Os motores a jato são componentes importantes e complexos de engenharia cuja eficiência e desempenho estão diretamente ligados à temperatura de operação na câmara de combustão, ou seja, quanto maior a temperatura dos gases nesta região, maior a eficiência global do processo, resultando em economia de combustível e maior potência. A superliga aeronáutica a base de níquel é o material atualmente utilizado nestes componentes mais críticos das turbinas, mas o seu desenvolvimento está chegando cada vez mais próximo do limite e, por isso, existe uma demanda de materiais que possam substituí-las. Os materiais constituídos de microestruturas multifásicas, como as ligas MR-Si-B (MR= Metal Refratário) apresentam potencial para a substituição das superligas nestas aplicações. Estudos recentes no sistema Ta-Si-B identificaram a existência de uma fase ainda não catalogada, denominada φ. No entanto, a sua estrutura cristalina permanece indefinida devido à dificuldade em se obter uma amostra com grande fração volumétrica de φ. A substituição do silício por germânio nesse sistema pode aumentar o campo de estabilidade de φ possibilitando assim, a obtenção de uma amostra através da qual a estrutura cristalina dessa fase possa ser determinada. Entretanto, para o estudo do ternário Ta-Ge-B, é importante o conhecimento dos binários que o compõem (Ta-Ge, Ta-B, Ge-B) e não foi encontrada na literatura uma proposta para o diagrama binário Ta-Ge nem informações suficientes para construí-lo. Este trabalho, portanto, tem como objetivo propor um diagrama de fases para o sistema Ta-Ge, e investigar a possível existência da fase φ no sistema ternário Ta-Ge-B. Para isto foram confeccionadas amostras, a partir de matérias primas (tântalo, germânio e boro) de alta pureza, em toda a extensão composicional do sistema Ta-Ge e na região rica em tântalo do sistema Ta-Ge-B. As amostras, em seu estado bruto de fusão bem como após tratamentos térmicos, foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microanálise eletrônica por energia dispersiva (EDS) e difratometria de raios X (DRX). Com os resultados obtidos neste trabalho foi proposto um diagrama para o sistema Ta-Ge. A temperatura do eutético na região rica em Ta (2444°C) foi medida através de pirometria ótica. Devido a dificuldades encontradas em fundir a arco amostras com altos teores de Ge, novos experimentos serão necessários para melhor determinar esta região do diagrama de fases. Os resultados obtidos nas amostras ternárias sugerem que a fase ternária φ é estável no sistema Ta-Ge-B. / Jet engines are important and complex engineering devices, whose efficiency and performance are directly related to the operating temperature of the combustion chamber, the higher the gas temperature in this region, the greater the overall efficiency of the process, resulting in economy of fuel and more efficiency. Ni-based superalloys are currently used in the most critical jet engine components. Their development is coming close to a temperature limit and, therefore, there is a demand for new materials to replace them. Materials with multiphase microstructures, such as MR-Si-B alloys (MR = Refractory Metal), have a good potential for substituting superalloys in these applications. Recent studies in the Ta-Si-B system shows the stability of a phase φ whose crystal structure remains unknown due to the difficulty in obtaining a sample with large volume fraction of φ. The substitution of silicon by germanium in this system may increase the stability of φ, enabling the production of a sample by which the crystal structure of this phase can be determined. The study of the Ta-Ge-B ternary system requires the knowledge of the phase relations on its limiting binaries. However, there is no Ta-Ge phase diagram available in the literature, nor enough experimental information to propose one. Therefore, the present work aims at the experimental investigation of the phase relations on the Ta-Ge system, and of the stability of phase φ on the Ta-rich region of the Ta-Ge-B ternary system. Samples were prepared by arc melting high purity materials (tantalum, germanium and boron) under Ti-gettered argon. Their microstructures, in the as cast state as well as after heat treatments were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive electron probe microanalysis (EDS) and X-ray diffraction (XRD). A Ta-Ge binary phase diagram is proposed based on the results of the present work. The temperature of the Ta-rich eutetic (2444°C) was measured by optical pirometry. Due to the difficulty of arc melting samples with high Germanium contents, further investigation is still necessary for this region of the phase diagram. The results for the ternary samples suggest the stability of the φ phase in the Ta-Ge-B system.

