Estudio de la evolución microestructural de la aleación multicomponente Al58Zn28Mg6Si8 durante los tratamientos térmicos

Abstract

[ES]El concepto de aleación multicomponente o de alta entropía surge en 2004 con las publicaciones de los estudios llevados a cabo, desde las décadas anteriores, por B. Cantor en Reino Unido y J. W. Yeh en Taiwan. Los investigadores diseñaron aleaciones con al menos cinco elementos en proporciones equimolares, y allí donde cabía esperar estructuras complejas con numerosas fases intermetálicas, obtuvieron estructuras monofásicas. Se inicia así una nueva filosofía en el diseño de las aleaciones metálicas, que ha ido evolucionado para incluir aleaciones desde 3 elementos, donde no se cumple estrictamente la condición de equimolaridad y en las que se pueden hacer precipitar, intencionadamente, ciertas fases intermetálicas. El material analizado en este trabajo fin de máster, la aleación Al58Zn28Mg6Si8, se halla precisamente entre estos últimos. La caracterización de dicha aleación es una parte de un proyecto financiado por el Gobierno Vasco (programa Elkartek) para el diseño y fabricación de aleaciones multicomponente a escala semi-industrial, en el que participan varios centros tecnológicos y universidades. Los ensayos preliminares realizados determinaron la necesidad de conocer y entender los cambios estructurales que tienen lugar en la aleación con la temperatura. Estos estudios son necesarios desde el punto de vista de sus propiedades, potenciales aplicaciones y procesos de transformación. En el presente trabajo se ha llevado a cabo el análisis de los diagramas de difracción de rayos X a diferentes temperaturas de la aleación Al58Zn28Mg6Si8 moldeada, partiendo de diferentes condiciones térmicas: en bruto de colada, enfriada lentamente desde 280 y 360ºC y templada en agua desde 280, 310, 360 y 380ºC hasta temperatura ambiente. Los difractogramas han sido indexados comparando con la base de datos PDF-4+ y el programa EVA 2 ha permitido observar la evolución de las fases con la temperatura. Finalmente, en los casos de mayor interés se ha llevado a cabo el ajuste de perfil (método Le Bail) y de estructura (método Rietveld) con el software FullProf. Los diagramas de difracción han sido comparados y complementados con ensayos preliminares de SEM, curvas de DSC y simulaciones de FactSage. Los resultados muestran una aleación compleja, cuya microestructura es fuertemente dependiente del historial térmico. Así, las diferentes simulaciones realizadas con FactSage resultan sólo orientativas. Gracias a los ensayos de difracción se ha podido analizar la evolución de las fases con la temperatura y determinar varias de las transformaciones detectadas por calorimetría (DSC). Además, se han identificado dos fases más de las inicialmente previstas: una fase cúbica que aparece incluso a temperatura ambiente y se propone que se trata de una fase metaestable de aluminio rica en zinc, y el compuesto SrZn13, que provendría del estroncio añadido a la aleación para modificar las fases de silicio y es estable únicamente en cierto rango de temperaturas. En definitiva, el estudio de la evolución microestructural ha abierto la puerta al diseño de tratamientos térmicos para regular la procesabilidad y las propiedades físicas y químicas del material.

[EU]Osagai anitzeko edo goi-entropiako aleazioen kontzeptua 2004an sortu zen, B. Cantorrek Erresuma Batuan eta J. W. Yehek Taiwanen aurreko hamarkadetan hasitako azterketen argitalpenekin. Ikertzaileek gutxienez bost elementu proportzio ekimolarretan zeuzkaten aleazioak diseinatu zituzten, eta espero ziren metalarteko fase ugariko egitura konplexuak topatu beharrean, egitura monofasikoak lortu zituzten. Hala, aleazio metalikoen diseinuaren filosofia berria hasten da eta garatu ahala, hasierako baldintza hoiek erlaxatuz joan dira, hiru elementutik gorako aleazioak, non ekimolaritate baldintza zorrozki betetzen ez den eta non metalarteko fase zehazki batzuk nahita prezipitatzen diren ere kontuan hartuz. Master amaierako lan honetan aztertutako materiala, Al58Zn28Mg6Si8 aleazioa, azken hauen artean dago.

Aleazio honen karakterizazioa Eusko Jaurlaritzak finantzatutako proiektu baten atal bat da (Elkartek programa). Proiektu horren helburua osagai anitzeko aleazioak diseinatu eta eskala erdi-indutrialean fabrikatzea da eta hainbat zentro teknologikok eta unibertsitatek parte hartzen dute. Aurretiko saiakuntzek erakutsi zuten arabera, beharrezkoa zen tenperaturarekin aleazioan gertatzen diren egitura-aldaketak ezagutzea eta ulertzea. Azterketa hauek beharrezkoak dira propietateen, aplikazio potentzialen eta transformazio-prozesuen ikuspegitik.

