Présentation
Auteur(s)
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Pierre BARBERIS : AREVA-NP/Centre de Recherches de CEZUS (Ugine)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le zirconium a été découvert en 1789 par Klaproth et obtenu pour la première fois sous forme métallique impure en 1824 par Berzelius. Il a fallu attendre 1925 pour que ce métal soit obtenu en laboratoire sous forme très pure et donc très ductile par Van Arkel et De Boer.
Le hafnium n'a été isolé qu'en 1923 par Coster et De Hevesy. La volonté de construire des sous-marins à propulsion nucléaire a conduit à retenir le zirconium comme seul élément de structure pouvant convenir pour la construction d'un réacteur compact. Ce besoin, à une époque où la métallurgie du zirconium n'existait pas, a initié, d'abord aux États-Unis, puis en France, d'importantes études dont les principaux thèmes furent :
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l'obtention de zirconium ductile ;
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la séparation zirconium-hafnium ;
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la mise au point des fours de fusion ;
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la recherche d'alliages résistant à la corrosion aqueuse ;
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les conditions de transformation ;
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le comportement sous irradiation.
La métallurgie de ces métaux a amorcé son développement industriel vers 1950, aux États-Unis, et vers 1960, en France. En 2005, la capacité mondiale est d'environ 7 000 tonnes d'alliages de zirconium, les principaux producteurs étant les Etats-Unis, la France, la Russie et l'Inde. Avec la renaissance du nucléaire, elle devrait s'accroître dans les prochaines années, avec de nouveaux acteurs.
Les capacités en hafnium sont très limitées et dépendent de celles du zirconium puisque les seules sources de hafnium sont les minerais de zirconium qui n'en contiennent que 2 à 4 %. Ces métaux, développés initialement pour des applications uniquement nucléaires, voient leur champ d'application s'élargir du fait d'une excellente résistance à la corrosion dans de nombreux milieux agressifs.
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- Version courante de févr. 2015 par Pierre BARBERIS
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Principaux alliages et applications1. Propriétés physiques
Le tableau 1 résume les principales caractéristiques physiques du zirconium et du hafnium. Certaines sont très comparables d'un métal à l'autre.
En revanche, la section de capture, par exemple, qui a motivé leur développement respectif, est très différente, ce qui nécessite une séparation Hf/Zr très poussée au niveau de la métallurgie extractive.
Pour ces métaux, il existe deux variétés allotropiques :
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l'une, de structure hexagonale, compacte à basse température, appelée « phase α » ;
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l'autre, de structure cubique centrée, stable à haute température, appelée « phase β ».
Le rapport c/a de la phase α est de 1,593 pour le zirconium, et de 1,581 pour le hafnium, c'est-à-dire inférieur à la valeur théorique de 1,633 pour un métal de structure hexagonale compacte. Il s'agit d'une des particularités des métaux à structure hexagonale de la famille IV A. Cela induit une anisotropie notable des propriétés du monocristal et, par suite, le développement d'une texture cristallographique et d'une anisotropie des propriétés du produit fini. Cela est particulièrement vrai pour les propriétés mécaniques (limite élastique, limite à rupture, allongement, fluage) et la dilatation thermique.
Ces métaux réagissent avec de nombreux éléments, en particulier l'oxygène, le carbone, l'azote, pour former des composés très stables.
Notons également l'existence d'un eutectique, vers 950 à 1 000 °C, avec plusieurs éléments tels que le fer et le nickel (voir Nota).
Nota : un eutectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante. C’est-à-dire que son comportement, du point de vue de la fusion, est celui d’un corps pur.
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