Etude du comportement à l'oxydation sèche de différentes nuances de carbure de silicium

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Etude du comportement à l'oxydation sèche de différentes nuances de carbure de silicium"

Jean-Louis Rochette
il y a 6 ans
Total affichages :

Faculté des Sciences et Techniques de Limoges

1 Etude du comportement à l'oxydation sèche de différentes nuances de carbure de silicium A. MAITRE, S. FOUCAUD, S. LIEUTAUD Laboratoire SPCTS, UMR CNRS 6638, Faculté des Sciences et Techniques de Limoges F. AUDUBERT DEC/SPUA/LTEC CEA Cadarache Ateliers bilan du 11/12 Décembre 2006

2 Introduction Plan de l étude Choix des conditions Contexte de l étude Réacteurs nucléaires à fluide caloporteur gaz Gainage du combustible en SiC : pour assurer le transfert de chaleur vers le gaz caloporteur pour retenir les produits de fission 2

3 Introduction Plan de l étude Choix des conditions Contexte de l étude Problématique Tenue à l oxydation de SiC sous différentes PO 2 : en conditions normales de fonctionnement (1200 C) en conditions accidentelles (1600 C) en conditions de cyclage thermique Rôle des microstructures et des impuretés pour plusieurs nuances de céramiques à base de SiC 3

4 Introduction Plan de l étude Choix des conditions Plan de l étude 1) Choix des conditions opératoires 2) massifs à base de SiC avant traitement 3) Tenue à l oxydation en conditions isothermes sous différentes PO 2 en conditions de cyclage thermique 4) et perspectives 4

5 Introduction Plan de l étude Choix des conditions frittés/étude de l oxydation Choix des conditions opératoires 3 conditions de traitement thermique à 1200 C - 10 h (conditions de fonctionnement) à 1550 C - 10 h (conditions accidentelles) en cyclage (accident lors du fonctionnement) oxydation passive mbar oxydation active 3 pressions partielles PO 2 PO 2 = 200 mbar (oxydation passive) PO 2 = 50 mbar (oxydation passive/active) PO 2 = 10-3 mbar (oxydation active) 5

6 échantillons avant traitement 3 nuances à base de SiC : α-sic obtenu par frittage naturel (2000 C) : agent de frittage = B 4 C, variété HT β-sic obtenu par CVD ( C) : variété BT α-sich2 α-sicb3 β-sicrh2 C 30,88% 31,68% 29,95% Si 67,32% 66,48% 67,80% B 0,60% 0,53% 160 ppm Ti 100 ppm 450 ppm 170 ppm Fe 300 ppm 600 ppm 340 ppm Al 500 ppm 0,15% 470 ppm 6

7 échantillons avant traitement Intensité (U.A.) carbone libre silicium libre SiCH2 brut SiCRH2 brut SiCB3 brut Carbone (fiche JCPDS n ) SiC- 6H (fiche JCPDS n ) SiC-4H (fiche JCPDS n ) SiC-15R (fiche JCPDS n ) Si (fiche JCPDS n ) thêta (degré) Plusieurs polytypes de SiC : 6H, 4H et 15R nuances α-h2 et α-b3 : C libre nuance β-rh2 : Si libre 7

échantillons avant traitement Observations

Présence de porosités et d inclusions de

8 échantillons avant traitement Observations microstructurales Matériaux denses (ρ > 98%) α-sich2 Microstructure assez homogène Porosité bien distribuée α-sicb3 20 µm Présence de porosités et d inclusions de phases secondaires (B 4 C, C libre?) 50 µm 1 µm 1 µm 8

9 échantillons avant traitement β-sicrh2 10 µm 1 µm 1 µm Porosité très fine mais de taille très hétérogène Présence d inclusions submicroniques (Si libre?) 9

10 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Traitement sous PO 2 = 200 mbar (He(99,999%)/20%O 2 ) Intensité (U.A.) SiCRH2 SiCH2 Silicium libre (fiche JCPDS n ) SiO 2 quartz (fiche JCPDS n ) SiO 2 cristoballite(fiche JCPDS n ) β-rh2 α-h Thêta (degré) Diagrammes DRX de α-sich2, β-sicrh2, PO 2 = 200mbar, 1550 C Formation d une couche passivante de silice couche brillante (vitrification de SiO 2 ) SiC (s) + 3/2 O 2(g) = SiO 2(s) + CO (g) Oxydation passive 10

11 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Pas ou peu de problème de piqûration : quelques piqûres pour β-sic (vaporisation du silicium et réaction avec l oxygène) Pas de variation de masse détectable Ex. : α-sich2 et β-sic-rh2 traités 10 h à 1550 C sous PO 2 = 200 mbar 11

12 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Traitement sous PO 2 = 50 mbar (He(99,999%)/5%O 2 ) Oxydation passive mbar Oxydation active Zone de transition oxydation active/passive 12

