Les alliages d’aluminium et leur corrosion

 Les alliages d’aluminium et leur corrosion 

Généralités sur l’aluminium

L’aluminium est naturellement présent dans la croûte terrestre, mais n’existe pas sous sa forme métallique. L’aluminium métallique est obtenu par réduction de l’alumine, qui est l’un des constituants principaux de la bauxite, contenant également de l’oxyde de fer et de la silice. L’alumine est un oxyde très stable, ce qui rend sa réduction difficile. La découverte de l’aluminium est attribuée à Humprey Davy, qui en obtint pour la première fois en 1809, par électrolyse de sels fondus d’aluminium. Le premier à produire de l’aluminium suffisamment pur pour pouvoir déterminer certaines de ses propriétés fut Wöhler en 1827 [5]. L’aluminium présente de nombreux avantages qui en font un matériau de choix pour une variété d’applications. Les principaux atouts de l’aluminium sont sa légèreté, sa conductivité thermique, sa conductivité électrique, sa tenue à la corrosion, son aptitude aux traitements de surface ainsi que sa facilité de mise en œuvre [5]. De plus, la variété d’alliages d’aluminium et de traitements thermiques permet la fabrication de matériaux correspondant précisément aux attentes de chaque domaine d’application (matériaux de constructions, transports, câbles, emballage…). La production mondiale d’aluminium en 2011 a atteint 43,5 millions de tonnes, faisant de l’aluminium l’alliage métallique le plus utilisé dans le monde après l’acier.

Les alliages d’aluminium

L’aluminium n’est généralement pas utilisé pur, des éléments d’alliages y sont ajoutés en petite quantité (de 1 à 7 % [5]) pour lui donner les propriétés désirées : propriétés mécaniques, aptitude à la mise en forme, tenue à la corrosion, soudabilité… La recherche menée dans ce domaine depuis plus de 100 ans a permis de développer une diversité d’alliages qui répond aux besoins de chaque application. La nomenclature généralement utilisée pour désigner les alliages d’aluminium a été mise en place par l’Aluminium Association en 1970, utilisant une série de quatre chiffres pour désigner un alliage. Le premier chiffre correspond à l’élément d’alliage principal et permet de regrouper les alliages d’aluminium en familles.

Corrosion des alliages d’aluminium

Passivité de l’aluminium

L’aluminium est un métal naturellement passif : lorsqu’il est exposé à un milieu contenant de l’oxygène, une couche d’oxyde d’aluminium protectrice se forme spontanément à sa surface, suivant la Réaction I-1.

Le film d’alumine qui se forme protège le métal contre la corrosion car il est à la fois résistant à la dissolution et un isolant efficace qui empêche les électrons produits par l’oxydation du métald’atteindre la surface de l’oxyde [6]. La corrosion de l’aluminium est un processus électrochimique qui implique la dissolution du métal, qui peut donc se produire uniquement lorsque la couche d’oxyde protectrice a été dissoute ou endommagée [6].

La croissance de cet oxyde est modifiée par les impuretés et les éléments d’alliages, et peut être accélérée par une température élevée ainsi que l’humidité de l’environnement auquel l’alliage est exposé. Par exemple, lorsque le magnésium est utilisé comme élément d’alliage, l’oxyde d’aluminium qui se forme en surface contient aussi de l’oxyde de magnésium ce qui confère aux alliages d’aluminium contenant du magnésium (série 5000) une bonne résistance à la corrosion [5]. En revanche, d’autres éléments affaiblissent les propriétés protectrices du film d’oxyde, ce qui est le cas du cuivre contenu dans les alliages de la série 2000.

Les différentes formes de corrosion de l’aluminium

– La corrosion uniforme

Dans le cas de l’aluminium, la corrosion uniforme est observée essentiellement dans les milieux très acides ou très alcalins dans lesquels l’alumine peut se dissoudre, comme expliqué par le diagramme de Pourbaix présenté ci-dessus. En milieu fortement basique, la vitesse de dissolution peut être réduite en utilisant des inhibiteurs adaptés. Le silicate de soude est par exemple employé pour ralentir la vitesse de dissolution de l’aluminium dans les milieux alcalins [5,12,13]. Enfin, les produits de corrosion de l’aluminium sont incolores, ce qui peut être un critère de choix pour l’aluminium plutôt que d’autres métaux, dans certaines conditions où la corrosion uniforme ne peut être évitée [6].

