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O principal programa de pesquisa do Grupo de Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do DEMAR/EEL-USP é o estudo de estabilidade de fases em ligas dos sistemas Me-Si-B (Me = Metal Refratário), os quais apresentam um interesse crescente na área de ligas com potencial para aplicações em altas temperaturas. Destes estudos, este Grupo está construindo uma base de informações termodinâmicas com a finalidade de extrapolá-las para sistemas de ordem superior. Diversos sistemas já foram ou estão sendo estudados. Dando continuidade a este programa, os objetivos principais deste trabalho são a avaliação experimental do sistema ternário Ta-Si-B em sua região rica em Ta e a modelagem termodinâmica dessa mesma região. A projeção liquidus e a seção isotérmica a 1900 ºC, ambas na região rica em Ta, de Ramos (2005), são as únicas informações experimentais para o sistema ternário Ta-Si-B encontradas na literatura. Ramos (2005) identifica em várias de suas amostras a presença de uma nova fase ternária, denominada φ, de estrutura ainda não determinada. A pesquisa de Ramos (2005) foi realizada sempre com amostras produzidas por fusão em forno a arco, a partir de pedaços de Ta, Si e B puros. Nessa condição de preparação das amostras, houve dificuldade em se alcançar o equilíbrio termodinâmico, mesmo após tratamentos térmicos prolongados (1900 oC por 48 horas). Já, neste trabalho, as amostras foram, em sua maioria, produzidas por tratamento térmico de pastilhas prensadas a partir de pós de Ta, Ta5Si3 e TaB. Com essa mudança na forma de confeccionar os experimentos conseguiu-se maior facilidade na obtenção da condição de equilíbrio termodinâmico das amostras durante os tratamentos térmicos, embora ainda com resultados não totalmente satisfatórios. De uma forma geral, os resultados de Ramos (2005) são confirmados no presente trabalho. Uma proposta de relação de fases a 2000 ºC é apresentada para a região envolvendo as fases TaSS, Ta2B, T2, Ta3B4 e TaB. A estabilidade da fase D88, proposta por Nowotny, Lux e Kudielka (1956), também é confirmada e os resultados sugerem que sua estequiometria seja Ta5Si3B. Nenhuma modelagem termodinâmica para este sistema ternário é encontrada na literatura. A otimização do sistema binário Ta-B é realizada por Kaufman (1991) e Chad (2003). A otimização do sistema binário Ta-Si é realizada por Vahlas, Chevalier e Blanquet (1989) e Kaufman (1991). A otimização do sistema binário Si-B é realizada por Fries e Lukas (1991), Zaitsev e Kodentsov (2001) e Fiorani e Coelho (2006). A única otimização adotada completamente é a de Fiorani e Coelho para o sistema binário Si-B. Para o sistema binário Ta-B é adotada a otimização de Chad (2003) com a inclusão de uma nova fase, denominada φ, de alta temperatura, a mesma do sistema ternário, que teria sua origem nesse sistema binário. Já, para o sistema binário Ta-Si é necessária uma nova otimização, por haver algumas inconsistências termodinâmicas nas otimizações anteriores, que poderiam levar a uma descrição inadequada das relações de fases no sistema ternário Ta-Si-B e em sistemas de ordem superior. Neste trabalho é apresentada uma proposta para a modelagem termodinâmica do sistema ternário, que reproduz satisfatoriamente os resultados experimentais disponíveis. / Currently, the main research program of the Phase Diagram and Computational Thermodynamics Group of DEMAR/EEL-USP is the study of phase stability in ternary Me-Si-B systems (Me = Refractory Metal), which presents an increasing interest in the area of alloys with potential for applications at high temperatures. It includes the development of a thermodynamic database to evaluate systems of higher order. Several systems have already been studied. Giving continuity to this program, the main objectives of this work are the experimental evaluation of the ternary Ta-Si-B system in the Ta-rich region and the thermodynamic modeling of this system. The liquidus projection and an isothermal section at 1900 ºC from Ramos (2005), both in the Ta-rich region, are the only experimental information found in literature. Ramos (2005) identifies in several of her samples the presence of a new ternary phase, named as φ, of structure not yet determined. The research of Ramos (2005) is carried out with samples produced from pure Ta, Si and B via arc melting. In this method of sample preparation, it is difficult to obtain thermodynamic equilibrium conditions during heat treatments at 1900 ºC for 48 h. In the present work, the majority of samples were produced via sintering of pressed pellets from Ta, Ta5Si3 and TaB powders. With this method of sample preparation, the attainment of equilibrium conditions was easier during the heat treatments, even though not completely satisfactory. In general, the results of Ramos (2005) were confirmed. A proposal for the phase relations at 2000 ºC is presented for the region involving the phases TaSS, Ta2B, T2, Ta3B4 and TaB. The stability of the D88 phase, proposed by Nowotny, Lux and Kudielka (1956), is also confirmed and the results suggest that its stoichiometry is near Ta5Si3B.No thermodynamic modeling for this ternary system is found in literature. The optimization of the binary Ta-B system is carried out by Kaufman (1991) and Chad (2003). The optimization of the binary Ta-Si system is carried out by Vahlas, Chevalier and Blanquet (1989) and Kaufman (1991). The optimization of the Si-B binary system is carried out by Fries and Lukas (1991), Zaitsev and Kodentsov (2001) and Fiorani and Coelho (2006). In this work the thermodynamic data from Fiorani and Coelho (2006) is used for the Si-B system. For the binary Ta-B system it was adopted the optimization from Chad (2003) with the inclusion of the high temperature φ phase, the same one of the ternary system, which has its origin in this binary system. In addition, for the binary system Ta-Si a new optimization is necessary, since some thermodynamic inconsistencies in the previous optimizations would lead to an inadequate description of the phase relations in the Ta-Si-B and systems of higher order. Thus, in this work presents for the first time a thermodynamic modeling for the Ta-Si-B system, which reproduces the available experimental results satisfactorily.

