Estudio de la solidificación unidireccional de aleaciones del sistema Zn-Al

PIZARRO PASTENE, MOISÉS; FORNARO OSVALDO; OCHOA MEDINA HERMAN

Rosario

Congreso; XI SAM/CONAMET; 2011

SAM / SOCHIM

Los mecanismos que afectan la formación de la microestructura durante la solidificación unidireccional son de mucha importancia tanto desde el punto de vista académico como tecnológico [1]. Es usual realizar la interpretación de los resultados utilizando la teoría de Estabilidad Morfológica [2] que entrega las condiciones para las que una interfaz sólido-líquido (S-L) inicialmente plana puede tornarse inestable, permitiendo la aparición de morfologías celulares o dendríticas. En el caso de las estructuras dendríticas, la presencia de una anisotropía en la energía libre interfacial permite definir condiciones operativas, fijando unívocamente relaciones entre el espaciado primario y el radio de la punta. Se ha encontrado también que la anisotropía cumple un rol fundamental en la formación de las estructuras celulares. En sistemas con cristalografías más complicadas, la morfología puede diferir si la dirección de avance del crecimiento no coincide con las direcciones preferenciales de crecimiento y no existen descripciones precisas de la evolución microestructural [3-5]. Se ha determinado que su influencia es observable en todo el rango celular e incluso durante la transición plano-celular [6].En este marco, la solidificación unidireccional por el método de Bridgman es una herramienta particularmente útil, ya que permite controlar las variables que gobiernan el proceso de selección de microestructura, la velocidad de avance de la interfaz sólido-líquido, el gradiente térmico por delante de la interfaz. Adicionalmente, es posible controlar la composición química del sistema a utilizar. Bajo este esquema, existen numerosos trabajos que plantean el problema de la selección de la estructura en función de dichas variables para los más variados sistemas, sin embargo debido a la complejidad del problema, dicha relación es conocida fundamentalmente en forma cualitativa y en algunos casos empírica, en particular para sistemas multicomponentes o con cristalografía compleja, donde la anisotropía cristalina juega un rol preponderante incluso en la zona de bajas velocidades.El sistema Zn-Al posee muchas aplicaciones tecnológicas en la zona de composición cercana a la eutéctica, aproximadamente Zn-5%Al en peso debido a su característica resistencia a la corrosión. En composiciones hipoeutécticas, el sistema presenta un camino de solidificación tal que formará una fase primaria rica en Zn de estructura hexagonal compacta (HCP). Esta fase puede ser homogénea con composición de hasta el 1,25% Al en peso aproximadamente. Aún con esta composición puede desarrollar una segunda fase por transformación en estado sólido al disminuir la temperatura, como puede observarse en el diagrama de fases de la Figura 1. Esta segunda fase tiene una estructura cúbica, más rica en aluminio. Las aleaciones hipoeutécticas de composición por encima del límite de solubilidad, presentarán una mayor cantidad de esta fase rica en aluminio y solidificación final de líquido de composición eutéctica.Composiciones mayores que la eutéctica permite la formación de una fase primaria cúbica rica en aluminio y la solidificación final de líquido eutéctico. Sin embargo los dos últimos ejemplos debieran permitir la transformación en estado solido del eutéctico interdendrítico a la temperatura de 550K durante el enfriamiento. En la Figura 2 se pueden ver ambas situaciones para Zn-0,5%Al y Zn-4%Al.Para estudiar el proceso de solidificación de este sistema se crecieron unidireccionalmente muestras de composición hipo-eutéctica de Zn-0,5 %Al en peso, por debajo del límite de solubilidad y por encima Zn-2 y 4 %Al en peso, e hipereutecticas Zn - 8%Al en peso. Estas aleaciones presentan comportamientos totalmente diferentes, caracterizados por su distinto camino de solidificación. Esto resulta en microestructuras con distintas fases primarias y donde el líquido intercelular puede terminar la solidificación en composición eutéctica sólo en el caso de composición por encima del límite de solubilidad total de 1,25%Al en peso. Además de la técnica de crecimiento de cristales de Bridgman, se utilizan diversas técnicas metalográficas para el revelado de la microestructura y microscopía óptica. Finalmente, los resultados serán comparados con propuestas teóricas para esta aleación.