SUIVI DE L’EVOLUTION DE LA CORROSION A L’INTERFACE FIBRE/MATRICE

Le matériau choisi pour cet exemple de suivi de l’évolution de la corrosion autour d’une fibre est un alliage d’aluminium 357 renforcé par des mèches de fibres K139 de carbone tissées en préforme quasi-isodirectionnelle. Il a été élaboré par E.A.D.S. par infiltration basse pression. L’exemple choisi dans ce chapitre porte sur une fibre de carbone isolée dans la matrice mais d’autres spécificités microstructurales pourront être étudiées (fissures, précipités intermétalliques, mèches de fibres) en fonction des informations recherchées.

L’électrolyte corrosif est une solution aqueuse à 0,5 M NaCl, aérée et stagnante.

III.1.1.1. Etape 1 : Choix de la surface étudiée

Des observations de la surface polie sont effectuées au microscope optique à divers grossissements pour localiser les zones potentiellement intéressantes en terme de développement de la corrosion. Le choix final s’effectue après observation au microscope électronique à balayage.

La fibre, présentée dans cet exemple d’étude de la corrosion, a été choisie d’après trois critères principaux :

9l’isolement dans la matrice d’aluminium. Cette condition est nécessaire pour garantir une indépendance totale de la croissance de la cavité autour de la fibre par rapport aux autres cavités formées. De ce fait, le critère de choix est une distance d’au moins 20 µm d’une autre fibre ou d’une mèche de fibre.

9la section exposée. La fibre est choisie en section transverse, circulaire. Cette condition devrait assurer une croissance homogène de la cavité en surface et un confinement identique de l’électrolyte dans tout le volume ainsi disponible, répartissant ainsi les charges issues de la corrosion galvanique.

9l’homogénéité de l’interface carbone / aluminium. L’absence de porosité et de rayures de polissage sont indispensables afin de ne pas introduire de sites d’amorçage de la corrosion, préalablement à l’immersion du matériau. La présence de cristaux de silicium autour de la fibre doit idéalement être évitée ou à défaut réduite au minimum. Ces conditions permettent une évolution homogène de la dissolution de l'aluminium à l’interface.

Des images de la fibre choisie, de son environnement et de toute la surface exposée à l’électrolyte sont ensuite acquises avec les deux microscopes précités (figures III.1 et III.2).

Elles serviront de référence aux images prises après l’essai d’immersion du matériau.

Figure III.1: Photographies de la fibre et de son environnement, choisis pour être suivis en corrosion avec le vidéomicroscope longue focale in situ.

Figure III.2: Image en vidéomicroscopie ex-situ de la surface exposée à l’électrolyte.

III.1.1.2. Etape 2 : Déroulement de l’essai

Les techniques d’observations in situ mises en œuvre permettent un suivi de l’évolution de la corrosion localisée par étape. En combinant judicieusement l’utilisation des différents microscopes, une procédure expérimentale d’analyse de la corrosion localisée est proposée. Le schéma suivant en présente les étapes (figure III.3) :

Figure III.3: Diagramme montrant l’utilisation potentielle des différentes techniques pour obtenir une évaluation quantitative de la morphologie et de la cinétique

de croissance de cavités de corrosion.

VM : Vidéomicroscopie in situ. AFM :Microscope à force atomique in situ.

MEB : Microscope électronique à balayage.

I. Test préliminaire pour une estimation rapide de la corrosion II. Test réel de corrosion……….

Cavité de corrosion trop profonde pour l’AFM

III. Observations après corrosion……….

VM AFM

VM MEB

VM

MEB et stéréophotogrammétrie

10 µm 100 µm

1 mm

Dès l’immersion, des images identiques à celles précédemment acquises sont prises avec le vidéomicroscope. Elles permettront de localiser les premières zones d’activité en surface et serviront également de référence aux images acquises durant l’essai d’immersion.

Toutefois la résolution limitée de cet appareil ne permet pas une estimation précise de l'initiation de la corrosion aux interfaces; l'activité observée en surface de l'échantillon à faible grandissement indique que l'initiation de la corrosion apparaît durant la première heure d'immersion (figure III.7).

L’échelle submicronique étant donc requise pour en suivre l’amorçage, un microscope à force atomique est utilisé en mode contact. Des images numériques sont acquises avant et après immersion, et en milieu liquide à différents temps d’immersion (figure III.4). Le logiciel Nanoscope III, associé à l’AFM, permet un traitement des images pour en améliorer la qualité visuelle. Les filtres appliqués réduisent le bruit électronique et corrigent les inclinaisons de la surface. Ils doivent être utilisés avec prudence pour ne pas perdre des informations de surface ou de volume. Le logiciel autorise également une vue en trois dimensions des images (figure III.5), ainsi que la mesure de profils (figure III.6).

