Le vingt-cinquième webinaire de l’association aura lieu le lundi 03 février 2025 de 13h30 à 14h30. Il sera animé par Mathias Desseaux de l’Université Claude Bernard – Lyon 1 et s’intitule : « Thermodynamique haute température et haute pression du système Mg – Fe. Acquisition de données et modélisation Calphad ».
Résumé :
L’étude expérimentale des systèmes présentant des interactions fortement répulsives, ce qui est le cas pour beaucoup de systèmes Mg-X (X = Fe, Cr, Zr …), représente un défi majeur. Elle nécessite soit de travailler à basse température dans des domaines où les solubilités sont très faibles et les analyses quantitatives difficiles, soit de monter en température et d’être alors confronté à la vaporisation et la réactivité du magnésium. Pour le cas particulier du système Mg-Fe, des données disponibles dans la littérature montrent qu’à très haute pression, il serait possible d’augmenter significativement la solubilité de Mg dans le Fe. L’objectif principal de cette étude a été de réexplorer ce système Mg-Fe pour acquérir de nouvelles données sur une gamme étendue de température et de pression, afin de pouvoir réaliser une modélisation thermodynamique du système par la méthode Calphad.
La méthode Calphad et les bases thermodynamiques sur lesquelles cette méthode s’appuie sont utilisées, avec une attention particulière sur les formalismes permettant d’intégrer la variable pression à l’enthalpie libre. Sur la base de différents critères, le formalisme de Lu-Grover (modifié par J.M. Joubert) et celui Eli Brosh sont comparés, de sorte à garder le plus adapté au cas du système Mg-Fe.
Une revue approfondie de la littérature a été menée, en mettant l’accent sur les données volumétriques, diagrammatiques et thermodynamiques des systèmes unaires magnésium et fer, ainsi que sur le système binaire en fonction de la température et de la pression. Cette analyse critique a permis de sélectionner les données pertinentes pour alimenter le modèle Calphad, mais également d’identifier les lacunes dans les données expérimentales concernant le système binaire, dans le but de les combler par des expérimentations appropriées.
Pour l’étude expérimentale à pression ambiante, une méthodologie innovante a été développée pour étudier les équilibres de phases dans les systèmes magnésium-métaux à haute température (entre 1000 °C et 1500°C). Cette approche a été détaillée dans un article (10.1007/s11669-024-01152-5) afin de démontrer ses avantages et ses performances par rapport aux méthodes et données existantes, notamment pour la solubilité du fer dans le magnésium liquide.
Le système Mg-Fe a ensuite été étudié sous diverses conditions de température et de pression croissante, en utilisant un large éventail d’équipements expérimentaux (presse Paris-Edinburgh, presse multi-enclumes, cellule à enclumes de diamant). L’objectif étant de combler les lacunes constatées dans les données expérimentales. Plusieurs d’outils d’analyses ont été utilisés pour exploiter au mieux les échantillons, allant de l’analyse EDS post-mortem d’échantillons traités dans des conditions isothermes et isobares, à l’étude in situ sous rayonnement synchrotron. Cette dernière étude de diffraction des rayons-X sous rayonnement synchrotron en cellule à enclumes de diamants et chauffage laser a permis de confirmer la stabilisation en pression d’une phase intermétallique A13_Fe2Mg3 (structure type-Mn), prévue par le calcul DFT, ainsi que de l’existence d’une extension de la solution de Fe dans le Mg en structure BCC.
Ces nouvelles données ont été finalement compilées et utilisées pour la réalisation d’une modélisation thermodynamique du système Fe-Mg, en fonction de la pression et de la température, afin de reproduire le plus fidèlement possible les observations expérimentales et de permettre une extrapolation fiable à des conditions encore inexplorées. Les équations d’états P-V-T et les modélisations Calphad de la phase BCC du magnésium pur ainsi que de la nouvelle phase intermétallique A13_Fe2Mg3 sont obtenues.