O principal programa de pesquisa do Grupo de Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do LOM/EEL-USP é o estudo de estabilidade de fases em ligas dos sistemas MR-Si-B (MR = Metal Refratário), os quais apresentam um interesse crescente na área de ligas com potencial para aplicações em altas temperaturas. Destes estudos, este Grupo está construindo uma base de informações termodinâmicas com a finalidade de extrapolá-las para sistemas de ordem superior. Diversos sistemas já foram ou estão sendo estudados. Dando continuidade a este programa, os objetivos principais deste trabalho são a avaliação experimental de pontos críticos do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr e a modelagem termodinâmica completa do sistema. Foram utilizadas informações da projeção liquidus de Chad (2008) e realizadas medidas experimentais para a determinação das composições das fases em diversas relações de equilíbrio a 1200 ºC, ambas na região rica em Cr. As amostras foram produzidas por fusão em forno a arco, a partir de pedaços de Cr, Si e B de alta pureza; tratadas termicamente a 1200oC por 200 horas e caracterizadas via difração de raios X e MEV/Microssonda eletrônica. Nessa condição de preparação das amostras, não houve dificuldade em se alcançar o equilíbrio termodinâmico. De uma forma geral, as relações de fases a 1200oC de Chad (2008) são confirmadas no presente trabalho. Não foi verificada através de medida por análise térmica diferencial até a temperatura de 1550oC a transformação polimórfica ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, que segundo Chang (1968) ocorre a 1505oC. Nenhuma modelagem termodinâmica para este sistema ternário é encontrada na literatura. Para a otimização do sistema ternário foram utilizados os coeficientes de Coughanowr, Ansara e Lukas (1998) para o binário Cr-Si; os coeficientes de Campbell e Kattner (2002) para o binário Cr-B e os coeficientes de Fries e Lukas (1998) para o binário Si-B. Foram usados dois modelos para as fases T1 e T2 para descrever suas solubilidades de B e Si, respectivamente. O modelo adotado para a fase ?Cr5Si3 (T1) foi o de solução com três sub-redes (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 e o modelo adotado para a fase Cr5B3 (T2) foi o de solução com três sub-redes (Cr)5(B,Si)2(B)1. Estes dois modelos estão compatíveis com aqueles adotados para outros sistemas MR-Si e MR-Si-B. Para a fase CrSS (BCC_A2), o modelo escolhido para permitir a solubilidade de B e/ou Si foi o substitucional para o Si e o intersticial para o B, resultando em uma descrição com duas sub-redes (Cr,Si)1(B,Va)3. A adoção destes modelos compatíveis com otimizações já desenvolvidas e publicadas é importante para permitir o desenvolvimento de uma base de dados multicomponentes MRSi- B que possibilitará previsões confiáveis para as relações de fases em sistemas de ordem superior. A otimização atual reproduziu bem a seção isotérmica a 1200oC e a projeção liquidus do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr. / Currently, the main research program of the Phase Diagram and Computational Thermodynamics Group of LOM/EEL-USP is the study of phase stability in MR-Si- B ternary systems (MR = Refractory Metal), which presents an increasing interest in the area of alloys with potential for applications at high temperatures. These research activities include the development of a thermodynamic database to evaluate systems of higher order. Several systems have already been studied. In a continuation of this program, the main objectives of this work are the experimental evaluation of the Cr-Si-B ternary system in the Cr-rich region and the thermodynamic modeling of the complete system. Experimental data from the liquidus projection of Chad (2008) were used and experimental measurements were performed to determine the compositions of various phases in equilibrium at 1200°C, both in the Cr-rich region. The samples were produced by arcmelting high-purity pieces of Cr, Si and B, followed by heat treatment at 1200oC for 200 hours. The samples were characterized by X-ray diffraction and SEM/WDS microanalysis. With this preparation procedure, no difficulty was found to bring the samples to the thermodynamic equilibrium condition. In general, the phase relations at 1200oC proposed by Chad (2008) were confirmed in this study. The polymorphic transformation ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, which according to Chang (1968) occurs at 1505oC, has not been verified by differential thermal analysis experiments performed until 1550oC. No thermodynamic modeling for this ternary system was found in the literature. The binary coefficients of Coughanowr, Ansara and Lukas (1998) for the Cr-Si, Campbell and Kattner (2002) for the Cr-B and Fries and Lukas (1998) for the Si-B were used in the optimization of the ternary system. Two models for T1 and T2 phases were used to describe their B and Si solubilities, respectively. The model adopted for ?Cr5Si3 (T1) was the solution with three sublattices (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 and for Cr5B3 (T2) was the solution with three sublattices (Cr)5(B,Si)2(B)1. These two models were consistent with those adopted in other RM-Si and RM-Si-B systems. For the phase CrSS, the substitutional and interstitial models were used to describe the solubility of Si and B in the BCC structure, respectively, resulting in a solution with two sublattices (Cr,Si)1(B,Va)3. These models are compatible with other previously published optimizations. This is important to enable the development of a multicomponent MR-Si-B database, which will enable reliable predictions for the phase relations in higher-order systems. The Cr-rich region of the isothermal section at 1200oC and of the liquidus projection are well reproduced by the coefficients of the present optimization.

