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Aclarando el mecanismo de las capas protectoras en los reactores de fusión que resisten el pelado

Instituto de Tecnología de Tokio

imagen: (a) Imagen de microscopio electrónico de transmisión de barrido; (b) Imagen de mapeo elemental de rayos X de energía dispersiva (EDX) de aluminio y oxígeno; (c) Imagen de mapeo elemental de titanio, itrio y circonio mediante análisis EDXver más

Crédito: Profesor asociado Masatoshi Kondo

Se están desarrollando reactores de fusión, reactores reproductores rápidos y centrales solares térmicas como centrales eléctricas con bajo impacto ambiental y sin limitaciones de recursos. Dado que estas centrales eléctricas funcionan a altas temperaturas con una gran transferencia de calor, los científicos están estudiando el uso de componentes que utilizan metal líquido (tiene un excelente rendimiento de transferencia de calor) como refrigerante. La manta de metal líquido (una pared de metal instalada en el núcleo) y el desviador de metal líquido (recibe calor y descarga el escape) se encuentran entre los componentes más importantes de los reactores de fusión y han atraído la atención como dispositivos innovadores de conversión de energía. Sin embargo, la selección de materiales estructurales que sean químicamente compatibles con metales líquidos a alta temperatura ha sido un desafío.

El profesor asociado Masatoshi Kondo del Instituto de Tecnología de Tokio tomó refrigerantes metálicos líquidos y realizó investigaciones sobre su resistencia a la corrosión química con materiales estructurales líderes. Descubrió que la causa de la corrosión es la lixiviación de componentes metálicos de materiales en contacto con metal líquido y la aleación de metal líquido y materiales de acero. En este contexto, descubrió que la corrosión se puede reducir significativamente formando una capa protectora compacta de óxido en la superficie de los materiales estructurales de los componentes metálicos líquidos. La formación de una capa protectora de óxido estable que inhiba dicha corrosión es clave para hacer realidad los componentes líquidos a base de metal.

El equipo de investigación conjunto, dirigido por el profesor asociado Kondo, en colaboración con la Universidad Nacional de Yokohama y el Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión, se centró en el hecho de que las aleaciones FeCrAl reforzadas con dispersión de óxido (ODS) forman una capa de α-Al2O3 (alfa alúmina) que consta de una estructura compacta, y factores identificados que pueden promover el crecimiento de la capa y el mecanismo que hace que la capa resista el despegue del sustrato.

La capa de α-Al2O3 proporciona una protección excepcional en entornos de metales líquidos de alta temperatura. La aleación ODS Fe15Cr7Al ​​tiene una excelente resistencia a altas temperaturas y es un material estructural con gran potencial para centrales eléctricas de próxima generación. La aleación se puede oxidar a 1000°C en aire durante 10 horas para formar una capa de α-Al2O3. La Figura 1 muestra una imagen microscópica transversal de la capa de α-Al2O3 formada en la aleación ODS Fe15Cr7Al ​​y la distribución de sus elementos constituyentes. Aunque tiene sólo 1,28 micrómetros de espesor, aproximadamente 1/80 del espesor de un cabello humano, tiene una estructura extremadamente compacta con distribución uniforme de aluminio y oxígeno, como se muestra en la Figura 1(b). Al mismo tiempo, el equipo descubrió que se formaban óxidos de elementos reactivos como Ti, Y y Zr en la capa de α-Al2O3, como se muestra en la Figura 1(c). Esto se debe a que los elementos reactivos que la aleación ODS Fe15Cr7Al ​​mantiene dispersos como pequeñas partículas de óxido en su microestructura han migrado hacia la capa para formar óxidos. La comparación de la microestructura y la tasa de crecimiento de la capa de óxido formada por varios tipos de aleaciones de FeCrAl muestra que las aleaciones sin elementos reactivos no forman estos óxidos en la capa y el crecimiento de su capa es lento. Estos óxidos alargados de elementos reactivos actúan como "vía de difusión de oxígeno únicamente" que promueve el crecimiento de la capa y mejora las propiedades de barrera (Figura 2).

La capa protectora debe ser resistente a la exfoliación. En este estudio, el equipo realizó una prueba de rayado en la capa de α-Al2O3 formada en la aleación ODS-FeCrAl para medir la magnitud de la fuerza necesaria para rayar y pelar la capa con una aguja afilada. Los resultados muestran que la aleación ODS-FeCrAl tiene excelentes propiedades de adhesión. El mecanismo por el cual la capa de α-Al2O3 se vuelve resistente a la exfoliación se resume en la Figura 2. Primero, los óxidos de elementos reactivos formados desde el sustrato hacia la capa agarran firmemente la microestructura de la capa, como clavijas utilizadas para asegurar una tienda de campaña, y contribuyen a mejorar la fuerza de adhesión. A esto se le llama efecto de vinculación.

Se formó una interfaz inestable con una estructura en forma de jarra entre la capa de α-Al2O3 y el sustrato y, como se muestra en la Figura 3 (a), la profundidad de esta interfaz en forma de jarra se profundiza a medida que la capa se vuelve más gruesa. Además, como se muestra en la Figura 3(b), cuanto más profunda sea la interfaz dentada, mayor será la tensión de corte requerida para pelar la capa de α-Al2O3, es decir, más fuerte será la fuerza de adhesión de la capa. En el patrón con la ruta de difusión de oxígeno descrito anteriormente, el crecimiento de la capa se promueve de una manera moderadamente no uniforme, lo que da como resultado una interfaz irregular más profunda y un fuerte efecto de anclaje. Existen otros métodos para formar óxido y otras capas a través de una solución, pero en comparación con dichos métodos, las capas formadas en este estudio tienen una adhesión más fuerte y pueden resistir el flujo de metales líquidos con la estructura compacta.

El desarrollo de una tecnología de barrera compacta y resistente al desprendimiento ha brindado una perspectiva prometedora para extender la vida útil de los componentes de metal líquido, como mantas y desviadores de líquidos. Se espera que la implementación de tecnología de metales líquidos en plantas de energía avanzadas, como reactores de fusión y en tecnologías de desalinización y limpieza ambiental, estimule la creación de una sociedad neutra en carbono.

Tecnología de superficies y revestimientos

10.1016/j.surfcoat.2023.129787

Estudio experimental

No aplica

Excelente adhesión de la capa protectora de α-Al2O3 formada sobre aleaciones ODS FeCrAl

6-jul-2023

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