Estudio termodinámico de los sistemas Cu-In-Sn y Al-Ni
2018
| Tesista | Silvana Deisy Paulina TUMMINELLO Ingeniera Química - Universidad Nacional del Comahue - Argentina Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directora | Dra. Silvana SOMMADOSSI. UNComa, CONICET - Argentina |
| Codirectora | Dra. Paula Regina ALONSO. CNEA, UNSAM - Argentina |
| Lugar de realización | Laboratorio de Caracterización de Materiales - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional del Comahue -Argentina |
| Fecha Defensa | 27/03/2018 |
| Jurado | Dr. Sergio Fabián ARICÓ. CNEA, UNSAM - Argentina Dr. Claudio Ariel DANÓN. CNEA - Argentina Dra. Norma MINGOLO. CNEA, UNSAM - Argentina |
| Código | IS/TD 116/18 |
Título completo
Estudio termodinámico de los sistemas Cu-In-Sn y Al-Ni
Resumen
La innovación en materiales tiene lugar en un contexto interdisciplinario donde la termodinámica tiene un rol principal como base de conocimiento científico de los materiales. Ésta ha demostrado ser fundamental en la comprensión de fenómenos y en la generación de conocimiento permitiendo predecir la respuesta de un material. En particular, la performance en servicio de un material depende de su evolución microestructural y la termodinámica establece la relación entre composición, microestructura y condiciones de proceso. El desafío actual es el diseño y fabricación de materiales “a medida”con las propiedades deseadas para cada aplicación; y el estado del arte en este campo involucra cálculos basados en primeros principios para predecir dichas propiedades en materiales de avanzada. De modo que a la diversidad de técnicas experimentales tradicionales se suma la creciente disponibilidad de herramientas de cómputo que permiten realizar cálculos cuánticos de rutina. La termodinámica computacional, un campo relativamente nuevo en ciencia de materiales, se beneficia del uso de estos cálculos para el desarrollo de modelos termodinámicos con más significado físico. Sin embargo, la incorporación consistente de propiedades calculadas con primeros principios en los modelos tradicionales del método CALPHAD no es trivial; varias estrategias están siendo utilizadas hoy en día, pero no hay un consenso general sobre el modo más adecuado para integrar resultados de cálculos atomísticos con modelos de meso escala.
El método CALPHAD propicia el entorno para combinar datos de origen experimental y teórico, y ofrece versatilidad en el desarrollo de modelos termodinámicos para sistemas multicomponentes. Este trabajo de investigación se centra en el estudio termodinámico de aleaciones multicomponentes abordado desde dos enfoques diferentes y complementarios denominados: predictivo y empírico. El primero predice propiedades macroscópicas a partir de la estructura fundamental de la materia, mientras que, el segundo se basa en la evidencia empírica para dar sentido a sus modelos teóricos.
La aplicación en procesos de unión es común a los dos sistemas materiales estudiados en este trabajo. La investigación de procesos de unión por difusión, transición de fase líquida, o soldadura fuerte, se viene desarrollado en el grupo de trabajo de la UNCo desde varios años. Este tipo de unión encuentra aplicaciones a bajas y altas temperaturas, se utiliza para la reparación de grietas en álabes de turbinas típicamente construidos con superaleaciones de base Ni, y en la industria eléctrica-electrónica para ensamble de componentes. Por lo que el interés en este tipo de aplicaciones nos llevó a desarrollar el enfoque predictivo en el binario Al-Ni y el enfoque empírico en el ternario Cu-In-Sn. Los resultados del primer enfoque predicen el diagrama de equilibrio de Al-Ni considerando la competencia de fases estables y metaestables de manera razonable. Así mismo, la posibilidad de cuantificar las propiedades termodinámicas de fases estables y metaestables; y más aún, cuantificar las contribuciones físicas individuales a las propiedades macroscópicas representa un aporte significativo de este enfoque al estudio de la estabilidad termodinámica de fases. En el segundo enfoque basado en el análisis empírico se presentó una evaluación crítica de datos experimentales de alta calidad para Cu-In-Sn. Y se realizó una comparación exhaustiva de resultados experimentales, propios y de literatura, con calculados en base a los modelos termodinámicos de Liu et al. Journal of electronic materials. 30 (9) 2001. Finalmente, se destaca el carácter complementario de ambos enfoques al identificar el alcance y las limitaciones de cada uno.
El desarrollo de los materiales no puede prescindir de los experimentos pero hoy existe la posibilidad de diseñar con mayor eficiencia el trabajo experimental de creciente complejidad y costo, mediante la incorporación de técnicas de cálculo al esquema de investigación.
Palabras clave: estabilidad de fases, CALPHAD, primeros principios, DSC, XRPD, microestructura, sistemas multicomponentes
Complete Title
Thermodynamic study of the Cu-In-Sn and Al-Ni systems
Abstract
Today’s challenge is to tailor out materials to meet the requirements for specific applications. State-of-the-art development in materials science includes first-principles calculations to better predict advanced materials properties and performance. As a result, besides the diversity of experimental techniques, a wide range of first-principles techniques is nowadays available allowing
us to perform routine calculations. Computational thermodynamics, a relatively new field of materials science, benefits from the use of first-principles calculations in the development of more physical-sound thermodynamic models. Nevertheless, integrating first-principles properties in the traditional CALPHAD-type thermodynamic models is not trivial, demanding knowledge and expertise in many fields. To this aim, several strategies exist but there is still no consensus on which is the best way to integrate atomistic-calculated properties with mesoscale models.
The CALPHAD method promotes the integration of experimental and calculated data and offers versatility in the development of thermodynamic models for multicomponent systems.
This research work is focused on the thermodynamic study of multicomponent alloys with two different but complementary strategies, namely: predictive approach and empirical approach. The first one predicts the macroscopic properties of matter starting from its fundamental structure, whereas, the second is based on the empirical evidence to develop theoretical models.
To implement these strategies two systems were studied in this work: Al-Ni and Cu-In-Sn, both of them are attractive candidates for bonding applications. Research on diffusion bonding, transient liquid phase bonding, brazing and soldering has been carried out in the Materials Characterization Laboratory in the National University of Comahue for several years. These type of bonding processes can be applied for low and high temperatures, e.g. in the electric and electronic industry for Cu-based ensembles, and in the aerospace industry for repairing turbine blades usually fabricated with Ni-based superalloys. Therefore, interest in these applications
led us to develop a predictive approach for the binary Al-Ni and an empirical approach for the ternary Cu-In-Sn. Results for the first approach reasonably predicts the equilibrium diagram of Al- Ni, taking into account stable and metastable competing phases. Even more, with this approach is possible to quantify the thermodynamic properties of stable and metastable phases as well as the individual physical contributions to the macroscopic properties. These results represent a significant contribution to the study of the thermodynamic stability of phases in multicomponent systems. In the second approach, based on the empirical analysis, a critical
evaluation of high-quality experimental data for Cu-In-Sn was presented. An exhaustive comparison of experimental determinations, from our group and from literature, was done with calculated properties based on the thermodynamic models of Liu et al. Journal of electronic materials. 30 (9) 2001. Finally, I highlight the complementary features of the presented strategies identifying for each of them the strengths and limitations and future perspectives. Experiments are essential for materials development, nonetheless, nowadays is possible to efficiently design the experimental work, of increasing cost and complexity, integrating calculated data in the
research scheme, therefore only critical experiments are needed to validate theoretical models and extrapolations.
Keywords: phase stability, CALPHAD, first principles, DSC, XRPD, microstructure, multicomponent systems.
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