Tout sur la fissuration environnementale dans les alliages à base de nickel

Les alliages à base de nickel (Ni) sont utilisés dans des environnements hautement corrosifs et souvent là où d'autres métaux, tels que les aciers inoxydables, ont une résistance à la corrosion insuffisante. Étant donné que les alliages à base de nickel ont tendance à être plus résistants à la corrosion que les aciers inoxydables, ils remplacent souvent les aciers inoxydables où les chlorures sont présents et, combinés à des contraintes résiduelles minimales, peuvent provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure (SCC) de ces alliages. ( Pour en savoir plus sur ce sujet, voir :Fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure de l'acier inoxydable austénitique.)

L'alliage de choix semble être l'alliage C276, qui est pratiquement insensible au SCC.

De plus, beaucoup pensent que les alliages à base de Ni sont également résistants à la fissuration assistée par l'environnement (EAC). Malheureusement, cependant, il existe certains environnements spécifiques - combinés à certains changements microstructuraux - où ces alliages peuvent également être sensibles à l'EAC. (Notez que la contrainte de traction requise peut être appliquée ou résiduelle.)

Cet article mettra en évidence les environnements dans lesquels diverses classes d'alliages à base de Ni sont sensibles à l'EAC. Une telle fissuration n'est pas toujours très courante; mais si ces environnements sont potentiellement présents, l'évaluation de la fissuration potentielle via des tests - par exemple des évaluations de courbure en U, d'anneau en C ou de vitesse de déformation lente - est fortement recommandée. La distinction entre SCC et fragilisation par l'hydrogène ne sera pas faite dans cet article.

Fissuration assistée par l'environnement dans les alliages à base de Ni :les bases

Pour les systèmes d'halogénure aqueux, une combinaison de conditions peut favoriser la sensibilité des alliages à base de Ni à l'EAC. Ceux-ci incluent :

• Températures supérieures à 205 degrés Celsius.
• Concentration élevée en chlorure.
• Conditions acides.
• Présence d'espèces oxydantes.
• Présence de sulfure d'hydrogène (H₂ S).
• Contrainte de traction élevée.

Il existe deux principales classifications des alliages à base de Ni :résistant à la chaleur et résistant à la corrosion. Et cette dernière catégorie se compose de trois types de base :

• Alliages Ni-Mo.
• Alliages Ni-Cr-Mo.
• Alliages Ni-Cr-Fe-(Mo).

Nouvelles techniques pour évaluer la fissuration assistée par l'environnement dans le Ni- à base de superalliages

Bien que les essais de vitesse de déformation lente, également connus sous le nom d'essais de fatigue, puissent fournir une mesure de la sensibilité d'un alliage à l'EAC, ils ne fournissent pas toujours suffisamment d'informations sur le mécanisme de fissuration.

En principe, des techniques peuvent être utilisées pour examiner les régions de pointe de fissure des éprouvettes de fatigue. Les méthodes possibles incluent la microscopie électronique à transmission couplée à la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDXA), la spectrométrie de masse à ions secondaires à l'échelle nanométrique (nano-SIMS) et la tomographie par sonde atomique, qui ont toutes été utilisées pour étudier ce problème.

Ces études ont montré que, souvent, la dégradation de l'environnement se produit très localement à l'échelle submicronique. Cependant, l'effet des dommages environnementaux sur les propriétés mécaniques locales dans la région en amont du fond de fissure n'a pas été étudié jusqu'à présent. L'utilisation de techniques d'essais micromécaniques peut maintenant être appliquée pour évaluer le comportement mécanique à l'échelle submicronique. Grâce à ces tests, nous pouvons effectuer des mesures spécifiques au site à une échelle de longueur inférieure au micron ; et cela peut jouer un rôle essentiel dans une meilleure compréhension des mécanismes de fissure.

Fissuration assistée par l'environnement dans les alliages Ni-Mo

Les alliages Ni-Mo les plus courants sont l'alliage B, l'alliage B2 et l'alliage B3. Ces alliages ont une excellente résistance à la corrosion dans des environnements acides non oxydants et réducteurs et se sont avérés résistants au Cl-SCC, comme dans le chlorure de magnésium bouillant (MgCl₂ ) solutions.

L'alliage B2 - et dans une certaine mesure l'alliage B3 - lorsqu'il est chauffé entre 550 et 850 degrés Celsius, perd sa ductilité à cause de la formation à l'état solide d'une phase intermétallique ordonnée telle que Ni₄ Mo. De telles phases peuvent se produire dans la zone affectée par la chaleur (ZAT) pendant le soudage. Des études à vitesse de déformation lente ont démontré la sensibilité de ces alliages à la fissuration dans des conditions acides réduites lorsqu'ils sont traités thermiquement à 570 degrés Celsius ou dans des conditions typiques de soudage.

L'étendue de la fissuration a été attribuée à la formation de la phase intermétallique et de l'hydrogène subséquent (H₂ ) fragilisation. Cette étude pourrait expliquer la fissuration intergranulaire observée dans la HAZ de l'alliage B2, exposée à des solvants organiques contenant des traces d'acide sulfurique (H₂ SO₄ ) et craquage transgranulaire en présence d'iodure d'hydrogène (HI).

La chimie des solutions cathodiques et anodiques près des soudures peut être le facteur critique pour l'EAC. La composition de l'alliage B3 retarde la réaction de vieillissement et permet de l'utiliser à l'état brut de soudage, ce qui peut réduire le potentiel d'EAC.

