Comprendre la Fissuration Environnementale des Alliages à Base de Nickel : Causes, Prévention et Impact

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. Comme les alliages à base de Ni ont tendance à être plus résistants à la corrosion que les aciers inoxydables, ils les remplacent souvent là où des chlorures sont présents et, combinés avec des contraintes résiduelles minimales, peuvent causer de la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) aux chlorures de ces alliages. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Fissuration par Corrosion sous Contrainte aux Chlorures de l'Acier Inoxydable Austénitique.)

L'alliage de choix semble être l'alliage C276, qui est pratiquement immunisé contre le 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 avec certains changements microstructuraux — où ces alliages peuvent aussi être sensibles à l'EAC. (Noter que la contrainte de traction requise peut être soit appliquée, soit 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, une évaluation du risque de fissuration par des tests — par exemple U-bend, C-ring ou évaluations à vitesse de déformation lente — est vivement 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 aqueux d'halogénures, une combinaison de conditions peut promouvoir la sensibilité des alliages à base de Ni à l'EAC. Celles-ci incluent :

• Températures supérieures à 205 °C.
• Haute concentration en chlorures.
• Conditions acides.
• Présence d'espèces oxydantes.
• Présence de sulfure d'hydrogène (H₂S).
• Haute contrainte de traction.

Il existe deux classifications principales d'alliages à base de Ni : résistants à la chaleur et résistants à la corrosion. Cette dernière catégorie se compose de trois types de base :

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

Techniques Nouvelles pour Évaluer la Fissuration Assistée par l'Environnement dans les Superalliages à Base de Ni

Bien que les essais à vitesse de déformation lente — également connus sous le nom d'essais de fatigue à temps de maintien — 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 la pointe de fissure des éprouvettes de fatigue. Les méthodes possibles incluent la microscopie électronique à transmission couplée à la spectroscopie à dispersion d'énergie par rayons X (EDXA), la spectrométrie de masse d'ions secondaires à l'échelle nanométrique (nano-SIMS) et la tomographie par sonde atomique — toutes utilisées pour étudier ce problème.

Ces études ont montré que, souvent, la dégradation environnementale se produit très localement à l'échelle sub-micronique. Cependant, l'effet des dommages environnementaux sur les propriétés mécaniques locales dans la région devant la pointe de fissure n'a pas encore été étudié. L'utilisation de techniques de test micro-mécaniques peut maintenant être appliquée pour évaluer le comportement mécanique à l'échelle sub-micronique. En utilisant ces tests, nous pouvons faire des mesures spécifiques au site à une échelle de longueur sub-micronique ; et cela peut jouer un rôle crucial pour mieux comprendre les mécanismes de fissuration.

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 les environnements acides non oxydants et réducteurs et ont démontré une résistance au SCC aux chlorures, comme dans les solutions de chlorure de magnésium (MgCl₂) bouillantes.

L'alliage B2 — et dans une certaine mesure l'alliage B3 — lorsqu'ils sont chauffés entre 550 et 850 °C, perdent en ductilité à cause de la formation en état solide d'une phase intermétallique ordonnée telle que Ni₄Mo. De telles phases peuvent se produire dans la zone affectée par la chaleur (ZAC) lors du soudage. Des études à vitesse de déformation lente ont démontré la sensibilité de ces alliages à la fissuration dans des conditions acides réductrices lorsqu'ils sont traités thermiquement à 570 °C ou dans des conditions typiques de soudage.

L'étendue de la fissuration a été attribuée à la formation de la phase intermétallique et à la fragilisation par l'hydrogène (H₂) qui en résulte. Cette étude pourrait expliquer la fissuration intergranulaire observée dans la ZAC de l'alliage B2, exposé à des solvants organiques contenant des traces d'acide sulfurique (H₂SO₄) et la fissuration 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 son utilisation en condition telle que soudée, 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 grâce à l'inclusion du molybdène (Mo) — qui peut augmenter la résistance à la corrosion dans des conditions réductrices — et la présence du chrome (Cr) — qui fournit une plus grande résistance à la corrosion dans des conditions oxydantes.

Hastelloy C était le premier alliage de ce groupe et a servi de base au développement de nombreux alliages, dont les alliages C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo et 686. Lorsque ces alliages sont vieillis à des températures supérieures à 600 °C, la précipitation de phases tétraédriquement compactes peut se produire, ce qui peut abaisser leur ductilité. Le temps nécessaire pour que chaque alliage se transforme 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 avoir une sensibilité à l'EAC dans des environnements contenant du H₂S.

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

Pour l'acide fluorhydrique (HF) humide et chaud — et selon la température et la concentration en HF — ces alliages peuvent être sensibles à l'EAC. Les alliages contenant du tungstène semblent être les plus affectés.

Des niveaux élevés de Mo dans ces alliages semblent néfastes dans les environnements caustiques chauds, avec déalliage du Mo et du Cr. Un tel mécanisme peut favoriser la fissuration transgranulaire dans l'alliage C276. Cependant, la sensibilité peut aussi être une fonction des conditions de test.

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

Fissuration Assistée par l'Environnement dans les Alliages Ni-Cr-Fe-(Mo)

Les alliages Ni-Cr-Fe-(Mo) incluent les alliages 600, 690, 825 et 800. Ils sont largement utilisés dans une variété d'applications — telles que les environnements de réacteurs à eau primaire.

En particulier, les alliages 600 et 690 ont été trouvés sensibles à l'EAC dans l'eau pure et la soude caustique, avec une sensibilité à la fissuration dépendant fortement de la température, du niveau de contrainte de traction, de la présence de gaz H₂, du pH de la solution et du potentiel électrochimique. Les facteurs métallurgiques qui influencent la fissuration incluent la présence d'éléments mineurs ou d'impuretés, l'étendue du travail à froid et le 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 se fissurer.

Il a été suggéré que la diffusion vers l'intérieur de l'oxygène aux joints de grain peut résulter en l'oxydation intergranulaire du Cr, où l'embrittlement par oxydation intergranulaire est un précurseur de la fissuration subséquente. L'alliage 800 est également sensible à l'EAC sous ces conditions ; mais le mécanisme est différent. À 300 °C et un pH supérieur à 10, le déalliage du fer (Fe) et du chrome peut se produire et mener à un mécanisme de clivage induit par film. La présence de plomb (Pb) ou d'anions sulfate peut augmenter la dégradation de l'alliage 800 dans ces environnements.

L'alliage 825 est plus résistant au SCC aux chlorures que les aciers inoxydables austénitiques ; cependant il reste sensible. Les alliages 800 et 825, lorsqu'ils sont chauffés entre 400 et 800 °C, se sensibilisent — ce qui est la précipitation de carbures de Cr aux joints de grain. Si les conditions de processus sont telles qu'une échelle de sulfure se forme sur la surface du métal, ces alliages sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte à 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 grain) ou en mode mixte, avec fissuration secondaire ramifiée selon les conditions environnementales telles que la température, la présence d'impuretés de processus, la chimie du processus et les variations microstructurales. Cependant, l'existence de ces fissures ne signifie pas automatiquement que l'EAC est le mécanisme de défaillance, car d'autres mécanismes tels que la fissuration par relaxation de contrainte se propagent par un mode intergranulaire. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Fissuration par Relaxation de Contrainte, un Phénomène Oublié.)

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