Comportement mécanique et microstructure de filaments céramiques alumine-zircone pour applications à haute température
Résumé
Les besoins de matériaux structuraux capables d'opérer au delà des températures limites d'utilisation des alliages métalliques avancés, sont à la base de nombreux travaux de recherche sur les composites à matrice céramique (CMC), renforcés par des fibres céramiques. Les perspectives d'applications sont variées pour ces matériaux : industries aérospatiales et aéronautiques (chambres de combustion, turbines, compresseurs), production d'énergie (turbines terrestres, échangeurs de chaleur, filtres à gaz, brûleurs). Toutes nécessitent une très bonne résistance aux sollicitations mécaniques à haute température, à la fois sous atmosphère oxydante et corrosive. C'est pourquoi, beaucoup d'espoirs sont mis dans les CMC car ils doivent pouvoir combiner résistances thermomécanique et thermochimique. Toutes ces pièces sont de formes complexes et nécessitent des procédés de fabrication adaptés, compatibles avec l'élaboration des CMC.
Cette thèse est une contribution au développement et à l'étude de filaments céramiques biphasés à base alumine-zircone résistant au fluage et à la dégradation chimique et microstructurale. Les matériaux étudiés sont des filaments biphasés expérimentaux (diamètre~quelques mm) à structure fibrillaire (CMC in situ) obtenus par co-extrusion de sol-gels ou de pâtes à base de poudre (Universités anglaises de Birmingham et Warwick) et une fibre nanocristalline (Nextel> 650, 3M) à fin diamètre (11µm) de structure homogène. Elles ont été respectivement mises au point et sélectionnées pour leurs composition et leurs microstructures très prometteuses en terme de résistance au fluage. Cette étude est concentrée sur la caractérisation mécanique à haute température de ces matériaux et surtout sur la compréhension des mécanismes de déformation et de rupture en relation avec l'évolution microsructurale. La fibre commerciale Nextel 650 est une fibre d'alumine-a (taille de grains > 0.1µm) dans laquelle des grains de seconde phase zircone sont dispersés de manière homogène en intra (5-10nm) comme en inter-granulaire (20-30nm). Bien qu'il n'y ait pas d'anisotropie morphologique des grains, il existe une forte anisotropie cristallographique. Après traitement thermique sans charge à des températures supérieures à 1200°C, on note une forte croissance des grains préférentiellement parallèle à l'axe de la fibre,phénomène de croissance obtenu aussi sous charge à des températures inférieures. Il y a une chute sensible des propriétés mécaniques en tension à haute température dès 1000°C. La concentration d'impuretés en surface de la fibre se révèle critique pour ces essais conduisant à des croissances anormales des grains d'alumine-a responsables d'une fragilisation mécanique de la fibre. Le comportement en fluage a été déterminé entre 1000 et 1300°C permettant de dégager une valeur de 2.5 pour l'exposant de contrainte et une valeur de l'énergie d'activation de 850kJ/mol. L'évolution de la microstructure vers une microstructure à grains allongés est un atout favorable pour la tenue en fluage. Une comparaison avec d'autres fibres de compositions proches (FP, Nextel 610 pour les fibres d'alumine-a, PRD-166 pour les fibres alumine-zircone et Nextel 720 pour les fibres alumine-mullite), montre que la Nextel 650 présente des propriétés intéressantes pour être utilisée dans des CMC en vue d'applications à haute
température jusqu'à 1200°C environ. L'étude des filaments co-extrudés alumine-zircone à structure fibrillaire a tout d'abord nécessité celle de filaments de composition chacune des phases obtenus à partir de pâtes (poudre+thermoplastique ou sol-gels). La composition de chacune des phases a été optimisée de manière à adapter la rhéologie des deux pâtes afin d'obtenir après co-extrusion et frittage, un matériau présentant le moins de défauts possibles (porosités, fissures.). La microstructure des différents filaments (biphasés ou non) a été observée afin de dégager les conséquences de la multi-extrusion sur la microstructure (alignement des phases, taille et orientation des grains). Une attention particulière a été portée à l'étude des interfaces entre les fibrilles de différentes phases du matériau co-extrudé. Il a été mis en évidence des relations d'orientation cristallographiques entre les grains juxtaposés de chacune des phases. Ces interfaces fortes sont responsables de la non bifurcation des fissures. Par des tests de flexion 4-points, on met en évidence à 1300°C, une chute des propriétés mécaniques que le matériau soit biphasé ou non. En fluage à 1300°C, les filaments co-extrudés présentent des taux de fluage supérieurs à ceux des mono-filaments d'alumine-a. On met en évidence lors du fluage, le rôle prédominant de l'alumine-a ainsi que le rôle des interfaces fortes. Les mécanismes intervenant en fluage pour chacune des phases constituant le matériau co-extrudé sont ceux qui contrôlent le fluage de chacun des types de fibrilles dans le matériau co-extrudé. La compréhension des liens existant entre propriétés mécaniques et microstructure permet d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix entre une structure fibrillaire et une distribution homogène de seconde phase, sur le rôle des nucléants et des ajouts de frittage ainsi que sur le choix de la structure de la zircone. Ceci permet alors de proposer pour le système alumine-zircone une microstructure idéale pour les applications à haute température.
