SECCIONES ISOT RMICAS PARCIALES DEL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES DEL SISTEMA CIRCONIO HAFNIO - ESTA O (HASTA 37,5 AT.% Sn)

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
SECCIONES ISOTÉRMICAS PARCIALES DEL DIAGRAMA DE
EQUILIBRIO DE FASES DEL SISTEMA CIRCONIO – HAFNIO ESTAÑO (HASTA 37,5 AT.% Sn)
D.H. Ruiz(1), A.M. Monti(2), L.M. Gribaudo(3)
(1)
Instituto de Tecnología ‘Prof. Jorge Sabato’, Universidad Nacional de General San Martín, Avda. Gral Paz
1499, B1650KNA, Gral. San Martín , Argentina, [email protected]
(2)
Departamento Materiales, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica, Avda.
Gral. Paz 1499, B1650KNA, Gral. San Martín, Argentina, [email protected]
(3)
Departamento Materiales, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica – Consejo
Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas, Avda. Gral. Paz 1499, B1650KNA, Gral. San Martín,
Argentina, [email protected]
RESUMEN
Basados en resultados experimentales obtenidos mediante caracterización metalográfica, análisis de diagramas
de difracción de rayos X y determinación de composiciones por microanálisis por microsonda sobre aleaciones
de circonio, hafnio y estaño, se presentan los equilibrios de fases involucrados en la zona en composición
comprendida desde 0 hasta 37,5 % de estaño del sistema Zr-Hf-Sn en dos secciones isotérmicas: a 900 y a 1100
ºC.
Adicionalmente se presentan los parámetros de red del compuesto intermetálico (ZrxHf1-x)5Sn3 y de la fase
solución sólida hexagonal compacta α(Zr,Hf,Sn) en las composiciones en equilibrio obtenidas en las tres
aleaciones elaboradas para el estudio.
Palabras Claves: elementos de transición, equilibrios de fases, diagramas, secciones isotérmicas
1. INTRODUCCIÓN
Los resultados experimentales publicados de los
sistemas binarios Zr-Hf, Hf-Sn y Zr-Sn, que son los
sistemas límites del ternario en estudio, han sido
críticamente evaluados oportunamente por diversos
investigadores [1-3]. Los diagramas de fases
temperatura-composición
propuestos
por
los
mencionados autores han sido posteriormente
publicados en el compendio Binary Alloy Phase
Diagrams editado por AMS International [4].
Las secciones isotérmicas del sistema ternario Zr-HfSn son presentadas aquí basados en resultados
experimentales obtenidos a dos temperaturas, 1100 y
900 ºC en el rango de composiciones comprendidas
entre las del Zr y el Hf puros (0 at.% Sn) y los
intermetálicos Zr5Sn3 y Hf5Sn3 (37,5 at%. Sn). El
prototipo cristalográfico de estos compuestos es el
Mn5Si3, y en algunos sistemas ternarios, tal el Zr-TiSn ,se ha mostrado que los sitios de red denominados
4d y 6g pueden estar ocupados por ambos elementos
de transición constituyendo el intermetálico de
estequiometría (ZrxTi1-x)5Sn3 [5-7].
Con relación al sistema Zr-Hf-Sn, en una presentación
anterior [8] se ha informado sobre los equilibrios entre
las fases hexagonales intermetálica (ZrxHf1-x)5Sn3 y la
solución sólida α(Zr,Hf,Sn) que se producen a 1100
ºC. En este trabajo se utilizan esos resultados y otros
recientes obtenidos a 900 ºC para proponer los límites
de fases en equilibrio a esas dos temperaturas.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
2.-TÉCNICAS EXPERIMENTALES
obtenidos. Fueron construídos teniendo en cuenta las
siguientes consideraciones:
Las composiciones de las aleaciones (denominadas A,
B y C) fabricadas por fundición en horno de arco
fueron mencionadas en la anterior presentación [8]
como así también detalles de las materias primas y las
técnicas experimentales utilizadas en el estudio.
Cabe solamente agregar aquí que el tratamiento
térmico a 900 ºC se realizó por un periodo de tiempo
de 2440 h, o sea 1000 h más que el de 1100 ºC, con el
objetivo de conseguir el equilibrio entre las fases.
