Analyse des contraintes mécaniques à haute température dans les films d'oxyde : application au système Zr/ZrO2

• Auteur / Autrice : Lukasz Kurpaska
• Direction : Gérard Moulin, Laurent Lahoche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Avancée
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Émission acoustique

Spectroscopie Raman

Zircone

Oxydation

Contraintes (mécanique)

Mots clés libres

Films d’oxyde

Méthode de Bollmann généralisée

Déflexion test in monofacial oxidation

Dtmo

Résumé

Les travaux menés durant la thèse ont consisté à développer les outils et les méthodes permettant d'identifier le comportement thermomécanique des films d'oxyde se développant à la surface de matériaux métalliques par oxydation à haute température. Un effort plus particulier a été fourni afin d'identifier le comportement de l'oxyde dans la zone la plus complexe située à proximité de l'interface métal/oxyde. Dans ce but, nous avons notamment :1. Calculé les déformations de croissance. 2. Caractérisé l'évolution de la structure cristallographique de la couche en fonction des paramètres d'oxydation. 3. Estimé l'évolution des contraintes résiduelles à l'aide de deux techniques expérimentales complémentaires. Le système Zr=ZrO2 a été choisi comme support de ce travail. La première étape de la thèse est dédiée à la détermination du rôle exact et de la contribution des déformations d'épitaxie induites par le désaccord paramétrique entre les réseaux cristallographiques du métal et de son oxyde sur le niveau de contrainte. Ces déformations, importantes au voisinage de l'interface, sont difficiles à évaluer et leur calcul reste sujet à débat. Une généralisation de la méthode de Bollmann, basée sur le formalisme du réseau ''O'', a été mise en œuvre afin d'évaluer ces déformations. Une approche numérique a été développée et appliquée au système de référence Ni=NiO afin de la valider. Une application au système Zr=ZrO2 plus complexe est ensuite présentée. Un soin plus particulier a été apporté à l'étude de la sensibilité des paramètres d'entrée du modèle souvent mal appréhendés. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la détermination des contraintes dans les films de zircone. Pour atteindre cet objectif, la technique de spectroscopie Raman a été utilisée. En comparant les intensités et les positions des pics caractéristiques, la présence d'une forte contrainte de compression dans la couche d'oxyde et dans la zone située à proximité de l'interface métal/oxyde a été montrée. Parallèlement, des chargements uni-axiaux in situ en traction & compression ont été appliqués sur les échantillons oxydés afin de corréler le niveau de contrainte et l'évolution structurale au sein de la couche d'oxyde : cette étude originale a montré l'influence du niveau de contrainte sur la proportion des phases présentes. Une transition de phase quadratique-monoclinique a été identifiée et quantifiée. La technique de spectroscopie Raman nous a également permis de mettre en évidence l'influence des déformations thermiques sur le niveau de contrainte dans la couche d'oxyde au refroidissement. La troisième partie s'intéresse à la détermination du niveau contrainte durant l'évolution du processus d'oxydation dans les films de zircone en utilisant le test de déflexion d'une lame mince oxydée sur une seule face (DTMO - défection test in monofacial oxydation). Cette expérience est associée à un dispositif d'émission acoustique permettant la détection et l'évolution in situ de l'endommagement de la couche de zircone tout au long du phénomène de flexion (en température et sous atmosphère oxydante). La modélisation et la simulation de ces tests permettent d'estimer la contrainte globale dans le film en fonction de temps d'oxydation. La comparaison des résultats issus des essais de flexion (mesures globales) et de ceux obtenus à l'aide de la technique de spectroscopie Raman (mesures locales) permet de mieux appréhender l'espace et l'évolution temporelle des contraintes thermomécaniques au sein de l'oxyde de zirconium. La généralisation de la méthode de Bollmann a contribué de manière significative à la compréhension de l'origine et à la quantification des contraintes résultant du désaccord paramétrique entre les deux structures métal et oxyde. L'ensemble de ces résultats doit aider la communauté scientifique à mieux comprendre l'origine et la nature des contraintes présentes dans les films de zircone durant leur cycle de vie.

This thesis work consist in developing the tools and the methods which are necessary to identify the thermo-mechanical behavior of oxide films growing on the surface of metallic materials by oxidation at high temperature. Special attention was provided specifically to identify the behavior of the oxide scale in the area most complex, located near the metal/oxide interface. For this purpose, we include : 1. Calculated deformations growth. 2. Characterized the evolution of the crystallographic structure of the oxide layer according to the parameters of oxidation. 3. Estimated the evolution of residual stresses using two complementary experimental techniques. The Zr=ZrO2 system has been chosen as support of this work. The first stage of the thesis is devoted to the determination of the exact role and contribution of epitaxial strain induced by the lattice mismatch between two crystallographic networks : metal and its oxide on the stress level. These deformations, specifically located near the metal/oxide interface, are difficult to assess and their calculation remains debatable. A generalization of the Bollmann's method, based on the formalism of the ''O'' - lattice has been implemented to evaluate these deformations. In order to validate it, a numerical approach has been developed and applied to the reference system, Ni=NiO. Application to the more complex system Zr=ZrO2 is then presented. Special attention has been given to study the sensitivity of the input parameters of the model, which is often poorly understood. The second part of this thesis is devoted to the determination of the stresses in the films of zirconia. To achieve this goal, the Raman spectroscopy technique has been used. By comparing the intensities and positions of characteristic peaks, the presence of a strong compressive stress in the oxide layer and in the region near the metal/oxide interface was shown. In parallel, in situ uniaxial tensile & compression loads were applied to the oxidized samples to correlate the stress level and the structural evolution in the oxide layer : this original study showed the influence of stress level on the proportion of the present phases. A transition from tetragonal to monoclinic phase has been identified and quantified. The technique of Raman spectroscopy has allowed us to highlight the influence of the thermal deformation on the stress level in the oxide layer during cooling process. The third part of this work deals with the determination of the stress level during the course of the oxidation process in zirconia films using the defection test method based on a thin oxidized on one side specimen concept, (DTMO - defection test in monofacial oxidation). In the course of this experiment, attached acoustic emission equipment is installed for in situ detecting and evaluating possible damages of the zirconia layer throughout the bending phenomenon (influence of temperature and oxidizing atmosphere). Modeling and simulation of these tests were used to estimate the interfacial stress level created in different temperatures in the zirconia film as a function of oxidation time. The comparison of the results of bending tests (comprehensive measures) and those obtained using the technique of Raman spectroscopy (local measurements) helped us to better understand the space and time evolution of stress within the thermo-mechanics zirconium oxide. The generalization of the Bollmann's method has contributed significantly to the understanding of the origin and quantification of constraints arising from lattice mismatch between the two metal oxide structures. Taken together, these results should significantly contribute to help the scientific community to better understand the origin and nature of constraints in zirconia films during their life cycle.