Estudio termodinámico de los sistemas Cu-In-Sn y Al-Ni. - Tumminello, Silvana Deisy Paulina (Instituto Sabato, 2018)
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.