Os motores a jato são componentes importantes e complexos de engenharia cuja eficiência e desempenho estão diretamente ligados à temperatura de operação na câmara de combustão, ou seja, quanto maior a temperatura dos gases nesta região, maior a eficiência global do processo, resultando em economia de combustível e maior potência. A superliga aeronáutica a base de níquel é o material atualmente utilizado nestes componentes mais críticos das turbinas, mas o seu desenvolvimento está chegando cada vez mais próximo do limite e, por isso, existe uma demanda de materiais que possam substituí-las. Os materiais constituídos de microestruturas multifásicas, como as ligas MR-Si-B (MR= Metal Refratário) apresentam potencial para a substituição das superligas nestas aplicações. Estudos recentes no sistema Ta-Si-B identificaram a existência de uma fase ainda não catalogada, denominada φ. No entanto, a sua estrutura cristalina permanece indefinida devido à dificuldade em se obter uma amostra com grande fração volumétrica de φ. A substituição do silício por germânio nesse sistema pode aumentar o campo de estabilidade de φ possibilitando assim, a obtenção de uma amostra através da qual a estrutura cristalina dessa fase possa ser determinada. Entretanto, para o estudo do ternário Ta-Ge-B, é importante o conhecimento dos binários que o compõem (Ta-Ge, Ta-B, Ge-B) e não foi encontrada na literatura uma proposta para o diagrama binário Ta-Ge nem informações suficientes para construí-lo. Este trabalho, portanto, tem como objetivo propor um diagrama de fases para o sistema Ta-Ge, e investigar a possível existência da fase φ no sistema ternário Ta-Ge-B. Para isto foram confeccionadas amostras, a partir de matérias primas (tântalo, germânio e boro) de alta pureza, em toda a extensão composicional do sistema Ta-Ge e na região rica em tântalo do sistema Ta-Ge-B. As amostras, em seu estado bruto de fusão bem como após tratamentos térmicos, foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microanálise eletrônica por energia dispersiva (EDS) e difratometria de raios X (DRX). Com os resultados obtidos neste trabalho foi proposto um diagrama para o sistema Ta-Ge. A temperatura do eutético na região rica em Ta (2444°C) foi medida através de pirometria ótica. Devido a dificuldades encontradas em fundir a arco amostras com altos teores de Ge, novos experimentos serão necessários para melhor determinar esta região do diagrama de fases. Os resultados obtidos nas amostras ternárias sugerem que a fase ternária φ é estável no sistema Ta-Ge-B. / Jet engines are important and complex engineering devices, whose efficiency and performance are directly related to the operating temperature of the combustion chamber, the higher the gas temperature in this region, the greater the overall efficiency of the process, resulting in economy of fuel and more efficiency. Ni-based superalloys are currently used in the most critical jet engine components. Their development is coming close to a temperature limit and, therefore, there is a demand for new materials to replace them. Materials with multiphase microstructures, such as MR-Si-B alloys (MR = Refractory Metal), have a good potential for substituting superalloys in these applications. Recent studies in the Ta-Si-B system shows the stability of a phase φ whose crystal structure remains unknown due to the difficulty in obtaining a sample with large volume fraction of φ. The substitution of silicon by germanium in this system may increase the stability of φ, enabling the production of a sample by which the crystal structure of this phase can be determined. The study of the Ta-Ge-B ternary system requires the knowledge of the phase relations on its limiting binaries. However, there is no Ta-Ge phase diagram available in the literature, nor enough experimental information to propose one. Therefore, the present work aims at the experimental investigation of the phase relations on the Ta-Ge system, and of the stability of phase φ on the Ta-rich region of the Ta-Ge-B ternary system. Samples were prepared by arc melting high purity materials (tantalum, germanium and boron) under Ti-gettered argon. Their microstructures, in the as cast state as well as after heat treatments were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive electron probe microanalysis (EDS) and X-ray diffraction (XRD). A Ta-Ge binary phase diagram is proposed based on the results of the present work. The temperature of the Ta-rich eutetic (2444°C) was measured by optical pirometry. Due to the difficulty of arc melting samples with high Germanium contents, further investigation is still necessary for this region of the phase diagram. The results for the ternary samples suggest the stability of the φ phase in the Ta-Ge-B system.

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.

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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.