Analyse dilatométrique des pastilles de YSZ

Les essais dilatométriques réalisés consistent à effectuer un traitement thermique de frittage (Figure III.15) et de suivre l’évolution de la longueur L de la pastille de YSZ au cours du temps. Différents paramètres, tels que la morphologie des poudres, la température du palier, ou encore les vitesses de montée et de descente en température, ont été étudiés et sont présentés dans ce paragraphe.

Figure III.15. Le traitement thermique appliqué lors des analyses dilatométriques, avec en bleu les paramètres qui ont été étudiés.

IV.2.1. Différentes morphologies de poudres

Durant les travaux de thèse de J. Fenech [1], il a été montré que selon le traitement thermique appliqué sur les poudres de YSZ, il est possible d’ajuster leur morphologie, ainsi

que leur structure cristalline (Tableau III.2). Dans le but de sélectionner les poudres ayant les meilleures aptitudes au frittage, une étude dilatométrique a été réalisée. La nomenclature utilisée pour les poudres A500, A700, A950 est déterminée par le traitement thermique des poudres d'aérogel, respectivement à 500°C, 700°C, 950°C durant 2heures sous air avec une vitesse de montée de 100°C/h.

Nous pouvons noter dans le Tableau III.2. que les poudres A500 et A700 présentent de plus grands volumes poreux (noté V), une plus grande surface spécifique (notée Sw), ainsi

que des diamètres de cristallites (noté DBJH, Dhkl et DBET) plus petits que la poudre A950. Tous

ces indicateurs laissent penser que les poudres A500, A700 ont de meilleures capacités au frittage, que la poudre A950.

Tableau III.2. Caractéristique des différentes poudres YSZ suivant leur traitement thermique [1]

Poudre Sw (m²/g) V (cm 3

/g) DBJH (nm) DHKL (nm) DBET (nm) Structure Cristalline

A500 141,4 4,01 8,77 6,92 6,99 t

A700 100,7 3,78 14,9 10,4 9,86 t’

A950 27,7 0,15 23,5 25,6 35,9 t’

Parallèlement, sur le graphe de la Figure III.16, sont présentées les courbes dilatométriques pour les différentes poudres compactées dans les mêmes conditions. Les trois courbes présentent les étapes de frittage suivantes : élaboration des ponts de raccordements entre les grains (faible retrait), importante densification (fermeture de la porosité) et retrait thermique dû au refroidissement. Les trois courbes ne présentent pas encore de palier à la température de 1100°C, traduisant ainsi que la densité maximale n’est pas atteinte. Néanmoins, la densification est plus importante pour la poudre A500, que pour la poudre A700, elle-même plus densifiée que la poudre A950. De plus, pour la poudre A950, le début de la densification se fait à partir de 1000°C environ, contrairement aux poudres A500 et A700 où le début de densification se situe respectivement aux environs de 800°C et 900°C. En effet, lorsque la surface spécifique diminue et le diamètre des grains augmente, le frittage de la poudre nécessite plus d’énergie, conduisant à une augmentation du retard sur le frittage de la pastille. Par conséquent, pour une température de frittage de 1100°C, la poudre A950 a une densification de 10% moindre que pour les poudres A700 et A500. Nous pouvons dire alors que la poudre A500 est la plus apte au frittage en vue de l’élaboration des BTSG. Néanmoins, la poudre A500 possède la structure cristalline quadratique et non la

structure quadratique métastable. Cette dernière structure étant plus stable dans le temps et en température que la structure quadratique, elle confère au revêtement de meilleures

propriétés thermomécaniques. Par conséquent, lors de ces travaux de thèse, la poudre A700 sera utilisée pour l’élaboration de BTSG.

-5 -10 -15 -20 -25

Figure III.16. Courbes dilatométriques pour différentes morphologies de poudres YSZ. Le traitement thermique de frittage durant l’analyse consiste en un palier à 1100°C durant 2h avec

des vitesses de montée et de descente en température de 100°C/h.

