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Webinaire #26 AFTherMat - - Enrica Epifano - 20250312

La modélisation thermodynamique et thermo-cinétique appliquée aux études d’oxydation à haute température Plusieurs secteurs industriels, tels que les transports, la production des matériaux et la transformation d'énergie, reposent sur des processus à haute température dans des environnements réactifs. La résistance à l'oxydation à haute température est donc un critère essentiel pour la conception des alliages utilisés dans ces domaines. La résistance environnementale à haute température est obtenue par l'oxydation sélective d'un élément de l'alliage, qui conduit à la formation d'une couche d'oxyde protectrice, dense, adhérente et à croissance lente à la surface de l'alliage. Les meilleurs candidats à cette fin sont généralement l'alumine (Al2O3), la chromine (Cr2O3) et la silice (SiO2). Pour une atmosphère et une température données, afin de favoriser l’oxydation sélective, la composition de l'alliage doit respecter plusieurs critères qui sont liés aux propriétés thermodynamiques et cinétiques de l'alliage et de l'oxyde, comme décrit par Wagner [1]. Le modèle de Wagner fournit un bon cadre conceptuel et, dans certains cas, une base analytique utile pour la prédiction quantitative. Toutefois, l’application analytique de ce modèle n’est pas possible dans le cas des systèmes multi-éléments. Cependant, les outils numériques d’aujourd’hui couplés aux modèles CALPHAD pourraient permettre des prédictions quantitatives pour des systèmes de plus en plus complexes. Dans cette présentation, nous explorerons le domaine de l’oxydation à haute température à travers le prisme des thermodynamiciens. Plusieurs cas d’études seront abordés, en progressant du plus simple au plus complexe. Nous commencerons par le diagramme d’Ellingham, un outil ancien mais toujours pertinent, qui peut être enrichi grâce aux bases de données CALPHAD [2]. Par la suite, nous présenterons des calculs thermodynamiques avancés et montrerons comment ils permettent d’obtenir des données essentielles pour prédire des phénomènes complexes tels que l’oxydation intergranulaire [3]. Nous poursuivrons avec des calculs thermo-cinétiques encore plus élaborés, illustrés par des exemples de simulations de diffusion appliquées à l’oxydation, réalisées à l’aide du logiciel DICTRA. Enfin, nous discuterons des limites actuelles de ces méthodes et proposerons quelques perspectives d’amélioration. [1] C. Wagner, Z. Für Phys. Chem., vol. B 32, p. 447, 1936. [2] E. Epifano and D. Monceau, ‘Ellingham diagram: A new look at an old tool’, Corros. Sci., vol. 217, p. 111113, Jun. 2023, doi: 10.1016/j.corsci.2023.111113. [3] S. Madhusudan, E. Epifano, J. Favergeon, T. Sanviemvongsak, D. Maréchal, and D. Monceau, ‘High Temperature Intergranular Oxidation of Nickel Based Superalloy Inconel 718’, High Temp. Corros. Mater., Jul. 2024, doi: 10.1007/s11085-024-10260-z.