Construction du diagramme de phase Gd-Fe-Cu à 800°C:

800°C, Gd2Fe17 (structure de type Th2Zn17), GdFe3 (structure de type PuNi3) et GdFe2

(structure de type MgCu2). Nous avons montré aussi à l'aide des analyses par MEB-EDS et diffraction des rayons X sur poudre que le composé Gd6Fe23 n'est pas stable à la température d’étude parceque il se décompose en deux phases binaires en équilibre thermodynamique: Gd2Fe17 et GdFe3.

En outre, nous avons attribuée une attention particulière à l'évaluation des domaines d’homogénéité des différentes phases, et de leurs équilibres. Les types structuraux rapportés pour toutes les phases ont été confirmés. Deux phases binaires GdFe2 et Gd2Fe17 du diagramme binaire Gd-Fe ont des extensions dans le système Gd-Fe-Cu. Ceci correspond à deux domaines d’homogénéité plus ou moins étendu, dû à la substitution du fer par le cuivre. D'une part, la solubilité du cuivre a été évaluée avec un taux de substitution allant jusqu’à x =

Le système ternaire Gadolinium-Fer-Cuivre

Page 116 0,2 pour la solution solide GdFe2-xCux aboutissant à la formule chimique suivante GdFe1,8Cu0,2. D'autre part, la structure de type Th2Zn17 est stable dans un domaine d’homogénéité plus au moins large de Gd2Fe17-xCux. La limite de cette solution solide est estimée à 7,89 at%. Cu et correspond à la formule chimique Gd2Fe15,5Cu1,5. Etant donné que les analyses de la diffraction des rayons X et de MEB-EDS montrent que l’ajout du cuivre dans les compositions GdFe3-xCux n’a pas pu stabiliser la phase PuNi3, on peut conclure que le composé GdFe3 ne présente pas une extension dans le système ternaire Gd-Fe-Cu.

Après l'étude de tous les composés sur le segment Gd-Cu, nous avons prouvé la stabilité de cinq composés binaires stables à 800 °C qui sont: GdCu (structure de type CsCl), GdCu2

(structure de type KHg2), GdCu5 (structure de type CaCu5), Gd0,8Cu5,4 (structure de type Cu5,44Tb0,78) et Hcp(GdCu) (structure de type Mg). L’affinement Rietveld couplé aux analyses MEB-EDS ont permis d'identifier quatre solution solides qui n'ont jamais été publiés dans le diagramme ternaire et d'évaluer précisément leurs domaines de solubilité. En effet, les maximums de solubilité du fer dans les deux solutions solides GdCu5-xFex et Gd0,8Cu5,4-xFex

sont d'ordre 3,33 at.%. Fe et 3,22 at.%. Fe, respectivement. Dans l'extension binaire GdCu2-x

Fex, le fer y est dissout jusqu'à 17 at.%. Fe. La limite de la solution solide GdCu1-xFex est estimée à 25 % at. Fe aboutissant à la formule chimique GdCu0,5Fe0,5. La substitution de cuivre par le fer n’a provoqué aucun changement structural au niveau des composés substitués.

Nous avons identifié un nouveau composé ternaire nommé A, de composition Gd6Fe20,5Cu2,5, qui cristallise le système cubique de type structural Th6Mn23.Le composé ternaire A est le point d'intersectionentre les trois régions ternaires 6, 7 et 8 (figure 3.50).

Le diagramme de diffraction des rayons X sur poudre de l'échantillon de composition nominale Gd6-Fe21,5-Cu1,5situé dans la région ternaire 8 (figure 3.47), s’indexe sur la base des trois phases de type PuNi3, Th6Mn23 et Th2Zn17, indiquant l'équilibre tri-phasique entre la phase binaire GdFe3, la limite de la solution solide Gd2Fe17-xCux et Gd6Fe20,5Cu2,5 (voir figure 3.43).

Le système ternaire Gadolinium-Fer-Cuivre

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Figure 3.43 Diffractogramme des rayons X de l'échantillon de composition nominale

Gd6-Fe21,5-Cu1.

De plus, la micrographie du composé intermétallique de composition Gd6-Fe21,5-Cu1,5, présentée sur la figure 3.44, est en accord avec les résultats de la diffraction des rayons X, montrant la coexistence de GdFe3, Gd2Fe15,5Cu1,5 et Gd6Fe20,5Cu2,5 dans cet échantillon.

Figure 3.44 Image MEB-EDS de l'alliage de composition nominale Gd6-Fe21,5-Cu1,5

présentant l'équilibre tri-phasique entre GdFe3, Gd2Fe15,5Cu1,5 et Gd6Fe20,5Cu2,5.

En outre, l’identification des phases à l’aide de la microscopie électronique à balayage de l'échantillon de composition Gd0,16-Fe0,71-Cu0,12 situé dans la région ternaire 6 (figure 3.47) montre l’équilibre thermodynamique entre la limite de la solution solide Gd2Fe17-xCux, la limite de la solution solide GdCu1-xFex et le composé Gd6Fe20,5Cu2,5, comme le montre la figure 3.45.

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Figure 3.45 Image par MEB/EDS de la composition nominale Gd0,16-Fe0,71-Cu0,12

montrant l'équilibre tri-phasique entre les phases GdCu0,85Fe0,15, Gd2Fe15,5Cu1,5 et Gd6Fe20,5Cu2,5.