Atualmente, existe uma grande demanda por materiais caracterizados por um balanço adequado de propriedades, para aplicações estruturais em altas temperaturas. Superligas de última geração a base de níquel podem ser usadas sob carregamento em temperaturas próximas a 1150 ºC, mas informações indicam que materiais constituídos de microestruturas multifásicas apresentam maior potencial para estas aplicações, dentre os quais, os que contêm fase(s) intermetálica(s) em equilíbrio com um metal ou liga refratária. Na última década foram avaliados pelo Grupo Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional da Escola de Engenharia de Lorena os sistemas ternários metal refratário (molibdênio, nióbio, tântalo, vanádio, titânio, zircônio)-silício-boro, com o objetivo de serem determinadas as relações de fases em altas temperaturas e de ser desenvolvido um banco de dados termodinâmicos. Com o estudo experimental do sistema háfnio-silício- boro na seção isotérmica a 1600 ºC e sua Projeção Liquidus, na região rica em Háfnio, completa-se este ciclo de trabalhos. Saliente-se que o estudo deste sistema ternário exigiu a revisão dos sistemas binários háfnio-silício e háfnio-boro, através de sua avaliação experimental. Foram utilizadas no trabalho matérias-primas de elevada pureza (háfnio - mínimo de 99,8%, silício - mínimo de 99,998% e boro - mínimo de 99,5%). A metodologia experimental envolveu basicamente as seguintes etapas: (i) produção das ligas em forno a arco; (ii) tratamento térmico das ligas na temperatura de 1600 ºC; (iii) caracterização por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura das ligas no estado bruto de fusão e tratadas termicamente e espectroscopia de energia dispersiva. Como resultado do estudo observou-se: (i) no sistema binário háfnio-silício a reação eutética L _HfSS + Hf2Si, na região rica em háfnio, as reações peritéticas L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi, L + HfSi HfSi2, a transformação congruente L Hf3Si2, e a reação eutética L SiSS + HfSi2, na região rica em silício, a estabilidade das fases intermediárias Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4 a 1600 ºC, e a estabilidade de HfSi e HfSi2 a 1200 ºC, o que sugere alterações significativas em relação ao diagrama de fases atualmente aceito pela literatura; (ii) no sistema binário háfnio-boro a reação eutética L _HfSS + HfB, na região rica em háfnio, a reação peritética L + HfB2 HfB, a transformação congruente L HfB2 e a reação eutética L B-RhomSS + HfB2, na região rica em boro, e a estabilidade das fases intermediárias HfB e HfB2 a 1600 ºC, o que está de acordo com o diagrama de fases atualmente aceito pela literatura; (iii) no sistema ternário háfnio-silício-boro na região rica em háfnio, na projeção Liquidus, verificou-se as reações L _HfSS + Hf2Si + HfB, L HfB + Hf2Si, L HfB2 + Hf2Si, L HfB2 + Hf5Si3, L HfB2 + Hf3Si2, L HfB2 + Hf5Si4, L HfB2 + HfSi, L _HfSS + Hf2Si, L _HfSS + HfB, L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi e L + HfB2 HfB e na seção isotérmica a 1600 ºC, verificou-se a estabilidade das fases _HfSS, Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4, HfSi, HfSi2, HfB e HfB2, e a existência dos campos trifásicos _HfSS + HfB + Hf2Si, HfB2 + HfB + Hf2Si, HfB2 + Hf2Si + Hf5Si3, HfB2 + Hf5Si3 + Hf3Si2, HfB2 + Hf3Si2 + Hf5Si4, HfB2 + Hf5Si4 + HfSi e HfB2 + HfSi + HfSi2. / Nowadays, there is a big demand for materials for structural applications at high temperatures. These materials must present a good properties balance. The last generation of the nickel-base superalloys can be used at temperatures close to 1150oC. However, information available so far shows that multiphase microstructure materials are potentially better for such application. Among these materials, the Group of Phase Diagrams and Computational thermodynamics in the Escola de Engenharia de Lorena has chosen those systems, which contains intermetallic(s) phase(s) in equilibrium with refractory metal or alloy for evaluation. Recently we have evaluated the phase stability at high temperature in the refractory metal (molybdenum, niobium, tantalum, vanadium, titanium, zirconium)- silicon-boron system, aiming at the development of a thermodynamic data base. The experimental study of the isothermal section at 1600 ºC and the Liquidus projection of the hafnium-silicon-boron system completes this cycle of works. The study of this ternary system demanded the revision of the hafnium-silicon and hafnium-boron binary systems, through its experimental evaluation. Alloys had been produced with blades of hafnium (minimum 99.8%), silicon (minimum 99.998%) and boron (minimum 99.5%), in the voltaic arc furnace under argon atmosphere, and heat treated at 1600 ºC under