Desarrollo de aceros de alta entropía para la industria nuclear

En el presente trabajo se estudiaron aleaciones alta entropía de composiciones Al_15Cr_5Fe_50Mn_25Ti_5, Al_20Cr_5Fe_50Mn_20Ti_5, Al_20Cr_5Fe_45Mn_25Ti_5 y Al_15Cr_5Fe_45Mn_30Ti_5. Dado los resultados que se fueron obteniendo y la disponibilidad de tiempos, se optó por profundizar el estudio en la pr...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Moine, Abril
Formato:	Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:	Español
Publicado:	2024
Materias:	Física de materiales Alloys Aleaciones [High entropy alloys Aleaciones de alta entropía Nuclear applications Aplicaciones nucleares Nanoprecipitates Nanoprecipitados]
Acceso en línea:	http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1270/1/1Moine.pdf
Aporte de:	Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro

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Por un lado, se realizó un análisis de activación neutrónica donde se mostró que estas no presentan mayores problemas en comparación con las aleaciones utilizadas actualmente en la industria, esto las coloca como alternativa viable para aplicaciones como materiales estructurales de reactores. Por otro lado, se utilizó un parámetro de comparación que contempla las propiedades mecánicas mostradas en trabajos anteriores y la sección eficaz de absorción neutrónica, con este se mostró que las aleaciones pueden ser comparables a aleaciones de aluminio. Si bien analizando este parámetro comparativo no se alcanza la prestación de las aleaciones de base circonio, su buena respuesta mecánica a altas temperaturas justifica el estudio de las mismas. Se fabricaron las aleaciones con distintos métodos y se encontró que la forma optima de obtenerlas era fundiendo los elementos puros en un horno de inducción con atmósfera de argón y utilizando un crisol de alúmina contenido en un crisol de carbono vítreo. Mediante este método repitiendo dos veces la fundición se comprobó una buena homogeneidad en las muestras obtenidas. Se realizaron tratamientos térmicos a distintas temperaturas con posteriores templados en agua o enfriamientos en aire hasta temperatura ambiente. Luego, se estudiaron las microestructuras obtenidas con estos tratamientos térmicos y se relacionaron con la dureza y la resistencia a la corrosión de la aleación. Se realizó el análisis de microestructura de la aleación mediante el uso de técnicas de difracción de rayos X, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (EDS y EDS Mapping) y microscopía electrónica de transmisión (imágenes STEM, patrones de difracción, imágenes de campo claro y campo oscuro y patrones de haz convergente). Mediante el uso de difracción de rayos X se obtuvo que las primeras dos aleaciones mencionadas presentan una estructura cristalina BCC con parámetro de red de (2,91 ± 0,01) Å . Además, para la primera aleación se encontró la presencia de precipitados coherentes con ordenamiento tipo L2_1 ricos en aluminio, hierro y titanio, cuyo tamaño variaba en función del tratamiento térmico. También se observó la formación de segregaciones de estructura cúbica para determinados tratamientos térmicos. En particular, se identificó esta segunda fase como una estructura similar a la de β-Manganeso y se obtuvieron resultados consistentes entre las técnicas de difracción de RX y TEM. Se relacionó la variación en la dureza de la muestra en función de la microestructura obtenida luego de los tratamientos térmicos. Se obtuvo que la combinación de segregaciones con una fase similar a la de β-Manganeso en conjunto con la presencia de precipitados de distintos tamaños maximiza la dureza de la aleación. Se realizó una comparación de la resistencia a la corrosión entre la aleación más estudiada y el acero 420 TR. Se obtuvo que nuestra aleación tiene mayor tendencia a corroerse que este acero. In the present work, high entropy alloys with compositions Al_15Cr_5Fe_50Mn_25Ti_5, Al_20Cr_5Fe_50Mn_20Ti_5, Al_20Cr_5Fe_45Mn_25Ti_5 and Al_15Cr_5Fe_45Mn_30Ti_5 were studied. Given the results obtained and the availability of time, it was decided to deepen the study in the first of these compositions, the second was addressed in literature and the last two were discarded. The suitability of the alloys for nuclear applications was studied. On the one hand, a neutron activation analysis was performed, which showed that the alloys do not present major problems compared to the alloys currently used in the industry, which makes them a viable alternative for applications such as structural materials for reactors. On the other hand, a comparison parameter was used that includes the mechanical properties shown in previous works and the macroscopic effective section of neutron absorption, which showed that the alloys can be comparable to aluminum alloys. Although analyzing this comparative parameter does not achieve the performance of zirconium-based alloys, their good mechanical response at high temperatures justifies the study and their proposal for nuclear applications. These alloys were manufactured with different methods and it was found that the optimum way to obtain them was by melting the pure elements with an induction furnace with argon atmosphere and using an alumina crucible contained in a glassy carbon crucible. The homogeneity of the sample was obtained after two melting of the sample with this method. Heat treatments were carried out at different temperatures and cooling at room temperature and tempering. Then, the microstructure obtained with these treatments was studied and related to the mechanical properties of the alloy. Alloy microstructure analysis was performed using X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy (EDS and EDS mapping) and transmission electron microscopy techniques (STEM imaging, diffraction patterns, brightfield and darkfield imaging and convergent beam patterns). Through the use of X-ray diffraction it was obtained that the first two alloys mentioned above present a BCC crystalline structure with lattice parameter of (2.91 ± 0.01) Å. In addition, for the first alloy it was found the presence of coherent precipitates with L2_1 ordering rich in aluminum, iron and titanium whose size varied depending on the thermal treatment. The formation of cubic structure segregations was also observed for certain heat treatments. The variation in the hardness of the sample was related to the microstructure obtained after the thermal treatments. It was obtained that the combination of segregations with a phase similar to β-Manganese together with the presence of precipitates of different sizes maximizes the hardness of the alloy. A comparison of corrosion resistance was conducted between the most studied alloy and 420 TR steel. It was found that our alloy has a greater tendency to corrode than this steel. 2024-06-25 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1270/1/1Moine.pdf es Moine, Abril (2024) Desarrollo de aceros de alta entropía para la industria nuclear / Development of high entropy steels for the nuclear industry. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1270/

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