El método CALPHAD y su aplicación para el cálculo de diagramas de fases de aleaciones binarias de dos y tres fases

Abstract

El objetivo de este proyecto es, por una parte, llevar a cabo un estudio del método CALPHAD, que se trata de un procedimiento basado en un enfoque termodinámico que permite construir bases de datos termodinámicas y de propiedades de materiales que tienen algún interés desde el punto de vista práctico. En concreto, a lo largo de los capítulos 1 y 2 de este trabajo, se explicará su origen, su base teórica y formalismos, y también se hará referencia a algunos de los paquetes comerciales más utilizados actualmente para ejecutar cálculos CALPHAD. Por otra parte, en los capítulos siguientes, se recreará un procedimiento CALPHAD para calcular los diagramas de fases de ciertos sistemas. Concretamente, los sistemas elegidos han sido aleaciones binarias cuyas fases pueden modelarse como “soluciones sustitucionales aleatorias” (concepto que se explicará en este trabajo). El motivo de esta elección se basa en la facilidad con la que puede particularizase el marco teórico general de CALPHAD para este tipo de sistemas (algo que se hará en el capítulo 3), y en la posibilidad de ejecutar todos los cálculos necesarios para obtener los diagramas de fases, sin requerir de ningún software comercial. En lugar de eso, se ha desarrollado un simulador de diagramas de fases específico para este tipo de sistemas, que incorpora todos los modelos termodinámicos necesarios y resuelve el problema numérico que conduce a las composiciones de equilibrio de las fases. Precisamente, en los capítulos 4 y 5 se explicará cómo se ha desarrollado la herramienta, y cómo ha de utilizarla cualquier usuario sin la necesidad de que esté familiarizado ni con VBA ni con Excel, que ha sido la plataforma escogida para programarlo. Por último, en el capítulo 6, se recogerán los resultados obtenidos para ciertos sistemas concretos de estudio.

The scope of this project is, firstly, to perform a study about the CALPHAD method, which consists in a procedure which is based on a thermodynamic approach that allows the construction of thermodynamic and material property databases that have some practical interest. In particular, throughout chapters 1 and 2 of this work, an explanation about its origin, theoretical background and formalisms, with a few references about the nowadays most often used CALPHAD softwares, will be given. Secondly, in the following chapters, a CALPHAD procedure will be reproduced in order to calculate the phase diagram of certain systems. Specifically, such chosen systems have been the binary alloys where all the phases can be modelled as “substitutional random solutions” (a concept which will be explained in this work). The reason of this choice is based on the ease with which the general theoretical framework of CALPHAD can be particularized to such systems (this will be seen in chapter 3), and on the possibility to execute all the needed calculations to reach the phase diagrams without requiring the use of any commercial software. Instead, a phase diagram simulator has been developed for this work. This tool includes all the necessary thermodynamic models and solves the numerical problem which leads to phase equilibrium compositions. In fact, in chapters 4 and 5 it will be explained how the tool has been developed, and how it can be used by any user not familiar with VBA or Excel, which has been the chosen platform to program it. Finally, in chapter 6, the results obtained with the tool for several studied systems will be included.