Evolution in-situ de la déformation élastique durant le traitement thermique

Les mesures ont été réalisées par diffraction des rayons X par synchrotron sur la ligne à haute énergie ID15b à l’ESRF de Grenoble. La grande vitesse d’acquisition des spectres a permis de réaliser en dynamique les mesures durant le traitement thermique référencé A dans le paragraphe précédent (100°C/h pour les rampes de montée et de descente en température et un palier à 1100°C pendant 2h). Dans cette étude, la déformation élastique ε de la zircone yttriée a été estimée grâce au déplacement des pics de diffraction, i.e. de la distance inter-réticulaire dhkl d’une famille de plans hkl, selon l’équation suivante :

hkl hkl hkl d d d 0 0 − = ε 3-2

Les données acquises par le détecteur 2D ont été intégrées afin d’obtenir des spectres « plus classiques » et exploitables pour suivre l’évolution de la position des pics de diffraction (Figure III.25). Les diffractogrammes sont tracés en fonction du vecteur de diffraction Q, qui est défini par l’équation 3-3. Le vecteur de diffraction étant inversement proportionnel à la distance inter-réticulaire des plans hkl, il est alors simple d’accéder aux distances dhkl, pour un pic de diffraction d’une famille de plans hkl, à différentes

températures. hkl d Q π λ θ π*sin 2 4 ₌ = 3-3

Figure III.25. Diffractogramme d'une BTSG YSZ avant le traitement thermique

Pour le suivi de la déformation élastique durant le traitement thermique, le pic de diffraction étudié est celui de la famille de plans (404)/(440). Pour l’ensemble des spectres obtenus, le pic (404) a été ajusté par une fonction Pseudo-Voigt, prenant en compte l’asymétrie du pic de diffraction, afin d’obtenir la position de ce pic. La Figure III.26 présente les diffractogrammes obtenus à différentes températures pour ce pic de diffraction. Nous pouvons remarquer le déplacement du pic vers les petits angles jusqu’à la température de 1100°C, traduisant que le matériau subit des déformations élastiques en tension lors de la montée en température. A partir de 1100°C, le pic se déplace à nouveau vers les grands

angles, en relation avec la relaxation des déformations élastiques emmagasinées, lors du refroidissement. De plus, nous pouvons observer une évolution de la largeur du pic :

- avant le traitement thermique le pic de diffraction est large, ce qui peut être expliqué par la faible taille des cristallites provenant de la voie sol-gel (d’environ 10nm),

- à partir de 900°C, on constate un affinement du pic de diffraction, en liaison avec une augmentation de la taille des cristallites, et traduisant le début du processus de frittage.

Des méthodes, telle que celle développée par Williamson and Hall, permettraient de quantifier plus précisément cette évolution du profil du pic de diffraction. Notons tout de même que nous nous intéressons simplement à l’évolution de la position du pic de diffraction, i.e. à l’évolution de la déformation élastique.

Figure III.26. Suivi du pic de diffraction (404) à différentes températures d’un revêtement YSZ

La déformation élastique a été calculée en utilisation l’équation 3-2, où dhkl0

correspond à la position du pic de diffraction (440) obtenu à la température ambiante avant le traitement thermique. La Figure III.27 montre l’évolution de la position du pic, et donc de la déformation durant le traitement thermique. Les erreurs expérimentales sont très faibles car elles sont principalement dues à la détermination de la position du pic de diffraction lors de l’ajustement. Ainsi, les barres d’erreurs ne sont pas représentées car elles sont de l’ordre de la taille du point.

La courbe noire représente la déformation élastique durant la montée en température, alors que la courbe grise représente l’évolution de la déformation élastique durant le refroidissement. Les courbes en pointillés, orange et rose, décrivent l’évolution de la dilatation de la céramique pour un coefficient de dilatation respectivement de 8,5x10-6 K-1 (YSZ avant frittage) et 11x10-6 K-1 (YSZ après frittage). Ainsi il est possible de différencier les déformations purement thermiques de celles dues à des phénomènes mécaniques et/ou chimiques.

