Microestructura y propiedades mecánicas de aceros de activación reducida endurecidos mediante dispersión de óxidos
- Autores: Julio Macías Delgado
- Directores de la Tesis: Teresa Leguey Galan (dir. tes.), Vanessa De Castro Bernal (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Sergi Lozano Pérez (presid.), Begoña Savoini Cardiel (secret.), Maria Nerea Ordas Mur (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Plasmas y Fusión Nuclear por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
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- Resumen
La sociedad actual consume una gran cantidad de energía, obtenida principalmente a partir de combustibles fósiles. En un futuro próximo, se prevé tanto un rápido aumento en la demanda global de energía como un fuerte aumento en los costes de extracción de estas fuentes de energía. De esta forma, los combustibles fósiles causarán un daño irreparable al medio ambiente a través de la emisión de gases de efecto invernadero. Además, las alternativas no fósiles, tales como las energías renovables y fisión nuclear, que podrían reemplazar el futuro uso masivo de combustibles son muy limitados. Para resolver este problema, se está llevando a cabo un gran esfuerzo en investigar otras fuentes de energía más eficientes que aseguren la sostenibilidad del medio ambiente. Dentro de este contexto, entra en juego la fusión nuclear, siendo una de las alternativas más prometedoras.
Hoy en día, se está llevando a cabo el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) con el cual se intenta demostrar que es posible producir energía mediante la fusión nuclear. Este proyecto permitirá realizar actividades de investigación y desarrollo, lo cual contribuirá al diseño de la próxima generación de reactores, como ‘DEMO’, que será la siguiente y única etapa entre ITER y los reactores comerciales de fusión. Los futuros reactores comerciales deberán estar diseñados para soportar condiciones mucho más extremas resultantes de la reacción de fusión y producir electricidad de manera rentable.
Por lo tanto, la selección de los materiales estructurales para el diseño del reactor de fusión es crucial en cuanto a la eficiencia energética y competitividad económica de la planta. Dentro de las aleaciones candidatas se encuentran los aceros ferríticos de activación reducida reforzados con óxidos (aceros RAF ODS), los cuales presentan una composición de Fe–(12–16)Cr–(1–2)W–(0.3–0.5)Ti–0.3Y2O3 (% en peso). Estos aceros exhiben una elevada resistencia a la fractura y a la fluencia a altas temperaturas, y una buena resistencia a la irradiación, lo cual permite operar hasta los 800 °C o temperaturas superiores. Por otro lado, muestran una buena resistencia a la corrosión y compatibilidad con los refrigerantes. Sus excelentes características son atribuidas al tamaño fino de grano, altas densidades de dislocación y especialmente a la presencia de una alta densidad de óxidos de escala nanométrica térmicamente estables (hasta 1000 °C), dispersados homogéneamente en la matriz de aleación.
Los principales inconvenientes de estos aceros es que se obtienen mediante procesos pulvimetalúrgicos, los cuales requiere un elevado consumo tiempo y son bastante costosos, siendo difícil su industrialización y producción a gran escala. Además, otras cuestiones críticas que necesitan ser resueltas son que los aceros ODS presentan propiedades anisotrópicas asociadas a los procesos pulvimetalúrgicos de fabricación y sistemáticamente muestran una débil tenacidad a la fractura, la cual es atribuida a diferentes causas como la porosidad residual, el contenido de impurezas, la presencia de partículas de carburo frágiles en los límites de los granos, el exceso de oxígeno en la matriz, al refinación de grano, etc.
Actualmente, existen varias rutas que actúan en las diferentes etapas del procesado de los aceros ODS y que tienen como objetivo común mejorar sus propiedades mecánicas. Una de las principales, se basa en la reducción del contenido de oxígeno en la matriz mediante el empleo de compuestos precursores de la dispersión de óxidos libres de oxígeno, como por ejemplo el compuesto intermetálico Fe2Y.
