[PDF] Protection contre la corrosion des alliages daluminium par la

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TH¨SE DE L"UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE

Spécialité

Chimie Physique et Chimie Analytique (Paris Centre, ED 388)

Présentée par

RémiVIROULAUD

Pour obtenir le grade de :

DOCTEUR de L"UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIEProtection contre la corrosion des alliages d"aluminium par la conversion TCP : influence de la chimie de surfaceDirecteur de Recherche : PhilippeMarcus Soutenance prévue le 21 Octobre 2016, devant le jury composé de : M. HermanTERRYN Professeur, Vrije Universiteit Brussel (VUB) Rapporteur M. DominiqueTHIERRY Directeur de l"Institut de la Corrosion Rapporteur Mme ElianeSUTTER Professeur, Université Pierre et Marie Curie Examinatrice M. JoffreyTARDELLI Ingénieur Chercheur, IRT-M2P Examinateur M. AlainVIOLA Ingénieur SAFRAN, IRT-M2P Examinateur M. PhilippeMARCUS Directeur de Recherche Directeur de thèse 2

THÈSE DE L"UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE

Spécialité

Chimie Physique et Chimie Analytique (Paris Centre, ED 388)

Présentée par

Rémi VIROULAUD

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR de L"UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIEProtection contre la corrosion des alliages d"aluminium

par la conversion TCP : influence de la chimie de surfaceDirecteur de Recherche : PhilippeMarcus Soutenance prévue le 21 Octobre 2016, devant le jury composé de M. HermanTERRYN Professeur, Vrije Universiteit Brussel (VUB) Rapporteur M. DominiqueTHIERRY Directeur de l"Institut de la Corrosion Rapporteur Mme ElianeSUTTER Professeur, Université Pierre et Marie Curie Examinatrice M. JoffreyTARDELLI Ingénieur Chercheur, IRT-M2P Examinateur M. AlainVIOLA Ingénieur SAFRAN, IRT-M2P Examinateur M. PhilippeMARCUS Directeur de Recherche Directeur de thèse

RemerciementsLes travaux présentés dans ce mémoire ont été en majorité effectués à l"Institut de

Recherche de Chimie Paris (IRCP), au sein de l"équipe de Physico-Chimie des Surfaces (PCS), dans le cadre d"une collaboration avec l"IRT-M2P. Je tiens tout d"abord à remercier M. Philippe Marcus, pour m"avoir accueilli au sein de l"équipe PCS et pour avoir assuré la direction scientifique de cette thèse. Je le remercie également pour les nombreuses discussions que nous avons pu avoir, qui m"ont permis d"enrichir ce manuscrit et, de manière générale, mon savoir et ma démarche

scientifique. De façon parallèle, je tiens à remercier Messieurs Nicole, Millière et Mudry

de m"avoir accueilli au sein de l"IRT-M2P. Tous mes remerciements vont à mon jury de thèse, à M. Terryn et M. Thierry pour avoir accepté d"être mes rapporteurs, à Mme Sutter pour avoir présidé ce jury et à Messieurs Tardelli et Viola pour avoir été mes examinateurs. leur encadrement au cours de ces trois ans. Merci beaucoup pour toutes les discussions que l"on a pu avoir, principalement scientifiques, mais pas que... Un grand grand merci à toutes les personnes du laboratoire PCS. En particulier, merci à Sandrine (vive le pays basque!) et Antoine (le broomball, c"est avec des balais volants comme dans Harry Potter?) pour votre aide pour les manips, ainsi que pour la relecture de ce manuscrit. Merci à Dimitri également pour la relecture et les nombreuses i discussions; ton arrivée a changé, et va changer j"en suis persuadé, beaucoup de choses

au labo (et vive la bière belge et le PS... Ah non ça je ne peux pas, désolé.). Et comment

ne pas remercier les nombreux collègues doctorant(e)s : Shadi pour ses "non mais laissez moi..." ainsi que ses nombreux ppt; Zuzana pour son organisation et son "Voilà!"; Emna pour les gâteaux, les thés et les appels en kit main libre le matin; Svetlana pour les "ça n"arrête" et sa cheville forte; Marion, qui a montré que même les bretons pouvaient avoir l"élégance du hérisson; Elise pour le rose évidemment; Pauline pour les nombreuses discussions matinales; Anne-Ilham pour sa folie et ses expressions orléanaises douteuses; Mohammed pour ses "j"te jure" et les discussions de fond,... et enfin tous ceux que je ne connais pas assez pour chambrer : Anca-Iulia, Eléa, Hu, Marie, Zuocheng. Un merci aussi pour la mission chat à toutes celles ayant participer! Merci également à M. Loiseau pour la DRX et à l"équipe de métallurgie pour la découpe d"échantillons et les discussions amicales. Je tiens à remercier les alsaciens de Duppigheim pour leur accueil. En particulier, merci à Estelle et Selim, et ne vous laissez pas faire là-bas! Merci également aux

collègues de l"IRT-M2P, en particulier à Andrea toujours aussi rapide à répondre, et à

Jason, Dimitri et Caminde du projet New SURF!