Les premiers temps de la propagation de la corrosion sont suivis jusqu’à ce que les cavités de corrosion soient trop profondes pour que la pointe reste en contact avec le fond de la cavité. Les images qui seraient alors obtenues, si l’expérience se poursuivait, représenteraient l’image de la pointe et non la morphologie réelle de la cavité.

Figure III.4 : Images AFM après 2 et 6 heures de test en solution chlorurée.

Avant immersion Après 6 heures d’immersion

Après 2 heures d'immersion

Figure III.5 : Reconstruction en trois dimensions de l’image AFM après corrosion, par le logiciel Nanoscope III.

La cavité de corrosion se forme uniformément autour de la fibre, où le silicium n’est pas cristallisé. Sa profondeur est relativement faible, compte tenu de l’échelle. Les profils de surface, le long des lignes tracées sur la figure III.4, sont comparés afin d’en déduire la profondeur réelle de la cavité de corrosion galvanique (figure III.6). Le profil qui est obtenu après immersion n’est en effet pas représentatif de la seule corrosion interfaciale. Il prend également en compte la corrosion généralisée, qui se développe sur toute la surface, ainsi que la différence de marche initiale entre la fibre et la matrice, résultant du polissage du matériau.

Figure III.6 : Profils de surface à l’interface fibre/matrice du matériau composite, à l’immersion et après 6 heures de test de corrosion.

Ces profils de corrosion indiquent que le développement initial de la corrosion interfaciale s'effectue dans le plan d'observation de la fibre et non le long de l'interface fibre/matrice. Ce mode de propagation initial sera intégré dans le modèle d’évolution de la corrosion galvanique.

Avant immersion Après 6 h d’immersion

Profondeur de la cavité 160 nm

Largeur de la cavité 680 nm

Dès que la cavité interfaciale est trop profonde, le vidéomicroscope longue focale est nécessaire pour observer la propagation de la corrosion. Des images sont acquises à différents temps d’immersion. L’évolution de la propagation de la corrosion autour de la fibre est suivie en temps réel (figure III.7). La formation de cavités aux interfaces fibre/matrice et particules intermétalliques/matrice est visible. Plus globalement, des dômes d'hydroxyde d'aluminium croissent sur la surface, accompagnés de dégagement gazeux de dihydrogène H2, indiquant précisément la localisation des zones d'activité.

Figure III.7: Croissance d’une cavité autour de la fibre de carbone.

Images issues du vidéomicroscope in situ à différents temps du test de corrosion.

L’acquisition régulière de ces images numériques de la fibre, et plus largement de la zone d’étude, permettra d’estimer la cinétique de propagation de la corrosion à partir de la taille de la cavité. Une attention particulière est donc portée à la reproductibilité de la mise au point de la focale afin de ne pas modifier la taille des éléments observés, par effet d’optique (contraste, netteté).

En effet, la résolution des images numériques acquises lors de ces expériences reste limitée du fait, dans une moindre mesure, des bruits électroniques parasites pour l’A.F.M., mais surtout du fait de l’épaisseur de liquide présente entre la surface observée et l’optique du vidéomicrospe. Afin de mieux cerner le contour final de la cavité, la dernière image in situ issue du vidéomicroscope est comparée aux images acquises au microscope électronique à balayage et avec le vidéomicroscope, après l’essai.

00h00 03h00 06h00

10h00 22h00 25h00

36h00 46h00 61h00

5 µm

Bulle d'H2

en surface

Ensuite, des images vidéo de la surface totale exposée à l’électrolyte sont acquises avant de retirer l’échantillon de la solution et après l’essai (figure III.8). Les premières images permettent de localiser les bulles de dihydrogène sur la surface, dont le centre est potentiellement un centre actif de corrosion sur le matériau. Les secondes permettent de localiser les dômes d’hydroxyde d’aluminium, précipités en surface du matériau et directement représentatif de la sévérité de la corrosion durant l’essai.

Figure III.8 : Localisation des dômes d’hydroxyde d’aluminium Al(OH)₃. Image issue du vidéomicroscope, après 61 heures d’immersion.

Après essai, l'échantillon est soigneusement rincé à l'eau distillée et traité à l'acide orthophosphorique pour supprimer les produits de corrosion restant en surface. Finalement deux images numériques de la zone étudiée sont acquises avec le microscope électronique à balayage, en paires stéréoscopiques, avec un angle de tilt de 6° (figure III.9).

Figure III.9 : Image MEB de la fibre et de sa cavité étudiées, après 61 heures d’immersion.