argon atmosphere. The phases had been identified by X-ray diffraction and contrast in backscattered electron imaging mode and spectroscopy of dispersive energy. The study determined: (i) in the binary system hafnium-boron the eutectic reaction L _HfSS + HfB, in the rich region of hafnium, the peritectic reaction L + HfB2 HfB, the congruent transformation L HfB2 and the eutectic reaction L B-Rhom + HfB2, in the rich region of boron, and the stability of the intermediate phases HfB and HfB2 at 1600 ºC, what is in agreement to the currently accepted diagram; (ii) in the binary system hafnium-silicon the eutectic reaction L _HfSS + Hf2Si, in the rich region of hafnium, the peritectic reactions L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi and L + HfSi HfSi2, the congruent transformation L Hf3Si2, and the eutectic reaction L SiSS + HfSi2, in the rich region of silicon, the stability of the intermediate phases Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4 at 1600 ºC, and the stability of HfSi and HfSi2 at 1200 ºC, what suggests significant alterations in relation to the currently accepted diagram; (iii) in the ternary system hafnium-silicon-boron, in the rich region in hafnium, in the Liquidus projection, the reactions L _HfSS + Hf2Si + HfB, L HfB + Hf2Si, L HfB2 + Hf2Si, L HfB2 + Hf5Si3, L HfB2 + Hf3Si2, L HfB2 + Hf5Si4, L HfB2 + HfSi, L _HfSS + Hf2Si, L _HfSS + HfB, L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi e L + HfB2 HfB and in the isothermal section at 1600 ºC, the stability of the phases _HfSS, Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4, HfSi, HfSi2, HfB and HfB2, and the threephase fields _HfSS + HfB + Hf2Si, HfB2 + HfB + Hf2Si, HfB2 + Hf2Si + Hf5Si3, HfB2 + Hf5Si3 + Hf3Si2, HfB2 + Hf3Si2 + Hf5Si4, HfB2 + Hf5Si4 + HfSi and HfB2 + HfSi + HfSi2.

O principal programa de pesquisa do Grupo de Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do LOM/EEL-USP é o estudo de estabilidade de fases em ligas dos sistemas MR-Si-B (MR = Metal Refratário), os quais apresentam um interesse crescente na área de ligas com potencial para aplicações em altas temperaturas. Destes estudos, este Grupo está construindo uma base de informações termodinâmicas com a finalidade de extrapolá-las para sistemas de ordem superior. Diversos sistemas já foram ou estão sendo estudados. Dando continuidade a este programa, os objetivos principais deste trabalho são a avaliação experimental de pontos críticos do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr e a modelagem termodinâmica completa do sistema. Foram utilizadas informações da projeção liquidus de Chad (2008) e realizadas medidas experimentais para a determinação das composições das fases em diversas relações de equilíbrio a 1200 ºC, ambas na região rica em Cr. As amostras foram produzidas por fusão em forno a arco, a partir de pedaços de Cr, Si e B de alta pureza; tratadas termicamente a 1200oC por 200 horas e caracterizadas via difração de raios X e MEV/Microssonda eletrônica. Nessa condição de preparação das amostras, não houve dificuldade em se alcançar o equilíbrio termodinâmico. De uma forma geral, as relações de fases a 1200oC de Chad (2008) são confirmadas no presente trabalho. Não foi verificada através de medida por análise térmica diferencial até a temperatura de 1550oC a transformação polimórfica ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, que segundo Chang (1968) ocorre a 1505oC. Nenhuma modelagem termodinâmica para este sistema ternário é encontrada na literatura. Para a otimização do sistema ternário foram utilizados os coeficientes de Coughanowr, Ansara e Lukas (1998) para o binário Cr-Si; os coeficientes de Campbell e Kattner (2002) para o binário Cr-B e os coeficientes de Fries e Lukas (1998) para o binário Si-B. Foram usados dois modelos para as fases T1 e T2 para descrever suas solubilidades de B e Si, respectivamente. O modelo adotado para a fase ?Cr5Si3 (T1) foi o de solução com três sub-redes (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 e o modelo adotado para a fase Cr5B3 (T2) foi o de solução com três sub-redes (Cr)5(B,Si)2(B)1. Estes dois modelos estão compatíveis com aqueles adotados para outros sistemas MR-Si e MR-Si-B. Para a fase CrSS (BCC_A2), o modelo escolhido para permitir a solubilidade de B e/ou Si foi o substitucional para o Si e o intersticial para o B, resultando em uma descrição com duas sub-redes (Cr,Si)1(B,Va)3. A adoção destes modelos compatíveis com otimizações já desenvolvidas e publicadas é importante para permitir o desenvolvimento de uma base de dados multicomponentes MRSi- B que possibilitará previsões confiáveis para as relações de fases em sistemas de ordem superior. A otimização atual reproduziu bem a seção