REACTIVITE ELECTROCHIMIQUE AVEC L'ALUMINIUM 1. Résistivité et corrosion galvanique

La tenue à la corrosion galvanique des matériaux composites proposés est directement reliée à la résistivité des renforts [Hihara, 1993]. Ce processus électrochimique implique en effet une circulation des électrons dans la fibre.

Pour réduire le développement de la corrosion galvanique dans les matériaux composites carbone/aluminium, le revêtement appliqué sur les fibres doit avoir une résistivité supérieure à celle du carbone, puisqu’il forme le nouveau couple galvanique avec l’aluminium si le dépôt est d’épaisseur suffisante. Les différentes interphases envisagées peuvent être hiérarchisées en fonction de leur résistivité :

Al2O3> SiO2 >> SiC > B > B4C > C > TiC >Ag > Cu > Ni

Les métaux ne sont donc pas des candidats envisageables et les études du comportement à la corrosion galvanique de matériaux composites C/métal/Al confirment cette évaluation [Wielage,1999] (cf chapitre I). Le carbure de titane possède également une conductivité trop élevée pour être une barrière de corrosion entre le carbone et l’aluminium.

Les autres interphases envisagées sont susceptibles de former des couples moins actifs avec l’aluminium que le couple C/Al.

Le bon comportement des couplages oxydes/métal est confirmé par des tests en brouillard salin sur un matériau composite à matrice d'aluminium et renforts fibreux d'alumine. Aucune trace de corrosion galvanique n'est observée, seulement une dégradation générale de la matrice en surface du matériau, due aux éléments d’alliages et à la réactivité intrinsèque du métal (figure V.5).

Hihara, L. H., Latanision, R. M. (1993). Corrosion Science, 34, 4, 655-665.

Lindroos, V. K., Talvitie, M. J. (1995). Journal of Materials Processing Technology, 53, 273-284.

Wielage, B., Dorner, A. (1999). Composites Science and Technology 59: 1239-1245.

Figure V.5 : Matériau composite Al₂O₃/Al, après un mois d'exposition en brouillard salin.

(Réf. E.A.D.S.).

Les matériaux composites avec des interphases de carbure de silicium ou de silice ont également fait l’objet d’études de corrosion. Le revêtement des fibres avec ces composés siliciés réduit la densité de courant de corrosion respectivement d'un facteur 3 et d'un facteur 10 [Wielage, 1998a; Dash,1988].

Des essais d'immersion d'une matrice d'aluminium 357 renforcée par des filaments de carbure de silicium revêtus ou non de carbone, que nous avons réalisés dans une solution chlorurée à 0,5 M NaCl, ont également permis d'évaluer les couples galvaniques C/Al et SiC/Al. Les filaments de SiC sont élaborés par CVD sur substrat de tungstène et ont un diamètre de 95 µm (Réf. SM1040); les filaments revêtus de carbone sont obtenus par un dépôt, sur les filaments SM1040, de carbone pyrolytique de 4 µm d'épaisseur (Réf.

SM1140+). Les observations de la propagation de la corrosion sont ainsi facilitées sur ces renforts de grand diamètre. Les rayons moyens des cavités de corrosion à l'interface renfort/matrice sont mesurés après 110 heures de test (tableau V.4) et permettent de conclure que le couple carbure de silicium/aluminium est moins sensible à la corrosion galvanique que le couple carbone/aluminium.

Matériau SM1040/Al SM1140+/Al

Rayon de la cavité à t = 40h

à t = 110h

9,5 µm 12,2 µm

16,8 µm 23,5 µm Tableau V.4 : Rayons de cavité aux interfaces renfort/matrice

de matériaux composites SM1040/Al et SM1140+/Al,

après 42 et 110 heures d'immersion en solution chlorurée à 0,5M NaCl.

Dash, L. C. (1988). Thèse, Ohio State University.

Wielage, B., Dorner, A. (1998a). 8^th European Conference on Composite Materials, Naples, Italy, Woodhead Publishing Ltd.

1 mm

-8,5 -8 -7,5 -7 -6,5 -6

-100 0 100 200 300 400

E (mVECS)

logi (A.cm-2 )

ECORR = +197 mVECS

V.1.5.2. Simulation B.E.M. de la corrosion galvanique

Pour conforter les observations expérimentales, l’évolution théorique du profil de dissolution anodique de l’aluminium pur (1099) est calculée par la méthode B.E.M. lors de son couplage avec du carbone ou du carbure de silicium.