Fissuration assistée par l'environnement dans les alliages Ni-Cr-Mo

Les alliages Ni-Cr-Mo sont les alliages à base de Ni les plus polyvalents en raison de l'inclusion de molybdène (Mo) - qui peut augmenter la résistance à la corrosion dans des conditions réductrices - et de la présence de chrome (Cr) - qui offre une plus grande résistance à la corrosion dans des conditions oxydantes .

L'Hastelloy C a été le premier alliage de ce groupe et a servi de base au développement de nombreux alliages, notamment les alliages C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo et 686. Lorsque ces alliages sont vieillis à des températures supérieures à 600 degrés Celsius, une précipitation de phases tassées tétraédriquement fermées peut se produire, ce qui peut réduire leur ductilité. Le temps nécessaire à chaque alliage pour se transformer à travers ces phases varie; par exemple, l'alliage C4 a une résistance plus élevée à de tels changements microstructuraux que l'alliage C276. La sensibilité à l'EAC peut également être augmentée par un travail à froid suivi d'un traitement à basse température. Ainsi, ces alliages peuvent être sensibles à l'EAC dans des environnements contenant du H₂ S.

Il a également été signalé que les alliages C276 et 625 peuvent subir une fissuration intergranulaire lorsqu'ils sont exposés à diverses solutions aqueuses à proximité du point critique de l'eau. Les tests d'extension de la croissance des fissures dans la saumure acide pour simuler les déchets nucléaires pour les alliages C4, -22 et 625 semblent être associés au temps, qui, pour des environnements aussi agressifs et critiques, doit inclure des tests à plus long terme.

Pour le fluorure d'hydrogène (HF) humide et chaud - et en fonction de la température et de la concentration de HF - ces alliages peuvent être sensibles à l'EAC. Les alliages contenant du tungstène semblent être les plus touchés.

Des niveaux élevés de Mo dans ces alliages semblent être préjudiciables dans les environnements caustiques chauds, avec Mo et Cr sans alliage. Un tel mécanisme peut favoriser la fissuration transgranulaire dans l'alliage C276. Cependant, la susceptibilité peut également être fonction des conditions de test.

L'alliage C22 est sensible à l'EAC dans les environnements contenant du chlorure et du bicarbonate (HCO₃ ) ou carbonate à température élevée et sous potentiels anodiques. La perte de Cr de la dissolution par HCO₃ ^- dans le film d'oxyde protecteur peut être la source de la susceptibilité.

Fissuration assistée par l'environnement dans les alliages Ni-Cr-Fe-(Mo)

Les alliages Ni-Cr-Fe-(Mo) comprennent les alliages 600, 690, 825 et 800. Ils sont largement utilisés dans diverses applications, telles que les environnements de réacteurs à eau primaire.

En particulier, il a été constaté que les alliages 600 et 690 souffrent d'EAC dans l'eau pure et caustique avec une forte sensibilité à la fissuration en fonction de la température, du niveau de contrainte de traction, de la présence de H₂ gaz, pH de la solution et potentiel électrochimique. Les facteurs métallurgiques qui ont un impact sur la fissuration comprennent la présence d'éléments mineurs ou d'impuretés, l'étendue du travail à froid et du traitement thermique pour la formation et la localisation des carbures. L'alliage 690, ayant une teneur en Cr plus élevée, a une plus grande résistance à la fissuration que l'alliage 600 dans ces environnements ; mais peut encore craquer.

Il a été suggéré que la diffusion vers l'intérieur de l'oxygène aux joints de grains peut entraîner l'oxydation intergranulaire du Cr, où la fragilisation par oxydation intergranulaire est un précurseur de la fissuration ultérieure. L'alliage 800 est également sensible à l'EAC dans ces conditions; mais le mécanisme est différent. À 300 degrés Celsius et à un pH supérieur à 10, un désalliage du fer (Fe) et du chrome peut se produire et conduire à un mécanisme de clivage induit par le film. La présence d'anions plomb (Pb) ou sulfate peut favoriser la dégradation de l'alliage 800 dans ces environnements.

L'alliage 825 est plus résistant au Cl-SCC que les aciers inoxydables austénitiques; cependant, il est toujours sensible. Les alliages 800 et 825, lorsqu'ils sont chauffés entre 400 et 800 degrés Celsius, se sensibilisent, c'est-à-dire que les carbures de Cr précipitent dans les joints de grains. Si les conditions de traitement sont telles qu'une calamine de sulfure se forme sur la surface du métal, ces alliages sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acide polythionique. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir :Fissuration par corrosion sous contrainte à l'acide polythionique de l'acier inoxydable austénitique.)

Morphologie des fissures dans les alliages à base de Ni

La morphologie des fissures EAC pour les alliages à base de Ni peut être transgranulaire (à travers le grain), intergranulaire (le long des joints de grains) ou en mode mixte, avec une fissuration secondaire ramifiée en fonction des conditions environnementales telles que la température, la présence d'impuretés du procédé, la chimie du procédé et les variations microstructurales. Cependant, l'existence de ces fissures ne signifie pas automatiquement que l'EAC est le mécanisme de rupture, puisque d'autres mécanismes tels que la fissuration par relaxation des contraintes se propagent par un mode intergranulaire. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir :Craquage de relaxation sous contrainte, un phénomène oublié.)

Une analyse détaillée des défaillances, y compris une évaluation approfondie des conditions de processus et des tests éventuels pour l'EAC, peut être nécessaire pour identifier correctement le mode de défaillance exact.