Corrosion et traitement de surface d'alliages de magnésium utilisés pour des applications aéronautiques, Corrosion and surface treatments for magnesium alloys used for aeronautical applications

Caroline Juers

Description

Sous la direction de Jean Steinmetz
Thèse soutenue le 13 juin 2008: Nancy 1
Dans l’industrie aéronautique, le remplacement progressif des alliages d’aluminium par des alliages de magnésium est une des solutions pour alléger les avions et ainsi lutter contre le bruit et la pollution. En effet, avec une densité inférieure d’un tiers à celle de l’aluminium, le magnésium est le plus léger des métaux de structure. Toutefois, sa réactivité chimique importante restreint considérablement son domaine d’application. Malgré de bonnes propriétés mécaniques, un des problèmes des alliages de Mg est leur résistance à la corrosion, mal connue et peu maîtrisée en pratique. Les alliages de magnésium enrichis en aluminium (type AZ91D et AM50) sont actuellement les plus utilisés. Ils sont constitués de deux phases principales : la phase alpha et le précipité Mg17Al12 (phase ß). Ces alliages peuvent être synthétisés de plusieurs façons différentes : les procédés les plus utilisés actuellement sont la coulée sous pression (high pressure die casting) et la coulée gravitaire. La première partie de ce travail est consacrée à l’étude microstructurale et électrochimique des alliages de magnésium enrichis en aluminium et coulés par gravité ou sous pression. L’influence du pourcentage d’aluminium, ainsi que celle de l’état de surface, ont été étudiées. Dans des conditions de coeur, les alliages de magnésium présentent un comportement passif. L’augmentation de la teneur en aluminium permet généralement une meilleure tenue à la corrosion. Cependant, elle est aussi à l’origine du phénomène de piqûration aléatoire, engendré par une accumulation locale de phase ß. Dans des conditions de peau, les alliages coulés sous pression présentent systématiquement un comportement actif et, dans ce cas, l’augmentation de la teneur en aluminium a un effet néfaste sur la tenue à la corrosion, dû à la formation de larges plages de phase ß en surface engendrées par le processus d’élaboration lui-même. Enfin, le procédé d’élaboration par coulée gravitaire induit une forte rugosité qui procure aux alliages une mauvaise tenue à la corrosion dans des conditions de peau. La seconde partie de ce travail est une étude comparative entre les différents traitements de conversion chimique les plus utilisés actuellement sur les alliages de magnésium : les traitements de phosphatation amorphe ou à base de Ce(III) s’avèrent plus performants que celui de chromatation qui est désormais interdit en raison de la toxicité du chrome hexavalent. En revanche, le traitement à base de stannates s’est avéré très décevant. Cette étude s’est inscrite dans le cadre du projet européen IDEA (6ème PCRD) en collaboration avec une douzaine de partenaires européens et israéliens.
-alliages de magnésium AZ91 AM50 corrosion aqueuse électrochimie coulée gravitaire coulée sous pression traitements de conversion chromatation phosphatation stannates Ce(III)
In the aeronautical industry, aluminium alloys are progressively replaced by magnesium alloys, so as to lighten planes and consequently decrease noise and pollution. Actually, with a density of one third lower than the one of aluminium, magnesium is the lightest structural metal. However, its high chemical reactivity limits its application field: in spite of good mechanical properties, the main drawback of magnesium alloys is their corrosion resistance, which is insufficiently known. At the moment, magnesium alloys enriched with aluminium (as AZ91D or AM50 ones) are among the most used. They are made of two main phases: alpha-phase and Mg17Al12 compound (ß-phase). These alloys can be synthesized of different ways. High pressure die casting and gravity die casting are among the most used processes. The first part of this work is a microstructural and electrochemical study of magnesium alloys enriched with aluminium and obtained with gravity or high pressure die castings. The aluminium content effect, as well as the surface state, were investigated. In bulk conditions, magnesium alloys show a passive behaviour. The higher the aluminium content is, the better the corrosion resistance is. But, for highest aluminium contents, an uncertain pitting phenomenon can also be induced, due to a local accumulation of ß-phase. In skin conditions, high pressure die casting alloys always show an active behaviour, and the higher the aluminium content is, the worse the corrosion resistance is, because of the formation of big areas of ß-phase near the alloy’s surface and due to the casting process itself. At least, the gravity die casting process induces a strong roughness which strongly decreases the magnesium alloys corrosion resistance in skin conditions. The second part of this work is a comparative study between the different chemical conversion coatings which are among the most used on magnesium alloys: phosphate-based and Ce(III)-based treatments are more corrosion resistant than chromate-based treatment. This last one is now forbidden because of the high toxicity of chromium (VI). In another hand, stannate-based treatment is the less protective one. This study was performed in the framework of the IDEA project (6th PCRD), in collaboration with a dozen of Israeli and European partners.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10107/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 300
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 32 Mo

