Les contraintes environnementales d’allégement des automobiles, pour réduire les émissions de CO2 des moteurs thermiques ou pour augmenter l’autonomie des voitures électriques, poussent les sidérurgistes à développer de nouvelles nuances d’acier à haute-limite d’élasticité (AHSS : Advanced High-Strength Steel) enrichies en éléments d’alliage légers (Al, Mn, Si). Lors du recuit de recristallisation des tôles après laminage des brames, ces éléments d’alliage très électropositifs ont tendance à ségréger en surface et à s’oxyder, ceci malgré l’atmosphère du four qui permet la réduction des oxydes de fer. En raison du mauvais mouillage métal/oxyde, ces oxydes superficiels d’alumine ou de silice nuisent à l’adhérence ultérieure du revêtement sacrificiel de zinc anticorrosion. Pour pallier à cet inconvénient présent dans les lignes de galvanisation à chaud en continu où la bande d’acier est trempée directement dans un bain de zinc fondu, les industriels ont développé des technologies de dépôt sous vide du zinc (Jet Vapor Deposition). Face à ces problématiques d’adhésion, deux stratégies sont possibles :
- Trouver les leviers d’action pour favoriser le mouillage sur les oxydes existants ;
- Mieux comprendre les processus d’oxydation pour pouvoir passer d’une processus externe vers un processus interne pour favoriser un contact zinc/acier.
Dans ce contexte très général et en collaboration étroite avec ArcelorMittal-Maizières-Research, l’équipe « Oxydes en Basses Dimensions » de l’INSP apporte tout son savoir-faire sur ces problèmes d’ingénierie des interfaces en explorant les concepts fondamentaux sous-jacents sur des systèmes modèles bien choisis.
Le rôle de l’environnement, de la polarité, de la terminaison, de l’hydroxylation de surface [T1,P1,1,3] et des couches tampons de métaux de transition [T2,P1,2,4,8,B1] sur le comportement au mouillage du zinc sur les surfaces -Al2O3(0001) a été exploré tant sur le plan expérimental que théorique. Des situations pour lesquelles la rupture passe d’interfaciale à cohésive ont ainsi pu être isolées et rationalisées sur la base de calculs ab initio. Ces concepts ont été généralisés au cas des silicates [P2,9]. Sur des cristaux modèle Fe0.85Al0.15 de composition représentative des aciers alliés ferritiques, les effets d’orientation [(110),(100),(111)] et d’environnement sur la tendance à la ségrégation et l’oxydation superficielle ont été abordés au travers d’un approche de science des surfaces combinant microscopie, diffraction et photoémission [T3,P3,5,7,10,12]. En parallèle, les théoriciens ont entrepris une exploration systématique de la richesse des structures de films ultra-minces d’alumine [P3,11,12]. L’idée à terme est de comprendre les briques élémentaires constitutives de ces oxydes et la transition vers la formation de films plus épais de -Al2O3 comme observée sur les aciers industriels.
Figure : approche de physico-chimie des interfaces suivie à l’INSP sur la problématique de galvanisation des aciers alliés utilisés pour l‘allègement des automobiles.