Otra ruta comúnmente recurrida consiste en aplicar en el material consolidado un tratamiento termomecánico (laminación en caliente o en frío y forja) y/o térmico. Sin embargo, a pesar de que estos tratamientos conducen a una mejora moderada en las propiedades de impacto, la anisotropía mecánica de los aceros ODS sigue siendo un inconveniente a solucionar.
La aplicación de una laminación cruzada en caliente ha mostrado tener efectos significativos en la microestructura, la textura cristalográfica, la anisotropía plástica y la distribución de tensiones residuales, reduciendo la dependencia direccional de las propiedades del material laminado. La laminación cruzada en caliente (HCR, hot cross rolling) ha comenzado recientemente a aplicarse en aceros ferríticos/martensíticos y ferríticos ODS.
El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido investigar diferentes parámetros de producción y procesado que permitan desarrollar aceros RAF ODS con una alta resistencia a la tracción, suficiente ductilidad y resistencia a la fractura y baja anisotropía. Para ello, se han producido diferentes aceros RAF ODS de composición similar mediante rutas pulvimetalúrgicas (aleación mecánica y compactación mediante prensado isostático en caliente, HIP). Se han analizado los efectos del tipo de precursor del refuerzo y el tamaño de partícula inicial, así como de los diferentes tratamientos termo-mecánicos (tratamientos térmicos y laminación cruzada en caliente, HCR) en la microestructura y se han correlacionado con sus propiedades mecánicas.
En primer lugar se ha investigado un acero ODS RAF, procesado a partir un polvo atomizado de composición nominal Fe–14Cr–2W–0.3Ti aleado mecánicamente con el compuesto intermetálico Fe2Y en un molino attritor.
Las condiciones investigadas han sido las siguientes:
- Acero AA-HIP, acero ODS sin tratamiento térmico.
- Acero AA-HIP-T1, acero ODS sometido a un tratamiento térmico de 1000 °C durante 30 min y enfriamiento al aire.
- Acero AA-HIP-T2, acero ODS sometido a un tratamiento térmico de 1000 °C durante 30 min y enfriamiento al aire, seguido de un segundo tratamiento térmico de 850 °C durante 2 h y enfriamiento al aire.
- Acero AA-HCR, acero ODS sometido HCR sin tratamiento térmico.
- Acero AA-HCR-T, acero ODS sometido HCR y posterior tratamiento térmico de 800 °C durante 2h y enfriamiento al aire.
Tras la consolidación y la aplicación de los diferentes tratamientos, la microestructura del acero se ha caracterizado mediante técnicas de microscopía, empleándose un microscopio electrónico de barrido (SEM, Scanning Electron Microscopy) y de transmisión (TEM, Transmission Electron Microscopy). Este estudio ha permitido comparar la estructura de grano y las fases secundarias del acero bajo diferentes condiciones.
El acero ODS tras la consolidación presenta una microestructura bimodal compuesta de regiones de granos submicrométricos y micrométricos. Los tratamientos térmicos no provocan cambios significativos. Sin embargo, la aplicación del HCR da lugar a una microestructura más homogénea formada por granos de menor tamaño alargados en las direcciones de laminación.
En todas las condiciones estudiadas se han observado tres tipos de partículas; precipitados de Cr-W, óxidos de Ti-Cr y óxidos de Y-Ti. Los precipitados de Cr-W (de morfología irregular) se encuentran localizados cerca de los límites de granos. El HCR disminuye el tamaño de estos precipitados e incrementa la homogeneidad de su distribución. Los óxidos de Ti-Cr, de forma redondeada, se han observado preferentemente cerca de los límites de granos y aunque también se pueden encontrar en el interior de los mismos. Algunos óxidos de Ti-Cr se han podido indexar como el compuesto Ti2CrO7. Estos óxidos no se ven alterados por los tratamientos termo-mecánicos. La disolución completa del precursor Fe2Y ha permitido la formación de nano-óxidos de Y-Ti de morfología redondeada, con un tamaño < 30 nm y homogéneamente distribuidas en la matriz. Estos nano-óxidos se han indexado como Y2TiO5 o Y2Ti2O7.