Extrait

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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Na nc~-Un iversité
"\ .U'(1r,. ..,~tt.~..,; PO,O"","

FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES
U.F.R. : STMP
Ecole Doctorale : EMMA
Département de Formation Doctorale : Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux


Thèse
présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy – I
en Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux
par Caroline JUERS


Corrosion et traitements de surface d’alliages de
magnésium utilisés pour des applications aéronautiques

Soutenue publiquement le 13/06/08 devant la commission d’examen


Membres du jury :

Président : M. Kevin OGLE Professeur, Ecole Nationale Supérieure de Chimie Paris
Rapporteurs : M. Philippe REFAIT r, Université de La Rochelle
M. Philippe STEYER Maître de conférences HDR, INSA – Lyon
Examinateurs : M. Jean STEINMETZ Professeur, UHP – Nancy I (directeur de thèse)
M. Emmanuel ROCCA es HDR, UHP – Nancy I



Laboratoire de Chimie du Solide Minéral – UMR 7555
Faculté des Sciences & Techniques - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy

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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES
U.F.R. : STMP
Ecole Doctorale : EMMA
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Thèse
présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy – I
en Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux
par Caroline JUERS


Corrosion et traitements de surface d’alliages de
magnésium utilisés pour des applications aéronautiques

Soutenue publiquement le 13/06/08 devant la commission d’examen


Membres du jury :

Président : M. Kevin OGLE Professeur, Ecole Nationale Supérieure de Chimie Paris
Rapporteurs : M. Philippe REFAIT r, Université de La Rochelle
M. Philippe STEYER Maître de conférences HDR, INSA – Lyon
Examinateurs : M. Jean STEINMETZ Professeur, UHP – Nancy I (directeur de thèse)
M. Emmanuel ROCCA es HDR, UHP – Nancy I



Laboratoire de Chimie du Solide Minéral – UMR 7555
Faculté des Sciences & Techniques - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy

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A ma famille, pour son soutien sans faille.
A ma maman que j’adore, pour nos longues discussions téléphoniques.
A Sylvain que j’aime, pour m’avoir accompagnée pas à pas tout au long de ce périple.
A notre petit Thibault, avec tout notre amour.












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Remerciements
A l’heure de terminer la rédaction de cette thèse par la sempiternelle page de remerciements, il me
revient en mémoire tellement de souvenirs que je me sens incapable de synthétiser en une ou deux pages ces
trois années passées à Nancy, ville devenue chère à mon cœur. J’éprouve énormément de sympathie et de
reconnaissance envers toutes les personnes que j’ai pu rencontrer dans le cadre de cette thèse, et je souhaite
donc commencer en m’excusant auprès de celles et ceux qui, en terminant la lecture de cette page, pourraient
se sentir lésés ou oubliés. Je prie chacune de ces personnes de pardonner ma maladresse et de bien vouloir
croire en mon entière gratitude.

Je tiens tout d’abord à remercier monsieur Pierre STEINMETZ pour m’avoir accueillie au sein du
Laboratoire de Chimie du Solide Minéral et pour m’avoir permis de participer au projet européen IDEA, ce
qui fut une expérience très enrichissante pour moi. J’en profite également pour exprimer ma sympathie à tous
les membres du projet qui ont permis son bon déroulement, du début à la fin, et qui ont fait que les
différentes réunions se déroulent toujours dans la bonne humeur.

