Synthesis and thermochemical properties of SIC/MAX composites

Ces travaux de thèse portent d’une part sur l’élaboration de composites SiC/Ti3SiC2 par frittage et d’autre part sur leur utilisation en environnement oxydant ou corrosif à haute température. Il a ainsi été considéré le bénéfice que peut apporter l’association des phases Ti3SiC2 et SiC, la première ayant essentiellement comme rôle de faciliter le frittage. Afin de bénéficier de la résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température du SiC, les teneurs visées de cette phase au sein des composites sont comprises entre 50% et 70% en volume. Le premier volet de la thèse porte sur la synthèse par frittage réactif les composites SiC/Ti3SiC2 avec comme renforts des particules microniques de SiC. Pour cela, deux mélanges réactionnels différents sont considérés sur la base de la littérature : i) le premier mélange réactif, constitué de 2 TiC0,96 + 1 Ti + 1,2 Si + 0,2 Al, implique la synthèse de Ti3SiC2, ii) le second mélange réactif, composé de 3 TiC0,96 + 2,2 Si + 0,2 Al, induit la synthèse in situ à la fois de Ti3SiC2 et de SiC. Pour les deux voies considérées, les teneurs élevées en SiC des composites sont atteintes par ajout d’une poudre micronique de SiC à chacun des mélanges. Le second volet de cette thèse porte sur l’effet de la teneur en SiC sur la résistance à l’oxydation/corrosion jusqu’à 1500°C pendant plusieurs centaines d’heures des composites les plus purs et les plus denses. Les cinétiques d’oxydation/corrosion de ces composites sont de type linéaire-parabolique. Le modèle de Deal and Grove permet de décrire de façon pertinente le mécanisme d’oxydation/corrosion de ces composites. Les résultats démontrent ainsi de manière claire un effet protecteur croissant de la couche d’oxydes avec la teneur en SiC. Cet effet est induit par une augmentation de la quantité de silice formée qui assure une protection efficace du matériau jusqu’à 1400°C. Dans ce travail, il a aussi été envisagé la possibilité de produire des poudres core/shell SiC/Ti3SiC2 afin éventuellement d’atteindre des teneurs encore accrues en SiC mais aussi afin de mieux maitriser la microstructure. Pour cela, la voie considérée vise la croissance d’une couche ternaire à la surface de particules de SiC à l’aide d’un bain de sel fondu. Les premiers résultats obtenus pour cette voie novatrice sont encourageants puisqu’ils ont mis en évidence la possibilité de générer une couche de composition voisine de Ti3SiC2. Finalement, l’ensemble de ce travail de thèse met en évidence l’intérêt de ces nouveaux composites qui représentent une solution prometteuse dans le cadre d’une utilisation au sein de futurs turboréacteurs fonctionnant à haute température.This thesis work is about the production of SiC/Ti3SiC2 composites by a sintering process and how they can be used in an oxidant environment or a corrosive one at high temperatures. It is considered the benefits of associating the two phases Ti3SiC2 and SiC, the first phase being essentially useful to make the sintering process easier. In order to get SiC resistance to oxidation and corrosion at high temperatures, the contents wanted inside those composites are withing the range of 50% and 70% in volume. The first part of the thesis deals with the synthesis of SiC/ Ti3SiC2 by sintering with the help of micronic particles of SiC. Therefore, two different reactional mixtures are considered on a literature basis: i) the first reactive mixture, composed of 2 TiC0,96 + 1 Ti + 1,2 Si + 0,2 Al, involve the synthesis of Ti3SiC2, ii) the second reactive mixture, composed of 3 TiC0,96 + 2,2 Si + 0,2 Al, induce the in-situ synthesis of Ti3SiC2 and SiC simultaneously. For both those ways, high contents of SiC in the composites are reached by adding a SiC micronic powder to each mixture. The second part of this thesis addresses the effect of the content of SiC on the resistance of the purest and densest composites to the oxidation/corrosion up until 1500°C for several hundreds of hours. The oxidation/corrosion kinetics of theses composites have a linear-parabolic type. The Deal and Grove model allows to relevantly describe the oxidation/corrosion mechanism on these composites. This way, results clearly show an increasing protecting effect from the oxide coat with the content of SiC. This effect is induced by the increased amount of formed silica, which provides an efficient protection of the material up until 1400°C. In this work, the option of producing core/shell SiC/Ti3SiC2 powders was contemplated in order to possibly reach more increased amounts of SiC, but also to harness the microstructure. For that purpose, the considered way is the growth of a ternary coat on the surface of the SiC particles, with the help of a bath of molten salt. The first observed results with this innovative are encouraging as they brought to light the possibility of generating a coat of a composition similar to Ti3SiC2. Finally, all of this work shows the value of these new composites which use can be a promising solution in future turbo-reactors functioning at high temperatures