Leghe Al-Zn-M (M = elementi del IV gruppo): equilibri di fase e determinazione sperimentale di proprietà termodinamiche

Abstract

Questo lavoro di tesi è incentrato sullo studio di leghe ternarie per applicazioni strutturali ad alta temperatura del tipo Al-Zn-TM (TM = Zr e Hf); con particolare attenzione agli equilibri di fase e la determinazione sperimentale di proprietà termodinamiche. In particolare, sono state oggetto di studio le fasi aventi stechiometria tipo Al3-xZnxTM (TM = Zr, Hf) con struttura cubica cP4-AuCu3 e gli equilibri che le coinvolgono a 600°C. Inoltre, è stato condotto uno studio calorimetrico per determinare l’entalpia di formazione di queste e caratterizzazioni tramite microscopia elettronica (SEM/EDS) e diffrattometria a raggi X su polveri (XRPD). È stato possibile confermare la stabilità di una fase cubica con stechiometria desiderata il cui calore di reazione a parità di composizione risulta leggermente più esotermico per le leghe contenenti Hf. Inoltre, sono stati condotti studi sulla sezione isoterma a 600°C, per entrambi i sistemi, che hanno permesso di ipotizzare alcune triangolazioni, determinare campi di compatibilità bifasica/trifasica e indagare meglio gli intervalli di esistenza delle soluzioni solide. Infine, è stata condotta uno studio parallelo sul diagramma di stato Al-Hf focalizzandosi sulla zona ricca in alluminio. Questo ha permesso di chiarire una questione controversa sull’esistenza dei due polimorfi per la fase Al3Hf con struttura tI8-Al3Ti e tI16-Al3Zr; entrambe le fasi sono state osservate ed è stato determinato che il polimorfo stabile a bassa temperatura è quello con struttura tI16-Al3Zr. Inoltre, misure di calorimetria differenziale a scansione (DSC) e successive caratterizzazioni SEM/EDS e XRPD hanno permesso formulare alcune ipotesi su gli equilibri di fase presenti. Si è ipotizzata una formazione per via peritettica per i due composti Al3Hf (tI8-Al3Ti) e Al2Hf e una formazione catatettica per il polimorfo Al3Hf con struttura tI16-Al3Zr.

This thesis work is focused on the study of ternary alloys Al-Zn-TM (TM = Zr and Hf) for high-temperature structural applications; with particular emphasis on phase equilibria and the experimental determination of thermodynamic properties. In particular, alloys with Al3-xZnxTM (TM = Zr, Hf) stoichiometry with cP4-AuCu3 cubic structure and the equilibria involving them at 600°C have been investigated. In addition, a calorimetric study was conducted to determine the enthalpy of formation of these alloys coupled with characterisations using electron microscopy (SEM/EDS) and X-ray powder diffractometry (XRPD). It was possible to confirm the stability of the cubic phase with the desired stoichiometry; the heat of formation was determined and for alloys containing Hf with the same composition is slightly more exothermicity was observed. In addition, studies were conducted for the isothermal section at 600°C, for both systems, which made it possible to sketch to determine biphasic/triphasic compatibility fields and go deeper about the existence ranges of the solid solutions. Finally, a parallel study was conducted on the Al-Hf phase diagram focusing on the aluminium-rich zone. It was possible to clarified a controversial question about the existence of the two polymorphs for the Al3Hf phase with structure tI8-Al3Ti and tI16-Al3Zr. Both phases were observed, and it was determined that the low-temperature stable polymorph is the one with structure tI16-Al3Zr. In addition, differential scanning calorimetry (DSC) measurements and subsequent SEM/EDS and XRPD characterisations allowed to formulate some hypotheses on the phase equilibria present to be formulated. A peritectic formation was proposed for the two Al3Hf compounds (tI8-Al3Ti) and Al2Hf, and a catatectic formation for the Al3Hf polymorph with tI16-Al3Zr structure.