DyAG - DyAP - ZrO 2

a - Analyse structurale

Les trois compositions (voir tableau 3.3) élaborées afin de déterminer la composition eutectique DyAG - DyAP - ZrO₂ conduisent à l’association des trois phases eutectiques souhaitées. Les résultats, obtenus pour les compositions 2 et 3, sont représentés en figure 3.40. Les paramètres de maille des phases eutectiques sont rassemblés dans le tableau 3.11.

Phase Paramètre Calculé Théorique Dy₃Al₅O₁₂ a 12,0743 Å 12,0380 Å DyAlO₃ a 5,3294 Å 5,3183 Å b 7,4008 Å 7,3959 Å c 5,2230 Å 5,2074 Å ZrO₂ a 5,2289 Å –

Tableau 3.11Paramètres de maille des phases eutectiques, pour le composite in situ

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Echelle 2-théta

Figure 3.40Diffractogrammes X réalisés sur le composite in situ DyAG - DyAP - ZrO2

(compositions 2 et 3).

b - Morphologie de la microstructure

Les microstructures des trois compositions élaborées ont été observées au MEB. Les micrographies relatives à ces observations sont rassemblées figures 3.41 à 3.43.

La composition 1 montre, à faible grandissement, une microstructure assez hétérogène sur la section d’un barreau : une phase sombre (la phase grenat) semble être présente majoritairement au centre du barreau, alors qu’une phase claire (la phase pérovskite) occupe la périphérie (voir figure 3.41a). Cette configuration traduit un déficit d’oxyde de dysprosium dans le mélange initial, puisque, après solidification, la phase majoritaire est riche en alumine. A plus fort grandissement (figure 3.41b), la microstructure présente également un caractère hétérogène : la phase zircone est dispersée au sein des phases grenat et pérovskite mais se présente localement sous la forme de nodules assez imposants (diamètre moyen de l’ordre de 10 µm). Cette répartition de la zircone provient certainement d’un excès de cette phase dans le mélange de poudres initial.

Les figures 3.42a et 3.43a correspondant aux compositions 2 et 3 révèlent, globalement, des microstructures plus homogènes que celles obtenues pour la composition 1. Toutefois, une observation, à plus fort grandissement, de la microstructure correspondant à la composition 3 révèle une absence quasi-totale de phase pérovskite (voir figure 3.43b)

Elaboration des composites céramiques eutectiques

107

consécutive à un taux d’alumine très important dans le mélange de poudres initial (voir tableau 3.3). La diffraction X confirme ces observations, puisque les raies de la pérovskite sont beaucoup moins intenses pour la composition 3 que pour la composition 2 (figure 3.40). De plus, le mode de croissance semble être colonnaire (voir paragraphe 1.2), avec d’importantes hétérogénéités au niveau de la répartition et des dimensions des domaines de phase zircone (figure 3.43b).

Figure 3.41Système DyAG - DyAP - ZrO2 composition 1 (42,6 %mol Al2O3 ;

37,1 %mol Dy2O3 ; 20,3 %mol ZrO2) : micrographies MEB (contraste BSE) (a) vue d’ensemble en coupe transverse – (b) morphologie de la microstructure en coupe transverse.

Figure 3.42Système DyAG - DyAP - ZrO2 composition 2 (45 %mol Al2O3 ; 40 %mol Dy2O3 ; 15 %mol ZrO2) : micrographies MEB (contraste BSE) (a) vue d’ensemble en coupe transverse –

(b) morphologie de la microstructure en coupe transverse.

Figure 3.43Système DyAG - DyAP - ZrO2 composition 3 (53 %mol Al2O3 ; 35 %mol Dy2O3 ; 12 %mol ZrO2) : micrographies MEB (contraste BSE) (a) vue d’ensemble en coupe transverse –

(b) morphologie de la microstructure en coupe transverse.

1 mm 25 µm (a) (b) 200 µm 1 mm 1 mm 25 µm (b) (b) (a) (a)

La composition 2 conduit à l’obtention d’une microstructure très homogène qui reste similaire sur une grande partie des sections des barreaux eutectiques (voir figure 3.42a). La morphologie de la microstructure reste très semblable à celle obtenue dans le cas du système eutectique binaire DyAG - DyAP (voir figure 3.29) : les phases grenat et pérovskite forment une microstructure s’approchant d’un réseau interconnecté (voir figure 3.42b). Les domaines de phase présentent des interfaces assez planes et des angles assez marqués. La troisième phase de zircone est dispersée très finement au sein des deux autres phases, ainsi qu’aux interfaces grenat/pérovskite. Cette microstructure présente toutefois un grand nombre de fissures.

Au vu des observations menées sur ces trois compositions, la composition proposant une microstructure assimilable à une microstructure eutectique est la composition 2 (45 % mol Al₂O₃, 40 % mol Dy₂O₃, 15 % mol ZrO₂).

3.4Systèmes eutectiques retenus pour l’étude du comportement

mécanique

Compte tenu des résultats relatifs aux microstructures des différents composites eutectiques in situ préparés par solidification dirigée, six compositions eutectiques, rassemblées dans le tableau 3.12, ont été retenues pour les études sur le comportement mécanique.

Systèmes binaires Systèmes ternaires Al₂O₃ - YAG Al₂O₃ - YAG - ZrO₂ Al2O3 - ErAG Al2O3 - ErAG - ZrO2

Al₂O₃ - GdAP Al₂O₃ - GdAP - ZrO₂

Tableau 3.12Composites eutectiques retenus pour les caractérisations mécaniques.

Les microstructures de ces six composites eutectiques in situ, élaborées au four à image, à une vitesse de solidification de 10 mm.h^-1 (20 mm.h^-1 pour la composition ternaire à base d’oxyde d’erbium) sont représentées, pour rappel, en figures 3.44 à 3.49.

Elaboration des composites céramiques eutectiques

109 Figure 3.44Microstructure du composite in situ

Al2O3 - YAG.

Figure 3.45Microstructure du composite in situ

Al2O3 - YAG - ZrO₂.

Figure 3.46Microstructure du composite in situ

Al2O3 - ErAG.

Figure 3.47Microstructure du composite in situ

Al2O3 - ErAG - ZrO2.

Figure 3.48Microstructure du composite in situ

Al2O3 - GdAP.

Figure 3.49Microstructure du composite in situ

Al2O3 - GdAP - ZrO2.

20 µm

20 µm 20 µm

20 µm ^{20 µm}

Le choix de ces systèmes eutectiques permet d’étudier trois points en particulier :

− L’influence de paramètres microstructuraux (dimensions des domaines de phase, morphologie des interfaces) en comparant les résultats des systèmes Al₂O₃ - YAG et Al₂O₃ - ErAG. Ces deux systèmes associent l’alumine à une phase grenat, mais présentent des microstructures différentes (figures 3.44 et 3.46).

− Le rôle de la phase associée à l’alumine, en comparant les résultats obtenus pour Al2O3 - ErAG et Al2O3 - GdAP. Ces deux systèmes présentent des microstructures similaires, mais associent à l’alumine des phases de structure cristallographique différente (voir figures 3.46 et 3.48).

− Une éventuelle influence de l’ajout d’une troisième phase de zircone sur les propriétés mécaniques, notamment la résistance au fluage. La zircone permet en effet de renforcer les eutectiques [Waku, 2000b ; Waku, 2002], mais cette phase présente également une résistance au fluage assez faible [Martinez-Fernandez, 2006] qui pourrait limiter la résistance au fluage des systèmes ternaires.