Optimisation des procédés de substitution de terres rares pour les aimants permanents NdFeB
Les aimants permanents à base de terres rares de type NdFeB sont les plus puissants produits à l’échelle industrielle. La demande dans ce secteur est en très forte croissance pour pouvoir accompagner le déploiement des véhicules électriques. Cependant, les terres rares sont considérées comme des matériaux critiques pour l’Europe. Parmi les terres rares, le Cérium est beaucoup plus abondant que le Néodyme et le Praséodyme qui rentrent pour 30 % dans la masse des aimants permanents de type NdFeB. Son coût est environ 10 fois plus faible et des résultats intéressants ont été obtenus avec des taux de substitution de Nd (Pr) par le Ce compris entre 25 et 30 %.
Les travaux de recherche menés au CEA Grenoble-LITEN/DTNM/SA3D/LMCM ont pour objectif la réduction de la dépendance aux matériaux critiques. Ils ont porté sur la réduction de la teneur en terres rares lourdes (Dy, Tb) via le contrôle de la microstructure des aimants et la localisation en périphérie des grains magnétiques. Aujourd’hui l’objectif est de poursuivre cette démarche sur la réduction de la quantité de Nd (Pr).
La substitution des atomes de Nd par le Ce dans le composé Nd2Fe14B conduit à une baisse des performances magnétiques du fait de la coexistence des deux états de valence du Ce (+4/+3). Seul le Ce trivalent porte un moment magnétique et la valence moyenne du Ce dans Ce2Fe14B est de 3,44. L’introduction du Ce dans l’alliage conduit à un effet de dilution avec une baisse de l’aimantation à saturation défavorable pour les applications. La co-substitution avec le La permet de favoriser l’état de valence +3 du Ce et de regagner en performances magnétiques. Le contrôle de la valence du Ce dans les alliages substitués ainsi que la formation de phases « parasites » telles que CeFe2 constituent les principaux verrous dans la synthèse des alliages qui seront adressés dans ce stage. La réduction des performances magnétiques pourra ainsi être minimisée par l’ajustement de la composition de l’alliage.
Objectif du stage : Optimisation de la substitution par une approche thermodynamique
En partenariat avec le LITEN, le LM2T du CEA Saclay propose de déterminer des domaines de compositions adaptées à la fabrication d’aimants substitués au cérium en maitrisant la formation de la phase CeFe2.
Pour évaluer ces domaines de composition, des calculs thermodynamiques seront réalisés avec la méthode Calphad. L’objectif est de mieux prédire les conditions d’élaboration des aimants permanents. Cette méthodologie viendra compléter l’approche du LITEN par essais d’élaboration de différentes nuances d’alliages.
Cette double approche expérimentale et de modélisation imposera dans un premier temps de réaliser la bibliographie nécessaire au développement d’une base de données Calphad. Ce développement se focalisera sur les binaires du système chimique B-Ce-Fe-La puis sur les systèmes ternaires qui ne sont pas ou peu connus, avec par ordre de priorité :
1. Ce-Fe-B
2. La-Fe-B
Quelques échantillons de compositions sélectionnées seront synthétisés par fusion en four à arc puis traités par Analyse Thermique Différentielle. Les analyses microstructurales des échantillons élaborés seront comparées aux résultats des calculs thermodynamiques afin de valider cette approche.
Ce sujet de stage pourra aboutir vers une thèse collaborative entre les centres CEA de Saclay et de Grenoble.
LOCATION
Département de Physico-Chimie
Service de Corrosion et du Comportement des Matériaux dans leur Environnement
Laboratoire de Modélisation, de Thermodynamique et de Thermochimie (LM2T)
CEA, Université Paris-Saclay, F-91191, Gif-sur-Yvette, France
CONTACT
Gossé Stéphane – stephane.gosse@cea.fr
Internship duration
5 – 6 months