Las propiedades mecánicas de los aceros ODS consolidados mediante HIP se han optimizado mediante la aplicación del HCR, obteniéndose valores más altos de tensión máxima, tensión de deformación plástica y elongación total en todo el rango de temperaturas. Además, el HCR ha dado lugar a una menor DBTT y una USE mejorada.
La homogeneidad lograda en la estructura de los granos y la reducción del tamaño de los precipitados ricos en Cr-W tras el HCR podrían explicar la mejora en las propiedades mecánicas. Sin embargo, la gran cantidad de óxidos estables ricos en Ti-Cr, relacionados con un exceso de oxígeno en el material, parece ser un factor determinante que empeora las propiedades de impacto comparadas con la de otros aceros ODS. Aunque los procesos de post-consolidación como el HCR pueden beneficiar las propiedades mecánicas, parece que el tipo de molienda y el control de la atmósfera de la misma son factores claves para obtener una dispersión optimizada de las fases responsables del comportamiento de tenacidad.
Las características iniciales del polvo atomizado y el empleo de diferentes equipos de molienda en la aleación mecánica pueden provocar modificaciones en la microestructura del polvo mecánicamente aleado, lo cual repercutiría en las propiedades mecánicas del material consolidado. Por ello, también se ha realizado un estudio de dos aceros ODS RAF obtenidos a partir del mismo polvo atomizado de composición nominal Fe–14Cr–2W–0.4Ti pero distinto diámetro de partícula, y se han comparado con un acero sin refuerzo consolidado a partir del polvo atomizado.
En este caso, la molienda mecánica se ha realizado en un molino planetario empleándose el compuesto Y2O3 como precursor de la dispersión de óxidos. Los polvos mecánicamente aleados se han consolidado mediante HIP, aplicándose posteriormente una laminación cruzada en caliente y un tratamiento térmico.
Las condiciones investigadas han sido las siguientes:
- Acero Bo-HIP-T2, acero sin refuerzo sometido a un tratamiento térmico de 1000 °C durante 30 min y enfriamiento al aire, seguido de un segundo tratamiento térmico de 850 °C durante 2 h y enfriamiento al aire.
- Acero AB-HCR-T, acero ODS de mayor tamaño de partícula inicial, sometido a HCR y posterior tratamiento térmico de 1000 °C durante 2h y enfriamiento al aire.
- Acero AB-HCR-CT, acero ODS de mayor tamaño de partícula inicial, sometido a HCR y posterior tratamiento térmico de 1000 °C durante 2h y enfriamiento al aire más ciclos térmicos comprendidos entre 500 y 800 °C.
- Acero AC-HCR-T, acero ODS de menor tamaño de partícula inicial, sometido a HCR y posterior tratamiento térmico de 1000 °C durante 2h y enfriamiento al aire.
Se ha llevado a cabo un análisis de los polvos antes y después de la aleación mecánica, empleándose técnicas de difracción laser y de rayos X y microscopía SEM. El análisis de los polvos ha permitido determinar las fases cristalográficas presentes en los mismos, la distribución del tamaño de partícula y su composición química.
La caracterización microestructural se ha realizado tras la consolidación del material mediante HIP, tras el HCR y/o el tratamiento térmico, empleándose las técnicas de microscopía ya mencionadas (SEM, TEM). Para llevar a cabo un estudio pormenorizado de la microestructura se ha empleado la técnica de difracción de electrones retrodispersados (EBSD, Electron Back-Scatter Diffraction).
La microestructura del acero consolidado a partir de los polvos prealeados, sin aleación mecánica y sin la adición de refuerzo consiste en granos equiaxiales de tamaño micrométrico. Las fases secundarias observadas en el acero no reforzado han sido óxidos de Ti-Cr.
