06/C292

Propiedades termodinámicas, estructurales y transformaciones de fases en aleaciones y soldaduras metálicas.
Thermodynamic and structural properties, and phase transformations in metallic alloys and soldering.

Director: FERNANDEZ GUILLERMET, Armando
Correo Electrónico: afg@cab.cnea.gov.ar

Co-Director: SOMMADOSSI, Silvana Andrea.

Integrantes: RAMOS, Susana Beatriz; RUDA, Margarita; TOLLEY, Alfredo Juan; ARARAT, Carlos Eduardo; GALVIS ZULUAGA, Jorge Andrés.

Resumen Técnico: Por sus Objetivos Generales, este Proyecto forma parte de una línea de trabajo multidisciplinaria de largo plazo orientada al estudio de: (a) las propiedades estructurales y termodinámicas de fases estables y metaestables; (b) la termodinámica del equilibrio, los diagramas de fases y las transiciones de fases; (c) los factores que afectan la estabilidad relativa de estructuras; (d) el uso de transiciones de fases para la estabilización de estructuras metaestables; (e) las relaciones sistemáticas y correlaciones entre estructura, enlace químico, propiedades térmicas y ecuación de estado de fases estables y metaestables en diversos sistemas materiales. Para el desarrollo de esta línea de trabajo se ha procurado la combinación de diversas metodologías experimentales y teórico/computacionales que involucran: (i) estudios experimentales de la estructura, propiedades termodinámicas y estabilidad térmica de diversas fases; (ii) el desarrollo de modelos termodinámicos/fenomenológicos; (iii) el uso de métodos ab initio para el estudio de la estructura electrónica y la predicción de propiedades cohesivas y estructurales de fases estables, metaestables e hipotéticas; y (iv) el establecimiento de correlaciones de las propiedades mencionadas a los fines de sistematización, análisis crítico y predicción. Los Objetivos Específicos del Proyecto involucran dos tipos de fases metálicas, que revisten interés teórico y también tecnológico, a saber: (a) las fases estables y metaestables de estructura compleja que se forman en aleaciones del sistema ternario Cu-In-Sn, el cual ha adquirido relevancia como candidato para el desarrollo de aleaciones para soldadura por difusión (SD) libres de Pb perteneciente a la familia de métodos de unión por transición líquida de fases (transient liquid phase bonding, TLPB) de aplicación en electrónica y MEMS; y (b) las denominadas fases intersticiales estables en sistemas binarios y multicomponentes del tipo Me-X (donde Me es Fe u otro metal de transición y X=C, N) cuyas propiedades termodinámicas interesan para la comprensión de los diagramas de equilibrio y transiciones de fases en aceros y otras aleaciones de permanente interés tecnológico. Las investigaciones que se proponen en el Proyecto comprenden las actividades experimentales (1) y teóricas/computacionales (II y III) que se indican a continuación. (1) Se avanzará en la caracterización experimental de la estabilidad de fases del sistema Cu-In-Sn mediante un estudio de la estructura cristalina de sus fases intermedias (FIs), con particular énfasis en las fases gestadas durante el proceso de unión soldadura por difusión (SD). A tal fin se generarán aleaciones de composiciones mayores al 50%at.Cu utilizando metales de alta pureza, las cuales serán homogeneizadas a diversas temperaturas (200-400°C) y enfriadas abruptamente (quenching). A las mismas temperaturas se generarán uniones mediante pares de difusión-reacción (PDR) partiendo de la configuración Cu/In-Sn, y controlando el desarrollo de las fases mediante tiempos de reacción. La composición de las FIs será analizada mediante SEM/WDS, TEM/EDS. La estructura cristalina de las FIs y su evolución con la variación de composición se estudiarán mediante difracción de rayos X (XRD). El estudio se concentrará especialmente en la fase η (Cu2In/Cu6Sn5) que existe en ambos binarios con una misma estructura tipo NiAs/InNi2 y que presenta una región continua de existencia en el diagrama ternario aceptado. Análisis a diversas temperaturas de las aleaciones y de las PDR mediante estas técnicas brindarán información sobre la secuencia de aparición (diffusion paths) de las FIs e indirectamente sobre la cinética de crecimiento. La temperatura de transición de fases en las aleaciones y cambios de entalpía involucrados se determinarán mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) a diferentes velocidades de calentamiento. (II) Se realizará un estudio termodinámico crítico de los modelados fenomenológicos propuestos previamente para el sistema Cu-In, con particular énfasis en el tratamiento de las FIs informadas en la región de concentraciones mayores al 50%at.Cu. El estudio involucrará la comparación de cálculos y predicciones con datos experimentales. Utilizando el programa de cálculo VASP se estudiarán las propiedades estructurales y la estabilidad relativa y la evolución de los parámetros de red de la fase η en los binarios Cu-In e In-Sn y otros sistemas afines mediante selección de concentraciones discretas. La información obtenida en el Proyecto se utilizará en el desarrollo de un nuevo modelo para fase η apropiado para el tratamiento de su estabilidad en los subsistemas binarios Cu-Sn y Cu-In y en el sistema ternario Cu-In-Sn. (III) Se avanzará en el estudio de la distribución de elementos intersticiales X (=C y N) en la fase austenítica (fcc) de las aleaciones Fe-X. En particular, se estudiarán los modelos basados en la hipótesis del bloqueo por parte de cada átomo X de los sitios intersticiales vecinos en la estructura. Utilizando información proveniente de análisis termodinámicos del potencial químico de X en fases fcc, de análisis de experimentos con espectroscopía Mössbauer y cálculos con el método Monte Carlo se realizará un estudio crítico de los modelos fenomenológicos clásicos que presuponen el bloqueo de sitios intersticiales en fcc para explicar las desviaciones con respecto al denominado comportamiento ideal, que supone la distribución aleatoria de átomos X en los sitios intersticiales disponibles. Como parte de este grupo de actividades se explorará la posibilidad de ampliar el estudio termodinámico a otras fases intersticiales de sistemas con metales de transición.

