Évaluation critique et modélisation thermodynamique des diagrammes d’équilibres entre phases des systèmes binaires Fe–RE (RE = Y, Ho, Tmet Lu), Ni–RE (RE = Sc, Ho, Yb et Eu) et ternaires Ho–Ni–X (X = Fe, Ge) selon la méthode CALPHAD

Abstract

galables, les REs gagnent en importance dans l’industrie des hautes technologies. Les systèmes RE–TM font l’objet de nombreuses études en raison de leur grand intérêt technologique et fondamental. Ces systèmes présentent tout d’abord d’intéressantes propriétés catalytiques en raison de la forte réactivité des REs. Grâce à leur puissance et à leur résistance à la démagnétisation, les matériaux magnétiques à base de RE ont permis la miniaturisation de moteurs, des disques durs des ordinateurs (stockage magnéto–optique) et d’autres appareillages nécessitant des aimants permanents (balais des moteurs électriques pour les véhicules électriques et hybrides, générateurs des grosses éoliennes offshore, ...). Les aimants à base de REs possèdent des propriétés très supérieures à celles des aimants traditionnels. Ils disposent d’une puissance et d’une longévité plus élevées, et d’une meilleure usinabilité à haute température. L’aimant permanent à base de REs le plus commun est l’aimant au néodyme (NdFeB ou REFeB) qui possède un fort champ coercitif. Divers éléments tels que Dy, Tb, Pr, Ni, etc. sont également ajoutés pour améliorer ses propriétés magnétiques et mécaniques. Le déséquilibre entre la demande et l’approvisionnement en REs a accru l’importance du recyclage et de l’extraction des REs à partir des aimants permanents usagés. Cependant, le manque de données thermodynamiques sur les systèmes à base de REs a rendu difficile la conception de procédés efficaces de recyclage et d’extraction. À cet égard, les calculs thermodynamiques peuvent servir d’outil rentable en termes de temps et d’argent afin de concevoir un procédé de recyclage des aimants permanents usagés. Afin d’effectuer des calculs thermodynamiques fiables, des bases de données thermodynamiques précises pour les REs et leurs alliages sont requises. Ces bases de données thermodynamiques peuvent être développées en utilisant la méthode dite CALPHAD initiée par Larry Kaufman et basée sur l’égalité des potentiels chimiques de chaque constituant dans les différentes phases d’un système donné. Le développement de bases de données basé sur la méthode CALPHAD consiste essentiellement en l’évaluation critique et en l’optimisation de toutes les données thermodynamiques et de diagrammes de phases disponibles. La base de données contenant les fonctions optimisées d’énergie libre de Gibbs peut être utilisée pour calculer des réactions chimiques complexes pour n’importe quels procédés d’élaboration et d’applications à haute température. Typiquement, une routine de minimisation de l’énergie libre de Gibbs G, telle que celle présente dans le logiciel Thermo–Calc, peut être utilisée pour obtenir l’équilibre thermodynamique précis dans un système comprenant de multiples composants. Dans le cadre du développement d’une base de données thermodynamiques pour le recyclage des aimants permanents et d’autres applications comme le stockage d’hydrogène, la production des rubans supraconducteurs de haute TC, etc ..., toutes les données thermodynamiques et de diagrammes de phases dans la littérature pour les huit systèmes binaires Fe–RE incluant Fe–Y, Fe–Ho, Fe–Tm et Fe–Lu et Ni–RE incluant Ni–Sc, Ni–Ho, Ni–Yb et Ni–Eu sont évaluées de manière critique et optimisées pour obtenir les paramètres des modèles thermodynamiques. La première approche calculatoire des deux systèmes ternaires Fe–Ho–Ni et Ho–Ni–Ge, obtenue à partir de la banque de données intégrant les optimisations binaires, a permis aux expérimentateurs de cibler et interpréter des expériences de contrôle des équilibres entre phases en condition isotherme. Les paramètres des modèles peuvent ensuite être utilisés pour calculer les diagrammes de phases et les énergies libres de Gibbs G de toutes les phases en fonction de la température et de la composition.