalling, whose morphology has been analysed. The buckling rate, corresponding to the proportion of delaminated surface, has been determined in function of both the oxidation temperature and duration. Its evolution has been related to the growth stress level in the film before cooling. Finally, it appears that depending on different parameters (oxidation duration, cooling rate, ...) the damage process by buckling and subsequent spalling must be considered as a local release mechanism occurring complementary to other main relaxation mechanism.