Principales applications de l'yttrium dans les alliages et les phosphores

Introduction

L'yttrium, dont la formule chimique est Y, est l'un des éléments de terre rare en raison de ses propriétés physiques et chimiques similaires à celles des autres éléments de terre rare et pour des raisons historiques anciennes. Il s'agit d'un métal de transition argenté et mou, chimiquement similaire au groupe des lanthanides, en particulier au groupe des terres rares lourdes, dont le numéro atomique est compris entre 63 et 71. La configuration électronique de l'yttrium est [Kr]^5s24d1. Il préfère perdre 3 électrons pour former une structure stable à 8 électrons, de sorte que son état d'oxydation est +3. _Y2O3 est l'un des composés d'yttrium les plus couramment utilisés.

L'yttrium est présent à hauteur de 31 ppm dans la croûte terrestre et est le^28e élément le plus abondant, environ 26 000 fois plus commun que l'or, Au. L'yttrium est généralement présent avec d'autres lanthanides dans les minéraux de terres rares en tant que sous-produit. La plupart de l'yttrium provient des trois sources suivantes :

1. Xénotime: un minéral phosphaté qui contient de l'orthophosphate d'yttrium (_YPO4)
2. Monazite: un minéral phosphaté brun-rougeâtre qui contient des éléments de terres rares
3. Bastnaesite: minéral de fluoro-carbonate de calcium contenant du cérium, du lanthane et de l'yttrium.

L'yttrium est largement utilisé dans de nombreux domaines tels que les phosphores dans les tubes de télévision, l'éclairage à haut rendement énergétique et les piles à combustible [2], la métallurgie, les céramiques, les supraconducteurs, etc. Cet article se concentre principalement sur l'yttrium utilisé dans les alliages et les phosphores.

L'yttrium utilisé comme additif dans les alliages

L'yttrium est utilisé dans l'industrie des alliages en raison de ses effets désoxydants, désulfurants, dénitrifiants ou dégazants, qui s'expliquent par son faible potentiel d'oxydation thermodynamique [1]. L'ajout d'une certaine quantité d'yttrium dans un alliage Ni-20Cr, par exemple, peut améliorer considérablement sa résistance à l'oxydation à haute température. Mais les raisons détaillées sont encore inconnues, bien que de nombreuses hypothèses et recherches aient été effectuées. Deux explications sont possibles :

1. L'ajout d'yttrium peut réduire le gain de masse de l'alliage. (Le gain de masse est l'augmentation totale de la masse d'un alliage due à l'absorption d'atomes ou de molécules provenant de l'environnement. Elle peut être causée par la corrosion, l'oxydation et la précipitation).
2. L'ajout d'yttrium améliore l'adhérence de la surface des alliages.

L'alliage d'alumine additionné d'yttrium est pris ici comme exemple.

Alliage Fe-20Cr-4Al et implantation d'yttrium

Fe-20Cr-4Al est un alliage composé de 20 % de Cr, 4 % d'Al et de Fe comme fer d'équilibre. Il est souvent utilisé dans des applications à haute température telles que les chambres de combustion ou les échangeurs de chaleur. Il présente une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température.

Voici les étapes de l'implantation de l'yttrium dans l'alliage Fe-20Cr-4Al :

Répéter le laminage à chaud et à froid de l'alliage Fe-20Cr-4Al pour obtenir une feuille de 0,5 mm d'épaisseur. Utiliser l'implanteur pour implanter des ions d'yttrium dans l'alliage. Utilisez la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) pour mesurer avec précision la concentration d'yttrium dans l'alliage. Nous utilisons ici des alliages implantés de 0,01 % à 0,5 % d'Y.

Expérience et discussion des résultats

Utiliser des alliages Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5)Y et les exposer sous _O2 pendant 5h sous 1200℃. La figure 1 montre une diminution du gain de masse du Fe-20Cr-4Al au Fe-20Cr-4Al-0.1Y. Ensuite, le gain de masse augmente à nouveau [1].

Figure 1 : Changement de gain de masse des alliages Fe-20Cr-4Al-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y sous 5h à1200℃ dans l'_O2 [1].