Thèses
[T1] 2011-2014 : Rémi Cavallotti, Thèse CIFRE, Effets de la terminaison de l’α-alumine sur le comportement au mouillage du zinc
[T2] 2015-2018 : Maya Messaykeh, Thèse Labex Matisse, A fundamental approach of the wetting at Zn/Al2O3 interface : the effect of a Cr buffer
[T3] 2014-2016 : Zongbei Dai, Orientation-dependent segregation and oxidation at Fe0.85Al0.15 random alloy surfaces
Post-docs
[P1] 2016-2018 : Ha-Linh Thi Le, financement ArcelorMittal
[P2] 2018-2020 : Jacopo Baima, financement ArcelorMittal
[P3] 2019-2020 : Natalia Alyabyeva et Maxime Van Den Bosche, ANR Surfox
Publications
[1] Rémi Cavallotti, Jacek Goniakowski, Rémi Lazzari, Jacques Jupille, Alexey Koltsov, and Didier Loison.Role of Surface Hydroxyl Groups on Zinc Adsorption Characteristics on α-Al2O3(0001) Surfaces: First-Principles Study.The Journal of Physical Chemistry C 2014 118 (25), 13578-13589. DOI: 10.1021/jp501318p
[2] Rémi Cavallotti, Ha-Linh Thi Le, Jacek Goniakowski, Rémi Lazzari, Jacques Jupille, et al.. New routes for improving adhesion at the metal/α-Al2O3(0001) interface. Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2015, 18 (4), pp.3032-3039. ⟨10.1039/C5CP06435J⟩. ⟨hal-01263694⟩
[3] Ha-Linh Thi Le, Remi Lazzari, Jacek Goniakowski, Remi Cavallotti, Stephane Chenot, et al.. Tun- ing Adhesion at Metal/Oxide Interfaces by Surface Hydroxylation. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2017, 121 (21), pp.11464-11471. 10.1021/acs.jpcc.7b02456 . hal- 01520408
[4] Ha-Linh Thi Le, Jacek Goniakowski, Claudine Noguera, Alexey Koltsov, Jean-Michel Mataigne. Improving Adhesion at the Alumina/Zinc Interface by Stainless Steel Buffers. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2017, 121 (45), pp.25143-25151. ⟨10.1021/acs.jpcc.7b07112⟩. ⟨hal-01651879⟩
[5] Zongbei Dai, Patrizia Borghetti, Younes Mouchaal, Stephane Chenot, Pascal David, et al.. Self- organized carbon-rich stripe formation from competitive carbon and aluminium segregation at Fe 0.85 Al 0.15 (1 1 0) surfaces. Applied Surface Science, Elsevier, 2018, 444, pp.457-466.10.1016/j.apsusc.2018.03.084 . hal-01789678
[6] Ha-Linh Thi Le, Jacek Goniakowski, Claudine Noguera, Alexey Koltsov, Jean-Michel Mataigne. Role of surface hydroxylation on adhesion at zinc/silica interfaces. Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2018, 20 (22), pp.15581 – 15588. 10.1039/C8CP02139B . hal-01911235
[7] Zongbei Dai, Patrizia Borghetti, Stéphane Chenot, Pascal David, Alexey Koltsov, et al.. Aluminium segregation profiles in the (110), (100) and (111) surface regions of the Fe 0.85 Al 0.15 random body-centered cubic alloy. Applied Surface Science, Elsevier, 2019, 492, pp.886-895. 10.1016/j.apsusc.2019.06.235 . hal-02340100
[8] Maya Messaykeh, Jacek Goniakowski, Gregory Cabailh, Jacques Jupille, Rémi Lazzari, et al.. Chromium Adsorption Reveals a Persistent Hydroxylation of Vacuum-Annealed α-Al 2 O 3 (0001). Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2019, 123 (48), pp.29245-29254. ⟨10.1021/acs.jpcc.9b08907⟩. ⟨hal-02452290⟩
[9] Jacopo Baima, Jacek Goniakowski, Claudine Noguera, Alexey Koltsov, Jean-Michel Mataigne. Surface thermodynamics of silicate compounds: the case of Zn 2 SiO 4 (001) surfaces and thin films. Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2019, 21 (24), pp.13287-13295. ⟨10.1039/C9CP02039J⟩. ⟨hal-02374563⟩
[10] Zongbei Dai, Natalia Alyabyeva, Patrizia Borghetti, Stéphane Chenot, Pascal David, et al.. Al-rich Fe0.85 Al0.15 (100), (110) and (111) surface structures. Applied Surface Science, Elsevier, 2020, 509, pp.145312. ⟨10.1016/j.apsusc.2020.145312⟩. ⟨hal-02451294⟩
[11] Jacek Goniakowski, Maxime van den Bossche, Claudine Noguera. Understanding the structural diversity of freestand- ing Al 2 O 3 ultrathin films through a DFTB-aided genetic algorithm †. Nanoscale, Royal Society of Chemistry, 2020, 12 (10), pp.6153-6163. ⟨10.1039/C9NR10487A⟩. ⟨hal-02986270⟩
[12] Zongbei Dai, Natalia Alyabyeva, Maxime van den Bossche, Patrizia Borghetti, Stéphane Chenot, et al.. The Oxide at the Al-rich Fe 0.85 Al 0.15 ( 110 ) surface. Physical Review Materials, American Physical Society, 2020, 4 (7), ⟨10.1103/PhysRevMaterials.4.074409⟩. ⟨hal-02928089⟩
Brevet
[B1] A coated metallic substrate and fabrication method, PCT/IB2017/000668, Inventeurs : Arcelor-Mittal, UPMC-CNRS (2017)
