Les composites à matrice céramique Ox/Ox (CMC Ox/Ox) combinent une excellente solidité, une résistance chimique et une stabilité thermique. Ces qualités les rendent appropriés pour les composants exposés à des environnements difficiles et oxydants, tels que les moteurs de turbines à gaz et les systèmes de protection thermique.
Toutefois, le maintien de ces propriétés à des températures élevées constitue un défi en raison du grossissement des grains et de la dégradation au-delà de 1 000 °C. Une étude récente, intitulée « Enhancing Thermal Stability of Oxide Ceramic Matrix Composites via Matrix Doping, » (Amélioration de la stabilité thermique des CMC Ox/Ox via le dopage de la matrice), a exploré des moyens de surmonter ce problème.
Baikowski® a contribué à l’étude avec sa poudre d’alumine BA15 de haute pureté, sélectionnée pour sa distribution granulométrique (d₅₀ = 120 nm) et sa pureté chimique exceptionnelle. Ces caractéristiques ont permis d’obtenir un matériau fiable, essentiel pour évaluer les effets du dopage. Pour cela, des suspensions contenant 50 % de matière solide ont été préparées.
Pour plus d’information sur notre poudre BA15 ou encore notre dernière innovation SLAZ, une suspension d’alumine de haute pureté dopée à la nano-zircone zilight® de Mathym®, visitez notre offre pour CMCs.
Matériels et méthodes
Des composites renforcés par les fibres Nextel 610 et des matrices d’alumine ont été produits en deux variantes : l’une utilisant de l’alumine non dopée et l’autre dopée avec 480 ppm de MgO.
Le MgO a été choisi en raison de sa capacité reconnue à inhiber la mobilité du liant et à réduire la croissance des grains, ce qui en fait un agent dopant efficace pour améliorer la stabilité thermique.
Fabriqués par une technique de gélification ionotropique, les composites ont été frittés à 1200°C, puis soumis à des traitements thermiques à 1300°C et 1400°C. Des tests SEM, WDX et de résistance à la traction ont été réalisés pour évaluer les impacts microstructuraux et mécaniques du dopage.
Performance de la CMC avec l’alumine dopée de Baikowski
Résultats microstructuraux :
- Les composites dopés et non dopés présentaient des microstructures initiales similaires avec des grains équiaxes uniformes.
- L’exposition thermique a induit une croissance des grains dans les deux échantillons, mais les composites dopés au MgO présentaient des grains plus petits et beaucoup moins de grains anormaux, en particulier près des régions des fibres.
Interactions :
- L’analyse WDX a montré que le silicium (Si), qui fait partie des fibres Nextel 610, se diffuse vers l’extérieur en direction de la matrice après l’exposition à la chaleur, tandis que le magnésium (Mg) de la matrice se diffuse légèrement dans les fibres. Cette interaction a contribué à supprimer le grossissement excessif des grains dans les composites dopés au MgO, conduisant à des grains plus petits par rapport aux échantillons non dopés, ainsi qu’ à une distribution de taille des grains plus étroite, ce qui a contribué à limiter la perte de résistance après les traitements thermiques.
Performances mécaniques :
- Les deux types de composites avaient une résistance à la traction comparable (~135 MPa) à l’état brut.
- Après traitement thermique, les composites dopés au MgO ont conservé une résistance à la traction plus élevée, avec des réductions de 8% à 1300°C et de 41% à 1400°C, par rapport à des réductions de 27% et 62% pour les échantillons non dopés.
Cette étude a bien mis en évidence les avantages du dopage de la matrice pour l’amélioration de la stabilité thermique des CMCs Ox/Ox, en particulier avec l’alumine de haute pureté de Baikowski® dopée au MgO. Cette matrice sur mesure a permis de réduire efficacement la croissance des grains et de préserver les propriétés mécaniques même à haute température.
Grâce à sa capacité R&D et une collaboration avec l’industrie, Baikowski® fournit des solutions d’alumine sur mesure qui répondent parfaitement aux exigences de vos applications. Baikowski® est votre partenaire pour développer des matériaux hautement performant, comme dans cette étude, pour le secteur aérospatial ou d’autres applications à haute température.
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