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

Solutions optimisées pour remplacer les matériaux stratégiques utilisés dans les revêtements anticorrosion

L’augmentation de la disponibilité et de la durée de vie des équipements sujets à la corrosion est un enjeu industriel majeur. Ces dernières années, le département de physico-chimie du CEA en partenariat avec plusieurs acteurs a initié des actions portant sur la recherche de revêtements résistants à la corrosion dans différents milieux et élaborés via des procédés transposables à l’échelle industrielle, utilisant bien souvent des matériaux dits critiques. Ce projet vise à développer des revêtements performants et optimisés en se basant sur des matériaux plus économiques et moins stratégiques. Une première tâche, alimentée par les données déjà acquises et soutenue par une étude bibliographique sera axée sur l’élaboration et l’optimisation du dépôt de couches minces par le procédé PVD-HiPIMS. Des dépôts de tantale considérés comme références seront réalisés en plus de compositions et architectures alternatives. Une deuxième tâche correspondra à la caractérisation des revêtements. Une étude systématique sera faite en termes de structure (DRX), de composition (GD-OES), de texture et de microstructure (MEB, XPS) et de rugosité de surface (AFM, interféromètre optique).
Le projet de recherche qui englobe ce sujet de stage comprend aussi un volet similaire sur le procédé de dépôt de couches épaisses par cold-spray, ainsi qu’une partie dédiée à la caractérisation électrochimique et en corrosion des revêtements. La personne recrutée sera amenée à échanger avec les différents partenaires du projet sur ces autres thématiques. La personne recrutée sera formée aux différentes techniques mises en œuvre et moyens utilisés. Ce sujet s’inscrit dans le cadre de la chaire industrielle IMPACT (Innovative Materials and Processes Accelerated through Computing Technologies) de l’INSTN.
Les activités à la charge de la personne recrutée seront :
• Préparation d’échantillons,
• Croissance de couches minces (sélection de conditions de croissance),
• Caractérisations physico-chimiques, microstructurales et fonctionnelles,
• Présentation régulière de l’avancement en réunion,
• Extraction et synthèse d’informations à partir d’une veille bibliographie régulière,
• Rédaction d’un rapport de synthèse.
Ce stage se déroulera au Laboratoire d’Ingénierie des Surfaces et Lasers (LISL) et sera réalisé en partenariat avec le Laboratoire d’Etude de la Corrosion Non Aqueuse (LECNA).

LOCATION

CEA Saclay

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Alexandre MICHAU (DPC/SEARS/LISL): alexandre.michau@cea.fr

Internship duration

6 months

Cémentation en caisse du carbure de silicium

Le carbure de silicium est sensible sous certaines conditions à la corrosion en milieu aqueux, ce qui peut être limité par la croissance d’une couche de protection surfacique. On se propose d’évaluer le procédé de pack-cémentation, ou cémentation en caisse, appliqué au système Cr-Si-C pour faire croître une telle couche protectrice. Un premier volet théorique portera sur la possibilité de déposer des couches à base de chrome sur du carbure de silicium et sera réalisé avec le LM2T. Des calculs thermodynamiques selon la méthode Calphad détermineront les domaines de conditions menant à ces dépôts ainsi que leur composition. Après cette première phase, des vérifications expérimentales auront lieu avec le LECNA lors d’expériences de dépôt ciblées par cémentation en caisse. Les échantillons ainsi revêtus seront caractérisés (composition, microstructure…). Des essais d’oxydation à haute température et de corrosion pourront finalement être entrepris afin d’évaluer le caractère protecteur des revêtements. Une attention particulière sera portée aux substrats en carbure de silicium, qui doit conserver certaines propriétés à haute température. Une analyse plus précise de l’interface sera faite, afin de déterminer notamment si le substrat subit des modifications de composition avec par exemple un enrichissement ou un appauvrissement local en carbone. Les conditions de croissance du revêtement et la chimie surfacique du substrat pourront alors être adaptées pour limiter ces modifications mais aussi éviter la formation de phases fragiles.
Le système Ti-Si-C sera aussi évalué théoriquement et expérimentalement. Un procédé de CVD (Chemical Vapor Deposition) à haute température sera utilisé pour ce système.
La personne recrutée sera formée aux différentes techniques mises en œuvre et moyens utilisés. Ce sujet de stage pourra faire l’objet d’une poursuite en doctorat. Ce sujet s’inscrit dans le cadre de la chaire industrielle IMPACT (Innovative Materials and Processes Accelerated through Computing Technologies) de l’INSTN.
Les activités à la charge de la personne recrutée seront :
• Modélisation thermodynamique et calculs de diagrammes de phases (identification de conditions de croissance),
• Préparation d’échantillons,
• Croissance de couches minces (sélection de conditions de croissance),
• Caractérisations physico-chimiques, microstructurales et fonctionnelles,
• Présentation régulière de l’avancement en réunion,
• Rédaction d’un rapport de synthèse.
Trois laboratoires partenaires au département de Physico-Chimie (DPC) du CEA Saclay seront impliqués :
• Laboratoire de Modélisation, de Thermodynamique et de Thermochimie (LM2T),
• Laboratoire d’Etude de la Corrosion Non Aqueuse (LECNA),
• Laboratoire d’Ingénierie des Surfaces et Lasers (LISL).

LOCATION

CEA Saclay

CONTACT

Alexandre MICHAU (DPC/SEARS/LISL): alexandre.michau@cea.fr

Internship duration

6 months

Evaluation of recycled materials from TA6V alloy machining chips consolidated by Fabrication Additive

The TYREX project (Titanium recycled by grinding and shaped by new processes) aims to study and develop different ranges of powder production processes from chips and demonstrate their compatibility with the requirements of processes and applications. Even if today there are industrial sectors and projects relating to the treatment of short cycle waste in the industry (by melting), the recycling of machining chips of this type of alloy in the form of powders is much more complex and is not addressed. This project intends to deal more specifically with these points using the additive manufacturing technology SLM (Selective Laser Melting) as the technique for the final consolidation of recycled powders. Indeed, this technique is well mastered at LISL (partner laboratory) and allows to reduce the inventory of material required (recycled powders) for the manufacture.
In order to demonstrate the potential of the proposed solutions and their economic and scientific interest, we first propose to study the recycling of “clean” chips obtained by dry and / or cryogenic machining. Mecachrome will supply these chips and 2 recycling paths will be studied. The first will consist in grinding these shavings to transform them into powders. The second way will consist of making chip compacts which will be atomized later (compaction and atomization conditions to be defined and optimized). The powders obtained by these 2 routes will thus be used to produce specimens consolidated by SLM that will be characterized to judge the interest of the solutions proposed. In parallel, definition of optimal densification conditions by SLM will be carried out using commercial powders and will serve as a point of comparison. All the materials obtained will be widely characterized from a chemical, microstructural and mechanical point of view.
To support this work, we are offering a 6-month internship in order to carry out SLM consolidations and all of the characterizations. To this end, the powders and consolidated materials will be characterized by numerous local techniques (MO, microprobe, SEM, chemical analyzer). An initial assessment of the mechanical properties will be obtained by tensile tests of the materials produced.
Although this project is dedicated to TA6V alloy, the methodologies and solutions proposed will be transposable to other alloys with high added value.

LOCATION

CEA Saclay

CONTACT

Cédric SAUDER (SRMA/LTMEx) – cedric.sauder@cea.fr ; Hicham MASKROT (SEARS/LISL) – hicham.maskrot@cea.fr

Internship duration

6 months