Efecto de la adición de Cu en la precipitación de fases intermetálicas en la aleación Fe-10%Ni-15%Al por los métodos convencional y gradiente composicional

Abstract

RESUMEN:Las aleaciones ferríticas de Fe-Ni-Al poseen un gran potencial para aplicaciones a altas temperaturas debido a la alta resistencia obtenida de la precipitación de la fase ordenada β´ (NiAl), el engrosamiento de estos precipitados es un asunto importante para mantener las propiedades mecánicas a altas temperaturas. El presente trabajo analiza el efecto del Cu sobre la cinética de engrosamiento de los precipitados β´((Fe,Ni)Al) en una matriz ferrítica. Para alcanzar este objetivo a partir del método convencional se fabricaron las aleaciones Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu y Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu las cuales fueron homogeneizadas a 1100°C y envejecidas isotérmicamente a 850 y 900°C por diferentes tiempos; y para el método del gradiente de composición macroscópico, se generó un par difusor con las aleaciones Fe-10%Ni-15Al y Fe-10%Ni-15%Al-28%Cu mediante un recocido de difusión a 1050°C por 7 días y se envejeció isotérmicamente a 900°C por 0.5h. La caracterización se llevó a cabo mediante MEB, MEB-AR, MET, Microdureza Vickers y nanoindentación. El análisis de la evolución morfológica y tamaño de los precipitados mostró la presencia de dos tipos de precipitados, los cuales fueron denominados como primarios, a los que se alinean preferencialmente en las direcciones <100> y secundarios a los que se presentan intercaras a 45° respecto a los primarios. Mediante análisis químico por EDS se mostró que existe una diferencial composicional de Cu y Al entre ambos tipos de precipitados. La evolución morfológica observada en la aleación Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu fue la siguiente: cubos  paralepípedos rectangulares (primarios) y cubosparalepípedos rectangulares paralepípedos con caras irregulares (secundarios). Por su parte, en la aleación Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu el desarrollo observado fue: cubosparalepípedos rectangularesAgujas (primarios) y cubosparalepípedos irregulares (secundarios). Mediante la medición del radio equivalente 𝑟̅de los precipitados en función del tiempo de envejecimiento t, se muestra que 𝑟̅varía linealmente con t0.3 para ambas aleaciones, es decir, que el engrosamiento está controlado por la difusión atómica. La cinética de engrosamiento se incrementa con respecto a la adición de Cu y la temperatura. Las constantes cinéticas obtenidas fueron 5.154x104 y 1.789 x105 nm3 /h para la aleación Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu; y 3.826x105 y 8.041 x106 nm3 /h para la aleación Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu a 850 y 900°C, respectivamente. La medición de durezas y nanodurezas, mostró que un contenido del 5% aumenta la resistencia mecánica del material. Finalmente, mediante el método del gradiente composicional fue posible corroborar que el Cu influye sobre el tamaño y la evolución morfológica de los precipitados, así como en la resistencia mecánica del sistema Fe-10%Ni-15%Al. ABSTRACT: Fe-Ni-Al ferritic alloys have a great potential for applications at high temperature due to the precipitation of the ordered β´ (NiAl) phase, the coarsening process of these precipitates is an important issue to keep the mechanical properties at high temperatures. This work analyzes the Cu effect on the coarsening kinetic of the β´ precipitates in a ferritic matrix. To reach this goal, the Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu and Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu alloys were fabricated and they were studied by the conventional method. The alloys were homogenized at 1100°C for 24 h and then they were aged at 850 and 900°C for different times. On the other hand, the compositional gradient method was applied by a diffusion couple of Fe-10%Ni-15%Al and Fe-10%Ni-15%Al-28%Cu alloys. The diffusion couple was diffusion annealed at 1050°C for 7 days and aged at 900°C for 0.5h. The structural, microstructural and mechanical characterization was carried out by SEM, HRSEM, TEM, Vickers hardness measurements and nanoindentation. The evolution in size and morphology permit distinguish two kinds of precipitates: (i) primary precipitates which are aligned preferential in the matrix <100> directions; and (ii) secondary precipitates with interfaces at 45° with respect to the interfaces of the primary precipitates. The chemical analysis by EDS showed a Cu and Al compositional difference between both kinds of precipitates. The morphology evolution in the Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu alloy was as follows: cuboids  rectangular parallelepipeds and cuboids rectangular parallelepipeds  parallelepipeds with irregular interfaces for the primary and secondary precipitates, respectively. For the Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu alloy, cuboids rectangular parallelepipeds  needles and cuboids parallelepipeds with irregular interfaces, for the primary and secondary precipitates, respectively. A lineal dependence of the equivalent radii with respect to the time was observed for both alloys. The coarsening mechanism is atomic diffusion-controlled attributed to the values of the time exponent about 0.24-0.38 which are close to 1/3 as predicted by LSW theory. Additionally, the coarsening kinetic enhances as the Cu and temperature is increased. The kinetic constants were 5.154x104 and 1.789 x105 nm3/h for the Fe-10%Ni-15%Al-2.5%Cu alloy; and 3.826x105 and 8.041 x106 nm3/h for the Fe-10%Ni-15%Al-5%Cu alloy, at 850 and 900°C, respectively. The hardness and nanoindentation measurements showed that the addition of 5%Cu promotes a higher mechanical hardening. Finally, the compositional gradient method results allow elucidating the copper effects on the size, morphology evolution of the precipitates and the mechanical properties in the Fe-10%Ni-15%Al system.