Le couplage avec l’alumine ou la silice n’est pas modélisé car l’algorithme développé par Bucaille nécessite de tracer les courbes de polarisation des matériaux. Or la grande résistivité de ces oxydes empêche les mesures de polarisation.

a) Paramètres cinétiques du modèle

L'évolution de la densité de courant en fonction du potentiel est tracée en mode potentiostatique avec l'électrode tournante. Les paramètres expérimentaux nécessaires au modèle sont extraits des courbes de polarisation de chaque matériau (figures V.6 et V.7) , de manière strictement identique pour chacun. Se faisant, les matériaux sont tous considérés sous le même mode de contrôle réactionnel : activation, diffusion ou mixte. La géométrie et le degré de maillage de la cellule sont également identiques pour chaque simulation.

Figure V.6 : Courbes de polarisation du carbone et du carbure de silicium, tracées en solution aqueuse à 0,5 M NaCl, aérée, à 26°C,

avec la technique de l’électrode tournante.

Carbone

-10 -9,5 -9 -8,5 -8 -7,5 -7 -6,5 -6 -5,5 -5

-400 -200 0 200

E (mVECS)

log i (A.cm-2 )

ECORR = +55 mVECS Carbure de silicium

-8,5 -8 -7,5 -7 -6,5 -6 -5,5 -5 -4,5

-1500 -1400 -1300 -1200 -1100 -1000 -900

E (mVECS)

log i (A.cm-2 )

Aluminium

Figure V.7 : Courbe de polarisation de l’aluminium pur tracée en solution aqueuse à 0,5M NaCl, aérée, à 26°C, avec la technique de l’électrode tournante.

Le tableau V.5 récapitule les paramètres expérimentaux introduits dans le modèle.

Matériau C SiC 1099

Potentiel de corrosion (mVECS) +197 -55 -1199

Coefficient de Tafel cathodique (V^-1) 4,9 6,67 6,4

Coefficient de Tafel anodique (V^-1) 9,7 6,67 13,4

Courant d’échange (A.cm^-2) 5.10^-8 3,9.10^-8 1,9.10^-7 Tableau V.5 : Paramètres extraits des courbes de polarisation et insérés dans le modèle.

Le potentiel de corrosion du couple carbone/aluminium est mesuré sur un matériau composite renforcé par 50% de fibres : ECORR (C/1099) = -1199 mVECS. Le potentiel de corrosion du matériau composite carbure de silicium/aluminium pur en solution chlorurée à 0,5 M NaCl est extrait de la littérature [Throwsdale, 1996].

b) Cinétique de corrosion galvanique et profils de dissolution de l'aluminium

Les distributions de courant sont calculées pour 60 heures d’immersion (figure V.8) et l’évolution du profil de dissolution de l’alliage d’aluminium est obtenue en fonction du temps, avec un profil toutes les 10 heures (figure V.9).

La comparaison des calculs de modélisation B.E.M. entre un assemblage C/1099 et un assemblage SiC/1099 amène aux conclusions suivantes :

9la densité de courant calculée à l’interface entre le carbone et l'aluminium pur est inférieure d’un facteur 3,7 à celle du couple SiC/aluminium pur.

9la profondeur de la cavité de corrosion à la jonction cathode/anode est 6 fois plus faible lorsque le métal est couplé au carbure de silicium plutôt qu'au carbone.

Ce résultat confirme les mesures expérimentales précédentes.

Throwsdale, A. J., Noble, B. et al. (1996). Corrosion Science, 38, 2, 177-191.

Figure V.8 : Simulation B.E.M. des distributions de courant dans l’électrolyte au-dessus des électrodes composites C/1099 et SiC/1099.

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

0 0,25 0,5 0,75 1

Distance (cm)

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035

0 0,25 0,5 0,75 1

Distance (cm) Densité de courant (A.cm-2 )

C/1099

SiC/1099

C Al

SiC Al

Figure V.9 : Simulation de l’évolution des profils de dissolution de l’aluminium pur, aux interfaces C/1099 et SiC/1099, en fonction du temps.

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0

0 0,25 0,5 0,75 1

Distance (cm)

Profondeur (µm)

Anode Cathode

10 h 20 h 30 h 40 h 50 h 60 h

-100 -80 -60 -40 -20 0

0 0,25 0,5 0,75 1

Distance (cm)

Profondeur (µm)

Anode ^Cathode

10 h 20 h 30 h 40 h 50 h 60 h

C/1099

SiC/1099

Al

Al SiC C