13 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Traitement sous PO 2 =50 mbar en conditions sévérisées: cas du régime isotherme à 1550 C Pas de variations de masse détectables pour les 3 nuances Formation d une couche de silice qui cristallise sous les variétés quartz ou cristoballite α-sicb3 traité à 1550 C sous 50 mbar de O 2 β-sicrh2 traité à 1550 C sous 50 mbar de O 2 non-traité Carbone libre ( ) SiO 2 quartz ( ) SiO 2 cristobalite ( ) Intensité (U.A.) Thêta (degré) 13

formation de porosité = zones d attaques préférentielles α-b3 et α-h2: réaction entre le carbone libre

14 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Apparition de piqûres plus ou moins prononcées : β-rh2: réaction entre le silicium libre et l oxygène Si (g) + ½ O 2(g) = SiO (g) Traité 10h à 1550 C PO 2 =50 mbar formation de porosité = zones d attaques préférentielles α-b3 et α-h2: réaction entre le carbone libre et O 2 : C (s) + ½ O 2(g) = CO (g) α-b3 traité 10h à 1550 C PO 2 =50 mbar zones de dégradation préférentielle 14

15 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Traitement sous PO 2 = 10-3 mbar (He pur (99,999%)) Oxydation passive mbar Oxydation active Conditions opératoires donnant lieu à un phénomène d oxydation active des échantillons 15

16 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Enregistrement d une perte de masse liée à la réaction : SiC (s) + ½ O 2(g) = SiO (g) + CO (g) 5 Exemple : échantillon α-b3 traité 10h à 1550 C Comportement différent de la nuance β-rh2 dû à la l oxydation de Si résiduel pour former SiO 2 ( m/s) (mg.cm²) 0-5 SiCRH2 SiCH2-10 SiCB , , , Temps (s) 16

17 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Tests de tenue à la corrosion dans des conditions nominales puis incidentelles (cyclage) Fonctionnement 1550 C-10h Accident 15 C/min 15 C/min 1200 C- 10h 15 C/min Tests réalisés sous des pressions partielles d oxygène de 50 et 10-3 mbar 17

18 Tenue à l oxydation des nuances de SiC Cyclage thermique sous PO 2 =50 mbar Pas de variation de masse significative quelle que soit la nuance de carbure de silicium considérée Formation et stabilisation d une couche de silice couvrante 18 lors du traitement préliminaire à 1200 C

réactions : SiC (s) + O 2(g) = SiO (g) + CO (g) Si (g) + O 2(g) = SiO (g)

19 Tenue à l oxydation des échantillons à base de SiC Cyclage thermique sous PO 2 = 10-3 mbar Perte de masse enregistrée pour la nuance β-rh2 due aux réactions : SiC (s) + O 2(g) = SiO (g) + CO (g) Si (g) + O 2(g) = SiO (g) 10 µm 1 µm Formation de très nombreuses cavités à la surface de l échantillon 19

α-b3 après cyclage Présence d une plus faible densité de cavités (liées ici à la

20 Tenue à l oxydation des échantillons à base de SiC Meilleure tenue à l oxydation des nuances α-b3 et α-h2: 10 µm 1 µm Ex. : éch. α-b3 après cyclage Présence d une plus faible densité de cavités (liées ici à la consommation de C libre ) α-b3 présente le meilleur comportement : Comportement lié à la présence d éléments secondaires (Al, Ti, Fe) pour la nuance B3? 20

21 Introduction Plan de l étude Choix des conditions Fonctionnement à 1200 C oxydation passive : formation d un film de silice couvrant de faible épaisseur Cyclage sous 50 mbar d oxygène transition oxydation passive/active : faible oxydation grâce à la formation à 1200 C d une couche de silice protectrice Cyclage sous 10-3 mbar d oxygène oxydation active : formation d un produit d oxydation volatil bonne tenue à l oxydation de la nuance α-sicb3 due à la présence d éléments secondaires tels que Ti ou Al 21

22 Introduction Plan de l étude Choix des conditions Perspectives Tenue à l oxydation de SiC étroitement liée à T, PO 2 mais aussi aux propriétés microstructurales (composition, dispersion, f V des phases secondaires) Réaliser des traitements sévérisés (T> 1600 C, PO 2 ~10-3 mbar, maintiens isothermes + longs) pour valider l utilisation de SiC Obtenir dans ces conditions des données cinétiques en régime isotherme permettant d identifier les mécanismes réactionnels Etudier l effet d autres paramètres endommageants tels que la pression de vapeur d eau 22

Documents pareils

LES RÉPLIQUES MÉTALLOGRAPHIQUES

CONGRÈS MATÉRIAUX 2014 Colloque 6 «Corrosion, vieillissement, durabilité, endommagement» LES RÉPLIQUES MÉTALLOGRAPHIQUES Une méthode non destructive pour contrôler le vieillissement et l endommagement