isotérmica a 1200oC e a projeção liquidus do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr. / Currently, the main research program of the Phase Diagram and Computational Thermodynamics Group of LOM/EEL-USP is the study of phase stability in MR-Si- B ternary systems (MR = Refractory Metal), which presents an increasing interest in the area of alloys with potential for applications at high temperatures. These research activities include the development of a thermodynamic database to evaluate systems of higher order. Several systems have already been studied. In a continuation of this program, the main objectives of this work are the experimental evaluation of the Cr-Si-B ternary system in the Cr-rich region and the thermodynamic modeling of the complete system. Experimental data from the liquidus projection of Chad (2008) were used and experimental measurements were performed to determine the compositions of various phases in equilibrium at 1200°C, both in the Cr-rich region. The samples were produced by arcmelting high-purity pieces of Cr, Si and B, followed by heat treatment at 1200oC for 200 hours. The samples were characterized by X-ray diffraction and SEM/WDS microanalysis. With this preparation procedure, no difficulty was found to bring the samples to the thermodynamic equilibrium condition. In general, the phase relations at 1200oC proposed by Chad (2008) were confirmed in this study. The polymorphic transformation ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, which according to Chang (1968) occurs at 1505oC, has not been verified by differential thermal analysis experiments performed until 1550oC. No thermodynamic modeling for this ternary system was found in the literature. The binary coefficients of Coughanowr, Ansara and Lukas (1998) for the Cr-Si, Campbell and Kattner (2002) for the Cr-B and Fries and Lukas (1998) for the Si-B were used in the optimization of the ternary system. Two models for T1 and T2 phases were used to describe their B and Si solubilities, respectively. The model adopted for ?Cr5Si3 (T1) was the solution with three sublattices (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 and for Cr5B3 (T2) was the solution with three sublattices (Cr)5(B,Si)2(B)1. These two models were consistent with those adopted in other RM-Si and RM-Si-B systems. For the phase CrSS, the substitutional and interstitial models were used to describe the solubility of Si and B in the BCC structure, respectively, resulting in a solution with two sublattices (Cr,Si)1(B,Va)3. These models are compatible with other previously published optimizations. This is important to enable the development of a multicomponent MR-Si-B database, which will enable reliable predictions for the phase relations in higher-order systems. The Cr-rich region of the isothermal section at 1200oC and of the liquidus projection are well reproduced by the coefficients of the present optimization.

Atualmente, existe uma grande demanda por materiais caracterizados por um balanço adequado de propriedades, para aplicações estruturais em altas temperaturas. Superligas de última geração a base de níquel podem ser usadas sob carregamento em temperaturas próximas a 1150 ºC, mas informações indicam que materiais constituídos de microestruturas multifásicas apresentam maior potencial para estas aplicações, dentre os quais, os que contêm fase(s) intermetálica(s) em equilíbrio com um metal ou liga refratária. Na última década foram avaliados pelo Grupo Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional da Escola de Engenharia de Lorena os sistemas ternários metal refratário (molibdênio, nióbio, tântalo, vanádio, titânio, zircônio)-silício-boro, com o objetivo de serem determinadas as relações de fases em altas temperaturas e de ser desenvolvido um banco de dados termodinâmicos. Com o estudo experimental do sistema háfnio-silício- boro na seção isotérmica a 1600 ºC e sua Projeção Liquidus, na região rica em Háfnio, completa-se este ciclo de trabalhos. Saliente-se que o estudo deste sistema ternário exigiu a revisão dos sistemas binários háfnio-silício e háfnio-boro, através de sua avaliação experimental. Foram utilizadas no trabalho matérias-primas de elevada pureza (háfnio - mínimo de 99,8%, silício - mínimo de 99,998% e boro - mínimo de 99,5%). A metodologia experimental envolveu basicamente as seguintes etapas: (i) produção das ligas em forno a arco; (ii) tratamento térmico das ligas na temperatura de 1600 ºC; (iii) caracterização por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura das ligas no estado bruto de fusão e tratadas termicamente e espectroscopia de energia dispersiva. Como resultado do estudo observou-se: (i) no sistema binário háfnio-silício a reação