Caractérisations des pièces

Cette section présente les caractérisations tant du point de vue mécanique que du point de vue microstructural de la zircone 3Y 230 et ce selon la voie de frittage utilisée. Dans un premier temps, la densité de la zircone 3Y 230 est déterminée.

IV.3.2.i. Densité de la zircone 3Y 230

La Figure IV-7 présente les diffractogrammes obtenus par diffraction des rayons X sur les massifs de zircone 3Y 230, et ce, selon le procédé de frittage employé. En cru, la zircone 3Y 230 présente un mélange de phases tétragonale et monoclinique. Après le frittage, quelle que soit la voie de frittage suivie, il ne subsiste que la phase tétragonale. La zircone est donc bien stabilisée par l’yttrium dans sa phase tétragonale.

Figure IV-7 : Diffractogrammes de massifs de zircone 3Y 230 en cru et après frittage conventionnel (CVS) et par MO (MWS)

L’identification des pics de diffractions a été réalisée en utilisant une fiche PDF19 de zircone tétragonale et une fiche PDF20 de zircone monoclinique. La densité de la zircone 3Y 230 calculée par affinement de Rietveld est présentée dans le Tableau V 3. Pour effectuer l’affinement de la zircone 3Y 230, un massif fritté conventionnellement à 1450°C pendant 2 heures et poli est utilisé. De plus, la densité calculée a été pondérée par le logiciel en fonction

19 Zircone-t PDF : 01-080-2187

de la présence phase de zircone-t pure et de phase de zircone-t stabilisée par yttrium afin d’obtenir une approche macroscopique de la poudre. En effet, l’ensemble de maille de zircone ne présente pas une substitution par l’yttrium.

Tableau IV-4 : Masse volumique de la zircone 3Y 230

Zircone 3Y 230

Masse volumique (g·cm-3) 6,047

Cette valeur de masse volumique servira à déterminer la densité théorique lors des calculs de densité relative. Les diffractogrammes obtenus sont présentés sur la Figure IV-8.

Figure IV-8 : Diffractogrammes expérimentaux et simulés par affinement de Rietveld de la zircone 3Y 230

IV.3.2.ii. Anisotropie des résultats

Afin de vérifier l’isotropie des propriétés, les analyses mécaniques (indentation instrumentée) et microstructurales (taille des grains) sont exécutées sur deux plans définis schématiquement sur la Figure IV-9.

Figure IV-9 : Représentation schématique des plans de mesure des propriétés mécaniques et des observations de la microstructure pour la zircone 3Y 230

IV.3.2.iii. Frittage conventionnel

Les propriétés des pièces de zircone 3Y 230 imprimées et frittées par voie conventionnelle sont présentées dans le Tableau IV-5. La densité relative obtenue est proche de 99%, la résistance en flexion atteint environ 1300 MPa et le module de Weibull est de 9,8. La dureté, le module d’élasticité et la taille des grains ont été mesurées selon 2 plans différents d'impression et les valeurs obtenues sont très proches : de l'ordre de 14 GPa pour la dureté, 240 GPa pour le module et 0,5 µm pour la taille moyenne des grains.

Tableau IV-5 : Propriétés des pièces en zircone LithaCon 3Y 230 après frittage conventionnel

Frittage CVS

Température de frittage (°C) 1450

Durée du palier (min) 120

Nombre de pièces caractérisées 20

Densité relative (%) 98,6 ± 0,4

Résistance en flexion 3 points (MPa) 1248 ± 129

Résistance caractéristique en flexion 3 points (MPa) 1314 ± 32

Module de Weibull 9,8 [8,0-11,6]

