Sur une Rally1, il y a une pièce qui est vissée dans la ligne d’échappement, elle coûte moins cher qu’un jeu de plaquettes, et tant qu’elle fonctionne, aucun ingénieur n’en parle. C’est la sonde lambda. Son cœur est un petit morceau de céramique blanche, et cette céramique, c’est de la zircone, un matériau qui passe sa vie à 780 °C dans les gaz d’échappement d’une Yaris.
Un oxyde qui refuse de tenir en place
La zircone, ou dioxyde de zirconium, a un défaut de caractère : elle change de forme cristalline selon la température. Monoclinique jusqu’à environ 1 170 °C, quadratique ensuite, cubique au-delà de 2 300 °C. Le problème est dans le refroidissement. En repassant du quadratique au monoclinique, le réseau cristallin gonfle de 4 % environ. Une pièce en zircone pure sortie du four se fissure toute seule en refroidissant. Pendant longtemps, cela a suffi à la disqualifier comme céramique de structure.
La solution tient en un dopage. On ajoute quelques pour cent d’oxyde d’yttrium, et les phases haute température restent bloquées à température ambiante.
1975 : « de l’acier céramique ? »
Le tournant vient d’un article de deux pages publié dans Nature par trois chercheurs australiens, Garvie, Hannink et Pascoe. Le titre était une question : Ceramic steel?
Leur idée était de ne stabiliser la zircone qu’à moitié. On laisse dans la matière des grains quadratiques métastables. Le prétexte, c’est une fissure. Quand une fissure se propage et arrive au contact d’un de ces grains, le grain gonfle de 4 %, et ce gonflement vient serrer la fissure et l’arrêter net.
Autrement dit, le défaut qui rendait la zircone inutilisable est devenu son mécanisme de défense.
Pourquoi la sonde chauffe avant de servir
Sauf que la conduction ionique ne démarre pas à froid. Il faut monter très haut pour que la céramique fasse son travail. Les sondes large bande utilisées en compétition, comme la LSU 4.9 de Bosch Motorsport, sont des cellules planes en ZrO2 à double cellule avec un chauffage intégré qui amène l’élément autour de 750 à 780 °C en une poignée de secondes. Avant cela, le moteur tourne en boucle ouverte, sur cartographie, sans retour de richesse.
Maintenue trop longtemps au-dessus de 900 °C, la zircone dopée se sépare en zones riches et pauvres en yttrium, et perd irréversiblement une partie de sa conductivité. Une sonde d’échappement est un consommable, pas une pièce à vie. Les mécaniciens du parc d’assistance le savent, les propriétaires de voitures historiques équipées d’injection moderne l’apprennent en général une fois.
Le même lingot, fraisé plus petit
Un laboratoire dentaire achète des blocs de zircone yttriée pré-frittée, une matière tendre et crayeuse qui se laisse usiner. Une fraiseuse cinq axes taille dedans la pièce voulue, en la surdimensionnant de 20 à 25 %, parce qu’elle va rétrécir d’autant lors du frittage final autour de 1 450 °C.
Le résultat, une couronne en zircone, affiche une résistance à la flexion de l’ordre de 1 000 MPa, contre environ 100 MPa pour les céramiques feldspathiques classiques. Sur les grandes reconstructions, c’est ce matériau qui sert d’armature à l’ensemble de la prothèse dentaire, pour la même raison qu’on met du titane dans un arceau : à contrainte égale, on peut faire plus fin.
Détour par Mach 6
Reste une dernière destination. Dans les années 1950, les laboratoires de la NASA cherchent comment empêcher une paroi métallique de fondre quand on fait brûler des ergols juste derrière. La réponse tient en deux propriétés de la zircone : elle conduit très mal la chaleur, environ dix fois moins qu’un superalliage, et elle se dilate presque autant que le métal en chauffant.
Le 3 octobre 1967, aux commandes du X-15A-2, William Knight a poussé l’avion-fusée X-15 à Mach 6,7, soit environ 7 270 km/h. Le record de vitesse pour un avion piloté n’a jamais été battu depuis, et la paroi qui a encaissé ça était peinte à la zircone.
De cette histoire de revêtements descend tout ce qui protège aujourd’hui les parties chaudes des turbomachines, aubes de turbine en tête. Les agences spatiales, elles, n’ont jamais complètement lâché l’affaire et continuent de tester des barrières en zircone yttriée sur des parois de chambres de combustion.