eutética L _HfSS + Hf2Si, na região rica em háfnio, as reações peritéticas L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi, L + HfSi HfSi2, a transformação congruente L Hf3Si2, e a reação eutética L SiSS + HfSi2, na região rica em silício, a estabilidade das fases intermediárias Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4 a 1600 ºC, e a estabilidade de HfSi e HfSi2 a 1200 ºC, o que sugere alterações significativas em relação ao diagrama de fases atualmente aceito pela literatura; (ii) no sistema binário háfnio-boro a reação eutética L _HfSS + HfB, na região rica em háfnio, a reação peritética L + HfB2 HfB, a transformação congruente L HfB2 e a reação eutética L B-RhomSS + HfB2, na região rica em boro, e a estabilidade das fases intermediárias HfB e HfB2 a 1600 ºC, o que está de acordo com o diagrama de fases atualmente aceito pela literatura; (iii) no sistema ternário háfnio-silício-boro na região rica em háfnio, na projeção Liquidus, verificou-se as reações L _HfSS + Hf2Si + HfB, L HfB + Hf2Si, L HfB2 + Hf2Si, L HfB2 + Hf5Si3, L HfB2 + Hf3Si2, L HfB2 + Hf5Si4, L HfB2 + HfSi, L _HfSS + Hf2Si, L _HfSS + HfB, L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi e L + HfB2 HfB e na seção isotérmica a 1600 ºC, verificou-se a estabilidade das fases _HfSS, Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4, HfSi, HfSi2, HfB e HfB2, e a existência dos campos trifásicos _HfSS + HfB + Hf2Si, HfB2 + HfB + Hf2Si, HfB2 + Hf2Si + Hf5Si3, HfB2 + Hf5Si3 + Hf3Si2, HfB2 + Hf3Si2 + Hf5Si4, HfB2 + Hf5Si4 + HfSi e HfB2 + HfSi + HfSi2. / Nowadays, there is a big demand for materials for structural applications at high temperatures. These materials must present a good properties balance. The last generation of the nickel-base superalloys can be used at temperatures close to 1150oC. However, information available so far shows that multiphase microstructure materials are potentially better for such application. Among these materials, the Group of Phase Diagrams and Computational thermodynamics in the Escola de Engenharia de Lorena has chosen those systems, which contains intermetallic(s) phase(s) in equilibrium with refractory metal or alloy for evaluation. Recently we have evaluated the phase stability at high temperature in the refractory metal (molybdenum, niobium, tantalum, vanadium, titanium, zirconium)- silicon-boron system, aiming at the development of a thermodynamic data base. The experimental study of the isothermal section at 1600 ºC and the Liquidus projection of the hafnium-silicon-boron system completes this cycle of works. The study of this ternary system demanded the revision of the hafnium-silicon and hafnium-boron binary systems, through its experimental evaluation. Alloys had been produced with blades of hafnium (minimum 99.8%), silicon (minimum 99.998%) and boron (minimum 99.5%), in the voltaic arc furnace under argon atmosphere, and heat treated at 1600 ºC under argon atmosphere. The phases had been identified by X-ray diffraction and contrast in backscattered electron imaging mode and spectroscopy of dispersive energy. The study determined: (i) in the binary system hafnium-boron the eutectic reaction L _HfSS + HfB, in the rich region of hafnium, the peritectic reaction L + HfB2 HfB, the congruent transformation L HfB2 and the eutectic reaction L B-Rhom + HfB2, in the rich region of boron, and the stability of the intermediate phases HfB and HfB2 at 1600 ºC, what is in agreement to the currently accepted diagram; (ii) in the binary system hafnium-silicon the eutectic reaction L _HfSS + Hf2Si, in the rich region of hafnium, the peritectic reactions L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi and L + HfSi HfSi2, the congruent transformation L Hf3Si2, and the eutectic reaction L SiSS + HfSi2, in the rich region of silicon, the stability of the intermediate phases Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4 at 1600 ºC, and the stability of HfSi and HfSi2 at 1200 ºC, what suggests significant alterations in relation to the currently accepted diagram; (iii) in the ternary system hafnium-silicon-boron, in the rich region in hafnium, in the Liquidus projection, the reactions L _HfSS + Hf2Si + HfB, L HfB + Hf2Si, L HfB2 + Hf2Si, L HfB2 + Hf5Si3, L HfB2 + Hf3Si2, L HfB2 + Hf5Si4, L HfB2 + HfSi, L _HfSS + Hf2Si, L _HfSS + HfB, L + Hf5Si3 Hf2Si, L + Hf3Si2 Hf5Si3, L + Hf3Si2 Hf5Si4, L + Hf5Si4 HfSi e L + HfB2 HfB and in the isothermal section at 1600 ºC, the stability of the phases _HfSS, Hf2Si, Hf5Si3, Hf3Si2, Hf5Si4, HfSi, HfSi2, HfB and HfB2, and the threephase fields _HfSS + HfB + Hf2Si, HfB2 + HfB + Hf2Si, HfB2 + Hf2Si + Hf5Si3, HfB2 + Hf5Si3 + Hf3Si2, HfB2 + Hf3Si2 + Hf5Si4, HfB2 + Hf5Si4 + HfSi and HfB2 + HfSi + HfSi2.

