Figure 111: Taille moyenne des grains de zircone en fonction de la taille moyenne des grains d’alumine dans les échantillons dopés à la silice. Les microstructures de la Figure 110 sont reportées (a, b, c, et d) ainsi que
l’aire représentant les échantillons dopés Ca et Mg (zone en pointillés).
5.3 Distribution en taille de grains de la zircone
La Figure 112 représente la proportion de grains de zircone intragranulaires (versus le nombre total de grains de zircone) pour toutes les compositions contenant de la silice. Pour de faibles taux de dopant, des températures supérieures à 1550°C sont nécessaires afin de maximiser le ratio de grains de zircone intragranulaires ; alors que pour de forts taux de dopant (supérieurs à 0Ca/3000Si et 3000Ca/500Si), des traitements thermiques de 1500°C suffisent.
Cependant, pour des températures inférieures à 1500°C, et avec l’ajout de magnésium, les grains de zircone demeurent en position intergranulaire et ce malgré de forts taux de silice.
Sur la Figure 113 sont représentées les distributions en taille de grains de l’alumine et de la zircone inter- et intragranulaire (respectivement Zinter et Zintra), pour la composition suivante : 2.5vol% de zircone et 500ppm de silice (2.5Z/500Si), à différentes températures.
Pour une température dite basse telle que 1450°C, avec un temps de maintien de 10h, les microstructures ne présentent que très peu de grains de zircone intragranulaires. Les distributions en taille de grain de la zircone inter- et intragranulaire sont très proches et resserrées avec des tailles comprises entre 0.1 et 0.4µm pour les deux types de grains, même si les grains de zircone intragranulaires demeurent généralement plus petits. Les grains d’alumine sont toujours petits si l’on considère la taille initiale des particules (150nm), avec des tailles comprises entre 0.1 et 2 µm, et une moyenne autour de 0.5µm.
Les trois types de grains voient leur taille augmenter et leur distribution en taille s’élargir avec l’augmentation des températures de frittage. La taille des grains de zircone intergranulaire augmente bien plus rapidement avec la température que celle des grains de zircone intragranulaire.
Figure 112: Proportion de grains de zircone intragranulaires en fonction de la composition pour des composites 2.5ZTA dopés à la silice.
Pour une température de frittage de 1650°C, la taille des grains de zircone intragranulaires varie de 0.2 à 2 µm avec une moyenne de 0.5 µm, alors que la taille des grains de zircone intergranulaires est bien plus importante et varie de 0.3 à 3 µm avec une moyenne de 2µm. La croissance des grains d’alumine est plus rapide et la largeur de distribution est dix fois supérieure à celle observée à basse température. La taille des grains d’alumine varie de 2 à 25 µm avec une moyenne autour de 5 µm.
Les trois types de grains sont clairement séparés en termes de taille. Ce type d’évolution, bien qu’il soit présenté pour une seule composition, se déroule à l’identique pour toutes les autres compositions étudiées.
Figure 113: Distribution de taille de grain cumulée pour 2.5Z/500Si à 1450 ◦C + 10 h et 1650 ◦C + 10 h. La ligne continue représente la courbe de tendance de la distribution.
Figure 114: Taux de phase monoclinique en fonction de la moyenne des tailles de grain de zircone inter- et intra- granulaire. Les flèches représentent les deux tailles de grains de zircone observées sur un même
échantillon pour un taux de phase monoclinique donnée.
Les échantillons contenant de la silice montrent une augmentation progressive du taux de phase monoclinique avec la température. Néanmoins, la fraction volumique de phase monoclinique demeure toujours inférieure à 20vol%. Pour de faibles taux de dopants, et des températures peu élevées (en dessous de 1550°C), le taux de phase monoclinique est même inférieur à 10 vol%.
Bien que la majorité des grains de zircone possèdent une taille bien inférieure à la taille critique de transformation de phase, les tailles des particules intergranulaires sont bien supérieures à celles des grains intragranulaires et donc plus susceptibles d’être dans la phase monoclinique, comme représenté Figure 114. Dans les composites obtenus, il est donc probable que la phase monoclinique soit composée uniquement de zircone intergranulaire. On peut donc espérer deux types de renforcement : par transformation de phase de la zircone intragranulaire (pas forcément possible du fait des contraintes importantes exercées par la matrice d’alumine), ou par la présence de contrainte internes autour des particules de zircone intragranulaires.
5.4 Propriétés mécaniques
Sur la Figure 115 il est clair que la dureté Vickers varie à l’inverse du taux de phase monoclinique. Cela semble logique, car l’augmentation du taux de phase monoclinique est liée à la transformation de la zircone, et donc in fine à l’augmentation de la taille des grains de zircone. De plus la présence de microfissures pour les forts taux de phase monoclinique et les hautes températures pourrait venir diminuer dureté. La dureté diminue avec l’augmentation de la taille des grains en général. Le faible taux de zircone n’influence pas beaucoup la taille des grains totale du matériau. Cependant, la taille des grains augmente avec la température (pour l’alumine, comme la zircone), et à haute température, la zircone a plus de probabilité, par coalescence, à former de gros grains. C’est pourquoi le taux de phase monoclinique augmente avec le traitement thermique. Donc la dureté diminue avec l’augmentation de la taille des grains, de la température et par conséquent du taux de phase monoclinique.
Par effet inverse, la Figure 116 montre l’augmentation de KI0 avec la température de frittage et la taille des grains de zircone intragranulaires. L’augmentation du taux de phase monoclinique avec la température montre que les grains de zircone possèdent une taille permettant leur transformation. A haute température, les grains de zircone intergranulaires sont majoritairement transformés ce qui explique le taux élevé de phase monoclinique. Cependant, les grains de zircone intragranulaires possèdent une taille permettant d’une part leur transformation (et donc le renforcement par transformation de phase), et d’autre part susceptibles de conduire à une plus forte concentration de contrainte (et ainsi permettre un renforcement par contraintes internes). L’augmentation de KI0 avec la taille des grains de zircone intragranulaire aux hautes températures abonde dans ce sens, mais les mesures conduites jusqu’ici ne permettent pas de distinguer lequel des deux renforcements agit majoritairement.
Figure 115: Evolution de la dureté Vickers en fonction du taux de phase monoclinique (Vm%) et des températures de frittage
Figure 116: Evolution du seuil de propagation en fonction de la taille des grains de zircone intragranulaires et de la température.