Figure III.27. Evolution des déformations élastiques dans une BTSG YSZ durant le traitement thermique pour les plans (404)

Le graphe peut être découpé en plusieurs parties :

- dans la gamme 25 < T < 450°C : Dans cette partie, la déformation n’est pas linéaire et ne suit pas la courbe de dilatation thermique. Les écarts peuvent être assimilés à la calcination des composés organiques, encore présents après l’étape de l’élaboration du dépôt. En effet, des courbes d’ATG [2] ont montré que la décomposition des composés organiques se faisait entre 100 et 400°C.

- dans la gamme 450 < T < 700°C : Notons, qu’il y a une perte des données, en raison d’une coupure du faisceau. Cependant, il semblerait que la déformation suit la courbe de dilatation thermique, calculée avec un coefficient de dilatation de 8,5x10-6 K-1. Nous pouvons

donc dire que la déformation est principalement due à de la dilatation thermique sous l’effet de la température.

- dans la gamme 700 < T < 1100°C : La courbe de déformation s’écarte de la courbe de dilatation. Cet écart peut être assimilé à l’oxydation de la sous-couche de liaison, qui forme des alumines de transition. En effet, l’alumine γ commence à apparaître vers 600°C. De plus, sur la Figure III.26, on observe un affinement du pic à partir de 900°C, qui traduit une augmentation de la taille des cristallites, et donc le début du frittage du revêtement. Ainsi de 900°C à 1100°C, la forte augmentation des déformations élastiques en tension peut être attribuée à la croissance de l’alumine et au frittage du revêtement. En effet, au cours du frittage, le substrat s’oppose au retrait du revêtement, entraînant ainsi un état contraint en tension de la barrière thermique.

- lors du refroidissement, dans la gamme 1100 > T > 650°C : La déformation élastique diminue de façon instable, mettant en évidence une relaxation « saccadée » des contraintes dans le revêtement. Cette relaxation pourrait être à l’origine de la création du réseau de microfissures hiérarchiques (fissures plus ou moins larges). Ainsi, étant donnée que le substrat a tendance à se contracter plus que le revêtement céramique, la formation du réseau de microfissures permet d’accommoder la différence des coefficients de dilatation entre le substrat et le revêtement.

- dans la gamme 650 > T > 25°C : La courbe de déformation suit la courbe de dilatation thermique, dont le coefficient de dilatation est de 11x10-6 K-1, suggérant que la déformation dans ce domaine est principalement due au retrait de la céramique.

- à T = 25°C : Après le refroidissement, la déformation ne revient pas à sa valeur initiale : ∆ε = 0,1%. Cette déformation résiduelle est due au fait que l’état du système n’est pas le même avant et après le traitement thermique. En effet, durant le traitement thermique, les composés organiques ont été calcinés, la céramique s’est densifiée et a cristallisé, et enfin une fine couche d’alumine s’est formée à l’interface revêtement/substrat. Cette déformation résiduelle peut être associée à une contrainte résiduelle, si l’on suppose que l’on est dans un milieu élastique, homogène et isotrope, selon la loi de Hooke :

E

*

ε

σ = 3-4

En prenant comme valeur du module d’Young E = 210GPa, nous pouvons estimer les contraintes résiduelles après le traitement thermique à 21MPa.

Il est important de noter que la zone étudiée de la BTSG est importante (environ 100µm² :

surface impactée par le faisceau). Par conséquent la déformation, et donc la contrainte, correspond à une moyenne du gradient de déformation vraisemblablement présent dans l’épaisseur du revêtement (force de compression à l’interface substrat/revêtement, force de tension à la surface du revêtement).

Cette première étude de l’évolution in-situ de la déformation élastique dans les BTSG

au cours du traitement thermique, a permis de mettre en évidence, lors de la montée en température, l’impact de la calcination des composés organiques et surtout du frittage du revêtement et de la croissance de l’alumine. Lors du refroidissement, il semblerait que l’accommodation totale des contraintes thermomécaniques se fasse aux environs de 700°C. Cette température correspondrait à la fin de l’établissement d’un réseau de microfissures stable. Finalement, le taux de contrainte résiduelle a été estimé à une valeur de 21MPa à la fin du traitement thermique.

V. Renforcement par colmatage du réseau de microfissures des barrières