O principal programa de pesquisa do Grupo de Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do DEMAR/EEL-USP é o estudo de estabilidade de fases em ligas dos sistemas Me-Si-B (Me = Metal Refratário), os quais apresentam um interesse crescente na área de ligas com potencial para aplicações em altas temperaturas. Destes estudos, este Grupo está construindo uma base de informações termodinâmicas com a finalidade de extrapolá-las para sistemas de ordem superior. Diversos sistemas já foram ou estão sendo estudados. Dando continuidade a este programa, os objetivos principais deste trabalho são a avaliação experimental do sistema ternário Ta-Si-B em sua região rica em Ta e a modelagem termodinâmica dessa mesma região. A projeção liquidus e a seção isotérmica a 1900 ºC, ambas na região rica em Ta, de Ramos (2005), são as únicas informações experimentais para o sistema ternário Ta-Si-B encontradas na literatura. Ramos (2005) identifica em várias de suas amostras a presença de uma nova fase ternária, denominada φ, de estrutura ainda não determinada. A pesquisa de Ramos (2005) foi realizada sempre com amostras produzidas por fusão em forno a arco, a partir de pedaços de Ta, Si e B puros. Nessa condição de preparação das amostras, houve dificuldade em se alcançar o equilíbrio termodinâmico, mesmo após tratamentos térmicos prolongados (1900 oC por 48 horas). Já, neste trabalho, as amostras foram, em sua maioria, produzidas por tratamento térmico de pastilhas prensadas a partir de pós de Ta, Ta5Si3 e TaB. Com essa mudança na forma de confeccionar os experimentos conseguiu-se maior facilidade na obtenção da condição de equilíbrio termodinâmico das amostras durante os tratamentos térmicos, embora ainda com resultados não totalmente satisfatórios. De uma forma geral, os resultados de Ramos (2005) são confirmados no presente trabalho. Uma proposta de relação de fases a 2000 ºC é apresentada para a região envolvendo as fases TaSS, Ta2B, T2, Ta3B4 e TaB. A estabilidade da fase D88, proposta por Nowotny, Lux e Kudielka (1956), também é confirmada e os resultados sugerem que sua estequiometria seja Ta5Si3B. Nenhuma modelagem termodinâmica para este sistema ternário é encontrada na literatura. A otimização do sistema binário Ta-B é realizada por Kaufman (1991) e Chad (2003). A otimização do sistema binário Ta-Si é realizada por Vahlas, Chevalier e Blanquet (1989) e Kaufman (1991). A otimização do sistema binário Si-B é realizada por Fries e Lukas (1991), Zaitsev e Kodentsov (2001) e Fiorani e Coelho (2006). A única otimização adotada completamente é a de Fiorani e Coelho para o sistema binário Si-B. Para o sistema binário Ta-B é adotada a otimização de Chad (2003) com a inclusão de uma nova fase, denominada φ, de alta temperatura, a mesma do sistema ternário, que teria sua origem nesse sistema binário. Já, para o sistema binário Ta-Si é necessária uma nova otimização, por haver algumas inconsistências termodinâmicas nas otimizações anteriores, que poderiam levar a uma descrição inadequada das relações de fases no sistema ternário Ta-Si-B e em sistemas de ordem superior. Neste trabalho é apresentada uma proposta para a modelagem termodinâmica do sistema ternário, que reproduz satisfatoriamente os resultados experimentais disponíveis. / Currently, the main research program of the Phase Diagram and Computational Thermodynamics Group of DEMAR/EEL-USP is the study of phase stability in ternary Me-Si-B systems (Me = Refractory Metal), which presents an increasing interest in the area of alloys with potential for applications at high temperatures. It includes the development of a thermodynamic database to evaluate systems of higher order. Several systems have already been studied. Giving continuity to this program, the main objectives of this work are the experimental evaluation of the ternary Ta-Si-B system in the Ta-rich region and the thermodynamic modeling of this system. The liquidus projection and an isothermal section at 1900 ºC from Ramos (2005), both in the Ta-rich region, are the only experimental information found in literature. Ramos (2005) identifies in several of her samples the presence of a new ternary phase, named as φ, of structure not yet determined. The research of Ramos (2005) is carried out with samples produced from pure Ta, Si and B via arc melting. In this method of sample preparation, it is difficult to obtain thermodynamic equilibrium conditions during heat treatments at 1900 ºC for 48 h. In the present work, the majority of samples were produced via sintering of pressed pellets from Ta, Ta5Si3 and TaB powders. With this method of sample preparation, the attainment of equilibrium conditions was easier during the heat treatments, even though not completely satisfactory. In general, the results of Ramos (2005) were confirmed. A proposal for the phase relations at 2000 ºC is presented for the region involving the phases TaSS, Ta2B, T2, Ta3B4 and TaB. The stability of the D88 phase, proposed by Nowotny, Lux and Kudielka (1956), is also confirmed and the results suggest that its stoichiometry is near Ta5Si3B.No thermodynamic modeling for this ternary system is found in literature. The optimization of the binary Ta-B system is carried out by Kaufman (1991) and Chad (2003). The optimization of the binary Ta-Si system is carried out by Vahlas, Chevalier and Blanquet (1989) and Kaufman (1991). The optimization of the Si-B binary system is carried out by Fries and Lukas (1991), Zaitsev and Kodentsov (2001) and Fiorani and Coelho (2006). In this work the thermodynamic data from Fiorani and Coelho (2006) is used for the Si-B system. For the binary Ta-B system it was adopted the optimization from Chad (2003) with the inclusion of the high temperature φ phase, the same one of the ternary system, which has its origin in this binary system. In addition, for the binary system Ta-Si a new optimization is necessary, since some thermodynamic inconsistencies in the previous optimizations would lead to an inadequate description of the phase relations in the Ta-Si-B and systems of higher order. Thus, in this work presents for the first time a thermodynamic modeling for the Ta-Si-B system, which reproduces the available experimental results satisfactorily.

