Etude de la solidification des composés de terres rares pour l'amélioration des procédés de fabrication des aimants permanents

Study of the solidification of rare-earth compound to improve the fabrication process of permanent magnets

• Auteur / Autrice : Romain Caniou
• Direction : Jean-Paul Garandet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Missiaen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Colin, Nora Dempsey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Zollinger, Valéry Botton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terres rares

Prototypage rapide

Moteurs à aimants permanents

Mots clés libres

Aimants permanents

Solidification

Fabrication additive

Solidification

Permanent magnets

Additive manufacturing

Résumé

Les aimants permanents NdFeB présentent actuellement les plus hautes performances magnétiques. Ils sont des composants cruciaux car les performances magnétiques des aimants NdFeB permettent de développer les moteurs et les générateurs électriques les plus performants. L’électrification de nos sociétés provoque par conséquent une forte augmentation de la demande en terres rares (Nd et Dy, parmi d’autres). Or ces dernières font partie de la liste, établie par l’union européenne, des éléments critiques. L’amélioration des propriétés magnétiques de cette famille d’aimants est donc un enjeu crucial.Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons aux procédés de fabrication des aimants permanents NdFeB et plus particulièrement à la maitrise et à la compréhension des mécanismes de la solidification qui vont conduire à la microstructure finale des aimants. En effet les propriétés magnétiques sont fortement liées à la microstructure de ces matériaux.Les aimants frittés NdFeB sont constitués essentiellement de grains équiaxes de la phase magnétique Nd2Fe14B et orientés selon leur axe de facile aimantation. La proportion de cette phase et la qualité de l’alignement vont conditionner le niveau de rémanence que traduit la force d’attraction d’un aimant. Ces grains sont entourés d’une phase riche en terres rares qui contribue principalement à la coercitivité, la résistance à la désaimantation. La coercitivité peut également être améliorée en diminuant la taille des grains de la phase magnétique.Durant cette thèse, la solidification des alliages NdFeB a été étudiée au travers de trois procédés : la fusion à l’arc, la trempe sur roue et la fusion laser sur lit de poudre.La trempe sur roue, aussi appelée Strip-Casting, est le procédé de synthèse de référence pour la fabrication industrielle des aimants frittés NdFeB. Il permet d’obtenir des rubans de moins de 500 µm d’épaisseur qui seront ensuite broyés. La poudre sera orientée et compactée et les pièces seront frittées. La trempe sur roue va conditionner la finesse de broyage des rubans et, par conséquent, les futures propriétés magnétiques de l’aimant. Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence l’influence des paramètres de la trempe sur roue, en particulier de la vitesse de rotation de la roue, sur la microstructure des rubans NdFeB.Des aimants ont été imprimés en trois dimensions par fusion laser sur lit de poudre, avec une composition qui est différente de celle principalement utilisée dans la littérature. Une analyse de l’influence des paramètres du procédé laser a permis de comprendre et de contrôler la microstructure formée avec cette technique de fabrication additive. De plus, les propriétés magnétiques mesurées sur des aimants fabriqués par ce procédé sont proches de l’état de l’art.Des simulations numériques du refroidissement, dans les procédés de trempe sur roue et de fusion à l’arc, associées la caractérisation des microstructures obtenues par les mêmes procédés ont permis de comprendre l’influence des paramètres de refroidissement sur la finesse de la microstructure. Une formule empirique a été établie qui relie la taille des microstructures à la vitesse de refroidissement.Si les conditions de refroidissement ne sont pas adaptées, la formation de la phase fer peut avoir lieu ce qui va dégrader les propriétés magnétiques des aimants. Les mécanismes de la formation du fer dans les aimants NdFeB sont développés sur un plan plus fondamental au travers de la théorie de la germination classique. Enfin des éléments de compréhension sur la transition colonnaire équiaxe en fusion laser sur lit de poudre sont également présentés pour préciser les conditions du procédé qui permettent de développer une microstructure plus fine et donc plus apte à développer de meilleures propriétés magnétiques.

Currently, NdFeB permanent magnets have the highest magnetic properties. They are crucial components for the development of generators and motors with higher performances. Electrification of our society leads to an increasing demand for rare-earth elements (Nd, Dy…). However, these elements are part of the critical raw materials list made by the European Union. Thus, it is essential to improve the magnetic properties of the rare-earth magnets.In this work, the focus will be on the fabrication process of NdFeB permanents magnets and more specifically the understanding of the solidification mechanisms leading to the final microstructure of the magnets. Indeed, magnetic properties are directly linked to the microstructure of these materials.Sintered NdFeB magnets are mostly composed of equiaxed grains of magnetic phase Nd2Fe14B oriented along its easy axis of magnetization. The amount of this phase and the quality of the alignment will determine the value of the remanence, which can be translated into the attractive strength of the magnet. Those grains are surrounded by Nd-rich phases contributing mainly to the coercivity of the magnet, which is the resistance to demagnetization. Reducing the size of the equiaxed grains is another way to improve coercivity.The solidification of the NdFeB alloys will be studied through three processes: arc melting, strip-casting and laser powder bed fusion.Strip-casting is the main process of synthesis of the NdFeB alloys for the fabrication of sintered magnets. After this process, ribbons are obtained with a thickness lower than 500µm, which are then crushed. The resulting powder is aligned, compacted and sintered. The size of the powder is determined from the microstructure of the ribbons made from strip-casting. During this work, the influence of the strip-casting parameters, more specifically the cooper wheel speed, on the ribbon’s microstructure was studied.Using laser powder bed fusion, magnets were printed in three dimensions with a powder composition that is different from the literature. An analysis of the impact of the laser parameters allowed us to understand and control the microstructure obtained from this process. Moreover, the magnetic properties measured were close with respect to the state of the art values.Numerical simulations of the cooling for the arc melting and strip casting processes were carried out. Combined with microstructural characterization, the impact of the solidification parameters on the microstructural thinness is better understood. An empirical formula linking the cooling rate to the microstructure size was developed.With inappropriate solidification conditions, iron phase appears in the microstructure and diminishes the magnetic properties of the magnets. The nucleation mechanism of iron was developed in a more fundamental context using the classic nucleation theory. Finally, comprehension elements were presented to explain the columnar to equiaxed grains transition observed in laser powder bed fusion, leading to the formation of the finer microstructure and the better magnetic properties.