Amélie BIGEARD – Consolidation et comportement thermomécanique d'un réfractaire mis en forme par coulage d'alumine-mullite-zircone pendant des traitements haute température

Jury

Prof. Emmanuel DE BILBAO, Université d'Orléans - Rapporteur
Prof. Marc HUGER, Université de Limoges - Rapporteur 
Prof. Sylvain MEILLE, INSA Lyon - Examinateur
Prof. Pascal FORQUIN, UGA - Examinateur
Dr. David JAUFFRES, UGA - Directeur de thèse

Prof. Didier BOUVARD, Scientifique chevronné - Invité
Mme Camille MESNAGER, Ingénieure Saint-Gobain Research Provence - Invitée
 

Abstract

Les céramiques réfractaires mis en forme par coulage sont utilisées dans les fours verriers pour leur résistance à des conditions extrêmes, comme les hautes températures, les chocs thermiques et la corrosion. L’objectif de ce travail est d’étudier le comportement d’un réfractaire industriel pendant sa production et son utilisation. Le matériau étudié est un réfractaire d’alumine-mullite-zircone. Des formulations alternatives ont été développées pour approfondir la compréhension du matériau.
Tout d’abord, les évolutions structurelles (DRX), thermiques (dilatométrie) et thermomécaniques (module d’élasticité dynamique à chaud, contrainte à rupture à chaud) des matériaux pendant des traitements thermiques successifs ont été étudiées. Ces caractérisations ont ensuite été couplées avec des observations microstructurales. Un dispositif a été développé à l’ESRF pour réaliser de la tomographie aux rayons X in-situ (taille de voxel de 0.35 µm) et du MEB in-situ a été utilisé pour suivre les évolutions microstructurales à une échelle plus fine, pendant des cycles thermiques successifs. Deux phénomènes principaux ont été identifiés :
-    Frittage avec phase liquide pendant la première chauffe, avec des inhomogénéités (agrégats / matrice) induisant du frittage contraint dans la matrice ;
-    Endommagement thermique par microfissuration, provenant de la différence de coefficient d’expansion thermique entre les agrégats de mullite-zircone et la matrice, pendant le refroidissement, et fermeture / guérison des microfissures pendant la chauffe suivante.
Ensuite, la résistance aux chocs thermiques de ce matériau a été étudiée en termes de propriétés mécaniques post-choc thermique et de changements microstructuraux. Un essai de choc thermique in-situ a été spécifiquement développé pour suivre le module élastique dynamique pendant un choc thermique.
Enfin, un modèle phénoménologique de frittage et d’endommagement a été proposé. Le modèle est basé sur le module élastique dynamique à chaud, utilisé comme un paramètre accessible permettant de quantifier le frittage et l’endommagement. Il a ensuite été implémenté dans un code éléments finis, appliqué à un test de gradient thermique et comparé à des données expérimentales. Ces résultats proposent une description complète du comportement de cette céramique réfractaire industrielle et ouvrent la voie au développement de solutions plus innovantes pour l’industrie verrière.