Lafigure 2 montre l'aspect de surface de ces alliages après l'exposition à l'O2. La surface de l'alliage FeCrAl standard commence à se détacher.

De (b) à (h), ils forment tous deux une surface d'oxyde pour protéger le matériau au milieu. (b) et (c) ont encore de légères épaufrures sur leur surface. Au fur et à mesure que la concentration en yttrium augmente, la surface d'oxyde se forme mieux pour se protéger. De 0,1Y à 0,5Y, leurs surfaces sont beaucoup plus sombres que celles de 0Y à 0,05Y. En utilisant la diffraction des rayons X pour détecter la surface des alliages, nous obtenons les observations suivantes [1].

(a) forme une structure de surface cristalline Al2O3 très faible. De (b) à (h), ils forment tous une structure cristalline Al2O3 forte.

De (f) à (h), ils forment également des structures cristallines Y3Al5O12 très faibles.

_Y3Al5O12, également appelé grenat d'alumine et d'yttrium (YAG), est un matériau synthétique qui présente des caractéristiques de haute température, de haute résistance et de stabilité chimique. La formation de YAG peut être l'une des raisons pour lesquelles le gain de masse passe de 0,1Y à 0,5Y. Mais cette augmentation du gain de masse ne signifie pas que la résistance à l'oxydation à haute température de l'alliage diminue. En fait, à mesure que la concentration en Y augmente, l'alliage présente une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température.

Figure 2 : photos de surface des alliages FeCrAl-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y sous 5h à1200℃ dans _O2 [1]. (a) 0Y ; (b) 0Y avec purifié ; (c) 0.01Y ; (d) 0.02Y ; (e) 0.05Y ; (f) 0.1Y ; (g) 0.2Y ; (h) 0.3Y

Yttrium utilisé dans les luminophores

Lesluminophores sont des substances qui reçoivent des radiations et émettent de la lumière. Le principe de base est que les électrons orbitaux du phosphore reçoivent l'énergie du rayonnement, sont excités et passent à des orbitales supérieures. Enfin, ces électrons retournent à leur état fondamental. L'énergie produite par ce comportement émet de la lumière.

Les éléments utilisés dans le luminophore ont une incidence directe sur la lumière émise par le luminophore. En raison de l'émission rouge stable, étroite et efficace de l'yttrium, Y2O3 est utilisé dans les luminophores pour les téléviseurs couleur, les écrans d'ordinateur, les diodes électroluminescentes (DEL) et les écrans renforcés par des rayons X [2].

Les diodes électroluminescentes générales produisent une lumière blanche froide. Les diodes électroluminescentes à lumière blanche chaude convertie au phosphore (pc-WLED) constituent la nouvelle technologie des LED [3]. Le Y2O3 nanométrique peut ajouter des composants rouges au phosphore pour que les LED émettent une lumière plus chaude et de meilleure qualité.

Conclusion

L'yttrium est l'une des terres rares. En raison de ses propriétés uniques, l'yttrium est largement utilisé dans les luminophores et les alliages. Il existe encore de nombreuses applications et de nombreux composés d'yttrium qui ne sont pas mentionnés aujourd'hui. Stanford Advanced Materials (SAM) fournit différents types d'yttrium. Si vous souhaitez obtenir plus d'informations sur l'yttrium ou les composés d'yttrium, vous pouvez fournir vos informations d'application à notre personnel technique pour obtenir des conseils.

Référence

1. Volkerts, B. D. (Ed.). (2010). Yttrium : Compounds, production, and applications : compounds, production and applications. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Zhang, K., Kleit, A. N., &amp ; Nieto, A. (2017). An economics strategy for criticality - application to rare earth element yttrium in new lighting technology and its sustainable availability. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 899-915. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.127
3. Petry, J., Komban, R., Gimmler, C., &amp ; Weller, H. (2022). Simple one-pot synthesis of luminescent europium doped yttrium oxide y2O3:eu nanodiscs for phosphor-converted warm white LEDs. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e