IV.2.2. Différentes températures de frittage

Les traitements thermiques utilisés pour l’élaboration des BTSG durant les précédents

travaux de thèse [1, 2] étaient caractérisés par une température maximale de frittage de 950°C. A cette température, comme on a pu le voir précédemment, le retrait dû au frittage ne fait que débuter. Néanmoins, les essais d’endommagement en oxydation cyclique étant réalisés à 1100°C durant 1heure, dans la suite de cette thèse, il est donc important d’adapter le traitement thermique permettant le contrôle du frittage et la consolidation des revêtements, i.e. la formation et la stabilisation du réseau de microfissures, dans le but d’améliorer la tenue en oxydation cyclique de ces barrières.

Des essais dilatométriques sur la poudre A700 à différentes températures de palier (950°C, 1100°C, 1200°C) ont été réalisés pour évaluer le pourcentage de retrait (Figure III.17). Nous pouvons remarquer clairement que pour une température de frittage de 950°C la densification de la pastille n’est pas totale (70%), contrairement aux pastilles frittées à des températures de 1100°C et de 1200°C (93%) (Tableau III.3). Or, le frittage d’un revêtement est toujours ralenti à cause de la contrainte liée au substrat. Ainsi, une température de frittage de 1100°C semble appropriée pour la consolidation des BTSG bien qu'elle entraîne un

thermomécaniques de frittage pourra provoquer une fissuration du dépôt plus importante et pourra aboutir à un endommagement préjudiciable et précoce de la BTSG. Afin de

contrôler cette fissuration, il est nécessaire de diminuer les vitesses de montée et de descente en température. -5 -10 -15 -20 -25

Figure III.17. Courbes dilatométriques pour différentes températures de palier de 2heures sur des pastilles de poudres A700, vitesses de montée et de descente en température de 100°C/h

Tableau III.3. Densification des pastilles de poudre A700

Température de palier 950°C 1100°C 1200°C Densité à cru 2,77 2,78 2,82 Avant dilatométrie % densification 46 46 47 Densité à cru 4,06 5,5 5,59 Après dilatométrie % densification 68 92 93

IV.2.3. Différentes vitesses de montée et de descente en température

Dans le but de contrôler le frittage du revêtement de YSZ, i.e. de contrôler la fissuration durant cette étape, une étude dilatométrique est réalisée sur des pastilles A700 en faisant varier les rampes de montée et de descente en température lors du traitement thermique. Ainsi, le retrait et la vitesse de déplacement, autrement dit les conditions de frittage seront suivies (Figure III.18). Il a été enregistré, sur la Figure III.18a, le pourcentage de retrait en fonction de la température. Pour les deux rampes de température : 100°C/h et 50°C/h, les courbes dilatométriques sont similaires, signifiant ainsi que les deux pastilles

atteignent le même niveau de densification finale à la fin des deux différents traitements thermiques. Sur la Figure III.18b, la vitesse de déplacement du palpeur en alumine, c’est-à- dire la cinétique de frittage des pastilles en fonction de la température, est tracée pour les deux rampes de température. Nous pouvons remarquer dans ce cas là, que les courbes ont la même allure, mais qu’elles ne sont pas similaires : pour une rampe de 50°C/h la vitesse maximale de frittage atteinte est d’environ de 3µm/min, alors que pour une rampe de 100°C/h, la vitesse maximale de frittage atteinte est d’environ de 5µm/min. Ceci indique que les contraintes de frittage, pour le traitement thermique dont la rampe est de 100°C/h, seront créées et relaxées plus vite que celles du traitement thermique dont la rampe est de 50°C/h. Ces différences de vitesse, au niveau de la création et de la relaxation des contraintes thermomécaniques, peuvent se traduire par une différence de microstructure du revêtement. Cela sera vérifié dans le paragraphe suivant grâce à une analyse de surface du revêtement fritté. a. -5 -10 -15 -20 b.

Figure III.18. Dilatométrie de pastilles de poudre A700 pour différentes vitesses de montée et de descente en température ; 100°C/h et 50°C/h, et un pallier à 1100°C de 2h a. Pourcentage de