Chimie des bains pour la synthèse d'alliages d'aluminium - scandium: etude rmn à haute température et modélisation de systèmes nacl/kcl-scf3-al // bath chemistry for the synthesis of aluminum–scandium alloys: high-temperature nmr study and modeling of na

Topic description

Il est aujourd'hui bien établi qu'une faible quantité de métal de terre rare, comme le scandium, comprise entre 0,1 wt.% et 0,45 wt.%, lorsqu'elle est incorporée dans des alliages d'aluminium, augmente de manière significative la résistance à la traction ainsi que les propriétés physiques de ces d'alliages. Le scandium renforce en effet les matériaux à base d'aluminium selon trois voies distinctes: raffinage du grain, durcissement par précipitation et prévention de la recristallisation ou diminution de la croissance des grains. La présence de scandium élève notamment la température de recristallisation des alliages d'aluminium à plus de °C, ce qui est suffisant pour que ces alliages d'aluminium puissent être traités thermiquement.
Actuellement, établir des conditions économiquement viables pour la production de scandium constitue une démarche pertinente, car la demande de matières premières de scandium de haute pureté, surtout dans l'industrie aérospatiale, qu'il s'agisse d'oxydes ou de fluorures, est en plein essor. Cependant, le coût élevé du scandium entrave la mise en service de sa production à grande échelle.
Pour proposer une alternative à cette difficulté, nous étudions depuis plusieurs années, la réaction de réduction aluminothermique du fluorure de scandium dans un mélange NaF-ScF3. L'idée ici est de poursuivre ce travail en étudiant cette fois-ci des mélanges mixtes de chlorures et de fluorures de scandium afin de d'augmenter le rendement de l'extraction du scandium tout en réduisant la température du bain. Pour mener à bien cette étude, nous proposons de caractériser la chimie de ces mélanges en couplant des mesures in situ par RMN à haute température et des simulations de dynamique moléculaire. Nous souhaitons nous intéresser tout particulièrement aux systèmes NaCl-ScF3// NaCl-ScCl3, KCl-ScF3//KCl-ScCl3, et NaCl-KCl-ScF3, en sondant l'environnement local autour des ions présents dans ces sels par l'observation des isotopes 23Na, 35Cl, 37Cl et 45Sc, en fonction de la composition et de la température. Dans un second temps, nous prévoyons d'étudier des compositions de mélanges identiques à celles utilisées pour la production d'alliages intermétalliques Al3Sc. Pour cela nous envisageons d'utiliser des mélanges de chlorure de sodium et de potassium avec du fluorure de scandium lors de l'ajout d'aluminium métallique. L'étude des sels solidifiés sera réalisée par RMN à l'état solide et par diffraction des rayons X.
Les mesures de déplacements chimiques en fonction de la composition et de la température des mélanges seront complétées par des mesures de temps de relaxation, et de coefficients de diffusion dans le liquide à haute température. Cet ensemble de données expérimentales sera combiné par des simulations de dynamique moléculaire classique (DM) pour déterminer la spéciation et les propriétés de transport (diffusion, conductivité, viscosité) dans ces liquides. Ces grandeurs contribueront ensuite à enrichir les bases de modèles thermodynamiques utilisés pour décrire ces systèmes extrêmement difficiles à caractériser.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

It is well established fact that tiny infusion of a rare earth metal scandium (0.1 wt.% to 0.45 wt.%,) to aluminum alloys radically improves the tensile strength and desirable physical properties of the alloy product. Scandium strengthens aluminum products in three distinct paths: grain refining, precipitation hardening, and preventing recrystallization, or diminish grain growth. Scandium raises the recrystallization temperature of aluminum alloys to further aloft °C, which is well enough for the heat treatable aluminum alloys.
Currently, the establishment of economically profitable conditions for producing scandium is a relevant task, because the requisition for high-purity scandium raw materials, above all in the aerospace industry, whether it is oxide or fluoride, is progressively growing. Meanwhile, the high cost of scandium hinders commissioning its large-scale production.
To offer an alternative to this difficulty, we have been studying the aluminothermic reduction reaction of scandium fluoride in a NaF-ScF3 mixture for several years. The aim here is to continue this work by studying mixed scandium chloride and fluoride mixtures in order to increase scandium extraction yield while reducing the bath temperature.
To carry out this study, we propose to characterize the chemistry of these mixtures by coupling in situ high-temperature NMR measurements with molecular dynamics simulations. We will focus in particular on the systems NaCl–ScF₃//NaCl–ScCl₃, KCl–ScF₃//KCl–ScCl₃, and NaCl–KCl–ScF₃, probing the local environment around ions present in these salts through observation of the isotopes ²³Na, ³⁵Cl, ³⁷Cl, and ⁴⁵Sc as a function of composition and temperature.
In a second step, we plan to study mixture compositions identical to those used in the production of intermetallic Al₃Sc alloys. For this, we intend to use mixtures of sodium and potassium chloride with scandium fluoride when adding metallic aluminum. The study of the solidified salts will be carried out by solid-state NMR and X-ray diffraction.
Measurements of chemical shifts as a function of mixture composition and temperature will be complemented by relaxation time measurements and diffusion coefficient measurements in the high-temperature liquid. This set of experimental data will be combined with classical molecular dynamics (MD) simulations to determine speciation and transport properties (diffusion, conductivity, viscosity) in these liquids. These quantities will subsequently contribute to enriching thermodynamic model databases used to describe these systems, which are extremely difficult to characterize.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Funding further details

Financement d'une collectivité locale ou territoriale