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.
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Resumen en español
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 primera de estas composiciones, la segunda fue abordada en literatura y las ultimas dos descartadas. Se estudió la aptitud de las aleaciones para aplicaciones nucleares. 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.
Resumen en inglés
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.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Alloys; Aleaciones; [High entropy alloys; Aleaciones de alta entropía; Nuclear applications; Aplicaciones nucleares; Nanoprecipitates; Nanoprecipitados] |
| Referencias: | [1] Información obtenida del material de clases perteneciente a la materia materiales y combustibles nucleares dictada en el instituto balseiro en 2023. URL https://drive.google.com/drive/folders/1MlCGMw11gHg1m2x3MdTwHSjjvRCMTW4Q?usp=sharing. 1 [2] Callister, J. .-a. . R. D. G. a., William D. Materials science and engineering : an introduction, 10th edition / by William D. Callister, Department of Metallurgical Engineering, The University of Utah, David G. Rethwisch, Department of Chemical and Biochemical Engineering, The University of Iowa. ISBN-13: 9781119321590, 2018. 2, 3 [3] David A. Porter, K. E. E., Sherif, M. Y. Phase Transformations in Metals and Alloys, Fourth Edition. CRC Press, ISBN: 978-0-367-82077-0, 2022. 2, 3, 11 [4] Donald R.Askeland, W. J. W. Ciencia e Ingeniería de Materiales, Séptima edición. r Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc.Corporativo Santa Fe ISBN: 978-1-305-07710-2, 2017. 3 [5] Feng, R., Gao, M. C., Zhang, C., Guo, W., Poplawsky, J. D., Zhang, F., et al. Phase stability and transformation in a light-weight high-entropy alloy, 2018. URL http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan. 4 [6] Lindahl, B. B., Burton, B. P., Selleby, M. Ordering in ternary bcc alloys applied to the Al-Fe-Mn system. Calphad: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry, 51, 211–219, 12 2015. 5 [7] Roca, P. L., Baruj, A., Sade, M. Shap. mem. superelasticity 3. págs. 37–48, 12 2017. 5 [8] Jeong, I. S., Lee, J. H. Single-phase lightweight high-entropy alloys with enhanced mechanical properties. Materials and Design, 227, 3 2023. 5, 23 [9] Feng, R., Zhang, C., Gao, M. C., Pei, Z., Zhang, F., Chen, Y., et al. High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloys. Nature Communications, 12, 12 2021. 5, 6, 21, 23, 26, 27, 28, 29, 30, 38, 39, 58 [10] Pickering, E. J., Carruthers, A. W., Barron, P. J., Middleburgh, S. C., Armstrong, D. E., Gandy, A. S. High-entropy alloys for advanced nuclear applications, 1 2021. 5, 6 [11] Moschetti, M., Burr, P., Obbard, E., Kruzic, J. J., Hosemann, P., Gludovatz, B. Design considerations for high entropy alloys in advanced nuclear applications. Journal of Nuclear Materials, 567, 8 2022. 6, 24, 26, 27 [12] I.S. Wani T. Bhattacharjee S. Sheikh Y.P. Lu S.Chatterjee PP. Bhattacharjee S. Guo, N. T. Ultrafine-geined AlCoCrFeNi2 eutectic high-entropy alloy mater. p´ags. 37–48, 12 2016. 6 [13] He, J. Y., Wang, H., Huang, H., Xu, X., Chen, M., X.J., Y. W., et al. A precipitation-hardened high-entropy alloy with outstanding tensile properties, 12 2016. 6 [14] Wang, Q., Ma, Y., Jiang, B., Li, X., Shi, Y., Dong, C., et al. Liaw a cuboidal B2 nanoprecipitationenhanced body-centered-cubic alloy Al0.7CoCrFe2Ni with prominent tensile properties, 12 2016. 6 [15] Du, J., Jiang, S., Cao, P., Xu, C., Wu, Y., Chen, H., et al. Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices. Nature Materials, 22, 442–449, 4 2023. 6 [16] Guerrero, L. M. Tesis doctoral: Estudio de transformaciones martensíticas en aleaciones de femncr, 6 2021. 11, 12 [17] Microscopio electrónico de barrido: qué es y cómo funciona, ingresado el 03/03/2024. URL https://www.blog.metalinspec.com.mx/ que-es-y-como-funciona-un-microscopio-electronico-de-barrido. 13 [18] Bruker - what is eds/edx introducing energy dispersive x-ray spectroscopy. URL https://www.bruker.com/en/landingpages/bna/technology/what-is-eds.html. 14 [19] Difracción de rayos x, servicios técnicos de investigación, universidad de alicante, ingresado el 04/03/2024. URL https://sstti.ua.es/es/instrumentacion-cientifica/unidad-de-rayos-x/difraccion-de-rayos-x.html. 15, 44 [20] Difracción de rayos x, wikipedia, ingresado el 04/03/2024. URL https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Loi_de_bragg.png. 16 [21] Cálculo de dureza: Brinell, rockwell y vickers, senati,ajuste, montaje, verificación y control de máquina/mecanismo , ingresado el 04/03/2024. URL https://gomez2010.weebly. com/uploads/5/8/0/2/5802271/89001495_ajuste_montaje_verificacion_y_control_de_ maquinas_-_parte_i_5_5_2_2.pdf. 17 [22] Testing, A. S. F., Materials. Standard reference test method for making potentiostatic and potentiodynamic anodic polarization measurements. pág. 6. 18 [23] Xu, Z., Zhang, H., Du, X., He, Y., Luo, H., Song, G., et al. Corrosion resistance enhancement of CoCrFeMnNi high-entropy alloy fabricated by additive manufacturing, 12 2020. 19 [24] Takeuchi, A., Inoue, A. Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element. 22 [25] Yang, X., Zhang, Y. Prediction of high-entropy stabilized solid-solution in multi-component alloys. Materials Chemistry and Physics, 132, 233–238, 2 2012. 22, 23 [26] Guo, S., Ng, C., Lu, J., Liu, C. T. Effect of valence electron concentration on stability of fcc or bcc phase in high entropy alloys. tomo 109. 2011. 23 [27] Calculate activation - calculadora de análisis por activación neutrónica - frm ii. URL https: //webapps.frm2.tum.de/activation/. 24 [28] Nist center for neutron research - neutron scattering lengths and cross sections. URL https: //www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/. 26, 27 [29] Claramonte, S. P. Tesis de maestría en ingeniería: Estudio experimental de desgaste por fretting en tubos de generadores de vapor nucleares. pág. 160, 4 2017. 60 [30] Chemical elements by market price. URL http://www.leonland.de/elements_by_price/list.65 [31] Cieslak, G., Dabrowa, J., Jawanska, M., Parzuchowska, A., Oleszak, D. Microstructure and mechanical properties of the ductile Al–Ti–Mo–Nb–V refractory high entropy alloys, 12 2021. 65 [32] Polishetty, A., Manohar, M., Barla, R., Littlefair, G., Fabijanic, D. Machinability assessment of multi component high entropy alloys, 7 2015. 65 [33] Senkov, O. N., Miracle, D. B., Chaput, K. J., Couzinie, J.-P. Development and exploration of refractory high entropy alloys—a review, 6 2018. 65 |
| Materias: | Física > Física de materiales |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Ciencias de materiales > Física de metales |
| Código ID: | 1270 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 12 Sep 2024 15:52 |
| Última Modificación: | 12 Sep 2024 15:52 |
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