MICrostructures taylored by MAGnetic PROcessing (MICMAGPRO) Sophie RIVOIRARD1, Olivier GEOFFROY2, Thierry WAECKERLE3 1CNRS/CRETA, Grenoble, 2INPGrenoble/G2Elab, 3APERAM, Imphy Contexte sociétal population mondiale Croissance économique Amélioration du confort Besoins en Energie Human development New energy concept Residential electricity consumption since 1949. Electric losses include energy lost from generation, transmission, and distribution. 2 Data from Annual Energy Review , 2008, pp. 41 -45 Matériaux magnétiques fonctionnels et magnétoscience Matériaux magnétiques Energy Storage Ex: Conversion d’énergie Moteurs Générateurs Energy Transport Energy Production By Matériaux magnétiques doux et durs Energy Conversion Développement de matériaux aux performances accrues ou à moindre coût 3 Matériaux magnétiques : Contexte panoramique Nanocristallins nanophy FeCo : diminuer %Co, Hc Nanocristallins, FeNi : optimiser m MICMAGPRO: Qui fait quoi ? Elaboration matériaux, sélection des nuances ANR-08-MAPR-2301 Caractérisations fluxmétriques, modélisation Recuits sous champ, caractérisations structurales, modélisation Les champs forts au CRETA pour MicMagPro Earth field Matériaux magnétiques : Propriétés fonctionnelles Bs m Hc Br Volume, masse dissipation forme du cycle ( cahier des charges), sensibilité ( capteurs…) B H Cycle rectangulaire Cycle couché (Br mm ) Alliages FeCo Situation : BS = 2.4 T Austenite: γ – paramagnétique CFC Ferrite: α – ferromagnétique CC Intérêt stratégique dans l’embarqué, mais… Fe–49%Co-2%V Fe–27%Co 2 Challenges : optimisation de la taille des grains (repousser Tag pour pouvoir augmenter Trecuit ) cycle rectangulaire: texture de Goss? FeCo : équilibre alpha/gamma sous champ magnétique Détermination expérimentale de Tag : dilatométrie sous champ a a b d e c f 10cm d 1cm Laser interferometer precision < 100 nm, Max temp 1500K S. Rivoirard, T. Garcin, E. Beaugnon, F. Gaucherand, Rev Scientific Instruments 80, 103901 (2009) ENERGIE DE GIBBS Equilibre s de phases sous champ magnétique : principe Tt0T (sans champ) TtB (avec champ) Ferrite ferromagnétique dG = dH – TdS –MdB ΔT Austenite paramagnétique TEMPERATURE Domaine de stabilité de la ferrite repoussé vers les hautes températures Dtag ~ 2°C / T FeCo49V2 B T B 0T T B 0T T eq M mol ( M M )dB eq H µ0 0 FeCo27 Grossissement de grains à Trecuit > T α/γ (0T) 0T 4T 7T 10T 12T 16T Volume fraction 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 AFK1 - heating 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 Temperature (°C) 100µm 100µm 100µm Propriétés magnétiques fonctionnelles Propriétés magnétiques statiques et dynamiques Hc divisée par 2 par un recuit à 7T Wtot (2 Hz) divisées par ~50% par un recuit à 7T Analyse expérimentale de la texture {111} Y1 {110} {100} Densities (mud): Min= 0,01, Max= 8,00 0T 1 2 3 4 5 6 7 X1 Happ {111} Y1 {110} {100} Densities (mud): Min= 0,01, Max= 8,00 7T X1 Composante majoritaire : texture Goss Composante minoritaire diminuée par l’application du champ 1 2 3 4 5 6 7 Les champs forts dans le cycle thermique d’un FeNi 1170°C (6h) - H 2 Temperature Grains growth 700°C ~500°C ~400°C K1 = 0 K 0 0 mettalurgy optimisation Time Revue Bilan Matériaux Fonctionnels et Procédés Innovants 2008 u field annealing Recuit sous champ : les leviers expérimentaux Trecuit diffusivité durée Trecuit + H J Ku ~ J 3-2 0,5 0,4 0,3 Sources de champ classiques : J(T, H) = Js(T) Trecuit < TC B= 0 B= 7T J / JS0 0,2 0,1 T / TC 0,0 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 Polarisation en fonction du champ appliqué pour un permalloy Intérêt des champs forts : J(T, H) > Js(T) A Trecuit identique Ku k Trecuit k Diffusivité k durée de recuit m Revue Bilan Matériaux Fonctionnels et Procédés Innovants 2008 Résultats FeNi80 permalloys: FeNi : Ku(7T) = 5 Ku(0.05T) µ(7T) = µ(0.05T) / 8 TC = 380 °C Tindus = 350 °C Durée = 1 h. T(7T) = 400 °C Ku(10 min) = 0.9 Ku(60 min) Revue Bilan Matériaux Fonctionnels et Procédés Innovants 2008 MicMagPro : conclusions Leviers Association d'un champ magnétique au procédé métallurgique Modification des équilibres de phase à travers l'ajout d'un terme d'énergie magnétique Modifications microstructurales (textures, tailles de grains...). Ajout d’une anisotropie magnétique induite. Résultats principaux Une efficacité des matériaux magnétiques pour l’énergie grandement améliorée (réduction des pertes dans les alliages FeNi, nanocristallins et FeCo): Fe-Co27% (NO): Hc=20 A/m, B800=1.87T, Propriétés mécaniques accrues (alliage superduplex) conduisant à des dispositifs plus légers Raccourcissement de la durée des traitements métallurgiques, suppression de certaines étapes grâce à la technologie des aimants supraconducteurs (impact environnemental faible) Remerciements B. Frincu R. Madugundo O. Geoffroy T. Waeckerle V. Perrin Guérin R. Bousquet ANR-08-MAPR-2301