Soutenance mémoire
L’aluminium et la corrosion
Généralités sur l’aluminium et ses alliages
L’aluminium est un matériau actuellement indispensable. En effet, celui-ci est utilisé dans l’ensemble des secteurs d’activités industriels et s’avère primordial depuis plusieurs décennies.
Selon des études statistiques de l’IAI, l’Institut Aérospatiale Israélien, la production annuelle mondiale d’aluminium est en croissance constante et est estimée à environ 65 millions de tonnes d’aluminium produits sur l’année 2018 (contre environ 40 millions il y a 10 ans). L’aluminium est issu de l’extraction de la bauxite, un minerai contenant environ 50% d’alumine, principal oxyde d’aluminium Al2O3. L’alumine est extraite via le procédé Bayer[1], procédé permettant la séparation des oxydes d’aluminium, de la silice et des autres types d’oxydes métalliques (notamment Fe et Ti) puis réduite par électrolyse à chaud selon le procédé Hall Héroult[2],[3] afin d’obtenir l’aluminium. Pour obtenir une quantité d’aluminium aussi considérable, il est donc nécessaire d’extraire une quantité d’alumine jusqu’à 2 fois supérieure à la quantité d’aluminium visée, soit sur l’année 2018, environ 130 millions de tonnes .
L’aluminium est ensuite mis en forme selon différents procédés en fonction de l’utilisation souhaitée. Principalement, l’aluminium est utilisé pour réaliser des alliages. La production d’un alliage consiste à insérer une quantité variable d’un ou plusieurs métaux (Cu, Mg, Mn, Si et Zn) dans la matrice d’aluminium afin d’améliorer les propriétés du matériau [4,5]. En général, l’amélioration des propriétés mécaniques de l’alliage est visée afin de faciliter sa mise en forme. Malheureusement, ceci se fait régulièrement au détriment d’autres propriétés comme la résistance à l’usure ou à la corrosion[6,7]. Concernant la mise en forme, les alliages peuvent être moulés ou corroyés. Le corroyage consiste à travailler le matériau (martelage) pour lui assurer de meilleures propriétés mécaniques et assurer la mise en forme souhaitée. 90% des alliages utilisés en aéronautique sont des alliages corroyés.
En France, les alliages corroyés sont classifiés depuis 1970 selon le système américain mis en place par l’Aluminium Association Inc[8]. Cette codification utilise 4 chiffres chacun affilié à une particularité de l’alliage. Le premier chiffre correspond à l’élément d’alliage principalement ajouté (1 pour aucun, 2 pour le Cu, 3 pour le Mn, 4 pour le Si, 5 pour le Mg, 6 pour le Mg et Si, 7 pour le Zn), le second chiffre est lié à une variante de composition de l’alliage et enfin les deux derniers chiffres servent à identifier l’alliage au sein de sa propre série.
Ces alliages peuvent également être classés selon la méthode de durcissement mécanique utilisée, soit par écrouissage, c’est-à-dire durcis par déformation plastique (1000, 3000, 5000 et 8000) soit par durcissement structural (6000, 2000, 7000 et 4000) .
Les alliages ayant subi un durcissement structural (2000, 6000 et 7000) possèdent d’importantes caractéristiques mécaniques dues à la formation de précipités durcissants. Pour obtenir ces précipités, une mise en solution des différents éléments souhaités dans l’alliage est réalisée à très haute température, puis une étape dite de « trempe » est opérée afin de figer les éléments d’alliage. Il s’ensuit une dernière étape de « maintien » qui assure la formation des précipités durcissants. La codification de ces alliages à durcissement structural est complétée par la lettre T suivie d’un nombre qui correspond à la méthode appliquée. Cette méthode est directement liée aux différents traitements thermiques subis (mise en solution, trempe, maintien). A noter que des éléments d’addition sont généralement ajoutés en faible quantité dans la composition des alliages afin d’améliorer des propriétés spécifiques. Par exemple, l’ajout de nickel améliore la tenue à chaud de l’alliage alors que l’ajout de chrome améliore lui la soudabilité du matériau[5]. L’utilisation d’éléments d’addition accroit ainsi le nombre d’alliages possibles.
Fort de sa légèreté (densité : 2,6989) et de ses hautes propriétés mécaniques, l’aluminium est fortement présent dans les avions. A titre d’exemple, environ 80% des matériaux utilisés dans les Boeing 747, 757 et 767 sont à base d’aluminium selon Warren[10]. On le retrouve spécifiquement sous la forme d’alliages de séries 2000 (Al-Cu-Mg) ou 7000 (Al-Zn-Mg-Cu). Ces alliages, corroyés et durcis structuralement, garantissent une rigidité élevée à la structure tout en assurant un poids le plus faible possible aux matériaux. Ils sont donc les alliages privilégiés pour produire les panneaux de voilures d’aéronefs[11] .
Le matériau utilisé et étudié dans l’ensemble de ce document est l’alliage 2024-T3, alliage de référence dans le domaine de l’aéronautique[12].
