Estudo do processo de difusão do lantânio, ferro e silício, em meio a fase La(Fe,Si)13

Abstract

A refrigeração magnética é uma tecnologia emergente que necessita do desenvolvimento e aprimoramento de materiais que exibem o efeito magnetocalórico de forma acentuada, como as ligas de La(Fe,Si)_13 . Tal liga é usualmente obtida por processos de fundição, sendo necessários tratamentos térmicos de recozimento para alcançar homogeneidade da fase La(Fe,Si)_13 que é usualmente chamada de 1:13. Apesar de tratamentos serem reportados na literatura, não se conhecem parâmetros fundamentais como o coeficiente de difusão e a energia de ativação dos elementos La, Fe e Si, em meio a fase 1:13. Este trabalho tem como objetivo modelar o processo difusivo na formação da fase 1:13 durante o recozimento de um liga com composição química LaFe_11,3Si_1,7 para calcular os coeficientes de difusão e energia de ativação citados. Os estudos são baseados na evolução microestrutural de tratamentos térmicos a 1150ºC (1423 K) e a 1050ºC (1323 K) partindo do estado bruto de fusão. As análises foram realizadas em imagens obtidas por microscópio eletrônico de varredura em contraste de elétrons retroespalhados, além de aferições magnéticas. Para tanto, é proposto um modelo de crescimento da fase a partir de mecanismos difusivos explícitos na 1a Lei de Fick. Os valores dos coeficientes de difusão obtidos em cm^2/s oscilam entre 10^-9 e 10^-10 para 1050ºC, e entre 10^-11 e 10^-12 para 1150ºC. As energias de ativação aferidas foram de 619 kJ/mol para o Fe, 534kJ/mol para o Si e 704 kJ/mol para o La.

Magnetic refrigeration is an emerging technology that demands the development and improvement of materials that exhibit an intense magnetocaloric effect, such as the La(Fe,Si)_13-based alloys. These alloys are usually obtained by casting and they require post annealing heat treatments in order to achieve a homogeneous microstructure, composed mainly of the so-called 1:13 phase. Although such treatments are widely performed, fundamental parameters regarding the La-Fe-Si system and the formation of the 1:13 phase during annealing are not known, like the diffusion coefficients and activation energies concerning the diffusion of La, Fe and Si through the 1:13 phase. This work aims to model the diffusive process involved in the formation of 1:13 phase during the annealing of a LaFe_11,3Si_1,7-based alloy in order to determine the aforementioned diffusion parameters.The microstructural evolution of the alloy was investigated over annealing at 1150ºC (1423 K) and 1050ºC (1323 K). The analyses are based on micrographs obtained via scanning electron microscopy and some magnetic measurements of the as-cast and annealed conditions after different periods of heat treatment. A phase growth model is proposed based on the diffusive mechanisms expected considering Fick's 1st Law. The values of the diffusion coefficients obtained vary between 10^-9 and 10^-10 cm^2/s at 1050ºC, as well between 10^-11 and 10^-12 cm^2/s at 1150ºC. The activation energies achieved to Fe is 619 kJ/mol, and 534 kJ/mol to Si, and 704 kJ/mol to La.