RT Dissertation/Thesis
T1 Assessment of the eutectic thorugh and properties of a multiphase alloy in the NiAl-Cr-W system
A1 Varona Caballero, Arcadio
AB Los compuestos intermetálicos ordenados han ganado atención en lacomunidad científica durante las últimas décadas, debido a la interesantecombinación de propiedades que presentan, siendo candidatos perfectos comomateriales estructurales para aplicaciones de alta temperatura. Especialmenteprometedoras son las propiedades de los aluminuros metálicos, entre las que secuentan: un alto punto de fusión, alta conductividad térmica, alto límite elástico,baja densidad, y una excelente resistencia a la oxidación, debido a la formaciónde alúmina en la superficie.De entre ellos, el NiAl fue señalado como el candidato más prometedor paramayores temperaturas. Sin embargo, su baja ductilidad y tenacidad a fracturaa temperatura ambiente, así como su baja resistencia y resistencia a fluenciaa alta temperatura, hicieron que se redujese el interés por este material. Apesar de ello, se continuó investigando para superar estas desventajas, y losmateriales compuestos in situ de eutécticos de NiAl, como son NiAl-Cr, NiAl-W,etc., han mostrado los mejores resultados. Aún así, las aleaciones eutécticasbinarias tienen una limitación intrínseca, ya que la composición está fijada, ypor ello también lo está la fracción volumétrica de la fase reforzante.En este trabajo se exploró una manera de abordar esta limitación. A travésde la introducción de un elemento específico, es posible obtener un materialcompuesto in situ eutéctico de NiAl, en el que la fracción volumétrica de la fasereforzante sea ajustable. Esto se debe a que los eutécticos binarios formanlíneas eutécticas en el diagrama de fases ternario, en las que la composición yla fracción volumétrica de la fase reforzante es variable. Este planteamiento fueaplicado al sistema NiAl-Cr-W.Debido a la gran diferecia entre los elementos de dicho sistema, el procesadode las aleaciones tuvo que ser perfeccionado. Se investigó la producción yuso de prealeaciones como ruta de procesado, lo cual derivó en resultadossatisfactorios tanto en colada como en solidificación direccional.Mediante la medida de la composición del microconstituyente eutéctico en lasaleaciones, se evaluó de manera preliminar la línea eutéctica en el diagrama de fases pseudo-ternario. Los resultados indicaron la existencia de una líneaeutéctica discontinua, de la que se determinaron dos secciones en las regionesde alto y bajo contenido en Cr, y además se confirmó la existencia de un huecoentre ambas.Dicha evaluación fue mejorada por medio de un análisis exhaustivo del recorridode las aleaciones durante la solidificación, principalmente mediante una mejorcaracterización de su microestructura y la composición de sus fases. Ademásse utilizaron cálculos asistidos por ordenador de forma complementaria. Esteestudio demostró que la línea eutéctica discontinua se debe a la existenciade otra línea de reacción en el sistema pseudo-ternario, que no había sidodetectada hasta el momento. Esta línea de reacción se forma a causa de laregión de inmiscibilidad que presenta el diagrama de fases de Cr-W desdetemperaturas muy altas, y se extiende a través del diagrama pseudo-ternariocomo una reacción peritéctica. La interacción de ambas secciones de la líneaeutéctica con esta nueva línea de reacción, es la razón por la cual existe ladiscontinuidad, formando un punto de equilibrio de cuatro fases de clase II,también llamado reacción tipo U, en el sistema pseudo-ternario. Además, seestudió el efecto de la naturaleza cuaternaria del sistema, respecto al enfoquepseudo-ternario seguido en la investigación, confirmando la validez del método.Adicionalmente se estudió el comportamiento mecánico a alta temperatura de laaleación multifásica NiAl-20Cr-4.5W (en porcentage atómico), y los resultadosindicaron que la aleación presenta unas propiedades a alta temperaturamenores, pero comparables, con aquellas de las aleaciones de NiAl másavanzadas desarrolladas hasta el momento. Estos resultados animan acontinuar la investigación de éste y otros sistemas de una manera similar, yaque la aleación estudiada no posee una microestructura optimizada como la delas avanzadas.
AB Ordered intermetallic compounds have gained attention over the past decadesin the research community, due to their interesting combination of properties,which make them attractive candidates as potential structural materials forhigh temperature applications. Especially promising are the properties ofmetal-aluminides, which include high melting point, high thermal conductivity,high yield strength, low density, and excellent oxidation resistance due to theformation of alumina scales.Among them, NiAl was initially identified as the most promising candidatefor higher temperatures. However, its low ductility and fracture toughness atroom temperature, as well as its low strength and creep resistance at hightemperatures, reduced the interest in this material. In spite of this, furtherresearch has been carried out in order to improve the drawbacks, and insitu composites of NiAl-based eutectic alloys like NiAl-Cr, NiAl-W, and so on,have brought the best results. All the same, binary eutectic alloys present aninherent limitation, as the composition is fixed, and thus, the volume fraction ofreinforcement phase is fixed as well.In this work, an approach to overcome this limitation is explored. By theintroduction of another specific element, it is possible to obtain a NiAl-basedfully-eutectic in situ composite with a tuneable reinforcement volume fraction.This is because fixed-composition binary eutectics form eutectic troughs in theternary phase diagram, in which the composition and volume fraction of thereinforcement phase is variable. This approach was studied in the NiAl-Cr-Wsystem.Due to the large differences between the elements in the system, the processingof the alloys had to be improved. A prealloy production route was investigated,which yielded satisfactory results in casting and directional solidification.Through the measurement of the composition of the eutectic constituent presentin the alloys, the eutectic trough in the pseudo-ternary phase diagram wasinitially assessed. The results showed a discontinuous eutectic trough, in whichtwo sections in the Cr-rich and Cr-lean regions were assessed, and a gapbetween both was acknowledged. The assessment was enhanced by thorough analysis of the path followedduring solidification of the alloys, mainly by further characterization of theirmicrostructure and phases composition. Complementary computer-aidedcalculations were also used. The study revealed that the discontinuouseutectic trough occurs due to the existence of a non-reported reaction linein the pseudo-ternary system. This line forms owing to the miscibility gappresent in Cr-W phase diagram, which extends up to high temperatures inthe pseudo-ternary diagram, and develops as a peritectic reaction. Theinteraction between the eutectic trough sections and this new reaction line isthe cause of the discontinuity, forming a point of class II four-phase equilibria,or U-type reaction, in the pseudo-ternary system. Furthermore, the effect of thequaternary nature of the system in the pseudo-ternary approach used in theinvestigation was studied, and the method validity was confirmed.Additionally, the high temperature behavior of multiphase NiAl-20Cr-4.5W (inat.%) alloy was studied, and the results revealed that the alloy exhibitshigh-temperature properties which are inferior, but comparable, to those ofthe most advanced NiAl-based alloys developed so far. These results areencouraging for further research in this and other systems with a similarapproach, as the tested alloy does not possess an optimized microstructure likethat of advanced alloys.
YR 2016
FD 2016-09
LK https://hdl.handle.net/10016/23949
UL https://hdl.handle.net/10016/23949
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024