A new powder processing approach to produce oxidation resistant molybdenum alloys for high temperature use has been developed. Oxidation protection is provided by fine dispersion of silica glass particles within a molybdenum matrix. As the molybdenum oxidizes, the glass is exposed and melts to form a self-healing protective oxide coating. Additionally, homogeneously dispersed Mo5SiB2 and/or Mo2B provide boria upon oxidation which reduces glass viscosity and allows flowing glass to coat the surface while remaining solid internally. This is similar to the oxidation protection used in Mo-3Si-1B (wt%) systems; however embedding the glass directly into the Mo matrix and eliminating the Mo3Si (A15) phase provides the same volume of glass at lower volume fractions of brittle phases and also without embrittling Si impurities in solution in Mo. Additionally the glass composition can be tailored for different applications and different temperatures beyond that achievable in Mo-Si-B based systems. A variety of microstructures, compositions and additional components for improved oxidation protection are also explored, and mechanisms of the oxidation protection are discussed.

Doctor of Philosophy / First part of the thesis is focused on experimental preparation of new hard quaternary amorphous materials Si-B-C-N with high thermal stability. Materials were prepared in the form of thin films using reactive magnetron sputtering. The technique used proved to be suitable for reproducible synthesis of these materials. The Si-B-C-N films were generally found to be amorphous with low compressive stress and good adhesion to silicon or glass substrates. The process and film characteristics were controlled by varying the sputter target composition, the Ar fraction in the N2–Ar gas mixture, the negative rf-induced substrate bias, and the substrate temperature. Main conclusions describe the relationships between process parameters, discharge and deposition characteristics and film properties (elemental composition, chemical bonding structure, material hardness, compressive stress or electrical conductivity of materials prepared). Second part of the thesis is focused on ab-initio simulations of structures of experimentally prepared Si-B-C-N materials. In the performed liquid-quench simulations, the Kohn-Sham equations for the valence electrons are expanded in a basis of plane wave functions, while core electrons were represented using Goedecker-type pseudopotentials. We simplified the ion bombardment process by assuming that the primary impact creates a localized molten region of high temperature and sufficiently short cooling time, commonly referred to as a thermal spike. Main conclusions deal with N2 formation in studied materials, effect of implanted Ar on structure and properties of prepared materials, ability of Si to relieve that part of compressive stress which is caused by implanted Ar, and ability of B to improve thermal stability of Si-B-C-N materials. The calculated results are compared with experiment.

Doctor of Philosophy / First part of the thesis is focused on experimental preparation of new hard quaternary amorphous materials Si-B-C-N with high thermal stability. Materials were prepared in the form of thin films using reactive magnetron sputtering. The technique used proved to be suitable for reproducible synthesis of these materials. The Si-B-C-N films were generally found to be amorphous with low compressive stress and good adhesion to silicon or glass substrates. The process and film characteristics were controlled by varying the sputter target composition, the Ar fraction in the N2–Ar gas mixture, the negative rf-induced substrate bias, and the substrate temperature. Main conclusions describe the relationships between process parameters, discharge and deposition characteristics and film properties (elemental composition, chemical bonding structure, material hardness, compressive stress or electrical conductivity of materials prepared). Second part of the thesis is focused on ab-initio simulations of structures of experimentally prepared Si-B-C-N materials. In the performed liquid-quench simulations, the Kohn-Sham equations for the valence electrons are expanded in a basis of plane wave functions, while core electrons were represented using Goedecker-type pseudopotentials. We simplified the ion bombardment process by assuming that the primary impact creates a localized molten region of high temperature and sufficiently short cooling time, commonly referred to as a thermal spike. Main conclusions deal with N2 formation in studied materials, effect of implanted Ar on structure and properties of prepared materials, ability of Si to relieve that part of compressive stress which is caused by implanted Ar, and ability of B to improve thermal stability of Si-B-C-N materials. The calculated results are compared with experiment.