3.-RESULTADOS Y DISCUSION
3.1. Parámetros de red de fases
La Tabla I presenta las fases caracterizadas a partir de
los difractogramas de rayos X de las aleaciones en
equlibrio a 900 ºC y los parámetros de red
correspondientes ajustados por el método PCw [9].
Las composiciones fueron obtenidas de los
microanálisis efectuados en la sonda electrónica. Los
resultados para estas fases son similares a los
obtenidos para 1100 ºC [8].
Tabla I. Parámetros en Å (*Sn completa 100 at.%)
Aleación
Fase
A
α
Composición* Parámetro
75Zr,19Hf
a=3,22
c=5,15
(Zr,Hf)5Sn3
60Zr,2Hf
a=8,49
c=5,79
B
α
37Zr,56Hf
a=3,20
c=5,09
(Zr,Hf)5Sn3
49Zr,13Hf
a=8,45
c=5,77
C
α
14Zr,77Hf
a=3,18
c=5,07
(Zr,Hf)5Sn3
30Zr,33Hf
a=8,41
c=5,75
3.2. Secciones isotérmicas del diagrama
Las Figuras 1 y 2, que presentan los límites de fases y
los equilibrios entre ellas, sintetizan los resultados
* Las composiciones adoptadas de las fases en
equilibrio de los sistemas binarios, que son las que se
proponen en los diagramas aceptados [4], están
representadas sobre los lados del triángulo de Gibbs y
se vinculan armoniosamente con las correspondientes
similares de los equilibrios en el ternario determinadas
a partir de las mediciones experimentales en la
microsonda. Por esto, el límite que marca la máxima
solubilidad de estaño en la fase α(Zr,Hf,Sn) se trazó
uniendo linealmente las concentraciones atómicas en
los binarios límites y de la misma forma los
intermetálicos binarios, indicando la intercambialidad
total entre los elementos de transición.
* Las composiciones de las fases α(Zr,Hf,Sn) y
(ZrxHf1-x)5Sn3 de las aleaciones A, B y C son las que
se deducen críticamente del análisis de las mediciones
realizadas en la microsonda. Figuran como líneas
llenas y definen fases conjugadas experimentalmente
determinadas.
* En el diagrama de difracción de rayos X de la
aleación C, la más rica en circonio, sometida al
tratamiento térmico a 1100 ºC se pudo identificar la
fase intermetálica cúbica A15 Zr4Sn en pequeña
cantidad. Teniendo en cuenta esto se considera que
para esa composición global del sistema se establece
el equilibrio trifásico univariante α(Zr,Hf,Sn) /
(ZrxHf1-x)5Sn3 / Zr4Sn. Sin embargo y dado que no
pudo determinarse la composición del compuesto
Zr4Sn se marcan dos lados del triángulo de equilibrio
correspondiente y la línea que representa ese
intermetálico en trazos cortados significando que es
necesario confirmar la solubilidad máxima del hafnio
en ese intermetálico.
* Por otra parte y a pesar de que no pudo detectarse la
aparición de la fase cúbica A15 a 900 ºC y teniendo en
cuenta además lo que sucede en el sistema binario
circonio-estaño, se considera que también a esa
temperatura existe el mismo tipo de equilibrio
trifásico univariante entre α(Zr,Hf,Sn), (ZrxHf1-x)5Sn3
y Zr4Sn. La explicación de porqué no pudo detectarse
aún con el aumento en tiempo del tratamiento (1000
h) está dada porque esencialmente esa fase proviene
de una transformación de tipo peritectoide en donde la
difusión es determinante y a esa temperatura los
coeficientes de difusión de los elementos disminuyen
considerablemente (el del Sn en αZr, por ejemplo, de
3x10-16 a 7 x 10-17 m2/s desde 1100 a 900 ºC [10]) lo
que supondría que para igualar las condiciones del
tratamiento a 1100 ºC se debería aumentar el tiempo
en más de un orden de magnitud (o sea unas 10.000 h)
a 900 ºC.