Rugosité arithmétique de la surface (µm) 0,02 ≤ Ra ≤ 0,03

Plan de mesure XY YZ

Dureté (GPa) 14,5 ± 0,2 14,3 ± 0,2

Module d’élasticité (GPa) 238,12 ± 5,2 242,4 ± 14,5

Taille des grains (µm) 0,46 ± 0,05 0,48 ± 0,05

Les valeurs de résistance en flexion sont obtenues en flexion trois points, ce qui surestime légèrement la valeur de résistance en flexion habituellement présentée en flexion quatre points parce que le volume sollicité à dimension d’éprouvette équivalente est plus faible en flexion trois points [253]. Ces valeurs de contrainte à rupture en flexion sont néanmoins élevées par rapport à ce que rapporte la littérature pour la zircone mise en forme par SLA / LCM21 [102,105,135]. Ces résultats sont d’autant plus prometteurs que les essais sont réalisés de sorte que la force appliquée soit perpendiculaire au sens d’impression afin d’appliquer la contrainte sur les zones inter-couches. Il s’avère que les résultats mettent en évidence l’absence d’une fragilisation de la zone inter-couche. En effet, la contrainte à rupture en flexion trois points atteint des valeurs similaires à la mise en forme conventionnelle de zircone stabilisée à l’yttrium [16,254–256]. Les résultats ainsi obtenus sont encourageants et montrent

21 LCM : Lithography-based Ceramic Manufacturing. Nom commercial du procédé de SLA produit par Lithoz.

qu’il est possible d’obtenir des pièces de zircone par fabrication additive qui présentent des propriétés similaires à celles obtenues après mise en forme conventionnelle.

Pour compléter les résultats de résistance en rupture par flexion trois points, les faciès de rupture sont observés pour les échantillons de plus faible et de plus haute contrainte à rupture. Les fractographies sont reportées sur la Figure IV-10.

Figure IV-10 : Faciès de rupture pour la zircone 3Y 230 après flexion trois points. (a) 993 MPa, et (b) 1479 MPa Les origines de fracture sont mis en évidence par les flèches

À la lumière de ces fractographies, il semblerait que le défaut critique est présent dans la masse de l’échantillon et non en surface. Cette approche doit être prise avec prudence car le nombre d’analyses de fractographie est fortement restreint.

La fracture apparaît transgranulaire pour les deux faciès de rupture. Les fractographies montrent la présence de cavités dans lesquelles les grains ont pu croître librement, et qui semblent à l’origine de la fracture. Les cavités sont situées à une centaine de micromètres en profondeur dans le matériau. Les tailles caractéristiques des défauts sont de 100 µm et de 10 µm pour les contraintes à rupture de 993 et 1479 MPa, respectivement.

Ces cavités peuvent provenir de la mise en forme par LCM. Lors de l’impression une fois la couche polymérisée, la plateforme remonte, la cuve est mise en mouvement puis la plateforme redescend. Cette étape est primordiale car le cru déjà mis en forme se place à l’interface résine / air. Il est alors possible que des bulles d’air restent prisonnières et forment ainsi ces cavités. Il est cependant difficile de déterminer si la fissure a suivi ou non une trajectoire le long d’une zone inter-couche.

Les résultats sont reportés sur la Figure IV-11. Ces fractographies permettent d’émettre deux hypothèses :

i. Le défaut à l’origine de la rupture peut-être une cavité liée à la mise en forme ; ii. Le régime de contrainte à rupture peut être gouverné par la taille du défaut.

Figure IV-11 : Contrainte à rupture en flexion trois points et taille de défaut caractéristique pour la zircone 3Y 230 imprimée par SLA et frittée conventionnellement

La Figure IV-12 présente les microstructures de la zircone 3Y 230 frittée par voie conventionnelle pour les différents plans d’observation. Lors des observations, les zones inter-couches n’étaient pas visibles, ce qui confirme l’hypothèse d’adhésion des inter-couches entre elles

de manière intime. L’absence de porosité visible confirme les mesures de densité par pesée hydrostatique. Les grains sont homogènes et aucune croissance anormale n’est observée.

Figure IV-12 : Microstructures de la zircone LithaCon 3Y 230 après frittage conventionnel. (a) Sur le plan XY et (b) sur le plan YZ

La Figure IV-13 présent les analyses de Weibull réalisées sur les essais de flexion trois points après le frittage conventionnel. Une seule famille de rupture est mise en évidence. Ainsi, un seul type de défaut serait à l’origine de la rupture. Il est donc possible de formuler l’hypothèse que les zones fragiles inter-couches ne soient pas à l’origine de la rupture puisque la contrainte en rupture correspond à la valeur obtenue lors d’une élaboration conventionnelle de zircone stabilisée [29]. La présence de pores ou de cavités issus de l’impression pourrait alors être à l’origine des ruptures [101,102].