Un grand remerciement à tous ceux qui m"ont permis de changer d"air, les toulousains expatriés à Paris, ou non, et tout particulièrement Paul et Boubou; les bridgeurs bien évidemment (champions de France!), et puis les anciens de l"école, dont les galères de thèse ont alimenté de nombreux repas. Merci aussi à Mme Klok pour ces trois ans. Merci à ma famille, à mes parents, ma soeur et mon "beauf" pour m"avoir soutenu dans des moments vraiment pas évidents; à Isabelle et François pour les rangements/travaux d"appartement. Merci enfin à toi Caillou, tu as dû supporter tellement de choses insupportables, merci pour ton soutien inconditionnel qui m"a permis de traverser ces trois années, et d"arriver au bout, en ta compagnie.

MERCI!

ii

Table des matières

Introduction Générale 1

1 Synthèse Bibliographique 5

1.1 L"aluminium : ses alliages, ses atouts, ses applications . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.1 Applications des alliages d"aluminium dans l"aéronautique . . . . . . . . . . . .

8

1.1.2 Microstructure des alliages d"aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1.2.2 Microstructure des alliages 2024 et 2618 . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.2 Corrosion de l"aluminium et de ses alliages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.2.1 La corrosion par piqûres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.2.2 La corrosion intergranulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.3 Les traitements de surface sur les alliages d"aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.3.1 Les prétraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.3.1.1 Dégraissages alcalins décapants puis blanchiment . . . . . . . . . . . .

20

1.3.1.2 Dégraissages alcalins doux puis décapage acide . . . . . . . . . . . . .

21

1.3.2 La conversion chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.3.2.1Les couches de conversion au Cr6+:Chromate Conversion CoatingsCCC25

1.3.2.2

Les couches de conversion au chrome trivalent Cr3+:Trivalent Chro- mium CoatingsTCC ou TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

1.4 Tenue à la corrosion des alliages d"aluminium convertis au chrome trivalent . . . . . .

34

1.5 Conclusions de l"étude bibliographique et objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . .

37

2 Techniques et Méthodes expérimentales 39

2.1 Matériaux utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39
iii

TABLE DES MATIÈRES

2.1.1 Aluminium pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.1.2 Alliages 2024-T351 et 2618-T851 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.2 Préparation des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.2.1 Echantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.2.2 Polissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.3 Les bains de traitements de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.3.1 Dégraissants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.3.2 Décapants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.3.3 Conversion chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.4 Techniques de caractérisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

2.4.1 Les caractérisations chimiques fines de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

2.4.1.1 La spectroscopie de photoélectrons X ou XPS . . . . . . . . . . . . .

46

2.4.1.2La spectrométrie de masse d"ions secondaires à temps de vol ou ToF-SIMS53

2.4.2 Les caractérisations morphologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

2.4.2.1 Le microscope optique numérique (MO) . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

2.4.2.2 Le microscope électronique à balayage (MEB) . . . . . . . . . . . . .

56

2.4.2.3 La microscopie à force atomique (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.4.3 Les caractérisations électrochimiques et le brouillard salin . . . . . . . . . . . .

59

2.4.3.1 Les méthodes électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

2.4.3.2 Le brouillard salin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

3 Caractérisation des matériaux d"étude et évolution de la chimie de surface avec les

prétraitements65

3.1 Caractérisation des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1 Aluminium pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1.1 Microscopie électronique à balayage (MEB) . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1.2 Caractérisation chimique de surface par XPS . . . . . . . . . . . . . .

67

3.1.2 Alliage 2024-T351 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

3.1.2.1 Microscopie Électronique à Balayage (MEB) . . . . . . . . . . . . . .

69

3.1.2.2 Diffraction des Rayons-X (DRX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

3.1.2.3 Caractérisation chimique de surface par XPS . . . . . . . . . . . . . .

71

3.1.3 Alliage 2618-T851 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

3.1.3.1 Microscopie Électronique à Balayage (MEB) . . . . . . . . . . . . . .

73

3.1.3.2 Diffraction des Rayons-X (DRX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

3.1.3.3 Caractérisation chimique de surface par XPS . . . . . . . . . . . . . .

76

3.2 Effets des prétraitements sur la chimie de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

3.2.1 Influence du dégraissage alcalin doux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78
iv

TABLE DES MATIÈRES

3.2.2 Influence du décapage sulfo-ferro-nitrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

4 Influence des prétraitements sur la couche de conversion TCP 95

4.1 Caractérisation de la conversion sur les différents matériaux . . . . . . . . . . . . . . .

96

4.1.1 Conversion sans prétraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

4.1.1.1 Sur l"aluminium pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

4.1.1.2 Sur les alliages 2024 et 2618 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102

4.1.1.3 Calcul du taux de recouvrement "" à partir des données XPS . . . .107

4.1.2 Conversion après dégraissage et après décapage . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111

4.1.2.1 Analyses de surface des matériaux après différents prétraitements . .

111

4.1.2.2 Structure et épaisseur de la couche TCP après différents prétraitements

119

4.2Discussions des conséquences du décapage susceptibles d"engendrer l"exfoliation de la

couche TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.2.1 Enrichissement en fluorure d"aluminium et en cuivre métallique à la surface . .

