New microstructures in ceramic materials from the melt for high temperature applications

The development of new ultra high temperature structural materials in the aerospace field and in particular for gas turbine applications is a real challenge nowadays. In fact, the use of super-alloys at temperatures beyond 1150 °C will be difficult despite the different studies performed in order to increase their heat-resistance. For higher temperatures, ceramic oxides offer many advantages compared to nickel-based super-alloys: resistance to oxidation and abrasion, lower density. Unfortunately, sintered ceramics are brittle and their failure strength decreases when the temperature increases. Ceramic composites prepared by unidirectional solidification from the melt add new potentialities to the advantages of sintered ceramics: a higher strength almost constant up to temperatures close to the melting point (no secondary phase at the grain boundaries), good creep resistance, stability of the microstructure and no chemical reaction between the constituent phases. Synthesis at a eutectic composition usually gives rise to oriented microstructures. Recently, studies on binary eutectics between alumina and rare-earth oxides led to microstructures consisting of two entangled phases in a three-dimensional and continuous network. After solidification, the eutectic phases are alumina and either a perovskite phase LnAlO3 (Ln: Gd, Eu) or a garnet phase Ln3Al5O12 (Ln: Y, Yb, Er, Dy). In the case of ternary systems, zirconia was added as a third element. Mechanical properties at room temperature were studied in relation with microstructural features. In particular, it was established that fracture toughness of ternary systems is higher than that of binary systems.

RésuméLe développement de nouveaux matériaux structuraux pour des applications à haute température dans le domaine de l'aérospatial et en particulier pour des applications moteurs est un véritable enjeu de nos jours. En effet, l'utilisation de superalliages à des températures supérieures à 1150 °C est difficile, malgré les différentes études réalisées pour augmenter leurs performances. Pour des températures plus élevées, les céramiques oxydes frittées offrent de nombreux avantages, comparés aux superalliages base nickel : résistance à l'oxydation, à l'abrasion, densités plus faibles. Malheureusement, les céramiques frittées sont fragiles et leur résistance à la rupture baisse avec l'augmentation de la température. Par contre, les céramiques oxydes préparées par solidification dirigée présentent les mêmes avantages que les céramiques frittées, ainsi que d'autres potentialités : une résistance à la rupture plus grande et constante jusqu'à des températures proches du point de fusion (absence de phase vitreuse aux joints de grains), une bonne résistance au fluage, une stabilité de la microstructure dans le temps et pas de réactivité entre les phases. L'élaboration à des compositions eutectiques conduit généralement à des microstructures orientées. Récemment, des microstructures interconnectées ont été obtenues sur des systèmes eutectiques binaires entre l'alumine et des oxydes de terres rares. Après solidification, les phases eutectiques sont l'alumine et, soit une phase pérovskite LnAlO3 (Ln : Gd, Eu), soit une phase grenat Ln3Al5O12 (Ln : Y, Yb, Er, Dy) Pour les systèmes ternaires, une phase zircone est ajoutée comme troisième élément. Les propriétés mécaniques ont été étudiées en corrélation avec les caractéristiques microstructurales. En particulier, il a été établi que la ténacité des systèmes ternaires est plus élevée que celle des systèmes binaires.