Thèse Chimie des Bains pour la Synthèse d'Alliages d'Aluminium - Scandium Etude Rmn à Haute Température et Modélisation de Systèmes Nacl - Kcl-Scf3-Al H/F

Université d'Orléans

Établissement : Université d'Orléans
École doctorale : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
Laboratoire de recherche : CEMHTI - Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation
Direction de la thèse : Aydar RAKHMATULLIN ORCID 0000000273285081
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-16T23:59:59

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 600 °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.

Ce travail de thèse étude s'inscrit dans le cadre d'un projet plus global visant à surmonter les obstacles liés à l'extraction et à la production de métaux tels que le scandium en optimisant un procédé de production moins couteux et plus respectueux de l'environnement. Basé sur l'utilisation d'un mélange mixte de sels de fluorure et de chlorure, ce nouveau procédé facile à mettre en oeuvre, permettra une production efficace et flexible d'oxyde de scandium (ScO), de fluorure de scandium (ScF), ainsi que d'alliages aluminium-scandium très performants.
Cependant, en raison de la forte volatilité des chlorures et de leur capacité à former de nombreux composés intermédiaires avec les chlorures alcalins notamment, le principal défi de cette recherche sera de gérer l'évolution de la composition chimique au cours du processus et d'évaluer leur influence sur la spéciation et le potentiel redox des bains étudiés.

Le scandium est un métal de transition utilisé depuis plusieurs décennies dans la fabrication de piles à combustible à oxyde solide pour des applications d'éclairage à haute intensité, ainsi que dans la conception d'alliages Al-Sc à haute performance employés dans l'aéronautique.
L'incorporation de scandium dans l'aluminium augmente en effet la résistance à la traction et à la corrosion, dépassant celle de tous les autres éléments d'alliage. De surcroît, le scandium élève la température de recristallisation des alliages d'aluminium à plus de 600 °C, ce qui permet leur traitement thermique.
Aujourd'hui, la mise en place de nouvelles méthodes de raffinage du scandium pour abaisser les coûts élevés de sa production constitue un défi majeur, car la demande en matières premières de haute pureté ne cesse de croître.

Nous travaillons depuis plusieurs années sur une technique de réduction aluminothermique du fluorure de scandium (ScF3) dans des mélanges de fluorures fondus NaF-ScF3. Pour optimiser le procédé mis au point, nous envisageons d'étendre aujourd'hui cette approche en combinant des chlorures avec des fluorures fondus. L'objectif est d'augmenter grâce à ces mélanges mixtes de chlorures et de fluorures, le rendement d'extraction du scandium tout en abaissant la température du bain. En effet, comparés aux sels fluorurés, les sels chlorurés fondus offrent une meilleure stabilité thermochimique, une solubilité accrue et des points de fusion plus bas.

Pour caractériser d'un point de vue physico-chimique les bains et suivre les espèces présentes en fonction de leur composition et de leur température, nous souhaitons coupler des mesures par spectroscopie RMN à haute température avec des simulations par dynamique moléculaire. Ces simulations permettront également de déterminer des propriétés de transport (conductivité thermique, viscosité) difficilement accessibles expérimentalement.
Ces mesures seront complétées par des données thermodynamiques obtenues par des analyses thermiques in situ (DSC, ATG).