Summary: The present Project continues a long-term research line aimed at the study of the structural and thermochemical properties and the phase stability phenomena in metallic alloys by using a combination of experimental theoretical methods. Two groups of alloys will be dealt with in the present Project. In the first place, Cu-rich Cu-In-Sn alloys of interest in the development of Pb-free bonded joints will be studied by metallographic techniques, XRD, SEM/WDS, TEM/EDS and DSC, in order to characterize the composition depedence of the crystallographic and thermodynamic properties of the various intermetallic phases originating in the Cu-In and Cu-Sn binary systems, as well as the ternary Cu-In-Sn phases. In addition, theoretical information will be obtained by using the VASP (Vienna ab initio simulation package) to perform ab initio calculations of structural and cohesive properties of the stable and metastable phases in the Cu-In-Sn and related systems. With this new information, a thermodynamic model will be developed for the η phase, which occurs in both the Cu-based binary subsystems with a NiAs/InNi2 type structure, and has been reported to show a continuos stability range between the compositions “Cu2In” and “Cu6Sn5” of the Cu-In and the Cu-Sn systems, respectively. The new model should be useful in performing CALPHAD-type calculations of the phase boundaries in the ternary systems. Secondly, the thermodynamic properties of fcc Fe-X (X=C,N) interstitial phases will be studied by applying an approach which combines the analysis of thermodynamic activity data with Monte Carlo calculations and information provided by Mössbauer experiments. With this new information, a critical analysis will be perfomed of the phenomenological models for the correlation of C and N activity in fcc which are based on combining a “two-sublattice” picture of these phases with the assumption of a “blocking” of a certain number of interstitial sites by each interstitial solute atom. In particular, a systematic study will be performed of the “blocking parameters” determined by fitting the phenomenological “blocking” models to experimental data.