Céramiques à ultra-haute température et projection thermique
Les céramiques à ultra-haute température (UHTC) sont des matériaux avec des températures de fusion au-delà de 3000°C. Ce groupe de céramiques est constitué de différentes familles de base borure, carbure et certains nitrures issus de métaux de transition (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta). Leur stabilité au-dessus de 2000°C est due aux fortes liaisons covalentes. D’autres propriétés intéressantes comme une dureté élevée, une certaine conductivité thermique, un bon module élastique, une bonne résistance à l’usure et un faible coefficient de dilatation thermique se combinent à leur utilisation à des températures extrêmes. Il n’est donc pas étonnant qu’ils fassent l’objet de recherches pour des applications comme l’aéronautique/aérospatiale où les matériaux sont sollicités sous des fortes températures dans des environnements oxydants : composants de propulsion des fusées ou de rentrée atmosphérique, nez pour les vols hypersoniques, etc.
Les méthodes de conception de ces UHTC sont les procédés Spark Plasma Sintering et par pressage à chaud. Cela nécessite des températures et des pressions très élevées pour les densifier qui limitent leur fabrication à des petites pièces de forme simple. Concernant les revêtements UHTC, ils peuvent être obtenus par les procédés de dépôt en phase vapeur tels que le PVD et le CVD. Les revêtements sont denses à conçus à des températures inférieures aux points de fusion des UHTC. Cependant, ces procédés sont limités par des épaisseurs de revêtement de 15-20 µm, un plus ou moins rendement de dépôt et une limitation de la taille de la zone à traiter. Pour combler ces problématiques, des revêtements UHTC épais peuvent être obtenus par les procédés de projection thermique. Ces procédés sont déjà largement utilisés dans de nombreuses industries pour revêtir de grandes surfaces relativement rapidement. Les leviers concernent les points de fusion extrêmes de ces matériaux ainsi que le potentiel d’oxydation pendant la projection.
Les principaux matériaux étudiés sont TiB2, ZrB2, HfB2, TiC, ZrC, HfC, TaC. Cependant, comme de nombreuses céramiques, les UHTC souffrent d’une fragilité intrinsèque qui peut limiter leur application. Afin d’améliorer les performances de ces matériaux, des renforts en particules (SiC, MoSi2, nanotubes de carbone, nanoplaquettes de graphène, etc.) ont été étudiés dans le but principal d’améliorer les performances à haute température. Également, depuis l’engouement sur les matériaux à alliages à haute entropie (HEA), une nouvelle famille de revêtements UHTC est apparue : les céramiques à ultra-haute température à haute entropie (HE-UHTC) : parmi eux, les matériaux (Hf0,2Zr0,2Ta0,2Nb0,2Ti0,2)B2, (Hf0,2Zr0,2Ta0,2Mo0,2Ti0,2)B2, etc. Leur méthode de synthèse consiste à mélanger les poudres de diborure par exemple puis de les allier par broyage à haute énergie. Des premiers résultats ont montré une dureté supérieure des HE-UHTC par rapport aux carbures constitutifs, ou bien un gain de poids beaucoup plus faible que certains des borures constitutifs dans un environnement oxydant.
Cependant, le développement de revêtements par projection thermique doit encore être approfondi. En raison des températures de fusion très élevées, les procédés plasma sont les plus répandus pour réaliser les revêtements UHTC en raison de la haute température du jet. Pour éviter l’oxydation UHTC, les systèmes sous atmosphères inertes type VPS sont privilégiés. Pour limiter le coût, les procédés plasma sous air APS sont associés à des accessoires de gainage pour limiter l’oxydation. L’utilisation des UHTC dans des revêtements de cermets pour être appliqué par les procédés flamme HVOF est une autre possibilité. Le développement aéronautique et spatial implique une apparition plus grandissante des matériaux UHTC.