Figure IV-13 : Représentation de Weibull de la résistance en flexion trois points de la zircone LithaCon 3Y 230 après frittage conventionnel

Ainsi, la mise en forme par fabrication additive LCM de la zircone 3Y 230 a permis d’obtenir des massifs, après frittage conventionnel, qui présentent des propriétés similaires à

ce qui est obtenu lors de la fabrication conventionnelle. Il reste désormais à s’assurer que ces résultats seront reproductibles avec le frittage par MO.

IV.3.2.iv. Frittage par micro-ondes

Les propriétés des pièces de zircone 3Y 230 imprimées et frittées par MO sont présentées dans le Tableau IV-6. La densité relative obtenue est proche de 99%, la résistance en flexion atteint 1100 MPa, et le module de Weibull est de 8,1. La dureté, le module d’élasticité et la taille des grains sont isotropes et proches de 14 GPa, 240 GPa et 0,5 µm, respectivement. Ces résultats sont semblables à ceux obtenus par frittage conventionnel. Plus spécifiquement, les grains présentent une taille similaire à ceux obtenus lors du frittage conventionnel. Il est souvent attendu des compacts frittés par MO de disposer d’une microstructure plus fine qu’en frittage conventionnel. Ce n’est pas le cas ici, d’une part car la poudre de zircone est fine et donc très réactive, une croissance des grains est prévisible, d’autre part car la température de frittage dans les chambres de frittage ne peut être mesurée. Il n’est pas possible de s’assurer que les frittages sont réalisés à des températures similaires.

Tableau IV-6 : Propriétés des pièces en zircone LithaCon 3Y 230 après frittage par MO

Frittage MWS

Température de frittage (°C) 1430

Durée du palier (min) 5

Nombre de pièces caractérisées 22

Densité relative (%) 98,7 ± 0,5

Résistance en flexion 3 points (MPa) 1114 ± 147

Résistance caractéristique en flexion 3 points (MPa) 1187 ± 33

Module de Weibull 8,1 [6,7-9,5]

Rugosité arithmétique de la surface (µm) 0,08 ≤ Ra ≤ 0,1

Plan de mesure XY YZ

Dureté (GPa) 14,7 ± 0,2 14,4 ± 0,2

Module d’élasticité (GPa) 239,6 ± 5,5 244,0 ± 5,1

Taille des grains (µm) 0,52 ± 0,05 0,55 ± 0,05

Le frittage par MO permet d’obtenir des propriétés mécaniques de la zircone 3Y 230 semblables à ce qui est fait par frittage conventionnel pour des durées réduites. Les microstructures de la zircone 3Y 230 en fonction de l’orientation des plans après frittage par MO sont présentées sur la Figure IV-14. Il n’y a pas de porosité visible ce qui coïncide avec les densités relatives obtenues par pesée hydrostatique et les grains ont une taille régulière et homogène.

Figure IV-14 : Microstructures de la zircone LithaCon 3Y 230 après frittage par MO

La Figure IV-15 présente l’analyse de Weibull de la résistance en rupture de la zircone 3Y 230 après frittage par MO. Un seul type de défaut provoquant la rupture est visible. De plus, la valeur de module de Weibull obtenu est de 8,1. Cette valeur n’est pas significativement différente du module obtenu après frittage conventionnel (9,8). Ainsi, il est possible d’avancer que les défauts présents après frittage par MO sont similaires aux défauts présents après frittage conventionnel.

Figure IV-15 : Représentation de Weibull de la résistance en flexion trois points de la zircone LithaCon 3Y 230 après frittage par MO

Ces résultats montrent que l’approche réalisée en couplant le frittage par MO à la mise en forme par fabrication additive de zircone permet d’élaborer des pièces dont les propriétés mécaniques sont similaires à celles atteintes par voie conventionnelle.

IV.4. Discussion des propriétés mécaniques de la zircone mise en forme par