L'image MEB présentée sur la figure 3.46 prouve que la composition nominale Gd0,22-Fe0,62-Cu0,08, élaborée dans la région ternaire 7 du diagramme Gd-Fe-Cu (figure 3.47), montre un équilibre thermodynamique entre GdCu0,85Fe0,15, Gd6Fe20,5Cu2,5 et GdFe3.

Figure 3.46 Image MEB de la composition Gd0,22-Fe0,62-Cu0,08 présentant l'équilibre

tri-phasique entre GdCu0,85Fe0,15, Gd6Fe20,5Cu2,5 et GdFe3.

Dans la zone riche en gadolinium, nous avons identifié une région liquide dans le domaine de composition qui s’étend de 58 vers 75 at.% Gd. Nous avons mis en évidence également une autre petite zone liquide dans le domaine de composition qui s’étend de 42 vers 47at.% Gd. Toutes les compositions synthétisées dans ces régions liquides passent d’un état solide vers un état liquide à la température 800°C.

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Page 119 Somme toute, nous avons réussi à construire la section isotherme Gd-Fe-Cu à 800°C (figure 3.47) à partir des résultats expérimentaux obtenus par l’analyse de la diffraction des rayons X, et de la microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à la microanalyse EDS, pour un total de 130 échantillons à différentes compositions.

Figure 3.47 Section isotherme à 800°C du système Gd-Fe-Cu.

Dans cette section isotherme, nous avons confirmé la présence de 12 phases unaires, 11 régions phasiques (colorés en gris) et 10 régions tri-phasiques. Toutes les régions bi-phasiques et tri-bi-phasiques du système Gd-Fe-Cu sont rassemblées dans le tableau 3.15 et 3.16 respectivement.

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Tableau 3.15 Les équilibres bi-phasiques dans le diagramme ternaire Gd-Fe-Cu.

Région Composition 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Gd0,8Cu5,4-xFex+ Cu Gd0,8Cu5,4-xFex + GdCu5-xFex GdCu2+ GdCu5-xFex GdCu2-xFex + Gd2Fe17-xCu x GdCu2-xFex+ GdCu1-xFex GdFe2-xCux + GdCu1-xFex Hcp(GdCu) + GdCu1-xFex Hcp(GdCu) + GdFe2-xCux GdFe3+ GdFe2-xCux GdFe3+ Gd2Fe17-xCu x Fe+ Gd2Fe17-xCu

Tableau 3.16 Les équilibres tri-phasiques dans le diagramme ternaire Gd-Fe-Cu.

Région Composition 1 2 3 4 5 6 7 8 Gd0,8Cu5,4+ Fe +Cu Gd0,8Cu5,4+ Fe +GdCu5 GdCu2+ GdCu5-xFex+ Fe Fe+ GdCu2+ Gd2Fe17-xCu x GdCu2-xFex+ GdCu1-xFex + Gd2Fe 17-x Cux Gd6Fe23-xCux + GdCu1-xFex + Gd2Fe 17-x Cux Gd6Fe23-xCux + GdCu1-xFex + GdFe3 GdFe3+ Gd6Fe23-xCux + Gd2Fe 17-x Cux

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9 10

GdFe3+ GdCu1-xFex + GdFe2-xCux

Hcp(GdCu) + GdCu1-xFex + GdFe2-xCux

3.4 Conclusion partielle:

L’étude complète du diagramme de phase Gd-Fe-Cu a permis de confirmer les données de la littérature, de délimiter les différentes solutions solides et de tracer les différents domaines d’équilibre. Dans le systeme binaire Gd-Fe, nous avons mis en évidence la formation de deux domaines d’homogénité à 800°C: GdFe2-xCux qui s’étend de x = 0 à x = 0,2 et Gd2Fe17-xCux

qui s’étend de x = 0 à x = 1,5. Alors que, la substitution du Fe par le Cu dans le système GdFe3-xCux n’a pas pu stabiliser la phase PuNi3. En outre, le binaire Gd6Fe23 n'est pas stable à 800°C parceque l’affinement Rietveld du diffractogramme des rayons X de ce composé montre la présence de deux phases GdFe3 et Gd2Fe17 en équilibre thermodynamique. La substitution du fer par le cuivre dans les solutions solides GdFe2-xCux et Gd2Fe17-xCux, mène à une diminution au niveau des paramètres de maille parceque le rayon atomique de Cu est plus petit que celui de Fe. Les travaux effectués sur ce diagramme de phase ont conduit aussi à la découverte de quatre extensions binaires dans le système Gd-Cu, qui sont GdCu5-xFex (0 ≤ x ≤ 0,2), Gd0,8Cu4,5-xFex (0 ≤ x ≤ 0,2), GdCu2-xFex (0 ≤ x ≤ 0,6) et GdCu1-xFex (0 ≤ x ≤ 0,5). La symétrie cristalline de ces composés est conservée dans toute la gamme de composition x. Dans l'ensemble, grâce à la diffraction des rayons X couplé aux analyses MEB-EDS, nous avons construit le diagramme Gd-Fe-Cu à 800°C qui renferme 12 phases unaires, 11 régions bi-phasiques et 10 régions tri-phasiques.

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