Corrosion des céramiques

La corrosion est l'altération d'un matériau causée par des interactions physico-chimiques avec son environnement. Il s'ensuit une dégradation de[nbsp ]ses propriétés d'usage devant conduire, à terme, à son remplacement. La corrosion se distingue de l'usure, conséquence de sollicitations mécaniques, ainsi que du vieillissement qui est l'évolution spontanée des matériaux en l'absence d'intervention de facteurs externes, c'est-à-dire sous le seul effet du temps : réticulation de polymères, cristallisation de verres…

La corrosion est considérée comme la principale cause de destruction des appareillages et des installations. Son coût économique est considérable. Il a été estimé à plus de 2 % du produit mondial, soit plus de 1 000 milliards d'euros par an. En fait, l'essentiel de ces pertes est dû à la corrosion aqueuse des métaux et alliages, qui a fait l'objet de plusieurs dossiers Techniques de l'Ingénieur [K 830] [COR 15] : elle concerne notamment les réactions qui se produisent à température ambiante sous les effets conjugués de l'oxygène (de l'air) et de l'eau, éventuellement chargée de sels (milieux marins en particulier).

La plupart des céramiques sont très peu sensibles à la corrosion aqueuse, mais, tout comme les métaux placés à des températures d'usage élevées, les céramiques chauffées sont soumises à des dégradations chimiques causées par leur environnement, qui peuvent être importantes, voire rapidement catastrophiques. Concernant les métaux, la corrosion à température élevée par les gaz chauds (aussi appelée « corrosion sèche ») a fait l'objet de deux dossiers Techniques de l'Ingénieur [M 4 220] [M 4 228]. De façon analogue, l'objectif du présent dossier est de faire un point synthétique des connaissances sur le comportement des céramiques placées à haute température dans des milieux hostiles susceptibles de les dégrader. On entend par « environnements hostiles » d'une part, certains gaz chauds (très souvent l'oxygène de l'air) et d'autre part, des liquides : métaux, sels ou oxydes fondus. Le mode de dégradation diffère très sensiblement dans ces deux sortes de milieux, et cela justifie leur traitement séparé dans la suite de ce dossier.

De façon pratique, la corrosion des céramiques est un problème auquel sont confrontés de nombreux ingénieurs qui cherchent à fabriquer des produits à durée de vie la plus longue possible, et au meilleur coût. En production par exemple, la corrosion pèse sur les coûts au travers de la part «investissement» qui est l'une des composantes de leur prix de revient final : le coût des investissements répercuté sur le prix des productions est d'autant plus faible que la durée de vie du dispositif de production est plus longue. Cela conduit l'ingénieur à rechercher des matériaux ayant une sensibilité à la corrosion la plus faible possible. Pour les céramiques, l'échelle de temps est extrêmement large : la durée de vie d'un poussoir de tuyère de réacteur de fusée ou de missile s'évalue en minutes, tandis que celle des réfractaires en verrerie ou sidérurgie (hauts fourneaux) se mesure souvent en décennies.

Au vu de ces deux exemples, le lecteur peut imaginer la très grande variété des usages des matériaux céramiques concernés par la corrosion, et, naturellement, la très grande gamme de composition de ces solides (oxydes, carbures, nitrures, borures…), produits massifs ou revêtements.

Heureusement, la problématique se simplifie car, quelles que soient l'échelle du temps et la nature des matériaux céramiques, les mécanismes réactionnels de la corrosion sont relativement semblables et en nombre limité. L'ingénieur qui connaît bien ces mécanismes au plan théorique est donc à même de résoudre plus facilement les cas concrets qui se présentent à lui. C'est dans cette logique que l'on s'attache, dans la suite de ce dossier, à présenter les principaux concepts théoriques associés à la corrosion des céramiques, en les illustrant autant que possible d'exemples précis.