L’Al2024-T3
Les alliages de la série 2000 sont des alliages Aluminium-Cuivre réputés pour leurs hautes propriétés mécaniques. Certains alliages de cette série contiennent également du magnésium, introduit comme élément d’addition, qui permet d’améliorer la résistance/solidité du matériau. C’est le cas des alliages 2014 et 2024, alliages les plus utilisés de la série 2000 où la précipitation de phases durcissantes tels que l’Al2Cu et l’Al2CuMg améliore la résistance à la fatigue et la solidité de l’alliage[13] . La microstructure des alliages a régulièrement fait l’objet de nombreuses recherches assidues et c’est particulièrement le cas pour l’alliage 2024[14,15]. Par exemple, les études de Muster[14] montrent que l’on retrouve une très grande variété de particules intermétalliques notamment des particules multi-phases entourées de phases périphériques mais aussi des particules composites et des particules agrégées. Muster effectue une analyse par spectroscopie à dispersion d’énergie, dit EDS, permettant de référencer les différentes phases présentes au sein de la microstructure de l’Al2024-T3 et leurs répartitions respectives. Il mentionne un taux de recouvrement de la surface de l’alliage par les particules intermétalliques d’environ 2,83%, ce qui atteste de la complexité de la structure. Chaque type de particules ou précipités formés dépend des techniques utilisées durant l’élaboration de l’alliage et impacte à sa manière les propriétés du matériau.
La présence de particules intermétalliques et de phases durcissantes au sein de la matrice d’aluminium joue certes un rôle positif sur les propriétés mécaniques, mais impacte aussi la tenue à la corrosion de l’alliage[7] . De plus, les conditions environnementales agressives que subissent les panneaux de voilure impacte fortement la tenue à la corrosion de l’alliage, il est donc nécessaire d’appliquer un traitement de surface pour contenir ces problèmes de corrosion.
Corrosion de l’aluminium
Généralités
Par définition, la corrosion correspond à l’interaction physico-chimique entre un matériau et son environnement, engendrant la variation des propriétés du métal et pouvant aller jusqu’à sa détérioration[16]. Elle fait intervenir des réactions d’oxydo réductions. Le potentiel standard de l’aluminium est de -1,67V/ENH, potentiel très négatif qui rend l’aluminium facilement oxydable et donc en fait une cible facile pour les attaques corrosives.
|
Table des matières
Introduction générale
1 Etat de l’art
1.1 L’ALUMINIUM ET LA CORROSION
1.1.1 Généralités sur l’aluminium et ses alliages
1.1.2 L’Al2024-T3
1.1.3 Corrosion de l’aluminium
1.2 TRAITEMENTS DE SURFACE ANTICORROSION
1.2.1 Généralités
1.2.2 Dégraissage
1.2.3 Décapage chimique
1.2.4 L’anodisation
1.2.5 La conversion hexavalente (CrVI)
1.2.6 La conversion trivalente (CrIII)
1.2.7 Conversions non chromiques
1.2.8 Propriétés souhaitées et tests industriels
1.3 GREFFAGE ORGANIQUE DE SELS DE DIAZONIUMS
1.3.1 Greffage des sels de diazoniums
1.3.2 Synthèse des sels de diazoniums
1.3.3 Mécanisme de greffage
1.3.4 Dégradation des sels de diazoniums
1.3.5 Tenue mécanique des films
1.3.6 Ajout d’un vinylique
1.3.7 Exemples de surfaces greffées et de domaines d’applications
1.4 CONCLUSION
2 Revêtement organique issu de la chimie des sels de diazoniums
2.1 PROPRIETES DU SUBSTRAT A REVETIR
2.2 GREFFAGE ET CARACTERISATION DES FILMS ORGANIQUES
2.2.1 Objectifs
2.2.2 Compositions de bains
2.2.3 Choix des paramètres de production des films
2.2.4 Préparation de surface
2.2.5 Propriétés de la couche greffée
2.3 METHODE DE DEPOT HORS CUVE
2.3.1 Problème du spray liquide
2.3.2 Production d’un gel
2.3.3 Comparaison solution/gel
2.3.4 Tenue aux ultrasons
2.3.5 Vieillissement de la solution gélifiée et choix du gélifiant
2.3.6 Réutilisation du gel
2.3.7 Méthodes d’application et exemples
2.4 TESTS INDUSTRIELS
2.4.1 Tests d’adhésion peinture
2.4.2 Tests de brouillard salin
2.4.3 Tests de corrosion filiforme
2.4.4 Tests industriels sur échantillons greffés par gel
2.5 CONCLUSION
3 Développement d’un système bicouche à partir d’une surface organique greffée
3.1 EXPLOITATION DES COURBES DE TAFEL
3.2 LA SECM, TECHNIQUE DE CARACTERISATION ELECTROCHIMIQUE
3.2.1 Principe
3.2.2 Différents modes d’acquisition
3.3 MISE EN EVIDENCE DE L’EFFET PASSIVANT PAR SECM
3.4 OPTIMISATION DES PARAMETRES D’ETUDE SECM DE LA COUCHE
3.5 MISE EN EVIDENCE DE LA REFORMATION DE L’ALUMINE
3.6 ESSAIS D’ANODISATION A L’ECHELLE LABORATOIRE
3.6.1 Détermination des paramètres d’anodisation
3.6.2 Mise en évidence de l’anodisation par SECM
3.6.3 Schéma organisationnel du système bicouche
3.6.4 Anodisation sulfurique sur Al2024-T3 greffé
3.7 CONCLUSION
4 Couplage du film organique aux solutions anticorrosion existantes
4.1 COUCHE ORGANIQUE ET ANODISATION
4.1.1 Résultats des tests industriels
4.1.2 Amélioration de l’adhésion peinture
4.1.3 Organisation des couches
4.2 COUCHE ORGANIQUE ET CONVERSION TRIVALENTE
4.2.1 Rappel des généralités sur le SURTEC 650
4.2.2 Organisation hypothétique du système
4.2.3 Greffage organique couplé conversion trivalente (SURTEC 650)
4.2.4 Organisation de la couche
4.2.5 Revêtements déposés hors-cuve
4.2.6 Tests industriels
4.3 CONCLUSION
Conclusion
Références bibliographiques
