Mechanisms of oxide layer formation and destruction on a chromia former nickel base alloy in HTR environment

MÉCANISMES DE FORMATION ET DE DESTRUCTION DE LA COUCHE D'OXYDE SUR UN ALLIAGE CHROMINOFORMEUR EN MILIEU HTR

Fabien Rouillard (1)

1 LECNA - Laboratoire d'Etude de la Corrosion Non Aqueuse

Haynes 230® alloy which contains 22wt.% chromium could be a promising candidate material for structures and heat exchangers (maximum operating temperature: 850°-950°C) in Very High Temperature Reactors (VHTR). The feasibility demonstration involves to valid its corrosion resistance in the reactor specific environment namely impure helium. The alloys surface reactivity was investigated at temperatures between 850 and 1000°C. We especially focused on the influence of different parameters such as concentrations of impurities in the gas phase (carbon monoxide and methane, water vapour/hydrogen ratio), alloy composition (activities of Cr and C, alloying element contents) and temperature. Two main behaviours have been revealed: the formation of a Cr/Mn rich oxide layer at 900°C and its following reduction at higher temperatures. At 900°C, the water vapour is the main oxidizing gas. However in the initial times, the carbon monoxide reacts at the metal/oxide interface which involves a gaseous transport through the scale; CO mainly oxidizes the minor alloying elements aluminium and silicon. Above a critical temperature TA, the carbon in solution in the alloy reduces chromia. To ascribe the scale destruction, a model is proposed based on thermodynamic interfacial data for the alloy, oxide layer morphology and carbon monoxide partial pressure in helium; the model is then validated regarding experimental results and observations.

Le superalliage à 22%mas. en chrome, Haynes 230®, est un matériau candidat pour les échangeurs de chaleur (température maximale 850°C-950°C) des Réacteurs à Caloporteur Gaz, également appelés HTRs (High Temperature Reactors). Dans l'optique de valider les performances de cet alliage, il faut garantir sa résistance à la corrosion dans l'environnement d'hélium impur de ces réacteurs. Dans cet objectif, la réactivité de surface de l'Haynes 230® a été examinée à des températures comprises entre 850 et 1000°C. On s'est attaché à caractériser l'influence de différents paramètres tels que concentrations en impuretés du gaz (monoxyde de carbone, méthane et rapport vapeur d'eau/dihydrogène), caractéristiques de l'alliage (activités en Cr et en C, teneurs en éléments mineurs) et température d'exposition. Deux principaux comportements ont pu être mis en évidence : la formation d'une couche d'oxyde riche en Cr et Mn à 900°C et sa réduction à plus hautes températures. A 900°C, la vapeur d'eau est l'oxydant principal. Toutefois dans les temps initiaux, le monoxyde de carbone réagit à l'interface métal/oxyde ce qui implique un transport de gaz au travers de la couche ; CO semble préférentiellement oxyder les éléments mineurs aluminium et silicium. A partir d'une température critique TA, le carbone en solution dans l'alliage réduit l'oxyde de chrome. Un modèle de destruction de la couche basé sur les grandeurs thermodynamiques interfaciales de l'alliage, la morphologie de la couche et la pression partielle en monoxyde de carbone dans l'hélium est proposé puis validé.

Mots clés: High Temperature Reactor; oxidation; oxide destruction

Mots clés: Hélium; Réacteur à Caloporteur Gaz; oxydation; destruction d'oxyde; Haynes 230®

Domaines: Matériaux

Fabien Rouillard. MÉCANISMES DE FORMATION ET DE DESTRUCTION DE LA COUCHE D'OXYDE SUR UN ALLIAGE CHROMINOFORMEUR EN MILIEU HTR. Matériaux. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00297246⟩