Je voudrais ensuite remercier messieurs Philippe REFAIT (professeur à l’Université de La Rochelle)
et Philippe STEYER (maître de conférence HDR à l’INSA de Lyon) pour m’avoir fait l’honneur de rapporter
ce travail, ainsi que monsieur Kevin OGLE (professeur à l’ENSCP) pour avoir accepté de présider le jury
lors de la soutenance.

J’apporte ma reconnaissance à monsieur Jean STEINMETZ pour avoir dirigé cette thèse, ainsi que
pour l’intérêt qu’il a bien voulu y porter. Ma gratitude va également à monsieur Emmanuel ROCCA qui a
pris en charge l’encadrement de ce travail du début à la fin, ainsi que pour tous les conseils qu’il a pu me
donner.

Je tiens également à apporter mes remerciements à monsieur Joseph HAZAN, chercheur au
Technion de Haïfa, pour toutes les discussions que nous avons pu avoir. J’ai particulièrement apprécié les
différents déplacements que nous avons effectués ensemble, ces derniers s’étant toujours déroulés dans la
bonne humeur.

Je remercie tout particulièrement Stéphane MATHIEU, pour les connaissances qu’il m’a transmises
au sujet des alliages de magnésium, pour l’aide et le soutien qu’il a pu me donner, ainsi que pour son
implication sur certaines expériences que nous avons réalisées dans le cadre de ce travail.

Je tiens également à remercier les membres des différents services d’analyse qui ont grandement
contribué à la réalisation de cette thèse et sans qui ce travail n’aurait pas pu être possible :
- 4 -
- Ludovic BELLOT-GURLET (LADIR, campus CNRS de Thiais), pour les bons conseils qu’il m’a
donnés lors des analyses Raman, ainsi que pour sa grande gentillesse,
- Jacques LAMBERT, pour les analyses XPS, ainsi que pour ses conseils et sa disponibilité,
- Jean-Paul EMERAUX et Léo MUNEROL pour tous les clichés DRX, pour leur disponibilité, ainsi
que pour les dépannages en toutes sortes, notamment ceux d’origine électrique,
- Alain KOHLER, qui m’a faite profiter de sa riche expérience en Microscopie Electronique à
Balayage, ainsi que pour son immense gentillesse et les magnifiques clichés qu’il a réalisés,
- Sophie CHARPIN, Sandrine MATHIEU et Johann RAVAUX, pour les analyses réalisées à la
microsonde de Castaing. Sophie, je me souviendrai toujours des bons moments que nous avons
passés durant les pauses déjeuner et en dehors du laboratoire,
- enfin, une petite pensée pour Jacqueline JOFFRAIN qui nous a quittés bien trop tôt.

Je voudrais également adresser mes plus vifs remerciements aux différents thésards, stagiaires et
post-docs du laboratoire (ceux que j’aime qualifier « d’intérimaires de la recherche ») qui ont partagé ces
trois années et contribué à la bonne humeur générale. J’exprime également ma gratitude envers les
différents permanents qui font que le LCSM est un lieu où il est agréable d’évoluer. Parmi ces derniers, je
souhaiterais particulièrement remercier :
- Fabienne ROCHER, qui fait toujours tout pour résoudre les petites tracasseries d’ordre administratif
de chacun, pour sa grande disponibilité, pour m’avoir souvent remonté le moral, ainsi que pour
toutes les discussions que nous avons pu avoir,
- Gérard VENTURINI, dit Totor, l’une des personnes les plus généreuses que je connaisse. Merci
pour les crêpes et les confitures maison du jeudi matin, ainsi que pour toutes les discussions
« existentielles » sur le sujet Hommes-Femmes que nous avons eues lors des différents pots (toujours
mémorables) qui se sont tenus au labo,
- Renaud PODOR pour le « cadeau » qu’il m’a offert à l’occasion de mes vingt-cinq ans (voir ci-
après). C’est vrai qu’il mange beaucoup, mais je ne regrette pa