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1 - PHÉNOMÈNES DE CORROSION DANS LES MÉTAUX LIQUIDES

2 - PHÉNOMÉNOLOGIE DE LA FORMATION D'INTERMÉTALLIQUES

3 - PHÉNOMÉNOLOGIE DE LA DISSOLUTION DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES

4 - PHÉNOMÉNOLOGIE DE L'OXYDATION

5 - DIFFÉRENTS MODÈLES DE CORROSION

6 - MOYENS DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION PAR LES MÉTAUX LIQUIDES

  • 6.1 - Contrôle et mesure de l'oxygène dissous dans les alliages de plomb
  • 6.2 - Développement de revêtements protecteurs
  • 6.3 - Développement de nouvelles nuances d'acier

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : COR640 v1

Différents modèles de corrosion
Phénomènes de corrosion dans les métaux liquides

Auteur(s) : Fanny BALBAUD-CELERIER, Laure MARTINELLI

Relu et validé le 02 sept. 2020

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RÉSUMÉ

Les métaux liquides tels que Pb, Na, Ga, Al ou Zn, et leurs alliages sont utilisés dans de nombreux secteurs de l'industrie : énergie, aéronautique, métallurgie. Leurs propriétés thermiques rendent leur utilisation très intéressante comme fluides caloporteurs, par exemple, de réacteurs nucléaires. Cependant, ces métaux liquides sont corrosifs au contact de matériaux solides, et cela d'autant plus que leur température d'utilisation est élevée. Préserver les matériaux de structure en contact avec ces métaux liquides requiert la connaissance, la compréhension et la modélisation des phénomènes de corrosion potentiellement rencontrés.

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ABSTRACT

Corrosion phenomena in liquid metal systems

Liquid metals (Pb, Na, Hg, Al, Zn) and their alloys are used in a large number of industrial sectors: energy, aeronautics, metallurgy. Due to their thermal properties, their use is very interesting as coolants of nuclear systems for instance. However, these liquid metals are corrosive when they come into contact with solid materials, all the more so as their temperature of use is high. Preserving structural materials in contact with these liquid metals requires the knowledge, understanding and modeling of the potential corrosion phenomena.

Auteur(s)

  • Fanny BALBAUD-CELERIER : Docteur, HdR - Ingénieur de l'École nationale supérieure de chimie de Clermont-Ferrand - Expert international du CEA dans le domaine matériaux-corrosion, CEA Saclay

  • Laure MARTINELLI : Docteur, ingénieur de l'École nationale supérieure des mines de Paris - Ingénieur-chercheur au laboratoire de l'Étude de la corrosion non aqueuse, CEA Saclay

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

state of art   |   Scanning electron microscope   |   Oxygen probe   |   energy   |   metallurgy   |   thermodynamic   |   High temperature corrosion

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-cor640


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5. Différents modèles de corrosion

Les données présentées dans les paragraphes 3 et 4 sur la phénoménologie de la dissolution et de l'oxydation montrent que les modèles empiriques ne sont disponibles que dans certains cas. De plus, ces modèles sont souvent extrêmement limités en termes d'applications (nuances de matériaux, domaines de température...).

L'importante dispersion des résultats de corrosion dans les métaux liquides a également été soulignée. Elle repose en partie sur la difficulté de contrôler la physico-chimie de ces métaux liquides et d'obtenir des mesures fiables dans ces milieux et sur la complexité des phénomènes en jeu impliquant de multiples paramètres : chimie du milieu, chimie des matériaux, conditions hydrodynamiques, état de surface des matériaux, état de contrainte des matériaux...

Afin d'améliorer la tenue des matériaux dans le temps dans des systèmes mettant en jeu des métaux ou des alliages liquides, il est donc nécessaire de comprendre de façon plus fine les mécanismes en jeu entre les matériaux de structure et les alliages liquides pour être capable de les modéliser et de prévoir ainsi la durée de vie des matériaux.

Dans ce paragraphe, vont être présentés les principaux mécanismes en jeu et leurs modèles associés qui ont été développés essentiellement dans les alliages de plomb en régime de dissolution et en régime d'oxydation. Il faut noter que ces études approfondies ont été principalement...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HAMDANE (O.) -   Étude des mécanismes de plasticité et d'endommagement de l'acier martensitique T91 en présence de sodium liquide.  -  Thèse de doctorat, no 40970, Université de Lille (2012).

  • (2) - SERRE (I.), VOGT (J.-B.) -   *  -  Nuclear Engineering and Design., 237, p. 677 (2007).

  • (3) - VERLEENE (A.), VOGT (J.-B.), SERRE (I.), LEGRIS (A.) -   *  -  International Journal of Fatigue, 28, p. 843 (2006).

  • (4) - HAMOUCHE (Z.) -   Étude de la fragilisation des aciers T91 et 316L par l'eutectique Pb-Bi liquide.  -  Thèse de doctorat, Université Paris XI (2008).

  • (5) - BOUCHÉ (K.) -   Étude thermocinétique de la dissolution de métaux solides (fer et nickel) dans l'aluminium liquide.  -  Thèse de doctorat, Université de Provence (1995).

  • (6) - SOUSTELLE (M.) -   Modélisation...

1 Sites Internet

Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility,Thermal-hydraulics and Technologies http://www.oecd-nea.org/science/reports/2007/nea6195-handbook.html (page consultée le 10 novembre 2012).

Helimnet (HEavy LIquid Metal NETwork) https://cordis.europa.eu/project/id/249677/fr

Centre Français de l'anticorrosion http://www.cefracor.org/

HAUT DE PAGE

2 Événements

Congrès :

Heavy Liquid Metal Coolant (HLMC) a lieu irrégulièrement à Obninsk en Russie (ou sous forme de workshop dans d'autres pays). Cette conférence est focalisée sur l'ensemble de la technologie métal liquide et non uniquement sur la corrosion.

Conférence Internationale sur la Corrosion et la Protection des Matériaux pour les Hautes Températures (HTPCM). Cette conférence a lieu tous les quatre ans sur l'île des Embiez (France). Elle est focalisée sur la corrosion haute température et rassemble la plus grande partie de la communauté internationale intéressée par ce sujet.

European Federation...

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