Cette thèse est une contribution au développement et à l'étude de filaments céramiques biphasés à base alumine-zircone résistant au fluage et à la dégradation chimique et microstructurale. Les matériaux étudiés sont des filaments biphasés expérimentaux (diamètre~quelques mm) à structure fibrillaire (CMC in situ) obtenus par co-extrusion de sol-gels ou de pâtes à base de poudre (Universités anglaises de Birmingham et Warwick) et une fibre nanocristalline (Nextel> 650, 3M) à fin diamètre (11µm) de structure homogène. Elles ont été respectivement mises au point et sélectionnées pour leurs composition et leurs microstructures très prometteuses en terme de résistance au fluage. Cette étude est concentrée sur la caractérisation mécanique à haute température de ces matériaux et surtout sur la compréhension des mécanismes de déformation et de rupture en relation avec l'évolution microsructurale. La fibre commerciale Nextel 650 est une fibre d'alumine-a (taille de grains > 0.1µm) dans laquelle des grains de seconde phase zircone sont dispersés de manière homogène en intra (5-10nm) comme en inter-granulaire (20-30nm). Bien qu'il n'y ait pas d'anisotropie morphologique des grains, il existe une forte anisotropie cristallographique. Après traitement thermique sans charge à des températures supérieures à 1200°C, on note une forte croissance des grains préférentiellement parallèle à l'axe de la fibre,phénomène de croissance obtenu aussi sous charge à des températures inférieures. Il y a une chute sensible des propriétés mécaniques en tension à haute température dès 1000°C. La concentration d'impuretés en surface de la fibre se révèle critique pour ces essais conduisant à des croissances anormales des grains d'alumine-a responsables d'une fragilisation mécanique de la fibre. Le comportement en fluage a été déterminé entre 1000 et 1300°C permettant de dégager une valeur de 2.5 pour l'exposant de contrainte et une valeur de l'énergie d'activation de 850kJ/mol. L'évolution de la microstructure vers une microstructure à grains allongés est un atout favorable pour la tenue en fluage. Une comparaison avec d'autres fibres de compositions proches (FP, Nextel 610 pour les fibres d'alumine-a, PRD-166 pour les fibres alumine-zircone et Nextel 720 pour les fibres alumine-mullite), montre que la Nextel 650 présente des propriétés intéressantes pour être utilisée dans des CMC en vue d'applications à haute
température jusqu'à 1200°C environ. L'étude des filaments co-extrudés alumine-zircone à structure fibrillaire a tout d'abord nécessité celle de filaments de composition chacune des phases obtenus à partir de pâtes (poudre+thermoplastique ou sol-gels). La composition de chacune des phases a été optimisée de manière à adapter la rhéologie des deux pâtes afin d'obtenir après co-extrusion et frittage, un matériau présentant le moins de défauts possibles (porosités, fissures.). La microstructure des différents filaments (biphasés ou non) a été observée afin de dégager les conséquences de la multi-extrusion sur la microstructure (alignement des phases, taille et orientation des grains). Une attention particulière a été portée à l'étude des interfaces entre les fibrilles de différentes phases du matériau co-extrudé. Il a été mis en évidence des relations d'orientation cristallographiques entre les grains juxtaposés de chacune des phases. Ces interfaces fortes sont responsables de la non bifurcation des fissures. Par des tests de flexion 4-points, on met en évidence à 1300°C, une chute des propriétés mécaniques que le matériau soit biphasé ou non. En fluage à 1300°C, les filaments co-extrudés présentent des taux de fluage supérieurs à ceux des mono-filaments d'alumine-a. On met en évidence lors du fluage, le rôle prédominant de l'alumine-a ainsi que le rôle des interfaces fortes. Les mécanismes intervenant en fluage pour chacune des phases constituant le matériau co-extrudé sont ceux qui contrôlent le fluage de chacun des types de fibrilles dans le matériau co-extrudé. La compréhension des liens existant entre propriétés mécaniques et microstructure permet d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix entre une structure fibrillaire et une distribution homogène de seconde phase, sur le rôle des nucléants et des ajouts de frittage ainsi que sur le choix de la structure de la zircone. Ceci permet alors de proposer pour le système alumine-zircone une microstructure idéale pour les applications à haute température.