– La corrosion par piqûres

La corrosion par piqûre est une corrosion localisée qui se caractérise par la formation de cavités à la surface du métal. La profondeur de ces cavités dépend de paramètres propres au métal ainsi que du milieu auquel il est exposé. Comme tous les métaux passifs, l’aluminium est sensible à la corrosion par piqûres qui résulte d’une rupture locale du film passif. Le mécanisme de cette corrosion par piqûres est complexe, et certains aspects ne sont pas totalement élucidés. Cependant, il apparaît clairement que ce mécanisme se décompose en deux étapes : l’amorçage puis la propagation [5,14–18].

– Amorçage

La corrosion par piqûre se développe dans des milieux contenant des chlorures. Il y a adsorption des ions Clsur le film d’oxyde au niveau des défauts (inclusions, précipités…) puis les ions agressifs migrent jusqu’à l’interface métal/oxyde, ce qui provoque une rupture dans le film d’alumine et l’amorçage de la piqûre [5,14]. Beaucoup de piqûres sont très rapidement initiées mais se repassivent immédiatement après leur formation. Seule une faible proportion des piqûres amorcées va pouvoir se propager et créer des piqûres stables [17].

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Synthèse bibliographique
I.I. Les alliages d’aluminium et leur corrosion
I.I.1. Généralités sur l’aluminium
I.I.2. Les alliages d’aluminium
I.I.3. Corrosion des alliages d’aluminium
I.I.4. L’alliage d’aluminium AA 2024-T3
I.I.5. Système peinture en aéronautique
I.II. Les couches de conversion au chrome hexavalent
I.II.1. Mécanisme de formation des CCC
I.II.2. Structure, composition et morphologie des couches de CCC
I.II.3. Résistance à la corrosion des CCC et effet “self-healing” du chrome hexavalent
I.II.4. Effet du vieillissement de la couche de CCC sur sa résistance à la corrosion
I.II.5. Toxicité du chrome hexavalent
I.III. Les couches de conversion TCP
I.III.1. Composition des solutions de TCP
I.III.2. Mécanisme de formation des TCP et suivi in situ
I.III.3. Structure, composition et morphologie des TCP
I.III.4. Présence de Cr(VI) dans les couches de conversion TCP
I.III.5. Homogénéité des couches de TCP
I.III.6. Effet des prétraitements sur les TCP
I.III.7. Résistance à la corrosion des TCP
I.III.8. Fissuration des couches de TCP
I.III.9. Effet d’un vieillissement ou d’un traitement thermique sur les TCP
I.IV. Couches de conversion sans chrome
I.IV.1. Les couches de conversion au molybdate
I.IV.2. Les couches de conversion au vanadate
I.IV.3. Les couches de conversion au permanganate
I.IV.4. Les couches de conversion au cobalt
I.IV.5. Les couches de conversion au zirconium et zirconium/titane
I.IV.6. Les couches de conversion au cérium
I.V. Conclusions
Chapitre II. Techniques expérimentales
II.I. Préparation des échantillons
II.I.1. Polissage mécanique des échantillons
II.I.2. Traitement des échantillons
II.II. Techniques d’analyse de surface
II.II.1. Spectroscopie de photoélectrons XPS
II.II.2. Spectrométrie de masse d’ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS)
II.II.3. Microscopie à force atomique (AFM)
II.II.4. Microscopie Electronique à Balayage (MEB)
II.II.5. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption à modulation de phase (PMIRRAS)
II.II.6. Caractérisation électrochimique
Chapitre III. Prétraitements
III.I. Caractérisation de la surface à l’état de réception
III.II. Caractérisation de la surface polie
III.III. Caractérisation de la surface dégraissée
III.III.1. Morphologie de la surface dégraissée
III.III.2. Composition chimique de la surface dégraissée
III.IV. Caractérisation de la surface désoxydée
III.IV.1. Morphologie de la surface désoxydée
III.IV.2. Composition chimique de la surface désoxydée
III.IV.3. Enrichissement en cuivre
III.V. Conclusions
Chapitre IV.Couches de conversion TCP
IV.I. Structure et composition des couches de TCP
IV.I.1. Structure en deux couches
IV.I.2. Epaisseur des couches de TCP
IV.I.3. Composition des couches de TCP
IV.II. Aspect des couches de TCP
IV.II.1. Morphologie des couches de TCP
IV.II.2. Fissuration des couches de TCP en fonction de l’épaisseur de la couche
IV.II.3. Formation de la couche de TCP dans les cavités
IV.III. Effet du pH sur les couches de TCP
IV.IV. Résistance à la corrosion des couches de TCP
IV.V. Conclusions
Conclusion générale

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