Lan honetan, tenperatura desberdinetan egindako X izpien difrakzio-diagramak aztertu dira, aleazioa, Al58Zn28Mg6Si8 galdatua, baldintza termiko desberdinetan prestatuta zegoela: galdatu berria, 280 eta 360ºC-tik poliki-poliki hoztuta eta 280, 310, 360 eta 380º C-tik giro-tenperaturaraino uretan tenplatuta. Difraktogramak PDF-4+ datu-basearekin alderatuz indexatu dira, eta EVA 2 programarekin faseek tenperaturarekin izan duten bilakaera ikusteko aukera izan dugu. Azkenik, interes handieneko kasuetan, profilaren eta egituraren doikuntzak burutu dira Le Bail eta Rietveld metodoekin, hurrenez urren. Difrakzio-diagrametatik lortutako emaitzak aurretik egindako EME saiakuntza, kalorimetria kurba eta FactSagekin egindako simulazioekin alderatu eta osatu dira.

Emaitzen arabera aleazio konplexua dugu eta haren mikroegiturak historia termikoarekiko daukan mendekotasuna handia da. Hala, FactSagerekin egindako simulazioak gutxi gorabeherakoak baino ez dira. Difrakzio-saiakuntzei esker, faseek tenperaturarekin duten bilakaera aztertu ahal izan da, eta kalorimetria (DSC) bidez atzemandako transformazioetako batzuk zehaztu. Gainera, hasieran aurreikusitako baino bi fase gehiago identifikatu dira: fase kubikoa, giro-tenperaturan ere agertzen dena eta zink-ez aberatsa den aluminiozko fase metaegonkor bat izatea proposatzen dena, eta SrZn13 konposatua, silizio faseak aldatzeko aleazioari erantsitako estrontziotik datorrena eta tenperatura-tarte jakin batzuetan bakarrik egonkorra dena.

Laburbilduz, mikroegituraren bilakaeraren azterketak tratamendu termikoak diseinatzeko aukera eman du, materialaren prozesagarritasuna eta propietate fisiko eta kimikoak egokitu ahal izateko.

[EN]The multicomponent or high entropy alloy concept emerged in 2004 with the publication of the studies carried out by B. Cantor in the United Kingdom and J. W. Yeh in Taiwan. Researchers designed alloys with at least five elements in equimolar proportions, and instead of the expected complex structures with numerous intermetallic phases, they obtained monophasic structures. A new philosophy began then in the design of metallic alloys, which has evolved to include alloys with at least 3 elements, where the condition of equimolarity is not strictly met and in which certain intermetallic phases can be intentionally precipitated. The material analyzed in this master's thesis, the alloy Al58Zn28Mg6Si8, is precisely among the latter.

The characterization of said alloy is part of a project financed by the Basque Government (Elkartek program) for the design and manufacture of multicomponent alloys on a semi-industrial scale, in which several research institutes and universities collaborate. The preliminary tests carried out determined the need to know and understand the structural changes that take place in the alloy with temperature. These studies are necessary from the point of view of their properties, potential applications and transformation processes.

In the present work, the analysis of the X-ray diffraction patterns at different temperatures of the cast Al58Zn28Mg6Si8 alloy was carried out. Samples had been prepared in different thermal conditions: as cast, slowly cooled from 280 and 360ºC and water quenched from 280, 310, 360 and 380°C down to room temperature. Diffractograms have been indexed with the PDF-4+ database and the EVA 2 program allowed us to observe the evolution of the phases with temperature. Finally, in the most interesting cases, the profile (Le Bail method) and structure (Rietveld method) were adjusted with the FullProf software. The results from the diffraction patterns were compared and complemented with preliminary SEM analysis, DSC curves and FactSage simulations.

The results show a complex alloy, whose microstructure is strongly dependent on the thermal history. Thus, the different simulations carried out with FactSage are only indicative. Thanks to diffraction tests, it was possible to analyze the evolution of the phases with temperature and determine several of the transformations detected by calorimetry (DSC). In addition, two initially unforeseen phases were identified: a cubic phase that appears even at room temperature and it is believed to be a metastable aluminum phase rich in zinc, and the compound SrZn13, which would come from the strontium added to the alloy to modify the silicon phases and is stable only in a certain temperature range.

In short, the study of microstructural evolution has opened the door to the design of heat treatments to suit the processability and the physical and chemical properties of the material.