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Figura 1. Sección isotérmica parcial del diagrama Zr-Hf-Sn a 1100 ºC
Figura 2. Sección isotérmica parcial del diagrama Zr-Hf-Sn a 900 ºC
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
*Como consecuencia de la aparición del intermetálico
Zr4Sn se establecen los equilibrios recopilados en las
Tabla II y III.
Los límites en composición en líneas en trazos que se
proponen en los diagramas deberían ser comprobados
por ulteriores estudios experimentales.
Tabla II. Fases en equilibrio a 1100 ºC
Trivariantes (monofásicos)
(ZrxHf1-x)5Sn3
α(Zr,Hf,Sn)
4. REFERENCIAS
[1] J.P. Abriata, J.C. Bolcich, H.A. Peretti: Bulletin of
Alloy Phase Diagrams, 1982, 3, pp. 29-34.
β(Zr,Hf,Sn)
[2] H. Okamoto, propuesto al Programa APD de la
ASM, publicado en [4], pp. 2111-2114.
Zr4Sn
[3] J.P. Abriata, J.C. Bolcich, D. Arias, Bulletin of
Alloy Phase Diagrams, 1983, 4, pp. 147-154.
Bivariantes (bifásicos)
α(Zr,Hf,Sn) / (ZrxHf1-x)5Sn3
α(Zr,Hf,Sn) / β(Zr,Hf,Sn)
α(Zr,Hf,Sn) / Zr4Sn
β(Zr,Hf,Sn) / Zr4Sn
Zr4Sn / (ZrxHf1-x)5Sn3
[4] T.B. Massalski, H. Okamoto, P.R. Subramanian,
L. Kacprzak (ed.), “Binary Alloy Phase
Diagrams”, Second edition, Third printing, 1996,
Ed. ASM International, Ohio.
[5] H. Nowotny, H. Auer-Welsbach, J. Bruss, A.
Kohl, Monatshefte für Chemie, 1959, 90, pp. 1523.
[6] S.F. Aricó, L.M. Gribaudo, Journal of Alloys and
Compounds, 2000, 306, pp. 245-248.
Univariantes (trifásicos)
α(Zr,Hf,Sn) / (ZrxHf1-x)5Sn3 / Zr4Sn
α(Zr,Hf,Sn) / β(Zr,Hf,Sn) / Zr4Sn
Tabla III. Fases en equilibrio a 900 ºC
Trivariantes (monofásicos)
(ZrxHf1-x)5Sn3
α(Zr,Hf,Sn)
β(Zr,Hf,Sn)
Zr4Sn
Bivariantes (bifásicos)
[7] S.F. Aricó, L.M. Gribaudo, Journal of Nuclear
Materials, 2001, 288, pp. 217-221.
[8] D.H. Ruiz, L.M. Gribaudo, A.M. Monti, Actas
‘Jornadas
SAM/CONAMET/SIMPOSIO
MATERIA 2003’, Asociación Argentina de
Materiales SAM y Sociedad Chilena de
Metalurgia y Materiales SOCHIM, S. Carlos de
Bariloche, Argentina, Noviembre 2003, Ed. ,
Asociación Argentina de Materiales SAM, pp.
234-237.
[9] W. Kraus, G. Nolze, U. Müller, “PowderCell
Program”, Federal Institute for Materials
Research and Testing Laboratory – BAM-V-13
X-Ray Diffraction and Microanalysis, 1998,
Berlin.
[10] H. Mehrer (ed.), “Diffusion in Solid Metals and
Alloys”,
Landolt-Börnstein
New
Series,
Springer-Verlag (1990) Berlin, p. 171.
α(Zr,Hf,Sn) / (ZrxHf1-x)5Sn3
α(Zr,Hf,Sn) / β(Zr,Hf,Sn)
α(Zr,Hf,Sn) / Zr4Sn
Zr4Sn / (ZrxHf1-x)5Sn3
Univariantes (trifásicos)
α(Zr,Hf,Sn) / (ZrxHf1-x)5Sn3 / Zr4Sn
Agradecimientos
Para la realización de este trabajo se contó con el
aporte de los subsidios CNEA-P5-PID-35-2-01 y
CONICET-PIP-1064-98.