Les cristaux de FeAl comme modèle de l'oxydation de l'acier allié – SURFOX

L’étude a porté sur l’alliage ferritique Fe0.85Al0.15, représentatif des nuances d’aciers industriels sans en avoir la complexité. La ségrégation d’aluminium et son oxydation lors d’un recuit ont été étudié sur des surfaces d’orientation de bas indices (100), (111) et (110) à l’aide de techniques de science de surfaces dans le régime de pression de Knudsen. Microscopie à effet tunnel, photoémission, diffractions X et d’électrons ont été couplés pour aborder respectivement, la morphologie/topographie, la chimie et la structure des films formés. Une attention particulière a été portée aux profils de ségrégation et à la composition/épaisseur des films d’oxydes. Les simulations atomistiques ont permis non seulement de rationaliser certaines observations expérimentales mais aussi, à l’aide d’une technique de liaisons fortes couplée à des algorithmes génétiques d’optimisation globale, de prédire la stabilité relative des structures de films d’alumine d’épaisseur nanométrique. Enfin, une comparaison systématique avec les échantillons polycristallins plus ou moins riches en carbone a été conduite, non seulement en conditions ultra-vide mais également, à des points de rosée croissants.

• Couplage ségrégation/oxydation, jamais abordée en science des surfaces.
• La découverte de deux types de films bicouche d’alumine à la surface (110). Si une structure est jumelle de celle connue sur NiAl(110) (calculs ab initio de photoémission), l’autre n’a jamais été reportée.
• L’exploration systématique à partir d’algorithme génétique couplé à des simulations DFTB des structures d’alumine stables sous forme de films ultra-minces libres et supportés.
• Formation surprenante d’îlots de Fe lors de l’oxydation de l’alliage à fort point de rosée sur un film d’alumine gamma.

Sur le plan fondamental, le projet a ouvert de nombreuses pistes sur la formation des films minces d’alumine. Les résultats intrigants sur l’alliage à fort point de rosée, dont la R&D d’ArcelorMittal poursuit l’analyse dans le cadre du mouillage au Zn, poussent à étudier les surfaces monocristallines au-delà du régime de Knudsen. Le but est double : (i) explorer les structures intermédiaires d’alumine permettant de passer d’un film bicouche à un film épais d’alumine gamma et (ii) de comprendre dans cette transition le rôle des orientations cristallines et des joints de grains.

Le projet SURFOX a donné lieu à 5 publications dans des revues scientifiques internationales (3 articles supplémentaires sont en cours de préparation), 4 présentations à des conférences, 2 manuscrits de thèse et 1 de master. Deux chercheurs post-doctorants ont également bénéficié du projet.

Pour décroître la masse des véhicules (émission de CO2), de nouvelles nuances d’acier à haute limite d’élasticité sont développées, ce qui requiert d’allier des concentrations élevées d’éléments tels que l’aluminium, le silicium ou le manganèse. Durant le recuit de recristallisation des tôles d’acier à ~1070K sous atmosphère réductrice (N2 + H2), ces éléments enclins à l’oxydation ségrégent sous oxygène à la surface de l’acier. La préoccupation primordiale industrielle est que le mauvais mouillage de ces oxydes par le zinc dégrade l’efficacité de la galvanisation, qui est la méthode historique pour empêcher la corrosion dont le principe est que le zinc, moins noble que le fer, agit comme couche sacrificielle . Dans ces conditions, la galvanisation fait face à un nouveau paradigme. Elle bascule d’une interface réactive avec le fer à une interface de haute énergie avec des oxydes à large bande interdite. Pour améliorer le mouillage de l’acier par le zinc, une stratégie consiste à essayer de contrôler en amont l’oxydation de l’acier. Le projet SURFOX se focalise sur l’oxydation d’alliages Fe-Al, une alternative commune aux aciers alliés à l’aluminium. Il implique deux partenaires, l’Université Pierre et Marie Curie et ArcelorMittal Maizières Research représenté par deux groupes, “Oxydes en basses dimensions” (Paris) et “Physical Chemistry and Surfaces” (Maizières). Trois contributions sont envisagées, expériences sur monocristaux et simulation numérique (Paris), expériences sur FeAl polycrystallin (Maizières). Il a été choisi d’étudier des échantillons Fe-15at.%Al car à la température de recuit de recristallisation (1 070 K), l’alliage est sous forme de ferrite, comme dans le cas des nuances d’acier industrielles.

Il semble que l’arrangement local dans des couches supportées d’oxyde d’Al dépend modérément de la nature et de l’orientation du support et du contenu en Al de l’alliage bien que les structures à longue portée et les cinétiques d’oxydation soient différentes. Cela suggère de définir des empreintes communes à toutes les orientations puis d’examiner sur cette base les paramètres (orientation, environnement) qui affectent l’oxydation des alliages FeAl.

• Vers une base structurale commune à toutes les surfaces Fe-15at.%Al oxydées – Sur la base d’analyses par les méthodes de la science des surfaces dans les conditions de l’ultra-vide, ce qui inclut les spectroscopies électroniques et ioniques, la diffraction d’électrons et la microscopie en champ proche, l’objectif du groupe expérimentateur de Paris est (a) de déterminer les structures des oxydes formés aux surfaces de Fe-15at.%Al(110), (100) and (111) surfaces, considérées comme données de référence et (b) d’explorer la question excitante de la représentation de toutes les structures par des arrangements similaires à courte portée. Etudiées à Maizières par des méthodes de sciences des surfaces et des matériaux, dont des spectroscopies et microscopies d’électrons, la structure des couches d’oxydes formées sur les échantillons Fe-15at.%Al polycristallins, deuxième série de données de référence, sera comparée à la base structurale ci-dessus pour aboutir à une description unifiée.

• Oxydation dépendante de l’environnement et de l’orientation – A partir de cette description et en combinant les simulations numériques (Paris) et les expériences sous des atmosphères variées (O2, H2O, H2O/H2, Maizières and Paris) il est prévu d’examiner (a) la dépendance vis-à-vis du point de rosée de l’oxydation des tôles pendant le recuit de recristallisation et (b) la dépendance de l’oxydation (cinétique, stabilité) vis-à-vis de l’orientation des grains de ferrite, sujet d’une grande importance dans le contexte industriel.

Le défi est de bâtir un modèle structural pour les couches d’oxydes formées à la surface des alliages FeAl et de pouvoir, sur cette base, représenter le comportement de ces couches d’oxydes en fonction de l’environnement et de l’orientation cristallographique.