Chapitre 2 : Méthodes et techniques expérimentales
A) Matériaux
1) Matériau utilisé pour l’élaboration de barrières thermiques : la zircone partiellement
partiellement stabilisée à l’yttrium YSZ
a) Contexte
En vue d’optimiser l’élaboration des barrières thermiques via le procédé sol-gel par dip- coating et par électrophorèse et en vue de rendre le procédé plus robuste vis-à-vis d’un transfert potentiel à l’échelle industrielle, l’utilisation de poudres commerciales de zircone partiellement stabilisée à l’yttrium a été privilégiée à l’utilisation d’aérogel. En effet, l’aérogel précurseur de zircone yttriée, bien qu’ayant permis d’élaborer des barrières thermiques avec une durée de vie supérieure à 1100 cycles en oxydation cyclique, présente une synthèse assez délicate à mettre en œuvre et permettant difficilement d’envisager un changement d’échelle significatif en termes de quantités de matériau produit. Ainsi, pour s’assurer d’un approvisionnement pérenne et continu de zircone yttriée, nous avons choisi d’utiliser des poudres commerciales pour le développement de barrières thermiques durables.
b) Détermination des phases des poudres commerciales d’YSZ utilisées
Une étude sur la structure cristallographique a été réalisée pour choisir les poudres commerciales de zircone yttriée stabilisée permettant d’optimiser la durée de vie de la barrière thermique.
En effet, certaines études [248], [249] ont montré que des céramiques sous forme massive présentent de meilleures propriétés mécaniques en oxydation cyclique lorsqu’elles sont de phase cubique c plutôt que de phase quadratique métastable t’.
Dans notre étude, les céramiques de zircone yttriée stabilisée se présentent sous la forme de revêtements poreux. Ainsi, il est difficile de savoir quelle phase serait à privilégier pour réaliser de tels revêtements. Pour rappel, la zircone yttriée stabilisée se présente sous la forme de plusieurs phases : monoclinique m, quadratique t, quadratique métastable t’, quadratique métastable double t’’ et la phase cubique c. L’utilisation d’une structure monoclinique doit être évitée car cela entraînerait des variations volumiques au sein de la barrière thermique en fonctionnement menant à sa délamination partielle voire totale. En effet, la phase monoclinique m engendre des contraintes thermomécaniques : une contraction volumique d’environ 4.5 % lors du changement de phase monoclinique → quadratique à 1170 °C puis une dilatation au refroidissement du revêtement de 3 à 6 % à cause du changement de phase quadratique → monoclinique à 950 °C. Généralement, la phase privilégiée est la structure cristallographique quadratique métastable t’.
Jusqu’à présent, au laboratoire CIRIMAT, les barrières thermiques ont été réalisées à partir d’aérogel ayant une teneur en yttrine YO1.5 de 9.7 %mol. Ces systèmes ont été caractérisés en oxydation cyclique et ont dépassé 1000 cycles. Ainsi, il a été décidé que les poudres commerciales utilisées auraient une composition proche de celle de l’aérogel, i.e. entre 7 et 12%mol YO1.5.
c)
Choix des poudres commerciales d’YSZ
Plusieurs poudres commerciales de zircone yttriée de la marque TOSOH TZ (pureté > 99 %) pourraient convenir pour l’élaboration de barrières thermiques. Il s’agit des poudres : TZ 8Y composée de 14.81 %mol YO1.5, la TZ 6Y constituée de 11.32 %mol YO1.5 et la TZ 4Y contenant 7.69 %mol YO1.5. D’après le diagramme de phases métastables (cf. Figure 88), ces
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poudres sont respectivement de phases quadratiques métastables t’’, t’ et t’. La teneur en yttrium est similaire à celle de l’aérogel synthétisée par voie sol-gel.
Afin de vérifier la compatibilité thermomécanique entre la poudre et le substrat, des analyses par diffraction des rayons X ont été réalisées en température (de l’ambiante jusqu’à 1190 °C, mesures faites en montée et en descente) sur ces poudres pour déterminer leurs coefficients de dilatation thermique (cf. Tableau 4).
Tableau 4 : Coefficients de dilatation thermique calculés à partir des analyses de diffraction de rayons X
T (°C) TZ 4Y TZ 6Y TZ 8Y
20 – 1190 8.4. 10-6 K-1 9.6. 10-6 K-1 7.2. 10-6 K-1 1190 – 30 8.2. 10-6 K-1 8.8. 10-6 K-1 6.3. 10-6 K-1
D’après les résultats obtenus par L.Pin [10], une étude sur le coefficient de dilatation avait été réalisée sur des barrières thermiques avant et après frittage, elle obtenait des coefficients de dilatation thermique par dilatométrie de 8,5.10-6 K-1 et de 11.10-6 K-1 ; puis sur un superalliage nickel dont le coefficient était égal à 14.10-6 K-1. Sachant que plus le coefficient de dilatation thermique est élevé, plus la barrière thermique s’accommode facilement à la dilatation du superalliage sous-jacent, il semblerait que le meilleur choix de poudre commerciale à utiliser soit la TZ 6Y composée de 11.32 %mol YO1.5.
En termes de microstructure, les particules de TZ 6Y sont agglomérées au sein d’une coquille hydrosoluble. Les particules ont une morphologie sphérique (cf. Figure 89).
TZ 4Y
TZ 6Y
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Poudre commerciale TZ 6Y
Figure 89 : Observations microscopiques MEB-FEG et MET des poudres commerciales TZ 6Y d’YSZ
Contrairement à l’aérogel, les particules de TZ 6Y ne présentent pas de porosité apparente. La taille des cristallites est inférieure à 50 nm. À cause de cette morphologie, nous risquons de rencontrer quelques difficultés pour élaborer un revêtement à porosité isotrope d’une centaine de micromètres. Les particules étant parfaitement sphériques avec une distribution monomodale, le revêtement formé à partir de ces particules risquerait d’être trop dense.
Ainsi, d’autres poudres commerciales de zircone yttriée stabilisée ayant un facteur de forme différent ont été sélectionnées. Il s’agit de fibres de la marque Zircar Zirconia (pureté > 99 %) (cf. Figure 90). Elles sont composées de 9 %mol YO1.5 d’yttrine et elles sont de phase quadratique métastable t’. Après broyage manuel, leur taille est inférieure à 50 µm avec un diamètre inférieur à 10 µm. De plus, elles présentent une porosité interne transversale ce qui pourrait être un avantage pour mieux accommoder les contraintes thermomécaniques. Dans le Chapitre 3, nous démontrerons que cette porosité est conservée même après des traitements thermiques allant jusqu’à 1250 °C. Elles présentent également des rainures sur toute leur longueur qui pourraient servir de points d’ancrage pour une poudre ou vis-à-vis d’un support.
Fibres commerciales
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