L’Élémentarium
Le hafnium accompagne le zirconium dans ses gisements. En général les deux éléments ne sont pas séparés sauf dans l’industrie nucléaire où le zirconium utilisé dans les gaines de combustible doit être déshafnié car le hafnium absorbe fortement les neutrons. En conséquence, la production de hafnium provient de celle du zirconium déshafnié. Il est principalement utilisé dans l’élaboration de superalliages.
| Numéro atomique | Masse atomique | Configuration électronique | Structures cristallines | Rayon métallique pour la coordinence 12 |
| 72 | 178,5 g.mol-1 | [Xe] 4f14 5d2 6s2 | forme alpha jusqu’à 1 750°C puis forme bêta
|
158,0 pm |
| Masse volumique | Dureté | Température de fusion | Température d’ébullition |
Conductibilité électrique |
Conductibilité thermique |
Solubilité dans l’eau |
| 13,31 g.cm-3 | 5,5 | 2 227°C | 4 602°C | 3,12.106 S.m-1 | 18,4 W.m-1.K-1 | insoluble |
| Électronégativité de Pauling | E° : Hf4+ + 4e = Hf(s) | E° : HfO2(s) + 4Haq+ + 4e = Hf(s) + 2H2O | pKs : HfO(OH)2 |
| 1,3 | -1,70 V | -1,57 V | 25,4 |
Hafnium cristallisé
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Hafnium gazeux
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Le hafnium (Hf), accompagne systématiquement le zirconium dans les minerais, le principal étant le zircon qui est un silicate de zirconium, avec un rapport massique Zr/Hf d’environ 50. Ces deux éléments, appartenant à la même colonne de la classification périodique, se comportent chimiquement de façon identique lors des traitements chimiques et métallurgiques et le hafnium se trouve présent dans tous les composés de zirconium car, en général, les deux éléments ne sont pas séparés sauf pour le zirconium utilisé dans l’industrie nucléaire. En effet, dans cette application, le zirconium qui absorbe peu les neutrons est utilisé comme gaîne du combustible des réacteurs nucléaires et ne doit pas renfermer du hafnium qui lui absorbe fortement les neutrons.
La production de hafnium provient actuellement de celle du zirconium déshafnié, de qualité nucléaire.
Le hafnium est produit par réduction du tétrachlorure de hafnium résultant de la purification du tétrachlorure de zirconium.
Deux voies sont utilisées :
La société australienne Alkane Resources, a en projet le « Dubbo Project » d’exploitation à ciel ouvert d’un gisement polymétallique en Nouvelle Galle du Sud. Ce gisement possède des réserves prouvées de 18,9 millions de t de minerai renfermant 1,85 % de ZrO2, 0,04 % de HfO2, 0,44 % de Nb2O5, 0,03 % de Ta2O5, 0,14 % de Y2O3 et 0,74 % d’oxydes de terres rares. Le traitement envisagé, hydrométallurgique, consisterait en un grillage suivi d’une lixiviation à l’aide d’acide sulfurique puis d’extractions par solvants spécifiques. Les productions prévues sont de 16 374 t/an de ZrO2, 1 967 t/an de nobium contenu dans un alliage alliage Fe-Nb à 65 % de Nb, 6 664 t/an de concentré de terres rares et 50 t/an de HfO2 pouvant, en fonction de la demande, être portée à 200 t/an. Les revenus escomptés, par élément, sont de 42 % pour Zr, 17 % pour Nb, 10 % pour Hf, 25 % pour les terres rares destinées à des applications en magnétisme (Pr, Nd, Dy, Tb, Sm) et 5 % pour les autres terres rares et Y.
L’intérêt de ce projet réside dans le fait que la production de hafnium ne résulterait plus seulement de celle du zirconium déhafnié et qu’elle s’émanciperait du quasi monopole chinois.
En 2016, la production mondiale était d’environ 70 t dont 10 t de recyclage.
En 2016, la capacité de production chinoise est de 30 t/an.
Les principaux producteur sont, en 2016 :
| Framatome (France) | 35 | TVEL (Russie) | 2 | |
| ATI (États Unis) | 20 | Westinghouse (États Unis) | 2 |
En 2019.
La production de Framatome est réalisée à Jarrie (38). Framatome, détenu à 75,5 % par EdF, 19,5 % par Mitsubishi Heavy Industries et 5 % par Assystem est issu, début 2018, de la restructuration d’Areva devenu Orano.
Exportations : pour le hafnium brut, 34,558 t, avec comme principaux marchés à :
Importations : pour le hafnium brut, 20,913 t en provenance principalement à :
La consommation mondiale, en 2017, était de 69,5 t.
Les principaux secteur utilisateurs sont, en 2016 :
| Superalliages | 60 % | Catalyse | 7 % | |
| Découpe et soudure plasma | 15 % | Semi-conducteurs | 3 % | |
| Nucléaire | 11 % | Oxyde pour applications optiques | 3 % |
La fabrication de superalliages nécessitant l’emploi de métaux très purs, le hafnium utilisé est purifié par la méthode Van Arkel.
Celle-ci consiste à extraire, à 350°C, sous vide, le hafnium du métal impur sous forme d’iodure de hafnium, HfI4
Hf + 2 I2 = HfI4
et de décomposer ce dernier sur un filament de tungstène porté à 1 400°C.
HfI4 = Hf + 2 I2
Au cours du temps, le filament grossit par dépôt de hafnium purifié, la principale impureté étant le zirconium.
La teneur en hafnium des superalliages à base nickel est en général de 1,5 %. Le principal superalliage est dénommé MAR M 247. Il est utilisé dans des pales de rotors et des aubes de turbines, principalement dans l’aéronautique.
Un alliage de niobium, C 103, renfermant 89- 90 % de Nb, 9-10 % de Hf, 1 % de Ti est employé dans les tuyères du premier étage de la fusée réutilisable Falcon 9 de la société SpaceX.
La production est de 20 t/an par ATI et 10 t/an par Framatome.
Dans la découpe et la soudure plasma, le hafnium est employé comme anode.
Dans l’industrie nucléaire, le hafnium est employé pour ses propriétés de capture des neutrons et de résistance à la corrosion dans la fabrication de barres de contrôle des réacteurs nucléaires, en particulier dans les sous-marins nucléaires.