Pre-oxidation of model alloys to protect them against carburization

Le « metal dusting » est une carburation catastrophique des alliages à base de fer ou de nickel. Ce phénomène a lieu lorsque le mélange gazeux est sursaturé en carbone, à des températures supérieures à 900°C. L’objectif de ce travail consiste à former une couche protectrice d'oxyde sur la surface des alliages. Pour cela, quatre alliages chrominoformeurs modèles (Fe26Cr, Fe26Cr2Si, Ni25Cr et Ni25Cr2Si) sont pré-oxydés à 900 et 950°C dans un mélange gazeux à forte teneur en oxygène (air sec) ou à faible teneur en oxygène (N2-5%H2). Chaque alliage a ensuite été exposé à un environnement fortement carburant (Ar-10%CH4) à 900°C. La carburation des alliages bruts est comparée à celle des alliages recouverts d'une couche d'oxyde. L’étude de l'oxydation met l’accent sur l'aspect morphologique et les mécanismes de diffusion dans les couches d'oxyde formées. Le travail concernant la carburation montre qu’il est possible d’influencer le caractère protecteur des couches de pré-oxydation en fonction du choix de l'environnement gazeux et de la température. Ainsi, la constitution d’une couche de chromine seule et/ou d’une couche non adhérente ne sont pas des situations efficaces pour lutter contre la carburation dans des environnements très carburants. Par contre, la présence du silicium dans les alliages ferritiques est avantageuse à double titre. Sa présence dans la matrice ferritique permet d’éviter la formation des carbures de chrome à l'intérieur des grains de l’alliage. Au cours de la pré-oxydation, le silicium permet également d’obtenir une couche de silice amorphe qui limite la pénétration du carbone dans les joints de grains de l'alliage. Cette couche de silice a l’avantage d’être plus stable chimiquement que la couche de chromine et sa présence apparaît indispensable afin d'assurer une bonne protection. En revanche, la couche non continue de cristobalite obtenue sur les alliages austénitiques n'apparaît pas comme étant aussi protectrice que la silice amorphe.Metal dusting is a kind of catastrophic carburization of iron or nickel-base alloys. This phenomenon occurs when the gas mixture is carbon-rich, at temperatures higher than 900°C. The aim of this work consists in forming a protective oxide scale against carburization on the surface of model alloys. In the present work, four model alloys (Fe26Cr, Fe26Cr2Si, Ni25Cr and Ni25CrSi) were pre-oxidized at 900 and 950 °C in a high oxygen containing gas (dry air) or in a low containing oxygen gas mixture (N2-5%H2). Thus, blank and pre-oxidized alloys were exposed to a highly carburizing environment (Ar-10%CH4), at 900 °C. The pre-oxidation study focuses on the oxide scale morphologies and diffusion mechanisms in the oxide scales. Carburization tests show that it is possible to influence the protectiveness of the oxide scales depending on the oxidizing gaseous environment, and temperature. Thereby, a chromia scale alone and/or a non-adherent scale is not an effective way to prevent carburization in highly carburizing environments. However, the presence of silicon in ferritic alloys is beneficial. Its presence in the ferritic matrix prevents chromium carbide formation inside the alloy grains. After oxidation, an amorphous silica scale also limits carbon ingress along the alloy grain boundaries. Silica is chemically more stable than chromia. Then, its presence appears to be essential to ensure a good protection. On the other hand, the non-continuous cristobalite scale formed on austenitic alloys does not appear to be protective enough