Étude du mécanisme de corrosion atmosphérique à long terme des aciers: nouvelles stratégies de protection des aciers du patrimoine culturel

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2017-12-15The present report relates to the understanding of long term atmospheric corrosion mechanisms of low alloy steels which are necessary for various applications such as the interim storage of nuclear waste, and the conservation of cultural heritage artefacts. At a first stage, it may be necessary to characterize ancient corrosion system in order to identify the reactive phases in the rust layers, their localisation and their role in the mechanism. In that purpose, the work on objects reference archaeological sites (analogues) can help to take sample of studies. At a second stage, the electrochemical behaviour and their reactive of the phases constitutive of the corrosion layer must be determined precisely. In that field, it is necessary to combine the study of the pure phases and the powders taken on the analogues. The localisation of oxygen reduction sites in the rust layer is a very pertinent tool. To that end, specific experiments have been set up to re-corrode the ancient samples in marked medium (using 18O2), were investigated by nuclear reaction analysis. Finally, the identification of these newly-formed phases give precious information to develop new methods of inhibition of long term corrosion. It concerns only the heritageLa thèse porte sur l'étude de la compréhension des mécanismes de corrosion atmosphérique à long terme des alliages ferreux. Les applications sont doubles : d'une part, l'entreposage multi-barrières des déchets nucléaires en surface pendant plusieurs centaines d'années, et d'autre part, la préservation et conservation des objets du patrimoine. Dans un premier axe d'étude, une caractérisation fine du système de produits de corrosion est nécessaire afin de déterminer les phases en présence, leur localisation et leur rôle dans les mécanismes. Cela a nécessité de travailler sur des objets issus des sites archéologiques de référence afin de prélever des échantillons d'études. Dans un second axe d'étude, la réactivité de ces phases et leur comportement électrochimique dans les conditions de corrosion doit être déterminée précisément. Il est alors nécessaire de combiner des études sur phases de référence et sur les objets archéologiques eux-mêmes. La localisation des sites de réduction de l'oxygène dans les objets archéologiques doit être déterminée, après les avoir remis quelques mois en corrosion dans des milieux contenant des traceurs judicieux (l'oxygène 18O2), à l'aide des méthodes nucléaires adhoc. En dernier axe, l'identification de ces processus moteur devrait permettre de proposer de nouvelles méthodes d'inhibition de la corrosion à long terme. Cela concerne uniquement le patrimoin

Studying the mechanisms of long-term atmospheric corrosion of low alloy steel : new strategies for protection of cultural heritage artefacts

La thèse porte sur l'étude de la compréhension des mécanismes de corrosion atmosphérique à long terme des alliages ferreux. Les applications sont doubles : d'une part, l'entreposage multi-barrières des déchets nucléaires en surface pendant plusieurs centaines d'années, et d'autre part, la préservation et conservation des objets du patrimoine. Dans un premier axe d'étude, une caractérisation fine du système de produits de corrosion est nécessaire afin de déterminer les phases en présence, leur localisation et leur rôle dans les mécanismes. Cela a nécessité de travailler sur des objets issus des sites archéologiques de référence afin de prélever des échantillons d'études. Dans un second axe d'étude, la réactivité de ces phases et leur comportement électrochimique dans les conditions de corrosion doit être déterminée précisément. Il est alors nécessaire de combiner des études sur phases de référence et sur les objets archéologiques eux-mêmes. La localisation des sites de réduction de l'oxygène dans les objets archéologiques doit être déterminée, après les avoir remis quelques mois en corrosion dans des milieux contenant des traceurs judicieux (l'oxygène 18O2), à l'aide des méthodes nucléaires adhoc. En dernier axe, l'identification de ces processus moteur devrait permettre de proposer de nouvelles méthodes d'inhibition de la corrosion à long terme. Cela concerne uniquement le patrimoineThe present report relates to the understanding of long term atmospheric corrosion mechanisms of low alloy steels which are necessary for various applications such as the interim storage of nuclear waste, and the conservation of cultural heritage artefacts. At a first stage, it may be necessary to characterize ancient corrosion system in order to identify the reactive phases in the rust layers, their localisation and their role in the mechanism. In that purpose, the work on objects reference archaeological sites (analogues) can help to take sample of studies. At a second stage, the electrochemical behaviour and their reactive of the phases constitutive of the corrosion layer must be determined precisely. In that field, it is necessary to combine the study of the pure phases and the powders taken on the analogues. The localisation of oxygen reduction sites in the rust layer is a very pertinent tool. To that end, specific experiments have been set up to re-corrode the ancient samples in marked medium (using 18O2), were investigated by nuclear reaction analysis. Finally, the identification of these newly-formed phases give precious information to develop new methods of inhibition of long term corrosion. It concerns only the heritag

Étude du mécanisme de corrosion atmosphérique à long terme des aciers (nouvelles stratégies de protection des aciers du patrimoine culturel)

