Des traces d'éléments de terres rares seront-elles ajoutées aux aimants en aluminium-nickel-cobalt, et cet ajout aura-t-il un impact positif ou négatif sur leurs performances ?

1. Introduction aux aimants Alnico

Les aimants Alnico, composés principalement d'aluminium (Al), de nickel (Ni), de cobalt (Co) et de fer (Fe), comptent parmi les premiers aimants permanents développés. Ils sont classés en deux catégories selon leur orientation magnétique : isotropes et anisotropes. Les variantes anisotropes (par exemple, Alnico 5 et Alnico 8) présentent des produits d'énergie magnétique plus élevés grâce à la croissance cristalline directionnelle. Les aimants Alnico sont réputés pour leur excellente stabilité thermique (fonctionnement jusqu'à 500-600 °C) et leur résistance à la corrosion, ce qui les rend indispensables dans des applications telles que l'aérospatiale, les capteurs et l'instrumentation électrique. Cependant, leur coercivité relativement faible limite leur utilisation dans les environnements à fort champ de démagnétisation.

2. Rôle des éléments traces de terres rares dans l'Alnico

Des éléments de terres rares (ETR), tels que le lanthane (La), le cérium (Ce), le scandium (Sc) et le néodyme (Nd), sont parfois ajoutés à l'état de traces (généralement < 1 %) aux alliages Alnico afin d'optimiser leurs performances. Leur ajout remplit plusieurs fonctions :

• Amélioration de la microstructure : Les terres rares agissent comme affineurs de grains, favorisant une croissance cristalline uniforme et réduisant les défauts, ce qui améliore la résistance mécanique et la ductilité.
• Amélioration de la résistance à la corrosion : les terres rares forment des couches d’oxyde stables à la surface de l’aimant, inhibant l’oxydation et la dégradation chimique, ce qui est crucial pour une fiabilité à long terme dans des environnements difficiles.
• Modulation des propriétés magnétiques : Certaines terres rares peuvent ajuster subtilement la coercivité, la rémanence et l'anisotropie magnétique de l'aimant en modifiant la composition de phase et la structure de domaine de l'alliage.

3. Impacts positifs des ajouts de terres rares

3.1 Propriétés mécaniques améliorées

• Résistance et ténacité : Des études sur les alliages de type Alnico (par exemple, les alliages à haute entropie Al-Co-Cr-Fe-Ni) démontrent que l’ajout de La ou de Sc augmente significativement la limite d’élasticité, la résistance à la traction et la ténacité. Par exemple, l’ajout de La affine la taille des grains, ce qui conduit à une microstructure plus homogène et donc plus résistante à la propagation des fissures.
• Stabilité à haute température : Les terres rares améliorent la résistance au fluage de l'alliage à haute température, maintenant ainsi son intégrité mécanique dans des applications telles que les turbines aérospatiales.

3.2 Résistance supérieure à la corrosion

• Couches d'oxyde passives : Les terres rares, notamment le lanthane (La) et le cérium (Ce), forment des films d'oxyde denses et adhérents (par exemple, La₂O₃, CeO₂) qui protègent l'aimant de l'humidité, des sels et des acides. Ceci réduit la corrosion par piqûres et la fissuration par corrosion sous contrainte, prolongeant ainsi sa durée de vie en milieu marin ou chimique.
• Effets synergiques avec d'autres éléments : Combinés au cuivre (Cu) ou au titane (Ti), les terres rares améliorent la stabilité des phases intermétalliques (par exemple, les phases Fe-Co), inhibant davantage la corrosion.

3.3 Optimisation des propriétés magnétiques

• Ajustement de la coercivité : Bien que les terres rares aient généralement un impact direct minimal sur la coercivité de l’Alnico, elles peuvent l’influencer indirectement en affinant la microstructure. Par exemple, l’ajout de scandium dans les alliages Al-Sc favorise la formation de fines phases α-Fe, ce qui peut stabiliser les domaines magnétiques.
• Réduction des pertes magnétiques : Les terres rares à l'état de traces peuvent minimiser les pertes par courants de Foucault dans les applications en courant alternatif en augmentant la résistivité électrique, bien que cela soit plus pertinent dans les matériaux magnétiques doux.

4. Défis et limites potentiels

4.1 Coût et disponibilité

• Les terres rares comme le néodyme et le dysprosium sont coûteuses et leur approvisionnement est soumis aux aléas de la chaîne logistique. Leur utilisation dans les semi-conducteurs Alnico est limitée à des niches de haute performance où le coût est secondaire par rapport à la performance.

4.2 Complexité du traitement

• Les terres rares ont des points de fusion et une réactivité élevés, ce qui complique la fusion et la coulée des alliages. Un contrôle précis des niveaux de dopage est essentiel pour éviter la fragilisation ou la ségrégation de phases.

4.3 Rendements décroissants

• Au-delà de l'état de traces (par exemple, >1 %), les terres rares peuvent former des composés intermétalliques fragiles (par exemple, des phases La-Fe), dégradant ainsi les propriétés mécaniques. La concentration optimale varie selon la composition de l'alliage et le traitement thermique.

5. Études de cas et preuves expérimentales

5.1 Alliages à haute entropie de type Alnico dopés au La

• Des recherches sur les alliages AlCoCrFeNi₂.₁ montrent que l'ajout de La (0,5 à 1 % en poids) augmente la dureté de 15 à 20 %, la limite d'élasticité de 20 à 30 % et la résistance à la corrosion dans une solution de NaCl à 3,5 % en réduisant la densité de courant de corrosion de 50 %. Les mesures magnétiques révèlent une légère augmentation de la rémanence (Br) et une réduction de la coercivité (Hc), attribuées à un affinement de la structure granulaire.

5.2 Sc-Alnico 5 modifié

• L'ajout de scandium (0,1 à 0,3 % en poids) à l'Alnico 5 affine la structure cristalline colonnaire, améliorant la ductilité mécanique de 10 à 15 % sans compromettre le produit d'énergie magnétique (BHmax). Ceci permet de réaliser des aimants plus fins pour des dispositifs miniaturisés.

5.3 Alnico contenant du cérium pour l'aérospatiale

• Le cérium est utilisé dans les variantes Alnico pour les capteurs de moteurs à réaction en raison de sa capacité à maintenir une stabilité magnétique à des températures supérieures à 400 °C, tout en résistant à la corrosion induite par le soufre dans les environnements riches en carburant.

6. Comparaison avec d'autres types d'aimants

• Comparaison avec les aimants NdFeB : Bien que les aimants NdFeB offrent un BHmax plus élevé, ils sont sensibles à la corrosion et à la démagnétisation thermique. Les aimants Alnico dopés aux terres rares constituent une alternative économique pour les environnements à haute température et sujets à la corrosion.
• Comparaison avec les aimants en ferrite : les aimants Alnico surpassent les aimants en ferrite en termes de stabilité thermique et de résistance mécanique, bien que ces derniers soient moins chers. L’ajout de terres rares réduit encore cet écart dans des applications de niche.

7. Tendances futures

• Dopage en REE par gradient : Adaptation de la distribution des REE au sein de l'aimant pour optimiser localement les propriétés (par exemple, une coercivité plus élevée sur les bords).
• Recyclage des terres rares : Récupérer les terres rares contenues dans les aimants en fin de vie afin de réduire l'impact environnemental et les coûts.
• Aimants hybrides : Combinaison d'Alnico avec des phases magnétiques douces (par exemple, Fe-Si) pour créer des aimants composites à perméabilité ajustable.