Tanto la microestructura como las fases secundarias de los aceros ODS producidos mediante la adición de Y2O3 son similares a las obtenidas en aceros ODS producidos a partir del compuesto Fe2Y.
Mediante la técnica EBSD se han obtenido mapas de funciones de distribución de orientación, color de grano y de desorientación promedio del núcleo, y figuras de polo inversa, a partir de los cuales se ha medido la orientación y desorientación cristalina y se ha analizado detalladamente la microestructura y la textura de los materiales.
La caracterización mediante EBSD muestra como tras la aplicación del HCR la mayor parte del material está totalmente recristalizado. Además, los aceros ODS presentan en los planos LS, TS y LT una textura compuesta por la fibra α con el máximo de intensidad en {001} <110> y la fibra ϒ con componentes próximas a {111} <110> y {111} <011>.
El efecto del endurecimiento de los aceros ODS mediante el refinamiento del grano y la adición de Y2O3 queda notablemente reflejado en las propiedades mecánicas. Los aceros ODS presentan unos valores de microdureza, de resistencia máxima y de tensión de deformación plástica muy superiores al acero no reforzado en todo el rango de temperatura estudiado. Por el contrario, el aumento de estas propiedades trae consigo una pérdida de ductilidad, provocando una reducción de los valores de elongación uniforme y total. Además, se observa una reducción de la anisotropía de las propiedades mecánicas entre las dos direcciones de laminación. Por otra parte, la DBTT medida en los ensayos Charpy es más baja que la mostrada por otros aceros ODS de composición similar sometidos a una laminación en caliente.
La aplicación de tratamientos ciclo-térmicos ha permitido ver como estos aceros ODS muestra una elevada estabilidad térmica, permaneciendo sus propiedades mecánicas prácticamente inalteradas.
Por último, se ha llevado a cabo un análisis comparativo en el que se ha analizado el efecto de los tratamientos termomecánicos, del tipo de precursor utilizado, del tamaño de partícula inicial del polvo y los efectos de anisotropía tras el HCR.
En cuanto al efecto de los tratamientos termomecánicos, los tratamientos térmicos han dado lugar al ablandamiento de los aceros ODS consolidados mediante HIP. Este puede atribuirse a la disminución de las tensiones residuales y densidad de dislocaciones presentes en el material debido a la aleación mecánica y compactación posterior. Mientras que el HCR mantiene la estabilidad de la microdureza ya que el ablandamiento producido al calentar la muestra se contrarresta con el endurecimiento originado por la reducción de tamaño de grano y las tensiones inducidas por el HCR. Por otro lado, la mejora de las propiedades mecánicas tras el HCR se atribuye al menor tamaño de grano lo que favorece el endurecimiento por límites de grano y al aumento de la densidad de dislocaciones provocada por la deformación que aporta el HCR.
En cuanto al efecto de la composición inicial del polvo, se ha realizado una comparación de los aceros en función del tipo de refuerzo utilizado. El acero no reforzado exhibe la menor microdureza y resistencia mecánica, pero la mayor ductilidad como consecuencia del menor endurecimiento por dislocaciones, endurecimiento por límites de grano y endurecimiento por dispersión de partículas. Los aceros reforzados a partir de diferentes precursores de dispersión de óxidos presentan resistencias mecánicas similares, mientras que el acero reforzado a partir de Y2O3 muestra mejores propiedades de ductilidad posiblemente debido a un tamaño de granos más homogéneo y a la mayor dispersión de los precipitados ricos en Cr-W.
El tamaño de la partícula inicial del polvo no ha provocado cambios microestructurales o de las propiedades mecánicas de relevancia.
Finalmente, se ha llevado a cabo una evaluación las diferencias observadas en las distintas direcciones tanto en la microestructura como en las propiedades mecánicas de los aceros sometidos a HCR, observándose que el aumento de la temperatura de laminación disminuye la anisotropía de las propiedades mecánicas entre los diferentes planos de laminación.
