La neutrografía como herramienta para la medición cuantitativa de gradientes de boro en aleaciones ferrosas

DI LUOZZO N.; FONTANA M.; ARCONDO B.; BOUDARD M.; SCHULZ M.

La Plata

Congreso; Reunión de la Asociación Física Argentina; 2017

Asociación Física Argentina

La unión mediante una fase líquida transitoria (Transient Liquid Phase Bonding, TLPB) es una técnica que se presenta como una opción a los procesos tradicionales de soldadura, en particular a las realizadas tanto por difusión en estado sólido como por brazing. La misma ha demostrado sus potencialidades en lo que respecta a las propiedades mecánicas de las piezas unidas - tanto en ensayos de tracción como de flexión - en una variedad de aleaciones, destacándose los aceros. Entre los materiales de aporte que se utilizan para llevar a cabo las uniones por TLPB, se destacan las cintas metálicas amorfas utilizadas habitualmente para las uniones por brazing debido a su alta disponibilidad y a su fácil manipulación - a pesar de su espesor de unas pocas decenas de micrones. En particular, para la unión de piezas de acero - es decir, el metal base - se han utilizado exitosamente como material de aporte cintas de los sistemas Ni-Si-B, Ni-Cr-Si-B, Ni-Cr-Fe-Si-B, y Fe-Si-B. El principal objetivo de las uniones por TLPB es alcanzar la finalización de la solidificación isotérmica de la brecha líquida formada entre las piezas a unir. La solidificación isotérmica está controlada por la interdifusión entre los elementos aleantes del material de aporte y del metal base. Por consiguiente, el estudio de la cinética de la solidificación isotérmica se encuentra íntimamente ligado con el de los gradientes de composición química en la unión y el metal base adyacente a la misma. Para el estudio cuantitativo de gradientes de composiciones químicas en aleaciones, tanto la espectroscopia por energía dispersiva de rayos X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) como la microsonda electrónica (Electron Probe Microanalysis, EPMA) se utilizan de manera extensiva. Sin embargo, existen muchos casos en donde no es posible alcanzar resultados satisfactorios - tanto cuantitativamente como cualitativamente - con estas técnicas. Entre ellos, se destaca la detección de B en una matriz de Fe - es decir, el caso habitual de las uniones por TLPB utilizando cintas de los sistemas anteriormente mencionados. Como alternativa al EDS y EPMA, tanto la autorradiografía neutrónica (Particle Tracking Autoradiography, PTA) como la espectrometría de masas de iones secundarios (Secondary ion mass spectrometry, SIMS) se han utilizado exitosamente, pero únicamente de manera cualitativa. Por otro lado, utilizando de manera combinada la microscopía electrónica de barrido y transmisión y la espectroscopia electrónica de pérdidas de energía, fue posible relevar cuantitativamente perfiles de B en aceros, pero a través de distancias inferiores a 10 nm. Entre las propiedades físicas a destacar del B, se encuentra su sección transversal de captura de neutrones térmicos, con una atenuación por unidad de longitud casi dos órdenes de magnitud superior a la del Fe. Esta propiedad física del B en relación al Fe puede observarse claramente por neutrografía. Mediante este ensayo se registra una imagen de la atenuación que sufre un haz colimado de neutrones al atravesar una muestra, la cual se forma sobre una placa sensible a los neutrones en el rango de energía de interés. Teniendo presente lo anterior, se estudiaron uniones por TLPB de piezas de aceros utilizando como material de aporte cintas de Fe-Si-B. En particular, la distribución del B en la unión y en el metal base adyacente al mismo. Gracias al fuerte contraste entre la atenuación del B y el Fe, y al tamaño del pixel de las imágenes obtenidas, es posible relevar perfiles de B de manera cuantitativa, con una precisión espacial en la escala micrométrica, y a través de distancias en la escala milimétrica.