125

4.2.2 Augmentation de l"épaisseur de la couche de conversion . . . . . . . . . . . . .

127

4.2.3 Augmentation de la rugosité locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129

4.2.4 Effet des particules intermétalliques de grande dimension sur la conversion TCP

133

4.2.4.1 Conversion des particules de grande dimension de l"alliage 2024 . . . .

133

4.2.4.2 Conversion des particules de grande dimension de l"alliage 2618 . . . .

141

4.2.5 Désoxydation de la surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146

4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149

5 Tenue à la corrosion des couches TCP et influence d"un post-traitement à l"eau

oxygénée153 5.1 Tenue à la corrosion des alliages 2024 et 2618 ayant subi différents prétraitements avant conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.1.1 Tenue à la corrosion des alliages 2024 et 2628 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

157

5.1.1.1 Mesures électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

157

5.1.1.2 Tests en enceinte climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

166

5.1.1.3 Conclusions sur la tenue à la corrosion des éprouvettes . . . . . . . .

169
5.1.2 Conclusion de cette étude : développement de la gamme dégraissagePromo- clean TP50puis conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

5.2 Influence d"un post-traitement à l"eau oxygénée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

5.2.1 Analyse de la chimie de la couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

5.2.2 Mesures électrochimiques de la tenue en corrosion de la couche TCP post-traitée

180

5.2.2.1 Suivi du potentiel libre de corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181
v

TABLE DES MATIÈRES

5.2.2.2 Courbes de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181

5.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

184

6 Influence d"une couche d"oxyde d"aluminium déposée par ALD sur la conversion

TCP187

6.1 Principe de l"ALD et utilisation dans cette étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

6.1.1 Bref historique de l"ALD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

6.1.2 L"ALD pour la prévention de la corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

6.1.3 Principe de fonctionnement de l"ALD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189

6.2 Méthodologie employée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

193

6.3 Résultats sur l"aluminium pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

195

6.3.1 Création et mesure des différentes épaisseurs d"alumine . . . . . . . . . . . . .

195

6.3.2 Dépôt des couches TCP sur les couches d"alumine de différentes épaisseurs . .

199

6.3.3 Caractérisation de la structure des dépôts par profils ToF-SIMS . . . . . . . . .

207

6.4 Conclusions et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

215

Conclusion Générale et Perspectives 217

Annexes223

A Paramètres utilisés pour la décomposition des spectres XPS 223 B Essais de conversion TCP sur des éprouvettes d"alliage 2024 laminées 227 C S.I.E. sur les éprouvettes des alliages 2024 et 2618 suivant les gammes de traite- ments de surface 235

C.1 S.I.E. sur l"alliage 2024 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235

C.2 S.I.E. sur l"alliage 2618 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240

Liste des Figures246

Liste des Tableaux248

Références249

vi

Introduction GénéraleLes alliages d"aluminium sont des matériaux de choix pour l"industrie des transports,

et plus particulièrement pour l"industrie aéronautique, du fait de leur excellent rapport propriétés mécaniques/poids et de leur relativement faible coût de fabrication. En particulier, les alliages d"aluminium de la série 2000 (Al-Cu-Mg), avec l"alliage 2024 en tête, sont très utilisés pour les pièces de structure. Cependant, ces alliages sont susceptibles, suivant le milieu dans lequel ils se trouvent, d"être affectés par plusieurs types de corrosion localisée, engendrant la dégradation de la pièce et pouvant amener à

son retrait ou à sa défaillance. De nombreuses stratégies ont été mises en oeuvre afin de

pallier cette faiblesse, et, parmi elles, la formation ou le dépôt d"une couche protectrice à la surface des alliages est celle la plus utilisée. C"est le cas notamment des couches de protections obtenues par le procédé d"anodisation des alliages d"aluminium, et des couches de conversion. C"est sur ces couches de conversion que ce travail a porté. Les couches de conversion sont aujourd"hui couramment utilisées dans l"industrie aéronautique, principalement pour améliorer la tenue à la corrosion des pièces, et donc leur durée de vie, mais aussi pour faciliter l"accroche de couches organiques (peintures) ainsi que pour conserver une conductivité électrique suffisante de certaines pièces non peintes. Cependant, le procédé de conversion, tout comme celui de l"anodisation, est directement impacté par la réglementation européenne (REACh), qui interdira dès Septembre 2017 l"utilisation de certains composants clés dans les traitements de surface,quotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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