Aparición de Subestructuras Secundarias de Segregación en el crecimiento unidireccional de aleaciones
Al-Cu diluidas
Osvaldo Fornaro†, Hugo A. Palacio‡y Heraldo Biloni‡
IFIMAT
Instituto de Física de Materiales TandilFacultad de Ciencias Exactas - Universidad Nacional del Centro - CICPBA
email:[email protected]
†Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
‡Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires
– p.1
Resumen
Se han analizado muestras de Al-0.2 % Cu en peso, crecidas unidireccionalmente bajo condiciones de gradiente térmico similares, en el rango de velocidad de avance del frente de solidificación que permite la obtención de morfologías desde planas hasta celulares irregulares.
Mediante la utilización de técnicas metalográficas fue posible detectar un patrón secundario de microsegregación presente al nivel de las paredes celulares, pudiéndose definir un espaciado característicoλmin. Este comportamiento puede ser responsable de la precipitación eutéctica secundaria que favorece la formación de la microestructura celular irregular. Finalmente, se propone un mecanismo general basado en la teoría de Estabilidad Morfológica para explicar la aparición de las inestabilidades laterales.
– p.2 – p.3
Introducción
La solución analítica del proceso de Solidificación Unidireccional de aleaciones involucra [1]:
•Campo térmico (sólido y líquido) ∂T∂t=Di52T
•Campo de Soluto (sólido y líquido) ∂C∂t=DCi52C
•y las Condiciones de borde en el sólido y líquido lejanos y sobre la interfaz −CpDiˆn5T=vnL
∆Cvn=−DCnˆ5C
La interacción entre estos campos da lugar a diferentes morfologías: planas, celdas, celdas irregulares y dendríticas [2, 3]. –
– p.4
Estabilidad Morfológica [4]
Estudia el efecto de una pequeña perturbación espacio-temporal conocida sobre una interfaz originalmente plana.
•para una dadaVexiste un rango
λ−0, λ+0
de longitudes de onda con velocidad de propagaciónσ >0.
•la zona de mayorσdefine el espaciadoλ1.
10 100 1000
longitud de onda (µm) 10
100
velocidad de crecimiento (µm/s)
nodos bandas celdas celdas irregulares -15
0 15 30 45 60 75
σ (1/s)
– p.5 – p.6
Nodos a bandas [5, 6]
V= 5,2µm/s
V= 10µm/s
– p.7
Bandas a Celdas irregulares
V= 11µm/s V= 12µm/s
V= 13µm/s V= 21µm/s
– p.8 – p.9
Resultados
Experimentalmente se observa:
•La microestructura evoluciona desde plano a celular segúnVaumenta.
•El espaciadoλ1tiende al valor deλσmax.
•Aparece un segundo patrón de segregaciónλmin
entre nodos, caracterizado por un espaciadoλ−0.
•Su aparición puede ser explicada por el desarrollo lateral final de las celdas.
– p.10
Análisis
•La relación entreλλmin1 ≈12. Las teoría de EM no permite la existencia de dos patrones diferentes simultáneamente.
•Estudios por medio del método de campo de fase muestran que las diferentes longitudes de onda pueden progresar si cuentan con tiempo suficiente [7].
10 velocidad de crecimiento (µm/s) 1
10 100
λ1,λmin(µm)
nodos bandas celdas celdas irregulares λ1
λmin
– p.11
Análisis
La microestructura secundaria puede ser estable o inestable [5, 6], de uno o ambos lados:
– p.12
– p.13
Conclusiones
En muestras de Al-0.2 %Cu,GL= 25K/cmcrecidas a distinta velocidad:
•La microestructura progresa siguiendo un mecanismo de nodos.
•Una vez anclados los nodos, puede aparecer sobre la nueva interfaz una modulación caracterizada, por un espaciadoλmin, que puede continuar o desvanecerse.
•Estos mecanismos están gobernados por las condiciones locales de crecimiento.
– p.14
Referencias
[1] H. Biloni and W. J. Boettinger. Solidification, volume II of Physical Metallurgy, chapter 8, pages 669–842. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 4th edition, 1996.
[2] Osvaldo Fornaro and Hugo A. Palacio. Planar to cellular transition during directional solidification of Al-0.5 wt. %Cu. Scripta Mater., 36(4):439–445, 1997.
[3] Osvaldo Fornaro, Hugo A. Palacio, and Heraldo Biloni. Subcritical bifurcation from planar to cellular interface in Al-0.5 wt. % Cu directionally solidified. Mat. Res. Soc, 481:21–26, 1998.
[4] S. R. Coriell and G. B. McFadden. Morphological Stability, volume I of Handbook of Crystal Growth, chapter 12, page 785. D. T. Hurle, 1993.
[5] O. Fornaro, H. Palacio, and H. Biloni. Segregation substructures in dilute Al-Cu alloy directionally solidified. Materials Characterization, 2003.
[6] Osvaldo Fornaro, Hugo A. Palacio, and Heraldo Biloni. Characteristic substructure in directionally solidified dilute Al-Cu alloys. In C. Beckermann M. Rappaz and R. Trivedi, editors, Solidification Processes and Microstructures. A Symposium in Honor to Wilfried Kurz, 2004.
[7] Zhiqiang Bi and Robert F. Sekerka. Phase field modeling of shallow cells during directional solidification of a binary alloy. Journal of Crystal Growth, 237-239:138–143, 2002.
– p.15
