Simulation monte carlo du décapage électrolytique des aciers inoxydables

Cette étude concerne le développement par simulation numérique du décapage électrolytique et de la corrosion aqueuse des aciers inoxydables. L’objectif est de développer un code C++ de simulation en monte carlo cinétique du décapage électrolytique des aciers inoxydables en milieux acides.

Pour réaliser ces objectifs, une approche de simulation multiéchelle a été mise au point. Elle consiste à coupler les méthodes stochastiques type monte carlo et les méthodes de calcul de structure électronique (DFT) permettant d’estimer les énergies de liaisons chimiques. Une première application a été conduite sur des matrices métalliques et a abouti sur la mise au jour des mécanismes d’action de la dissolution à l’échelle atomique (attaque aux abords des plans denses) et sur la quantification de l’influence de la composition chimique des aciers inoxydables sur les cinétiques de dissolution.

L’enjeu technique du projet repose sur :

• Une compréhension quantitative des mécanismes microscopiques du décapage électrochimique pour une meilleure maîtrise du procédé.
• La détermination des processus élémentaires à l’échelle atomique gouvernant l’instabilité électrochimique de la matrice métallique.
•  Une mise en évidence du rôle des contraintes résiduelles sur les cinétiques de dissolution.

Références:

• Ab Initio Monte Carlo Simulations of the Acidic Dissolution of Stainless Steels: Influence of the Alloying Elements
  B. Malki, I. Guillotte and B. Baroux, in Journal of The Electrochemical Society, 163 (14) C807-C814 (2016).
• Ab Initio Monte Carlo Simulations of the Acidic Dissolution of Stainless Steels: Further Insights into the Mechanisms
  B. Malki, I. Guillotte and B. Baroux, in Journal of The Electrochemical Society, 165 (10) C703-C709 (2018)
• Ab Initio Monte Carlo Simulations of the Acidic Dissolution of Stainless Steels Effect of Mechanical Deformation
  B. Malki, I. Guillotte and B. Baroux, in Journal of The Electrochemical Society, 166 (15) C564-C570 (2019).

Etude la dissolution intergranulaire par Automates cellulaires 

Dans ce projet, nous nous sommes intéressés à la dissolution intergranulaire dans les alliages d’Aluminium. Nous avons développé des codes de simulation basés sur les algorithmes Automates Cellulaires, méthode Monte Carlo ou encore sur la technique dite Lattice Boltzmann Method: LBM. Ces approches consistent, après discrétisation du système en cellules élémentaires et mise au point de simples règles d’interactions locales entre cellules traduisant les phénomènes physiques impliqués, à reproduire la dynamique d’évolution d’un système donné.

Les modèles sous-jacents se fondent sur un traitement statistique (linéarisation de l’équation de transport de Boltzmann) des réactions chimiques en volume et aux interfaces, de la diffusion et de la répartition des potentiels électrostatique à l’intérieur et à l’extérieur d’un milieu électrochimique confiné. Ces méthodes se sont avérées efficaces pour expliquer par exemple les effets de la polarisation électrochimique ou encore pour reproduire des comportements métastables transitoires (effet de la repassivation des parois internes, résistance à la dissolution d’un joint de grains etc..).

Références:

• Computer simulation of the corrosion pit growth
  B. Malki and B. Baroux in Corrosion Science 47, 171–182 (2005)

Simulation Monte Carlo grand canonique de la ségrégation chimique dans les alliages

Cette technique permet de simuler l’équilibre thermodynamique d’un système (acier) avec son environnement (bain) à température, pression et potentiel chimique constants, c’est-à-dire, avec la possibilité d’échange d’espèces intra et extra-système. Elle s’est avèrée très utile pour étudier :

• la ségrégation des éléments chimiques dans les microstructures métalliques
• les traitements de surface : nitruration, carbonitruration..
• Adsorption de gaz, etc.

Nous l’avons appliqué dans notre cas pour l’étude de la ségrégation de l’azote dans les joints de grains d’un alliage Fe-Cr-Ni.

Modélisation statistique de la propagation de la corrosion intergranulaire

L’introduction d’une approche prédictive de la corrosion sur structure aéronautique, est un concept innovant qui apparaît aujourd’hui comme un enjeu stratégique essentiel. L’objectif de ce projet est de développer une modélisation de la corrosion structurale (corrosion dite exfoliante) d’un alliage d’aluminium.

Un modèle statistique permettant de déterminer de manière probabiliste la profondeur moyenne de propagation de la corrosion intergranulaire est développé. Dans ce type de modèle, la microstructure est schématisée par un réseau artificiel de segments, affectés de variables aléatoires, décrivant la propagation ou l’arrêt de la dissolution du segment. Une validation expérimentale exhaustive est réalisée en comparant les statistiques spatiales (coupes micrographiques) aux statistiques temporelles (mesure de transitoire électrochimiques).