La thèse porte sur l'étude de la compréhension des mécanismes de corrosion atmosphérique à long terme des alliages ferreux. Les applications sont doubles : d'une part, l'entreposage multi-barrières des déchets nucléaires en surface pendant plusieurs centaines d'années, et d'autre part, la préservation et conservation des objets du patrimoine. Dans un premier axe d'étude, une caractérisation fine du système de produits de corrosion est nécessaire afin de déterminer les phases en présence, leur localisation et leur rôle dans les mécanismes. Cela a nécessité de travailler sur des objets issus des sites archéologiques de référence afin de prélever des échantillons d'études. Dans un second axe d'étude, la réactivité de ces phases et leur comportement électrochimique dans les conditions de corrosion doit être déterminée précisément. Il est alors nécessaire de combiner des études sur phases de référence et sur les objets archéologiques eux-mêmes. La localisation des sites de réduction de l'oxygène dans les objets archéologiques doit être déterminée, après les avoir remis quelques mois en corrosion dans des milieux contenant des traceurs judicieux (l'oxygène 18O2), à l'aide des méthodes nucléaires adhoc. En dernier axe, l'identification de ces processus moteur devrait permettre de proposer de nouvelles méthodes d'inhibition de la corrosion à long terme. Cela concerne uniquement le patrimoineThe present report relates to the understanding of long term atmospheric corrosion mechanisms of low alloy steels which are necessary for various applications such as the interim storage of nuclear waste, and the conservation of cultural heritage artefacts. At a first stage, it may be necessary to characterize ancient corrosion system in order to identify the reactive phases in the rust layers, their localisation and their role in the mechanism. In that purpose, the work on objects reference archaeological sites (analogues) can help to take sample of studies. At a second stage, the electrochemical behaviour and their reactive of the phases constitutive of the corrosion layer must be determined precisely. In that field, it is necessary to combine the study of the pure phases and the powders taken on the analogues. The localisation of oxygen reduction sites in the rust layer is a very pertinent tool. To that end, specific experiments have been set up to re-corrode the ancient samples in marked medium (using 18O2), were investigated by nuclear reaction analysis. Finally, the identification of these newly-formed phases give precious information to develop new methods of inhibition of long term corrosion. It concerns only the heritageMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Electrochemical Behaviour of Thick Rust Layers on Steel: Strategies for Protection of Cultural Heritage Artefacts

International audienceFor several decades, a large number of heritage collections are related to the technical and industrial field because society wishes to preserve those materials which constitute traces of our industrial development. Compared to the collection of archaeological artefacts, the industrial and technical heritage is composed of numerous objects in cast iron or steel as the collection of extraction machines of coal in the Mining History Centre of Lewarde (France), or has a huge size as U4 blast furnace in Uckange in France. The diagnosis of the conservation state and the choice of the restoration treatment are important questions that have to be solved by curators to avoid expensive restoration works.The purpose of this study is to characterize the key-parameters of the electrochemical behaviour of different thick rust layers, observed on these objects. Then, the objective is to propose a simple electrochemical strategy to block or to reduce the electrochemical activity of these complex systems in order to lower the degradation rate of structures, without applying thick organic coatings as paints or varnishes.Previous studies (1) have demonstrated that some iron(III) phases constituting the rust layer play a role in the corrosion processes during wet and dry periods, and can increase the corrosion rate of the underlying metal.On this kind of artefacts, two main rust layers were observed and characterized by combining metallographic observations and different techniques of materials analysis (X-ray diffraction, Raman spectroscopy): a ferrhydrite/goethite and magnetite/goethite rust systems. The electrochemical activity of the oxyhydroxide iron compounds was characterized by cyclic voltamperometry in a carbon paste electrode, and the total system “metal/rust layer” was described by electrochemical impedance spectroscopy in aqueous corrosive media in function of immersion time.Corrosion-inhibiting formulations in aqueous media based on sodium decanoate and decanoic acid solutions were set-up for the treatment of these rust systems, from previous studies (2, 3, 4). These compounds are non-toxic and fulfil the criteria (reversibility, no modification of the final visual appearance) for their application in the field of the cultural heritage conservation. The impedance measurements coupled with the analysis of the treated surface shows that the application of the inhibiting solution has a positive effect on both the chemical diffusion of iron species in the pores network of the layer and the electrical conductivity of the rust system. So, the electrochemical reactivity of several iron oxide phases is drastically reduced.From those experiments, it turns out that those inhibitor solutions represent an interesting alternative of new environmentally safe treatments for corroded iron artefacts

Electrochemical behavior of thick rust layers on steel artefact: Mechanism of corrosion inhibition

International audienceThe electrochemical behavior of aged corrosion layers (CL) on artefact was studied, in corrosive reference water without and with non-toxic corrosion inhibitors such as decanoate ions and flavonoids compounds, constituting the condensed tannins, such as catechin. Electrochemical impedance spectroscopy measurements on the metal/CL system and voltammetric studies of FeOOH phases on carbon paste electrode show that the corrosion inhibition mechanism is mainly based on the blocking of the dissolution of FeOOH-type phase and the decrease of the diffusion of ionic species in the pores network of CL. Indeed, the formation of iron decanoate, revealed by X-ray diffraction and microscopic observation, inhibits the electrochemical activity of FeOOH-type phases and blocks the electrochemical dissolution of FeOOH into Fe2+ cations. On the other hand, the catechin compound modifies the surface of rust compounds into a blue-black compound, but this modification has a poor influence on the electrochemical activity of FeOOH-type compounds